納米金材料的制備技術(shù)及應(yīng)用研究進(jìn)展

陸靜蓉 朱炳龍 李靜 秦恒飛 岳喜龍 童霏 吳娟 樊紅杰 周全法

摘? ? 要：納米金材料有著特殊的表面效應(yīng)、量子效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)，在電學(xué)、磁學(xué)、光學(xué)和化學(xué)性質(zhì)方面具有常規(guī)材料不具備的優(yōu)越性能。綜述了納米金的制備方法，介紹了納米金材料的應(yīng)用領(lǐng)域。

關(guān)鍵詞：納米金材料;制備技術(shù);應(yīng)用領(lǐng)域

中圖分類號(hào)：TB383.1? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：2095-7394（2018）06-0033-05

納米材料是一種具有與微觀原子、分子和宏觀物質(zhì)不同性質(zhì)的新型材料，在電子、化工、航天等行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。納米金是直徑為1～100 nm的微小顆粒，通常以膠體的形態(tài)存在于水溶液中，其性質(zhì)主要取決于顆粒的尺寸及其表面特性，當(dāng)尺寸減小到納米范圍時(shí)就會(huì)表現(xiàn)出表面效應(yīng)、量子效應(yīng)、宏觀量子隧道效應(yīng)等特性。[1]納米金酷游獨(dú)特的光、電、催化等特性，在化工、環(huán)境、光學(xué)、電子、生物醫(yī)療等領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注。

1? ? 制備方法

納米金的制備方法有物理方法、化學(xué)方法和生物方法。物理法主要是通過各種分散技術(shù)將金直接轉(zhuǎn)變?yōu)榧{米粒子，主要有氣相法、液相法、高能機(jī)械球磨法等，該方法對儀器設(shè)備要求較高、生產(chǎn)費(fèi)用昂貴，得到的粒徑分布較廣，大大限制了這類方法的應(yīng)用。

1.1? ?化學(xué)法

化學(xué)法主要有氧化還原法、微波法、電化學(xué)法、微乳液法等，該方法具有粒徑可控、生產(chǎn)效率高等優(yōu)點(diǎn)，是生產(chǎn)納米金材料的主要途徑。

1.1.1 氧化還原法

通過向高價(jià)金離子溶液中加入還原劑，將金離子還原并制備納米金顆粒，常用的還原劑有抗壞血酸、檸檬酸鈉等。納米金顆粒粒徑與還原劑的種類、用量等因素有關(guān)，通常制備粒徑在5～12 nm的納米金時(shí)用白磷或抗壞血酸，制備粒徑大于12 nm的納米金時(shí)用檸檬酸鈉，納米金顆粒粒徑與還原劑的用量成反比。[2]

周睿璐等[3]以氯金酸為原料、檸檬酸三鈉為還原劑，采用經(jīng)典的檸檬酸三鈉還原法制備出納米金溶液，利用目測法、紫外-可見分光光度法和掃描探針顯微鏡法對其進(jìn)行表征，結(jié)果表明，納米金粒子尺寸均勻、呈球形單分散分布。

1.1.2 微波法

微波加熱屬于輻射加熱，具有穿透能力強(qiáng)、加熱速度快、溫度分布均勻等特點(diǎn)，粒子在微波作用下易于成核，該方法能有效節(jié)約能源，提高效率，在納米材料的制備領(lǐng)域中顯現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)越性。

王蘭等[4]將氯金酸溶液和超純水，置入微波爐中用 100%火力加熱至沸騰后取出，逐滴加入配制好的檸檬酸鈉溶液，放回微波爐中繼續(xù)用100%火力加熱后取出，自然冷卻，改變加熱時(shí)間，成功還原出粒徑從10 nm到60 nm的酒紅色金溶膠。

1.1.3 電化學(xué)法

電化學(xué)法是將電極置于含有一定修飾材料的電解液中，采用恒電流或恒電位進(jìn)行沉積而制備出修飾電極的方法。

沈明理等[5]以鉑片和金片分別作電極的陰陽極，以十六烷基三甲基溴化銨、四辛基溴化銨、丙酮及環(huán)己烷的混合體系作電解液，超聲電解10 min，通過遞增電流電解和恒電流電解兩種方法，分別主要獲得粒徑為10～40 nm球形、啞鈴形及棒狀的金納米粒子和球形及啞鈴形的金納米粒子。孫偉等[6]以離子液體修飾碳糊電極為基底電極，利用電化學(xué)沉積的方法將納米金和石墨烯分步沉積到離子液體修飾碳糊電極表面制備了修飾電極。納米金在離子液體修飾碳糊電極表面的電沉積能夠形成一個(gè)比表面積大、導(dǎo)電性好的電極界面;而進(jìn)一步電沉積石墨烯在納米金的表面又可以形成一個(gè)三維的納米復(fù)合材料修飾電極。

1.1.4 微乳液法

微乳液法是將表面活性劑溶解在有機(jī)溶劑中，成為相對穩(wěn)定的熱力學(xué)體系，制備的金納米粒子大小均勻、顆粒直徑約為10～20 nm。

韓瑩等[7]利用4-十二烷氧基芐胺為表面活性劑，在4-十二烷氧基芐胺/正丁醇/正庚烷/丙醛/氯金酸/氫氧化鈉構(gòu)成的反相微乳液體系作為微反應(yīng)器，在堿促進(jìn)下，通過微波輔助的丙醛原位還原方法制備了4-十二烷氧基芐胺包裹的憎水性金納米顆粒。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，4-十二烷氧基芐胺一方面，可以作為表面活性劑形成穩(wěn)定的反相微乳液體系;另一方面可以作為合成金納米粒子的保護(hù)劑。

1.1.5 其他方法

樊曄等[8]以天然存在的簡單不飽和脂肪酸共軛亞油酸為綠色單體，在堿性條件下使該可聚合陰離子表面活性劑通過分子自組裝，可控自交聯(lián)，并結(jié)合氯金酸在其聚合物聚共軛亞油酸表面原位還原和沉積過程，開發(fā)了一種僅從簡單的天然共軛不飽和脂肪酸出發(fā)，無需外加交聯(lián)劑、化學(xué)還原劑和錨定試劑，無需預(yù)制備納米金粒子，直接同氯金酸反應(yīng)就能獲得聚合物基網(wǎng)狀納米金的簡單制備方法。

張開濤等[9]通過高碘酸鈉氧化納米纖維素氧化制備得到雙醛基納米纖維素，以雙醛基納米纖維素為還原劑和穩(wěn)定劑，原位還原制備得到分散性良好納米金，提供了一種無需外加還原劑，易操作且反應(yīng)條件溫和的納米金的新制備方法。

1.2? ?生物法

微生物還原制備方法可分為細(xì)胞內(nèi)和細(xì)胞外還原。在細(xì)胞外還原納米金，微生物分泌的生物活性物質(zhì)包括蛋白質(zhì)、還原糖、還原性谷胱甘肽等對離子進(jìn)行富集和還原，并形成典型的納米結(jié)構(gòu)粒子，生物活性物質(zhì)對納米金的穩(wěn)定也起著重要作用。細(xì)胞內(nèi)合成納米金則是非常復(fù)雜的生物化學(xué)過程。

陳國寶等[10]采用酵母菌還原制備了金納米顆粒。紫外-可見光譜分析結(jié)果表明，采用酵母菌還原方法制備金納米顆粒反應(yīng)速度快，而且隨著反應(yīng)時(shí)間和前驅(qū)體濃度的增加，金納米顆粒的產(chǎn)率逐漸增加。通過酵母菌還原制備的金納米顆粒大小較均一，平均粒徑為8.9 nm。

和傳統(tǒng)的物理化學(xué)制備方法相比，生物制備方法具有良好的生物相容性、反應(yīng)條件溫和、產(chǎn)量高、有更好的人體食用和接觸的安全性、具有可持續(xù)發(fā)展等優(yōu)點(diǎn)。此外，微生物廉價(jià)、易培養(yǎng)、繁殖快，合成的納米粒子尺寸和形貌可控，適合大規(guī)模生產(chǎn)，產(chǎn)量高。

2? ? 納米金的應(yīng)用

2.1? ?生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域

納米金粒子對生物分子有很強(qiáng)的吸附功能，可與DNA、蛋白質(zhì)、酶、激素等非共價(jià)鍵結(jié)合，因而在生化基礎(chǔ)研究和實(shí)驗(yàn)中成為非常有用的工具。吸附機(jī)理為納米金顆粒表面負(fù)電荷，與修飾材料表面正電荷、DNA 表面負(fù)電荷基團(tuán)，因靜電吸附而形成牢固結(jié)合，而且吸附后不會(huì)使生物分子變性，由于金顆粒具有高電子密度的特性，當(dāng)這些標(biāo)記物在相應(yīng)的配體處大量聚集時(shí)，可借助儀器檢測相關(guān)生物、化學(xué)量，并按一定規(guī)律將其轉(zhuǎn)換成可用信號(hào)（包括電信號(hào)、光信號(hào)等），從而應(yīng)用于定性或半定量的快速免疫檢測方法中。

將納米粒子應(yīng)用于DNA電化學(xué)生物傳感器，主要用來提高傳感器的靈敏度及穩(wěn)定性。金納米粒子 可以增大電化學(xué)DNA生物傳感器電極的比表面積，從而提高探針DNA的固定數(shù)量;且可以加快電子傳遞而使傳感器的檢測信號(hào)放大。卜揚(yáng)等[11]通過層層修飾技術(shù)，將殼聚糖、空殼納米金、L-半胱氨酸、細(xì)胞色素C及探針DNA修飾到玻碳電極表面，制備了新型DNA生物傳感器，其微分脈沖伏安電流響應(yīng)達(dá)到1×10-6A，而同樣條件下金納米粒子的微分脈沖伏安響應(yīng)電流為1.72×10-7A，表明同樣粒徑下，空殼納米金制備的傳感器比金納米粒子制備的傳感器更靈敏。Wang等[12]利用納米金與核酸分子信標(biāo)的組裝體，同時(shí)，對多種miRNA標(biāo)志物進(jìn)行了分析檢測，在體外達(dá)到了10 pmol/L的檢測下限。Zhao等[13]使用量子點(diǎn)代替普通熒光染料修飾納米金，當(dāng)探針識(shí)別腫瘤細(xì)胞miRNA 后，量子點(diǎn)處于淬滅狀態(tài)的熒光信號(hào)得到恢復(fù)增強(qiáng)，以此表征miRNA的信息。經(jīng)過量子點(diǎn)修飾的納米金不僅在Hela細(xì)胞實(shí)現(xiàn)了 miRNA的檢測，同時(shí)，能夠在腫瘤小鼠中檢測到miRNA的分布情況。利用納米金作為腫瘤檢測探針，能夠高靈敏特異性地檢測胞內(nèi)胞外的腫瘤標(biāo)記物。與Northern印跡分析、微點(diǎn)陣分析等檢測腫瘤標(biāo)志物的常用方法相比，納米金探針更為穩(wěn)定和方便。

2.2? ?化學(xué)環(huán)境領(lǐng)域

楊阿喜等[14]采用直接電化學(xué)沉積法制備的金納米粒子修飾氧化銦錫電極，用陽極溶出伏安法測定痕量砷，對富集電位和時(shí)間、支持電解質(zhì)及部分干擾離子等進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，砷在0.15 V 出現(xiàn)靈敏的陽極溶出伏安峰，峰電流在砷濃度為0.053～9.30 μmol/L 范圍內(nèi)呈良好的線性關(guān)系。該方法靈敏簡便，可方便的用于水產(chǎn)品中痕量砷的測定。鄰苯二甲酸酯類是目前主要的環(huán)境有機(jī)污染物之一，劉夢琴等[15]用檸檬酸鈉作還原劑合成了納米金。以納米金作為比色探針，研究了納米金與鄰苯二甲酸酯類的光譜性質(zhì)，并用透射電子顯微鏡和納米粒度及Zeta電位分析儀對納米金及納米金和鄰苯二甲酸酯類體系進(jìn)行表征，成功地實(shí)現(xiàn)了納米金對鄰苯二甲酸酯類的比色檢測。

與其它快檢方法相比，比色檢測的最大優(yōu)勢在于其在判斷監(jiān)控結(jié)果過程中只需要用裸眼觀察，不需要其它先進(jìn)的配套儀器，在許多應(yīng)用中操作簡便，因此，吸引著眾多研究者的目光。但這些工作主要還是集中在理論研究及實(shí)驗(yàn)室階段。因此，將納米金比色檢測技術(shù)不斷完善并與實(shí)際應(yīng)用緊密結(jié)合將是以后主要的發(fā)展方向。

2.3? 光電領(lǐng)域

用納米金修飾的光學(xué)材料表面，在吸附了被傳感物質(zhì)之后，會(huì)引起光學(xué)材料的折射率、吸收、散射以及光譜的變化，通過檢測光學(xué)性質(zhì)的變化就可以進(jìn)行相關(guān)物質(zhì)的測量。

Tang等[16]在把納米金涂到長周期光纖光柵表面，用來探測周圍物質(zhì)折射率的改變。這種傳感器可以探測葡萄糖的濃度，當(dāng)在納米金上固定脫氧核糖核蛋白時(shí)，也可以探測反式脫氧核糖核蛋白的濃度，檢測精度可達(dá)0.14 mg/L。這種傳感器的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、使用方便。通過優(yōu)化納米金顆粒粒徑和沉積密度、光柵長度、探測波長等重要因素可以提高探測靈敏度。

納米金是非常好的導(dǎo)電材料，在納米金標(biāo)記檢測過程中會(huì)出現(xiàn)納米金的大量聚集使體系的電導(dǎo)增強(qiáng)，從而使納米金電化學(xué)傳感成為可能。典型的納米金電化學(xué)傳感器是由陰極（檢測電極）和陽極組成的，電極用納米金進(jìn)行改性，電極之間有一薄層電解質(zhì)。變換電信號(hào)的方式有電位測定法和電流分析法。納米金電化學(xué)傳感器的優(yōu)點(diǎn)是反應(yīng)時(shí)間短、靈敏度高。Young Jun Kim等[17]用3-巰基丙酸甲酯改性納米金顆粒來傳感乙酸的濃度。納米金膜在吸附了乙酸后電阻會(huì)發(fā)生變化，通過測量電壓來測量乙酸濃度，靈敏度可以達(dá)到亞10-6量級(jí)。用透射電鏡檢測納米金的粒徑為3.1 nm。由于傳感材料的納米結(jié)構(gòu)和傳感膜的高孔性，可以檢測體積分?jǐn)?shù)為5×10-8的乙酸，并且在（4～200） ×10-8體積分?jǐn)?shù)內(nèi)乙酸與輸出電壓呈線性關(guān)系。

2.4? ?食品安全檢測領(lǐng)域

食品安全檢測中的檢測對象主要包括重金屬離子、食品添加劑、生物毒素、致病菌、農(nóng)藥殘留、動(dòng)物性食品中獸藥和違禁藥物殘留等。目前食品檢測分析一般采用化學(xué)分析法、薄層層析法、氣相色譜法、高效液相色譜法，但需要繁瑣、耗時(shí)的前處理，樣品損失也較大。相對于靈敏度較低的化學(xué)分析法和薄層層析法，氣相色譜法和高效液相色譜法的靈敏度較高，但操作技術(shù)要求高、儀器昂貴，并不適合現(xiàn)場快速測定和普及，而以納米金為免疫標(biāo)記物的檢測技術(shù)正彌補(bǔ)了這些技術(shù)的缺點(diǎn)，在現(xiàn)代食品分析檢測中的運(yùn)用也越來越多。

Su Haichao等[18]提出一種檢測大腸桿菌O157∶H7的方法。巰基乙胺（MEA）能通過巰基結(jié)合到納米金上，同時(shí)，MEA能通過靜電吸附作用和大腸桿菌O157∶H7結(jié)合。因此以MEA修飾的納米金檢測大腸桿菌O157∶H7，當(dāng)大腸桿菌O157：H7存在時(shí)MEA-Au NP會(huì)聚合到一起，溶液顏色由紅色變?yōu)樗{(lán)色。MEA-Au NP的A625 nm/A520 nm與大腸桿菌的濃度呈線性相關(guān)。該法在5 min內(nèi)通過肉眼觀察顏色變化即可完成檢測，適合于現(xiàn)場即時(shí)檢測。He Pingli等[19]用比色法來檢測β-興奮劑，并成功的在豬的體液中檢測到β-興奮劑，其原理是β-興奮劑能直接還原氯金酸到金原子并自發(fā)的形成紅色納米金溶液，肉眼可直接分辨，這個(gè)方法可通過檢測血清、尿液等液體樣品檢測β-興奮劑及其類似物，具有較大的應(yīng)用潛力。Liu Dingbin等[20]提出一種基于RB標(biāo)記的納米金的分析法，通過熒光和比色兩種分析手段來檢測有機(jī)磷和氨基甲酸酯農(nóng)藥殘留。將硫代乙酰膽堿（ATC）和乙酰膽堿酯酶（AChE）加入到RB-AuNP溶液中，AChE催化ATC水解產(chǎn)生硫代膽堿，硫代膽堿與RB相比更易結(jié)合到納米金表面，將部分RB從納米金表面取代，RB進(jìn)入到溶液中后恢復(fù)熒光特性，同時(shí)，納米金在硫代膽堿和RB的靜電作用下發(fā)生聚集，溶液顏色由紅色迅速變?yōu)樽仙６藘深悮⑾x劑均能抑制AChE的活性，因此，阻礙了硫代膽堿的產(chǎn)生，RB-AuNP溶液的顏色仍然為紅色，同時(shí)，RB的熒光性被猝滅。該檢測具有較高的靈敏度和選擇性，西維因、二嗪農(nóng)、馬拉硫磷、甲拌磷幾種農(nóng)藥的最低檢測質(zhì)量濃度分別為0.1、0.1、0.3、1μg/L。

3? ? 結(jié)語

納米金粒子固有的尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)和量子尺寸效應(yīng)等使其呈現(xiàn)出良好的生物相容性，光學(xué)和電學(xué)性質(zhì)，已經(jīng)成為國際研究熱點(diǎn)。在今后的研究中，有望設(shè)計(jì)出更具有生物相容性的生物傳感器，并利用納米金獨(dú)特的光學(xué)、電學(xué)等性質(zhì)提高其檢測能力。納米金在電化學(xué)生物傳感器研究中的應(yīng)用以及納米金與其他金屬的納米復(fù)合材料的結(jié)合將是納米金材料的研究方向與熱點(diǎn)。與其它儀器分析技術(shù)相比，盡管以納米金為標(biāo)記物的免疫分析法及其它速測技術(shù)的開發(fā)過程需投入較多資金和較長時(shí)間，但具有簡單、快速、靈敏度高、特異性強(qiáng)、價(jià)廉、樣品所需量少等優(yōu)點(diǎn)，其靈敏度與常規(guī)的儀器分析一致，適合現(xiàn)場篩選，使之在食品衛(wèi)生檢疫和環(huán)境檢測中有著廣泛的應(yīng)用價(jià)值和發(fā)展前景。

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