表面活性劑存在下HEPES緩沖溶液中制備納米金顆粒

曾琦斐

(湖南環(huán)境生物職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 衡陽 421005)

0 引 言

納米金顆粒以其良好的穩(wěn)定性、小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)、光學(xué)效應(yīng)以及獨(dú)特的生物親和性，在許多領(lǐng)域顯示出了潛在的應(yīng)用價(jià)值，引起了廣大科技工作者的濃厚興趣[1-2].已有很多種制備納米金的工藝方法[1]，如溶膠凝膠法、氣相蒸發(fā)法、水熱法、溶劑還原法、相轉(zhuǎn)移法、真空蒸鍍法、微波合成法等.在這些合成方法中常使用檸檬酸鈉、硼氫化鈉或水合肼等還原性較強(qiáng)的還原劑制得納米金顆粒[3-5]，但較難控制其還原速率.另外，在納米金顆粒的液相合成中，常使用不同類型的模板劑、表面活性劑或巰基烷烴化合物保護(hù)劑[5-7]，控制納米金顆粒的形貌和大?。坏€原性較強(qiáng)的還原劑和有機(jī)試劑的使用，尤其是高分子有機(jī)物模板劑，往往會(huì)對(duì)環(huán)境造成不同程度的污染，也對(duì)生物方面的應(yīng)用有所限制.

HEPES是一種氫離子緩沖劑，能較長時(shí)間控制恒定的pH范圍，并且對(duì)細(xì)胞無毒性作用.最近，Xie和Sun等報(bào)道了在HEPES(N-(2-羥乙基)哌嗪-N'-2-乙烷磺酸)緩沖溶液里分別合成了Au，Ag納米顆粒[8-9].在生物緩沖體系里制備納米金顆粒對(duì)納米材料在生物方面的應(yīng)用將起到較大的推動(dòng)作用.本實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，使用該方法不僅能夠在常溫下可以得到納米金顆粒.在不同表面活性劑存在下，納米金顆粒形貌大小有一定的差別，使用PVP能得到粒徑分布較窄的單分散球形金納米顆粒，工藝簡便，成本低廉.

1 實(shí)驗(yàn)方案

1.1 儀器與試劑

四水合氯金酸(HAuCl4·4H2O)，聚乙烯吡咯烷酮(PVP，分子量為10 000)，聚乙二醇(PEG，分子量為4 600)，N-(2-羥乙基)哌嗪-N'-2-乙烷磺酸(HEPES) 均由美國Aldrich公司提供.使用前沒有采取進(jìn)一步處理.

分別采用X-射線衍射儀(XRD)、透射電子顯微鏡(TEM)、X射線能譜儀(EDS)和電子衍射(ED)等對(duì)產(chǎn)物的組成、形貌尺寸和晶系等進(jìn)行了表征分析.XRD使用荷蘭Philips PW1830型X-射線衍射儀，測試條件：Cu靶Kα線(λ=0.154 06 nm)，掃描范圍30～80 °，掃描速度1 °/min.TEM使用Philips Tecnai 20型透射電子顯微鏡(TEM)，荷蘭Philips生產(chǎn)，工作電壓200 kV.EDS使用Philips Tecnai 20 上的 Oxford incax-sight EDX 附件設(shè)備，工作電壓200 kV.紫外-可見光吸收使用雙光束Varian cary-50型紫外-可見分光光度計(jì)測量.溶液pH值使用Aldrich 生產(chǎn)的Corning 440 pH meter型pH計(jì)測量.

1.2 50 mmol/L HEPES(pH 7.4)緩沖溶液的配制

HEPES (2.38 g，10 mmol) 首先溶于180 mL 去離子水中，超聲、振蕩直到完全溶解，使用pH計(jì)測得溶液的pH值約為5.4，慢慢滴加0.1 mol/L NaOH溶液，攪拌，直到pH調(diào)整為7.4，然后用去離子水定容至200 mL.

1.3 納米金顆粒的制備

樣品a：1 mL 10 mmol/L HAuCl4溶液滴入9 mL上述配制的HEPES緩沖溶液中，攪拌幾分鐘后，溶液顏色變?yōu)榧t色，即可得到納米金溶膠.

樣品b：1 mL HAuCl4(10 mmol/L)溶液滴入含有0.1 g PVP的9 mL HEPES(50 mmol/L) 緩沖溶液中，攪拌幾分鐘后，溶液顏色變?yōu)榧t色，即可得到納米金溶膠.

樣品c：1 mL HAuCl4(10 mmol/L)溶液滴入含有0.1 g PEG的9 mL HEPES(50 mmol/L) 緩沖溶液中，攪拌幾分鐘后，即可得到納米金溶膠.

2 結(jié)果與討論

2.1 XRD分析

圖1是在HEPES緩沖溶液中制得的納米金顆粒的XRD圖.圖中所有的衍射峰均可與標(biāo)準(zhǔn)圖譜JCPDF No.04-0784相吻合，可以看出，2θ在38.2 °，44.4 °，64.5 °，77.5 °處，出現(xiàn)的4個(gè)衍射峰均為金的特征衍射峰，分別與面心立方(face-center-cubic，F(xiàn)CC)結(jié)構(gòu)Au(111)、(200)、(220)和(311)晶面相對(duì)應(yīng)，沒有其他雜峰出現(xiàn)，說明在常溫下就可得到純度高，結(jié)晶性好的納米金顆粒.

圖1 常溫下在HEPES緩沖溶液里制得的納米金顆粒的XRD譜(樣品a)

2.2 紫外-可見光光譜分析

紫外-可見光譜對(duì)高分散和締合態(tài)存在的金屬顆粒有完全不同的響應(yīng)，通過分析其譜圖，可以得到有關(guān)顆粒粒度和結(jié)構(gòu)等重要信息[10].通過記錄不同時(shí)間的紫外吸收光譜可觀測納米金顆粒在HEPES緩沖溶液中的反應(yīng)動(dòng)力學(xué).不同反應(yīng)時(shí)間段生成的金顆粒紫外-可見光吸收如圖2所示，在5 min可觀察到納米金溶膠的紫外-可見吸收峰，隨著反應(yīng)時(shí)間延長最大吸收強(qiáng)度逐漸增大，一直到1 h后，最強(qiáng)吸收波長基本不變.但金溶膠的最大紫外吸收峰位置基本不發(fā)生變化，說明顆粒大小隨時(shí)間變化很小.

圖2 不同反應(yīng)時(shí)間下所得納米金溶膠的紫外-可見吸收光譜(樣品a)

2.3 TEM、HRTEM和ED分析

圖3a是在HEPES緩沖溶液中制得的納米金顆粒的TEM照片，從圖中可知，在反應(yīng)溶液中，不加入PVP時(shí)，可以得到分散性較好的球形與準(zhǔn)球形金顆粒，平均粒徑為25 nm左右.圖4a插圖是該區(qū)域的電子衍射圖，它是由幾個(gè)衍射環(huán)組成的，表面這片區(qū)域是多晶結(jié)構(gòu)圖，它是由很多不同的單晶納米金顆粒的電子衍射組成的.圖3b是單個(gè)納米金顆粒的HRTEM照片，由相鄰條紋間距算出平均相鄰晶面間距為0.236 nm，與面心立方結(jié)構(gòu)Au的(111)晶面相對(duì)應(yīng). 由圖3c的EDS測試結(jié)果可知，樣品中只含有元素Au，C和Cu的信號(hào)來自做TEM測試使用的銅網(wǎng).實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，金溶膠的制備過程中，HEPES緩沖溶液不僅可以還原HAuCl4得到純度很高的納米金顆粒，而且能有效防止顆粒間團(tuán)聚現(xiàn)象的發(fā)生.

圖3 在HEPES緩沖溶液中制得的金納米顆粒的表征數(shù)據(jù)

圖4 在不同表面活性劑存在條件下得到的金納米顆粒

當(dāng)HEPES緩沖溶液里含有PVP時(shí)，可以得到大小均一、分散性好的球形納米金顆粒(見圖4a)，顆粒直徑主要分布在10 nm左右(見圖4a圖)，從圖4b可以更清晰的看到球形納米金顆粒，在插圖中可以清楚地看到衍射環(huán).實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)說明，PVP對(duì)顆粒的大小有很重要的影響.PVP是一種表面結(jié)晶抑制劑[14]，由于金是疏水性的，當(dāng)被PVP的疏水鏈包裹，極性的含氧和氮原子的五元環(huán)朝向溶液，PVP使金顆粒很好的懸浮在溶液中，避免了金顆粒間的接觸，所以在PVP存在的條件下，得到的納米金顆粒粒徑較小[15].當(dāng)使用PEG替代PVP，得到了分散性差的納米金顆粒(圖4e).這可能是由于PEG的加入量超過飽和吸附濃度，懸浮體系中多余的高分子鏈相互纏繞在一起從而使顆粒團(tuán)聚[16].

3 結(jié) 語

在常溫條件下，在HEPES緩沖溶液反應(yīng)體系中，在沒有加入任何表面活性劑，成功制備了單分散球形納米金溶膠顆粒，平均粒徑為25 nm左右.這是由于HEPES內(nèi)含有哌嗪環(huán)可以產(chǎn)生N自由基，能通過吸附作用能夠有效阻止金晶核長大以及顆粒間團(tuán)聚現(xiàn)象的發(fā)生.因此，HEPES不僅可以作為還原劑，還可以作為表面活性劑以穩(wěn)定納米金顆粒.在PVP存在的條件下，可以得到大小均一，粒徑分布范圍窄(約10 nm)，且穩(wěn)定性好的納米金顆粒.而在PEG存在的條件下得到了團(tuán)聚的納米金顆粒.

參考文獻(xiàn)：

[1]Daniel M C，Astruc D.Gold Nanoparticles：Assembly，Supramolecular chemistry，quantum-size-related properties，and applications toward biology，catalysis，and nanotechnology[J].Chem Rev，2004，104：293-346.

[2]Ghosh S K，Pal T.Interparticle coupling effect on the surface plasmon resonance of gold nanoparticles：from theory to applications[J].Chem Rev，2007，107：4797-4862.

[3]Chen H M，Liu R S，Tsai D P.A versatile route to the controlled synthesis of gold nanostructures[J].Cryst Growth Des，2009，9(5)：2079-2087.

[4]Mandal D，Maran A，Yaszemski M J，et al.Cellular uptake of gold nanoparticles directly cross-linked with carrier peptides by osteosarcoma cells[J].J Mater Sci：Mater Med，2009，20：347-350.

[5]Mandal S，Arumugam S K，Adyanthaya S D，et al.Use of aqueous foams for the synthesis of gold nanoparticles of variable morphology[J].J Mater Chem，2004，14：43-47.

[6]Sun Y，Xia Y.Shape-controlled synthesis of gold and silver nanoparticles[J].Science，2002，298：2176-2179.

[7]Agasti S S，You C C，Arumugam P，et al.Structural control of the monolayer stability of water-soluble gold nanoparticles[J].J Mater Chem，2008，18：70-73.

[8]Xie J，Lee J Y，Wang D I C.Seedless，surfactantless，high-yield synthesis of branched gold nanocrystals in HEPES buffer solution[J].Chem Mater,2007，19：2823-2830.

[9]Sun R W Y，Chen R，Chung N P Y，et al.Silver nanoparticles fabricated in Hepes buffer exhibit cytoprotective activities toward HIV-1 infected cells[J].Chem Commun，2005：5059-5061.

[10]Sau T K，Pal A，Pal T.Size regime dependent catalysis by gold nanoparticles for the reduction of eosin[J].J Phys Chem B，2001，105(38)：9266-9272.

[11]Grady J K， Chasteen N D，Harris D C.Radicals from “Good’s” buffers[J].Anal Biochem，1988，173：111-115.

[12]Danen W C， Rickard R C.Nitrogen-centered free radicals, IV. Electron spin resonance study of transient dialkylaminium radical cations[J].J Am Chem Soc， 2002，94：3254-3256.

[13]謝娟，王延吉，李艷廷，等.粒徑可控納米金的制備及表征[J].黃金，2008，29：3-6.

[14]Zhang Z T，Zhao B，Hu L M.PVP protective mechanism of ultrafine silver powder synthesized by chemical reduction processes[J].J Solid State Chem，1996，121：105-110.

[15]蘭新哲，金志浩，趙西成，等.PVP保護(hù)還原法制備納米金溶膠[J].稀有金屬材料與工程，2003，32：50-53.

[16]劉付勝聰，肖漢寧，李玉平，等.納米TiO2表面吸附聚乙二醇及其分散穩(wěn)定性的研究[J].無機(jī)材料學(xué)報(bào)，2005，20：310-316.