馬 濤， 曾 艷， 韓彥偉， 艾秋爽， 梁 峰

(武漢科技大學化學與化工學院，湖北武漢 430081)

納米材料由于其獨特的性質[1 - 2]，給生物、光電、物理、化學、醫(yī)藥和材料等領域帶來了深遠的影響[3 - 5]。目前，利用金納米材料的特性進行的光熱療法已成為生物醫(yī)療領域關注的熱點[6]，而金納米星(Au-NSs)是一種非對稱且具有尖銳邊緣結構的納米材料，相對于其他金納米材料，有著極好的光熱效應和優(yōu)異的催化活性[7]。與常規(guī)尺寸Au-NSs(～80 nm)相比，小尺寸Au-NSs(～40 nm)具有更好的特性[8 - 9]。小尺寸Au-NSs有更好的光熱效應；在利用Au-NSs光熱治療時，特別是進行活體治療，小尺寸Au-NSs更易于被細胞吞入，能更好地發(fā)揮Au-NSs的光熱特性從而殺死腫瘤細胞[10]。小尺寸Au-NSs體積小，易被代謝出體外，不會因大量積累的殘留而影響正常的生命活動[11]。

Au-NSs的制備一般用一步合成法[12]和種子生長法[13]。其中，種子生長法可調節(jié)Au-NSs的大小[14 - 15]。本文通過種子生長法，以聚乙烯吡咯烷酮(PVP)包裹的2 nm Au-NPs作為金種[16]，制備出尺寸僅有40 nm左右的Au-NSs。通過實驗條件的優(yōu)化，建立了一種能夠簡單、穩(wěn)定制備小尺寸Au-NSs的方法。

1 實驗部分

1.1 實驗儀器與試劑

BSA124S電子天平(北京賽多利斯儀器有限公司)；數(shù)顯加熱型磁力攪拌器(北京大龍興創(chuàng)實驗儀器有限公司)；FE20K pH 計(梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司)；電熱恒溫鼓風干燥箱(上海精宏實驗設備有限公司)；TG20M離心機(長沙平凡儀器儀表有限公司)；KQ2200D數(shù)控超聲波清洗器(昆山市超聲儀器有限公司)；JEM-2100 UHR高分辨透射電子顯微鏡(TEM)(日本，電子JEOL1103)。

HAuCl4·4H2O(Au≥47.8%，Sigma-Aldrich)；二水合檸檬酸三鈉(分析純，國藥集團化學試劑有限公司)；NaBH4(≥96.0%，國藥集團化學試劑有限公司)；抗壞血酸(AA)(分析純，國藥集團化學試劑有限公司)；HCl(信陽市化學試劑廠)；AgNO3(分析純,上海化學試劑有限公司)。實驗用水為去離子水。

1.2 小尺寸Au-NSs(～40 nm)的制備

1.2.1金種的制備將555.5 mg PVP加入到1 mL 0.05 mol/L HAuCl4溶液中，冰浴條件下，以500 r/min攪拌30 min。迅速向上述溶液中加入5 mL 0.1 mol/L NaBH4溶液，溶液由淺黃色變?yōu)樯钭厣?，透?4 h以除去溶液中的Na+和Cl-，避免這兩種離子破壞Au∶PVP的穩(wěn)定性。透析后，水洗三次，并稀釋到100 mL，得到PVP包裹的Au-NPs溶液，置于4 ℃冰箱內保存。

1.2.2生長液的制備將500 μL 1 mol/L HCl，500 μL 0.01 mol/L AgNO3溶液依次加入到50 mL 2.5×10-4mol/L HAuCl4溶液中，500 r/min攪拌30 s，制得生長液。

1.2.3Au-NSs(～40nm)的制備冰浴條件下向生長液中加入金種溶液，5 min后取出，回升至室溫后，加入0.1 mol/L AA溶液，得深藍色的Au-NSs膠體溶液，在10 000 r/min下離心15 min，用水洗滌、離心3次。移除上清液，將得到的混合物在60 ℃ 下真空干燥，得到Au-NSs固體。

2 結果與討論

2.1 種子生長法制備小尺寸Au-NSs 條件的優(yōu)化

2.1.1生長液、金種和AA配比的優(yōu)化見圖1，Au-NSs的紫外-可見-近紅外(UV-Vis-NIR)光譜最大吸收峰在600～850 nm，金球的UV-Vis-NIR的最大吸收峰在500～600 nm。控制生長液和AA(0.1 mol/L)溶液的量分別為6 mL和70 μL，金種的用量分別為60、90、120、150 μL。Au-NSs 的形成與生長液和金種的配比密切相關。生長液用量過少時，一部分金種長出尖端，一部分金種仍是球形，UV-Vis-NIR圖譜中會出現(xiàn)兩個吸收峰，如圖1中曲線1所示。生長液過量時，AA將過量的Au3+還原成Au0，Au0向已成形的Au-NSs周圍聚集。在封端劑AgNO3的作用下Au-NSs不再生長，多余的Au0填滿Au-NSs表面的“溝壑”部分，使原本成形的Au-NSs長成大尺寸的金球。如圖1中的曲線3、4所示，生長液越過量，金球的尺寸越大，在UV-Vis-NIR圖上表現(xiàn)出明顯的紅移。在曲線1、3、4中都存在大量的金球，只有生長液和金種溶液在合適的配比情況下(生長液∶金種=6 000 μL∶90 μL)才能生長出Au-NSs，如圖1中曲線2所示。

2.1.2溫度的影響見圖2，按生長液∶金種∶AA=6 000 μL∶90 μL∶70 μL比例配得溶液，室溫下制得，發(fā)現(xiàn)溶液呈紅色。Au-NSs的膠體溶液應呈深藍色，金納米球的膠體溶液則為紅色，從溶液顏色上可判斷無Au-NSs的生成。其UV-Vis-NIR圖譜如圖2中曲線4所示，其UV-Vis-NIR最大吸收峰在550 nm左右，進一步說明該條件下不能制備出Au-NSs。在冰浴下反應，得到酒紅色溶液，其UV-Vis-NIR圖譜如圖2中曲線3所示，UV-Vis-NIR最大吸收峰在570 nm左右，沒有Au-NSs的生成。依然按上述比例，將生長液在冰浴放置15 min，降溫至1～2 ℃時加入金種溶液，5 min后取出，回升至室溫，加入AA，溶液由淺黃色變?yōu)樯钏{色，如圖2中曲線1所示，最大吸收峰在650 nm左右，與文獻報道相符[17]。依據(jù)曲線1的實驗條件多次重復，得到同樣的實驗結果，如圖2中曲線2所示，說明此條件下可以穩(wěn)定地制備出Au-NSs。

圖1 不同金種用量制備的Au-NPs的UV-Vis-NIR圖譜Fig.1 UV-Vis-NIR absorbance spectra of Au-NPs prepared with different amounts of gold seeds 1:60 μL;2:90 μL;3:120 μL;4:150 μL.

圖2 不同反應溫度制得Au-NSs的UV-Vis-NIR圖譜Fig.2 UV-Vis-NIR absorbance spectra of Au-NSs prepared under different temperatures 1:added gold seeds solution into growth solution in ice bath then the AA was added after the temperature of solution rise again to room temperature;2:repetition of 1;3:ice bath;4:room temperature.

為進一步探究Au-NSs的尺寸，取圖2中曲線2所代表的樣品，進行透射電鏡(TEM)表征，如圖3所示。從TEM圖中可以看到Au-NSs的尺寸僅有40 nm左右，這大大地小于常規(guī)Au-NSs的尺寸(～80 nm)。

圖3 初步實驗條件下制備的Au-NSs的透射電鏡(TEM)圖Fig.3 TEM images of Au-NSs prepared under tested conditions

2.2 制備小尺寸Au-NSs中生長液條件的優(yōu)化

圖4 不同HAuCl4用量配得的生長液制備的不同Au-NSs的UV-Vis-NIR圖譜Fig.4 UV-Vis-NIR absorbance spectra of Au-NSs prepared from different HAuCl4 growth solution Among them,1,2,3,4 and 5 were prepared from 3 mL,4 mL,5 mL,6 mL,7 mL of HAuCl4,respectively.

2.2.1生長液中HAuCl4用量的優(yōu)化種子生長法制備Au-NSs時，HAuCl4量與金種量的配比對Au-NSs形貌和尺寸起決定性作用。通過配制含有不同HAuCl4量的生長液，固定金種(90 μL)和AA(0.1 mol/L，70 μL)的用量，達到改變HAuCl4和金種配比的效果。其中生長液中，0.01 mol/L AgNO3和1 mol/L HCl的量都為60 μL，2.5×10-4mol/L的HAuCl4的量分別為3、4、5、6、7 mL。Au-NSs的UV-Vis-NIR的最大吸收峰與其尺寸大小有關，最大吸收峰會隨著Au-NSs尺寸的增大而出現(xiàn)紅移。如圖4所示，曲線1、2、4的最大吸收峰大約在700 nm左右，說明這三種Au-NSs的尺寸較大。相比于曲線5，曲線3最大吸收峰要較小，且吸光度大較小，說明其Au-NSs的尺寸小且顆粒濃度大。實驗最終確定生長液中HAuCl4(2.5×10-4mol/L)用量為5 mL。

圖5 不同pH條件下合成的Au-NPs及其UV-Vis-NIR圖譜Fig.5 Photograph(a,c) of Au-NPs prepared at different pH and their UV-Vis-NIR absorbance spectra(b,d)

2.2.2生長液pH的優(yōu)化在制備Au-NSs的過程中，HAuCl4中Au3+被還原生成Au0，溶液的pH影響Au-NSs的生成，如圖5所示。本文研究了在pH=2.89、7.05、11.21的環(huán)境下制備Au-NSs，從圖5(a)中的顏色和圖5(b)中的UV-Vis-NIR圖譜可以明顯地看出，只有在pH=2.89的條件下呈現(xiàn)出Au-NSs的藍色以及在650 nm處出現(xiàn)Au-NSs的最大吸收峰，說明在中性或者堿性的環(huán)境下無法制備出Au-NSs。出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因較為復雜，主要是因為在中性或者堿性環(huán)境下HAuCl4中Au3+不易得電子被還原，使得Au0的量減少，而被還原的Au0不能自由地在體系中移動長成星形。實驗進一步優(yōu)化生長液pH，在pH分別為2.03、3.05、4.30的環(huán)境下制備Au-NSs，如圖5(c)、5(d)所示。當pH≥4.30時，制得的Au-NPs 溶液為紅色，沒有Au-NSs生成；當pH≤3.05時制得Au-NPs溶液呈深藍色，在UV-Vis-NIR圖譜中最大吸收峰都大于650 nm，說明有Au-NSs生成。如圖5(d)所示，隨著pH值的減小，Au-NSs的最大吸收峰出現(xiàn)了明顯的紅移。表明pH=2.03時形成的Au-NSs有較大的尺寸，因此得到了一個臨界值，即pH=3.05時，可以合成尺寸較小的Au-NSs。

2.3 小尺寸Au-NSs的TEM表征

通過對合成Au-NSs條件的探索和優(yōu)化，制備出大大小于常規(guī)尺寸的Au-NSs(～40 nm)。如圖6所示。小尺寸Au-NSs具有尖銳的尖端，如圖6(a)所示，這種結構有助于它的等離子體共振效應(LSPR)。在高分辨透射電子顯微鏡(HRTEM)下，將圖6(a)中的虛線圓圈處部分放大得到圖6(b)，可以清楚地看見Au-NSs尖端間距為2.33 ?的晶格，這與金屬金的晶格間距一致，進一步證明了Au-NSs的尖端是由Au元素構成。

圖6 (a)優(yōu)化條件下制備的Au-NSs的透射電鏡(TEM)圖；(b)圖a中虛線圓圈處的放大圖Fig.6 (a)TEM image of Au-NSs prepared under the optimized conditions;(b) HRTEM image marked by dotted circle in a

3 結論

利用種子生長法，通過探索合成Au-NSs的實驗條件，制備了小尺寸的Au-NSs(～40 nm)，該方法具有簡單，穩(wěn)定，重復性好等特點。小尺寸Au-NSs，這種新型的納米材料將在生物光熱療法治療癌癥，以及催化應用中有著廣泛的應用前景。