左 芳，安 鵬，鄭朝暉，丁小斌，彭宇行

(1.西南民族大學(xué) 化學(xué)與環(huán)境保護(hù)學(xué)院，四川 成都 610041； 2.中國(guó)科學(xué)院 成都有機(jī)化學(xué)研究所,四川 成都 610041)

金納米粒子有許多優(yōu)點(diǎn)：金是一種惰性元素，在納米尺度范圍內(nèi)是最穩(wěn)定的貴金屬；金和硫元素之間可以形成穩(wěn)定的化學(xué)鍵，這有利于在其表面自組裝帶有各種官能團(tuán)的單分子層[1，2]。金納米粒子的這些性質(zhì)再結(jié)合其優(yōu)異的導(dǎo)電性和生物相容性，獨(dú)特的光電、催化特性，使其在量子物理、信息存儲(chǔ)、生物醫(yī)學(xué)和傳感器領(lǐng)域都有著巨大的應(yīng)用前景，引起了人們廣泛的興趣[3]。

二茂鐵(FcH)及其衍生物作為優(yōu)良的電子媒介體，其氧化還原形式能穩(wěn)定存在，且具有快速可逆的電極反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，它還能定量的參與某些特定物質(zhì)的氧化還原反應(yīng)，因此被廣泛應(yīng)用于電化學(xué)合成、電分析、電催化和生物傳感研究領(lǐng)域[4，5]。FcH及其大多數(shù)衍生物的疏水特性在一定上限制了其在生物傳感器領(lǐng)域的應(yīng)用。

Scheme1

油溶性二茂鐵功能化金納米粒子的合成已有文獻(xiàn)[6，7]報(bào)道，但水溶性的二茂鐵功能化納米粒子的相關(guān)研究還未見文獻(xiàn)報(bào)道。為此，本文以聚乙二醇(PEG)為原料，經(jīng)4步反應(yīng)合成了一種端基為二茂鐵的PEG硫醇配體(Fc-PEG-SH，Scheme 1)；采用兩相法制備了油胺(OAm)保護(hù)的金納米粒子(OAm/nanoAu);采用配體交換法合成了一種二茂鐵功能化的水溶性金納米粒子(Fc-PEG/nanoAu)，其結(jié)構(gòu)和性能經(jīng)UV-Vis，1H NMR，IR，TGA，XPS，TEM及循環(huán)伏安法表征和分析。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1．1 儀器與試劑

Shimadzu UV-2401 PC UV-Visible型紫外光譜儀(200 nm～800 nm); Bruker AMX-300型核磁共振儀(CDCl3為溶劑，TMS為內(nèi)標(biāo))；Nicolet 200SXV-1型FT-IR紅外光譜儀(KBr壓片)； TA Instrument Q50型熱重分析儀(TGA，N2，0 ℃～800 ℃，升溫速度10 ℃·min-1; XSAM800型多功能表面分析儀(XPS, MgKα靶，起飛角20°)； Hitachi HU-11B型透射電鏡儀(TEM，加速電壓100 kV)； HDV-7C晶體管恒電位儀和HD-1A信號(hào)發(fā)生器連用，ITO玻璃為工作電極，有效面積0.5 cm2，對(duì)電極為鉑絲電極，飽和甘汞電極為參比電極，實(shí)驗(yàn)用溶液都經(jīng)過除氧處理，且在N2保護(hù)下進(jìn)行。

氯化金(HAuCl4·4H2O)，硫代乙酸鉀和油胺,分析純,國(guó)藥集團(tuán)；硼氫化鈉和PEG(M=950～1 050)，分析純，成都科龍化工試劑廠；對(duì)甲苯磺酰氯(TsCl)，分析純，中國(guó)醫(yī)藥集團(tuán)上?；瘜W(xué)試劑公司，用前經(jīng)石油醚(60 ℃～90 ℃)重結(jié)晶；二環(huán)己基碳二亞胺(DCC)，分析純,上海佘山化學(xué)試劑廠，分析純;4-二甲氨基吡啶(DMAP)，純度99%，成都埃斯特公司；其余所用試劑均為分析純；所用水均為一次蒸餾水。

1．2 合成

(1) Ts-PEG-OH的合成[8]

在反應(yīng)瓶中加入PEG 10.0 g(10.0 mmol)的干燥CH2Cl2(180 mL)溶液，攪拌下加入新制備的Ag2O 3.476 g(1.50 eq．, 15.0 mmol)和KI 664 mg(0.40 eq., 4.0 mmol)，于0 ℃攪拌30 min。迅速加入TsCl 2.0 g(1.05 eq., 10.05 mmol)的干燥CH2Cl2(20 mL)溶液，于0 ℃反應(yīng)2 h。過濾(74 μm～79μm硅膠)，濾液濃縮至約70 mL，在丙酮/干冰浴中，用乙醚500 mL沉淀(反復(fù)兩次)得白色固體Ts-PEG-OH,產(chǎn)率85%;1H NMRδ： 7.76(d, 2H，ArH), 7.31(d, 2H，Ar), 4.15(t, 2H，CH2OTs), 3.86～3.39[m, (CH2OCH2)n], 3.12(t, 2H, CH2), 2.83(t, 2H, CH2), 2.63(br s, 1H，OH), 2.42(s, 3H，CH3)； FT-IRν: 1 594, 1 451, 1 349, 817 cm-1。

(2) KS-PEG-OH的合成

在反應(yīng)瓶中加入Ts-PEG-OH 11.7 g(10 mmol)，硫代乙酸鉀2.85 g(25 mmol)和DMF 50 mL，攪拌使其溶解后于室溫反應(yīng)7 h。蒸除溶劑至約10 mL，加水100 mL后用CH2Cl2萃取，合并萃取液，用無水硫酸鈉干燥;蒸出溶劑，殘余物于50 ℃干燥24 h得紅棕色固體KS-PEG-OH,產(chǎn)率91.5%;1H NMRδ： 3.64～3.49[m, (CH2O CH2)n], 3.10(t, 2H, CH2CH2S), 3.02(t, 2H, SCH2), 2.25(s, 3H, COCH3)。

(3) Fc-PEG-KS的合成

在反應(yīng)瓶中加入KS-PEG-OH 5.37 g(5 mmol)，二茂鐵甲酸(FCO)1．26 g(5.5 mmol), DMAP 60 mg(0.5 mmol)及CH2Cl215 mL，攪拌使其完全溶解；于室溫滴加DCC 1.25 g(6.0 mmol)的CH2Cl2(15 mL)溶液，滴畢，于室溫反應(yīng)48 h。過濾，濾液依次用1 mol·L-1HCl溶液、飽和NaCl溶液洗滌，無水NaSO4干燥，旋蒸除劑至約10 mL，倒入200 mL冷的正己烷中沉淀，過濾，濾餅用CH2Cl2洗滌兩次得紅棕色固體Fc-PEG-KS，產(chǎn)率84%。

(4) Fc-PEG-SH的合成

在反應(yīng)瓶中加入Fc-PEG-KS 514 mg(0.4 mmol)的甲醇(50 mL，經(jīng)脫氣除氧)溶液，通N2除氧30 min。加入甲醇鈉224 mg(4.0 mmol)的甲醇(8 mL，同上)溶液，N2保護(hù)下于室溫反應(yīng)12 h。加入飽和NH4Cl溶液終止反應(yīng)，用CH2Cl2(3×120 mL)萃取，合并萃取液，用飽和NaCl溶液洗滌，無水Na2SO4干燥；旋蒸除溶后于40 ℃真空干燥24 h后得深黃色固體Fc-PEG-SH，產(chǎn)率91%；1H NMRδ： 3.61[m, (H2OCH2)n], 4.17(s, 5H,η-C5H5), 4.35(s, 2H,η-C5H5CO), 4.76(s, 2H,η-C5H5CO)； FT-IRν: 1 711，1 098 cm-1。

(5) OAm/nanoAu的合成

將OAm 5.0 mL溶于甲苯(45 mL)中得OAm溶液，加入HAuCl41.0 g，攪拌使其溶解得溶液A。取A 5 mL加入甲苯55 mL，攪拌下緩慢滴加新配制的NaBH4120 mg的水(12 mL)溶液(10 min);于室溫劇烈攪拌2 h。分液，有機(jī)層用水洗滌兩次，用甲醇沉淀、離心分離(重復(fù)兩次)，取上層清液得OAm/nanoAu甲苯溶液60 mL。

(6) Fc-PEG/nanoAu的合成

在反應(yīng)瓶中加入OAm/nanoAu甲苯溶液10 mL,強(qiáng)烈攪拌下加入Fc-PEG-SH 40 mg的甲苯(10 mL)溶液，于室溫反應(yīng)30 min后加水20 mL，繼續(xù)攪拌30 min。分液，透析4 d得Fc-PEG/nanoAu水溶液(為測(cè)試方便可將水旋蒸除去得黑色固體，用于測(cè)試)。

2 結(jié)果與討論

2．1 合成

為了避免Fc-PEG-SH中二茂鐵基團(tuán)被氯金酸氧化，采用兩步法合成Fc-PEG-SH穩(wěn)定的金納米粒子Fc-PEG/nanoAu。首先采用甲苯/水兩相法制備OAm/nanoAu，然后采用配體交換法制備Fc-PEG/nanoA。 OAm作為nanoAu的保護(hù)劑有以下好處：用OAm穩(wěn)定的nanoAu甲苯溶液經(jīng)甲醇沉淀后得到的粒子即使干燥后放置數(shù)天仍可以很好的分散在甲苯、二氯甲烷等有機(jī)溶劑中。另外OAm與nanoAu之間的作用較弱，很容易被硫醇配體交換下來[9，10]。在實(shí)驗(yàn)中當(dāng)Fc-PEG-SH加入到OAm/nanoAu甲苯溶液中攪拌5 min后nanoAu即可全部轉(zhuǎn)移到水層。

2．2 表征

(1) IR和1H NMR

OAm, OAm/nanoAu, Fc-PEG/nanoAu及Fc-PEG-SH的IR譜圖見圖1。

ν/cm-1

對(duì)比Fc-PEG/nanoAu和OAm/nanoAu的IR譜圖可知，3 002 cm-1，1 642 cm-1和1 567 cm-1處OAm特征峰消失，而在1 708 cm-1和1 111 cm-1處分別出現(xiàn)了羰基和醚鍵吸收峰，且它們與Fc-PEG-SH的羰基和醚鍵吸收峰一致。說明Fc-PEG-SH將OAm全部置換掉，并成功接枝到nanoAu表面。其次，F(xiàn)c-PEG/nanoAu與Fc-PEG-SH的1H NMR譜圖(圖2)比較，F(xiàn)c-PEG/nanoAu譜圖上與Fc-PEG-SH相對(duì)應(yīng)的位置出現(xiàn)了質(zhì)子信號(hào)，但是由于分子之間互相靠近，F(xiàn)c-PEG/nanoAu的氫譜變得鈍而寬，進(jìn)一步說明二茂鐵基團(tuán)成功地引入到nanoAu表面。

(2) TGA和XPS

圖3為Fc-PEG/nanoAu的TGA曲線。由圖3可知，F(xiàn)c-PEG/nanoAu表面有機(jī)物含量將近75%，測(cè)試前Fc-PEG/nanoAu溶液經(jīng)過透析處理，物理吸附的配體基本上通過透析方法除去，表明Fc-PEG/nanoAu表面的有機(jī)層比較厚。采用XPS對(duì)Fc-PEG/nanoAu中的元素組成進(jìn)行了分析(圖4)。從圖4可以看出，全譜中出現(xiàn)O 1s(533 eV)，C 1s(287 eV)，S 2p(163.5 eV，二硫化物)，Au 4f(86 eV)這四種元素的特征信號(hào)，但是相對(duì)C和O元素而言，Au的信號(hào)較弱，與TGA結(jié)果一致也說明了Fc-PEG/nanoAu表面有機(jī)層較厚，從而使得Au元素不易被檢測(cè)到，并且C單譜中出現(xiàn)了C-O的特征信號(hào)，證實(shí)Fc-PEG/nanoAu表面PEG的存在。

δ

Temperature/℃

(3) UV-Vis和TEM

用UV-Vis和TEM對(duì)OAm/nanoAu和Fc-PEG/nanoAu的粒徑及其分散狀態(tài)進(jìn)行了考察(圖5和圖6)。從圖5可見，OAm/nanoAu在甲苯溶液中的SPR最大吸收波長(zhǎng)在512 nm，而Fc-PEG/nanoAu在515 nm，基本沒有變化，并且峰形一致，說明配體交換前后nanoAu的粒徑及分散狀態(tài)沒有改變，這也可以從兩種nanoAu都具有相同的酒紅色加以證明。由圖6可知，經(jīng)過配體交換后，F(xiàn)c-PEG/nanoAu粒子尺寸和形狀基本保持不變，粒子分散均勻，粒徑均一，粒徑在4 nm左右；粒子形狀接近球形，無團(tuán)聚發(fā)生，分散性很好。

B.E./eV

B.E./eV

λ/nm

OAm/nanoAu Fc-PEG/nanoAu

2．3 電化學(xué)分析

圖7是Fc-PEG/nanoAu和Fc-PEG-SH的循環(huán)伏安曲線。由圖7可見，固載于金納米粒子表面的二茂鐵基團(tuán)的氧化電位較之Fc-PEG-SH中的氧化電位降低，氧化電位降低可能由于納米金顆粒小尺寸效應(yīng)的影響，使其發(fā)生漂移。表明納米金顆粒促進(jìn)了二茂鐵的氧化還原反應(yīng)，降低了活化能，促進(jìn)了內(nèi)電荷向電極表面的轉(zhuǎn)移，使反應(yīng)需要較小的電勢(shì)[11，12]。

E/mV vs.SCE

3 結(jié)論

采用配體交換法成功的合成了一種水溶性的二茂鐵功能化的金納米粒子，透射電鏡分析結(jié)果顯示，這種納米粒子的粒徑在4 nm左右，且分散良好。循環(huán)伏安實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明二茂鐵組裝到金納米粒子表面后，其氧化電位降低，這是因?yàn)榻鸺{米粒子可以提高體系中的電子轉(zhuǎn)移速率。這種具有氧化還原活性的金納米粒子可以作為標(biāo)記物應(yīng)用于生物免疫傳感器中。此外PEG包覆的金納米粒子在醫(yī)學(xué)、生物傳感等領(lǐng)域有應(yīng)用前景。因此，該二茂鐵功能化的水溶性金納米粒子的制備是一項(xiàng)很有意義的工作。

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