新型三維網(wǎng)狀納米金復(fù)合物的制備及表征

駱 姣，董明南，張友玉

(湖南師范大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，化學(xué)生物學(xué)及中藥分析教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國(guó) 長(zhǎng)沙 410081)

樹狀大分子(Dendrimer)是20世紀(jì)80年代由國(guó)外開發(fā)的一類具有獨(dú)特結(jié)構(gòu)和特殊性能的新型功能高分子[1]．其分子結(jié)構(gòu)規(guī)整、具有高度的幾何對(duì)稱性，分子體積、形狀及功能團(tuán)都可精確設(shè)計(jì)，內(nèi)含空腔、外部有較高的表面官能團(tuán)密度，可用于包裹小分子化合物，也可用作酶和病毒等蛋白的理想合成模擬物，在納米雜化金屬材料、分子自組裝、催化劑、液晶高分子以及生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景[2-5]．聚酰胺-胺(PAMAM)是一種具有完美單分散性、規(guī)整三維結(jié)構(gòu)、納米尺寸大小的樹狀大分子，是Dendrimer化學(xué)中研究最為廣泛、最為深入的一類．PAMAM既具有Dendrimer的共性，又具有自身的特性，是包裹小分子化合物、制備金屬納米粒子的理想穩(wěn)定劑和分散劑，受到廣泛關(guān)注．目前，PAMAM已經(jīng)被證實(shí)可以作為良好的可溶性模板或宿主反應(yīng)器來合成Au，Ag，Cu，Pt，Pd，Ni，Ru，Mn，F(xiàn)e，Pd-Pt等納米粒子．以PAMAM為模板合成金屬納米粒子常采用微波法[6]、超聲法[7]、水相攪拌法[8]等方法；可采用肼[9]、甲酸[7-8]、檸檬酸鈉[10]、硼氫化鈉[11]等作為還原劑；以樹形分子為模板合成納米簇的工藝不僅能在水相中進(jìn)行，在有機(jī)相中也可進(jìn)行．Crooks[12]利用十二烷基對(duì)PAMAM端基進(jìn)行改性，制備出疏水性的樹狀高分子，并以此為模板在甲苯溶劑中合成了納米金以及一般在水相和空氣中不易穩(wěn)定的Fe，Ni納米顆粒．在金屬納米復(fù)合材料的制備研究中，四代甚至以上的高代聚酰胺-胺常被用作合成具有單分散性納米粒子的模板，生成的納米顆粒都封裝在高代樹狀分子內(nèi)部[13]．一代聚酰胺-胺分子量較小，表面的氨基或酰胺基可以與金屬離子形成配位絡(luò)合物．本文中，我們以一代聚酰胺-胺(G1 PAMAM)樹枝狀大分子為分散劑，利用硼氫化鈉還原氯金酸制備了粒徑均勻、分布規(guī)律、性質(zhì)穩(wěn)定的三維有序網(wǎng)狀納米金復(fù)合物，并考察了反應(yīng)時(shí)間、氯金酸與樹形分子的摩爾比、溶液pH以及還原劑用量對(duì)納米復(fù)合物形成的影響．

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

UV-2450型紫外分光光度計(jì)(日本島津公司)；Nicolet Nexus 670傅里葉變化紅外光譜儀(美國(guó)Nicolet公司)；JEOL-1230型透射電鏡(日本JEOL公司)；PHS-3C型精密pH計(jì)(上海鵬順科學(xué)儀器有限公司)；78HW-1型電磁攪拌器(江蘇省金壇市恒豐儀器制造有限公司)．一代聚酰胺-胺由有機(jī)實(shí)驗(yàn)室提供，其結(jié)構(gòu)和純度經(jīng)由核磁、質(zhì)譜、紅外表征．氯金酸、硼氫化鈉、檸檬酸鈉等試劑為分析純均購(gòu)自上海試劑廠，使用前用二次蒸餾水新鮮配制．實(shí)驗(yàn)在室溫條件下進(jìn)行．

1.2 PAMAM-Au納米復(fù)合物的制備

室溫?cái)嚢柘?，按照不同的摩爾比n(n=[AuCl4]-∶[PAMAM])將HAuCl4溶液加入到樹狀分子的水溶液當(dāng)中(保持[Au3+]為5 μmol，調(diào)節(jié)溶液pH)，總體積為19.50 mL．?dāng)嚢枰欢螘r(shí)間后，逐滴加入冰冷卻的0.01 mol·L-1NaBH4溶液(由0.25 mmol·L-1檸檬酸三鈉配制)，溶液顏色逐漸改變，表明[AuCl4]-被還原為金納米粒子．持續(xù)攪拌一段時(shí)間后，置于4 ℃冰箱保存．

1.3 PAMAM-Au納米復(fù)合物的表征

納米金的表面等離子共振峰(即紫外吸收峰)與其粒徑大小相關(guān)，粒徑越大，吸收峰波長(zhǎng)越長(zhǎng)．在納米復(fù)合物的制備過程中，采用紫外分光光度計(jì)監(jiān)測(cè)吸收光譜的變化以考察反應(yīng)時(shí)間的影響，用同濃度的純氯金酸溶液及聚酰胺-胺溶液作對(duì)照．并以紫外吸光度(A)及吸收峰波長(zhǎng)(Eλmax)來考察氯金酸與樹形分子的摩爾比、溶液的pH以及還原劑用量對(duì)納米復(fù)合物制備的影響．

圖1 反應(yīng)前后各溶液的UV-vis吸收光譜(內(nèi)圖為PAMAM的紫外吸收光譜)

在室溫?cái)嚢柘聀H為5.0的水溶液中，將HAuCl4與PAMAM以1∶0.5摩爾比混合，攪拌1 h后，逐滴加入0.5 mL冰冷卻的NaBH4，持續(xù)攪拌40 min，制得PAMAM-Au納米復(fù)合物．將合成的納米復(fù)合物經(jīng)離心洗滌，60 ℃真空干燥，用KBr壓片法收集其紅外透射譜圖(用純PAMAM-NH2作對(duì)照)；將制得的納米復(fù)合溶膠用二次水稀釋，取2 μL滴于含碳支持膜的銅網(wǎng)上，室溫下干燥，用于透射電鏡表征．透射電鏡的工作電壓為100 kV，放大倍數(shù)為3×105，并統(tǒng)計(jì)100個(gè)粒子的尺寸及粒徑分布，用純納米金作為對(duì)照(氯金酸的起始濃度均一樣且硼氫化鈉為還原劑、檸檬酸三鈉為分散劑)．

2 結(jié)果和討論

2.1 UV-Vis光譜分析

圖1為反應(yīng)前后各溶液的UV-Vis吸收光譜圖．從圖中可知，HAuCl4在289 nm位置存在一個(gè)[AuCl4]-的特征吸收峰[14]，同時(shí)在226 nm位置上出現(xiàn)強(qiáng)烈的吸收；G1 PAMAM在279 nm處有一個(gè)較弱吸收，歸屬于丙烯酸甲酯的羰基吸收峰，而在218 nm區(qū)域的強(qiáng)吸收為—NH2的n-π*電子躍遷[15]；當(dāng)HAuCl4和G1 PAMAM以1∶1的摩爾比混合攪拌60 min后吸收曲線趨于穩(wěn)定(見圖2a)，此時(shí)，289 nm位置的[AuCl4]-特征吸收峰完全消失，且226 nm的強(qiáng)吸收藍(lán)移至221 nm，表明HAuCl4與樹形分子形成了新的配位絡(luò)合物[16]，且當(dāng)摩爾比為1∶1時(shí)絡(luò)合時(shí)間需要1 h．當(dāng)向混合溶液中逐滴加入0.01 mol·L-1硼氫化溶液時(shí)，溶液的顏色逐漸改變，表明[AuCl4]-被還原為金納米粒子．當(dāng)摩爾比為1∶1時(shí)，生成的復(fù)合物不穩(wěn)定，容易聚沉；因而我們考察了當(dāng)摩爾比為1∶0.5時(shí)加入還原劑后，納米復(fù)合物的紫外吸收峰隨時(shí)間的變化關(guān)系(見圖2b)．從圖2b可以看出，吸光度隨時(shí)間的推移不斷增強(qiáng)，吸收峰不斷藍(lán)移，40 min后趨于穩(wěn)定，說明生成了穩(wěn)定的納米復(fù)合物．

(a)200～400 nm紫外吸收峰的變化;(b)400～600 nm紫外吸收峰的變化圖2 反應(yīng)時(shí)間對(duì)復(fù)合物紫外吸收曲線的影響

作者考察了氯金酸與樹形分子的摩爾比對(duì)納米復(fù)合物粒徑的影響，圖3為在不同摩爾比條件下合成納米復(fù)合物的紫外吸收曲線．由圖3可知，當(dāng)摩爾比分別為1∶0，1∶0.25，1∶0.5，1∶1時(shí)，紫外吸收峰分別位于：507，515，519，562 nm，吸光度也由0.53降低至0.08；隨著PAMAM-NH2含量的增加，生成的納米金顆粒的紫外吸收峰逐漸紅移，吸光度逐漸降低，說明在初始氯金酸濃度一致的前提下，生成的納米復(fù)合物的粒徑隨著PAMAM-NH2含量的增加而增大．實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)當(dāng)摩爾比為1∶0.5時(shí)，生成的納米金溶膠顏色為褐紅色，在4 ℃條件下2個(gè)月內(nèi)不發(fā)生聚沉；而當(dāng)摩爾比為達(dá)到1∶1時(shí)，生成的納米金溶膠顏色為藍(lán)紫色，且性質(zhì)不穩(wěn)定，容易聚沉．因此，本工作選擇1∶0.5的摩爾比進(jìn)行合成．

圖3 氯金酸與樹形分子摩爾比對(duì)納米復(fù)合物 圖4 反應(yīng)溶液pH對(duì)納米復(fù)合物紫外吸收 紫外吸收曲線的影響 峰的影響

圖4為當(dāng)摩爾比為1∶0.5時(shí)，不同pH下生成的納米金復(fù)合物的紫外吸收峰隨反應(yīng)溶液pH值的關(guān)系．反應(yīng)前將溶液的pH分別調(diào)至 3，5，7，9，制備的溶膠顏色分別為藍(lán)色、褐紅色、紫紅色、藍(lán)紫色，對(duì)應(yīng)的紫外吸收峰位置分別為537，520，528，538 nm．由于納米金的表面等離子共振峰(紫外吸收峰)與其粒徑大小相對(duì)應(yīng)，從圖4可知：在較高和較低pH條件下均不能形成穩(wěn)定的小粒徑的納米金溶膠．在較酸條件下，過多的氫離子影響氯金酸根離子與質(zhì)子化氨基的絡(luò)合；而在較堿條件下，樹狀高分子間因偶極距的變化易造成分子間的聚集，從而PAMAM保護(hù)的納米粒子絮凝甚至沉淀．故選反應(yīng)溶液pH為5.0．

考察了還原劑用量對(duì)納米金復(fù)合物制備的影響(圖5)．氯金酸的初始含量為5 μmol，按照反應(yīng)物摩爾比，完全還原所有的氯金酸根離子所需的硼氫化鈉(0.01 mol·L-1)的量為500 μL．圖5中a曲線為加入不同量還原劑所制備的納米復(fù)合物的紫外吸收峰強(qiáng)度，b曲線則為與之對(duì)應(yīng)的紫外吸收峰波長(zhǎng)．由圖5可知：當(dāng)還原劑用量不足500 μL時(shí)，合成的納米金顆粒的紫外吸收峰較大，吸光度較低，說明生成的顆粒粒徑較大；當(dāng)按照反應(yīng)配比加入500 μL硼氫化鈉時(shí)，生成物的紫外吸收峰強(qiáng)度最強(qiáng)，吸收峰波長(zhǎng)為520 nm．隨著還原劑用量的進(jìn)一步加大，制得的納米粒子粒徑雖略有減小，但同時(shí)吸收峰強(qiáng)度也逐漸降低．以合成穩(wěn)定性好、粒徑較小的納米復(fù)合物為目的，同時(shí)避免多余的還原劑對(duì)納米復(fù)合體系的不良影響，本實(shí)驗(yàn)選擇0.01 mol·L-1硼氫化鈉的加入量為500 μL．

a.還原劑量對(duì)紫外吸收峰強(qiáng)度的影響； 圖6 PAMAM-NH2(A)及PAMAM-Au納米復(fù)合 b.還原劑量對(duì)納米復(fù)合物紫外吸收峰位置的影響 物(B)的紅外光譜表征圖5 還原劑量對(duì)納米金復(fù)合物制備的影響

2.2 PAMAM-Au 納米復(fù)合物的紅外光譜表征

圖6為PAMAM-NH2(A)和PAMAM-Au(B)的紅外透射光譜．從曲線A得知G1 PAMAM樹形分子的酰胺I帶和II帶的吸收峰[17]分別位于1 645 cm-1和1 571 cm-1．而在納米復(fù)合物中由于金納米粒子的存在，酰胺帶的吸收峰均向長(zhǎng)波方向移動(dòng)．說明聚酰胺-胺作為穩(wěn)定劑、保護(hù)劑是通過納米金與酰胺基團(tuán)上氨基的配位作用．

圖7 納米金(A，C)及PAMAM-Au納米復(fù)合物(B，D)的透射電鏡表征

2.3 PAMAM-Au 納米復(fù)合物的電鏡表征

圖7為純納米金和納米金復(fù)合物(n=1∶0.5)的透射電鏡圖(A、B)以及粒徑分布圖(C、D)．從圖7可以看出，純納米金顆粒大小約為2～4 nm，而在G1 PAMAM為分散劑的納米復(fù)合物中，納米金的粒徑約為6～7 nm,且生成的金納米粒子具有規(guī)律的分散性，粒徑大小分布更均勻，并呈現(xiàn)出三維納米網(wǎng)狀分布．

3 結(jié)論

利用一代聚酰胺-胺與氯金酸根離子的絡(luò)合作用，在硼氫化鈉的加入下原位還原氯金酸，制備出三維有序網(wǎng)狀納米復(fù)合物，該合成方法簡(jiǎn)便，合成的納米金呈現(xiàn)三維網(wǎng)狀，有望用于固定蛋白等生物分子，在生化分析及生物傳感方面有潛在的應(yīng)用價(jià)值．

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