納米金-鈦酸納米管復(fù)合材料的合成與表征

劉小強(qiáng)，王新海，馮賀青，張佳美，劉繡華,2

(1.河南大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，河南 開(kāi)封 475004； 2.河南大學(xué) 河南省天然藥物與免疫工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 開(kāi)封 475004)

隨著納米技術(shù)的不斷發(fā)展，納米材料越來(lái)越成為科學(xué)研究的焦點(diǎn). 由于納米材料具有高比表面積、優(yōu)良的催化性能和導(dǎo)電性能以及良好的生物相容性等特點(diǎn)[1]，因此它們被廣泛應(yīng)用于光電材料、醫(yī)藥檢測(cè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)及電化學(xué)生物傳感器的研制等領(lǐng)域[2-3]，特別需要指出的是納米材料的引入給電化學(xué)生物傳感器的研制發(fā)展注入了新的活力[4]. 具體的方法是將納米材料直接摻雜到固定生物材料的敏感膜或與生物活性組分一起整體包埋固定于電極表面. 由于納米材料比表面積大、具有良好的生物相容性，因而可以給生物活性成分提供一個(gè)良好的微環(huán)境，使其在電極表面保持良好的生物活性，并能夠增強(qiáng)生物酶與基體電極之間的電子傳遞能力，實(shí)現(xiàn)酶與基體電極之間的直接電子轉(zhuǎn)移.

納米結(jié)構(gòu)的二氧化鈦因其在光學(xué)、電學(xué)、光化學(xué)和生物學(xué)等方面的獨(dú)特性能而成為被廣泛研究的材料之一, 并在光電池、光催化和傳感器等領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用[5-6]. 尤其是管狀納米二氧化鈦, 比納米顆粒具有更大的比表面積，因而具有較高的吸附能力，有望提高光電轉(zhuǎn)換效率、光催化性能. 另外由于其擁有中空管狀結(jié)構(gòu)，可以在管中裝入更小的無(wú)機(jī)、有機(jī)、金屬或磁性納米粒子組裝成復(fù)合納米材料，可以大大改善鈦酸納米管的光電、電磁及催化性能，有希望應(yīng)用于光催化、太陽(yáng)能電池、氣敏傳感材料、催化劑載體、超級(jí)電容器和電化學(xué)傳感器等領(lǐng)域[7-8].

金納米顆粒因具有量子尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)，高導(dǎo)電能力，以及良好的生物吸附性和相容性等,在催化、光吸收及分析檢測(cè)等方面有廣闊的應(yīng)用前景[5,9].

制備復(fù)合納米材料，旨在發(fā)揮納米材料的協(xié)同作用，使其更好地應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域. HAN X等人制備了鉑納米顆粒修飾的TiO2納米管，且將此復(fù)合納米材料應(yīng)用于修飾電極并對(duì)葡萄糖進(jìn)行測(cè)定[7]. HSIEH等人在酸溶液中合成了PtRu雙金屬納米顆粒修飾的功能化多壁碳納米管復(fù)合納米材料，并對(duì)其電化學(xué)性能進(jìn)行了研究[10]. 本文作者應(yīng)用一種簡(jiǎn)便、快速、環(huán)保的方法合成了形態(tài)良好的金納米顆粒-鈦酸納米管束(GNPs-NTA)復(fù)合納米材料，并利用多種分析測(cè)試手段對(duì)其形態(tài)和成分進(jìn)行了表征與分析. 傅立葉紅外光譜證實(shí)了氧化還原酶(HRP)與此復(fù)合納米材料充分混合后酶的二級(jí)結(jié)構(gòu)仍保留完好.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

Nicolet 170型傅立葉紅外光譜儀，KBr壓片，測(cè)定范圍4 000～400 cm-1；JEM-2010型透射電子顯微鏡；X-PertPro型 X射線(xiàn)衍射儀，掃速0.5°/min, 步長(zhǎng)0.04°. HAuCl4·3H2O，分析純，美國(guó)；NaBH4,分析純，中國(guó)國(guó)藥集團(tuán)；檸檬酸三鈉，分析純，中國(guó)天津福晨化學(xué)試劑廠；NaOH,分析純，中國(guó)天津大陸化學(xué)試劑廠；辣根過(guò)氧化酶，美國(guó)；鈦酸納米管(NTA)自制，方法見(jiàn)文獻(xiàn)[11];實(shí)驗(yàn)用水均為二次超純水.

1.2 納米復(fù)合材料的合成

取15 mg NTA分散于10 mL乙醇中，另取20 mL溶有0.63 mmol/L HAuCl4·3H2O和1.4 mmol檸檬酸三鈉的乙醇溶液加入到分散好的NTA懸濁液中，并充分?jǐn)嚢? 然后將新鮮配制的2.4 mL 0.1 mol/L的NaBH4快速加入上述充分?jǐn)嚢璧幕旌衔镏?，在室溫下攪拌超過(guò)20 h. 之后將混合物離心、洗滌，在70 ℃干燥箱中烘干.

2 結(jié)果與討論

2.1 復(fù)合納米材料的TEM圖譜解析

圖1是所制備的GNPs-NTA復(fù)合納米材料的TEM照片，從照片中清晰可見(jiàn)多條二氧化鈦納米管聚集在一起形成二氧化鈦納米管束，長(zhǎng)度大約在150～200 nm. 在納米管束的管壁上可以看到許多黑色的斑點(diǎn)，這些斑點(diǎn)是被修飾在二氧化鈦納米管表面的金納米顆粒所呈現(xiàn)出來(lái)的，且圓形的金納米顆粒大小均一(粒徑5～8 nm; 平均粒徑5.3 nm)并均勻分布在納米管表面.

2.2 復(fù)合納米材料的XRD圖譜分析

圖2為金納米顆粒和二氧化鈦納米管復(fù)合納米材料的XRD圖譜，從圖中可以看到2θ在9.0°，25.0°，37.8°，48.5°處有很強(qiáng)的衍射峰，分別對(duì)應(yīng)TiO2的(101)，(004)，(200)，(105)晶面，根據(jù)已有報(bào)道，此為銳鈦礦型TiO2納米管的特征衍射峰[7]. 重要的是在此圖中金納米顆粒主要的特征衍射峰也清晰可見(jiàn)，2θ在37.8°，45.0°，65.0°, 78.0°處的衍射峰可歸屬于金納米顆粒的(110)，(200)，(220)，(311)晶面[9, 12]，金納米顆粒的(110)晶面與TiO2納米管的(200)晶面在37.8°出現(xiàn)的特征衍射峰重合，以上現(xiàn)象證明納米金顆粒已經(jīng)被修飾在二氧化鈦納米管上.

計(jì)算金晶粒的粒徑，d為晶粒的大小，λ為X射線(xiàn)的波長(zhǎng)(0.154 056 nm)，B為半峰寬(以基線(xiàn)為參考)，θ為最大峰對(duì)應(yīng)的布拉格角，可得金納米顆粒的平均粒徑為5.2 nm，與電鏡實(shí)驗(yàn)估算的結(jié)果吻合.

圖1 GNPs-NTA復(fù)合納米材料的TEM圖Fig.1 TEM images of GNPs-NTA nanocomposite at different scales

圖2 GNPs-NTA復(fù)合納米材料的XRD圖譜Fig.2 XRD pattern of GNPs-NTA

2.3 NTA 和GNPs-NTA的FT-IR光譜表征

圖3(i)和(ii)分別為NTA與GNPs-NTA復(fù)合材料的紅外光譜圖. 在光譜(i)中，3 390 cm-1處的紅外峰歸屬于NTA的羥基峰；1 623 cm-1處的紅外峰屬于NTA表面吸附水分子的H-O-H 彎曲振動(dòng)峰[13]；1 380 cm-1的紅外峰代表了CH3官能團(tuán)的對(duì)稱(chēng)彎曲振動(dòng)峰；而500 cm-1處的紅外峰歸屬于NTA的Ti-O-Ti伸縮振動(dòng)峰[14]. 從圖3可以看到，當(dāng)金納米顆粒修飾到二氧化鈦納米管上后，復(fù)合納米材料紅外譜(ii)與純二氧化鈦納米管(i)相比紅外吸收峰幾乎沒(méi)有改變，但仔細(xì)觀察發(fā)現(xiàn)在波數(shù)約為3 400 cm-1處的峰位置(歸屬于-OH伸縮振動(dòng)峰)發(fā)生了20 cm-1的藍(lán)移，這說(shuō)明金納米顆粒的修飾對(duì)二氧化鈦納米管的紅外光譜有很小的影響.

2.4 HRP與GNPs-NTA混合物的FT-IR光譜表征

傅立葉紅外光譜也是一種研究酶二級(jí)結(jié)構(gòu)的有力手段， 酰胺鍵I 和II 的紅外譜帶能夠提供有關(guān)HRP的多肽鏈的詳細(xì)信息，而酶分子變性將會(huì)導(dǎo)致酰胺鍵I 和II 的紅外譜帶的減弱或消失[15]. 圖4中譜線(xiàn)(i)為HRP的紅外光譜圖，酰胺鍵I 和II 的紅外譜帶分別位于約1 650和1 540 cm-1處[16-17]；圖4中譜線(xiàn)(ii)為HRP與GNPs-NTA復(fù)合納米材料充分混合后的紅外光譜圖，可以看到相較于光譜(i)，光譜(ii)變化很小，特別是在酰胺鍵I 和II 處，幾乎無(wú)變化，證明在GNPs-NTA復(fù)合納米材料中，HRP結(jié)構(gòu)未變，仍保持其活性.

圖3 NTA (i)和GNPs-NTA(ii)復(fù)合納米材料的紅外光譜圖Fig.3 FT-IR spectra of NTA(i) and GNPs-NTA(ii)

圖4 HRP(i)在GNPs-NTA納米復(fù)合物中(ii)的紅外光譜圖Fig.4 FT-IR spectra of HRP (i) and its GNPs-NTA composite (ii)

3 結(jié)論

使用簡(jiǎn)便快速的化學(xué)還原法將金納米顆粒修飾到鈦酸納米管表面制備出復(fù)合納米材料，并使用透射電鏡，X射線(xiàn)衍射儀和傅立葉紅外光譜儀對(duì)其進(jìn)行了表征，結(jié)果證明金納米顆粒成功的修飾在鈦酸納米管的表面，顆粒和分布都較為均勻. 將辣根過(guò)氧化酶與復(fù)合納米材料混合，并利用傅立葉紅外光譜證實(shí)酶的二級(jí)結(jié)構(gòu)并無(wú)改變，活性得到保持.

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