環(huán)糊精與表面活性劑主客體作用誘導的金納米棒可控自組裝

肖軍燕 ，齊利民

1北京大學化學與分子工程學院，北京分子科學國家研究中心，北京 100871

2中國工程物理研究院科技信息中心，四川 綿陽 621900

1 引言

納米粒子自組裝是一種自下而上構(gòu)筑新型功能材料和納米器件的有效策略1-4。金納米棒(GNR)是一種典型的各向異性等離激元納米結(jié)構(gòu)5，金納米棒的自組裝將引起表面等離激元共振(SPR)吸收峰的移動或表面增強拉曼散射(SERS)性能的提高，因此在傳感和檢測等方面具有應用前景6-11。例如，Kotov等人7通過生物分子識別作用，誘導金納米棒分別發(fā)生頭對頭和肩并肩可控組裝，并實現(xiàn)了對微囊藻毒素的檢測。我們課題組則利用偶氮苯氧乙酸鈉的光致順反異構(gòu)特性，在水溶液中實現(xiàn)了金納米棒的光控可逆組裝，并實現(xiàn)了溶液相SERS檢測的開關(guān)設(shè)計11。

近年來，利用超分子主客體相互作用來誘導納米粒子的自組裝成為一大研究熱點12-14。常用于誘導無機納米粒子自組裝的主體分子主要包括環(huán)糊精(CD)、葫蘆脲、杯芳烴、柱芳烴等。例如Scherman等人15利用葫蘆脲的超分子作用實現(xiàn)了金納米棒的頭對頭組裝。Yam等人16則利用Pt基超分子作用，誘導金納米棒發(fā)生肩并肩組裝。

環(huán)糊精作為一類典型的超分子主體，具有親水表面和不同大小的疏水空腔，可以在水溶液中與許多疏水性的小分子結(jié)合，例如甲苯、卟啉、偶氮苯類分子、金剛烷胺、表面活性劑等17。利用這些超分子主客體作用可以直接引發(fā)或者阻止納米粒子發(fā)生溶液相組裝18-20。例如，Li等人12利用β-環(huán)糊精(β-CD)與負電性質(zhì)的5,15-雙(4-磺酸基苯基)卟啉分子的主客體相互作用，阻止了金納米棒的組裝。值得一提的是，Ma等人20則將金納米棒兩端用巰基β-CD修飾，然后引入含兩個偶氮苯的對稱分子，實現(xiàn)了其頭對頭光響應組裝和解組裝。目前有關(guān)利用主客體作用來誘導金納米棒組裝的工作中，大多需要預先使用含巰基的分子對金納米棒進行表面化學修飾，該修飾過程顯然增加了體系的復雜性和操作上的繁瑣性。

本文利用α-環(huán)糊精(α-CD)與金納米棒表面修飾的十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)的超分子主客體作用，成功實現(xiàn)了金納米棒在水溶液中的可控組裝。通過調(diào)節(jié)α-CD濃度，可以選擇性地獲得金納米棒的頭對頭和肩并肩組裝體。借助于α-淀粉酶對α-CD的水解作用，還利用該組裝體系實現(xiàn)了對溶液中微量α-淀粉酶的檢測。

2 實驗部分

2.1 實驗試劑

十六烷基三甲基溴化銨(CTAB，純度98%)購于Alfa Aesar；氯金酸(純度99.9%)購于北京化學試劑公司。以下藥品均為分析純：硼氫化鈉購于國藥集團化學試劑有限公司；硝酸銀購于北京北化精細化學品有限公司；L-抗壞血酸購于國藥集團化學試劑有限公司；α-環(huán)糊精和β-環(huán)糊精購于Alfa Aesar；α-淀粉酶(來源為Aspergillus oryzae，35.7 U·mg-1)購于Sigma。

2.2 表征儀器

透射電子顯微鏡(TEM)表征儀器為日本JEOL JEM-2100型透射電鏡(工作電壓為200 kV)和日本JEOL JEM-200CX型透射電鏡(工作電壓為160 kV)。紫外-可見-近紅外吸收光譜(UV-Vis-NIR)由日本Hitachi U-4100型紫外可見近紅外分光光度計測得。紅外光譜(IR)由美國Nicolet iN10MAX型微區(qū)傅里葉變換紅外光譜儀測得。

2.3 金納米棒合成與分散液制備

金納米棒參考文獻21報道的種子生長法，通過適當?shù)臈l件優(yōu)化后制備得到。種子溶液制備：將0.125 mL濃度為10 mmol·L-1的HAuCl4溶液加入3.75 mL濃度為0.1 mol·L-1的CTAB溶液中，再加入0.3 mL預先在4 °C冰箱冷卻30 min的10 mmol·L-1的NaBH4溶液，攪拌2 min。然后在27 °C水浴中靜置4 h，作為種子溶液。金納米棒生長溶液制備：向25 mL濃度為0.1 mol·L-1的CTAB溶液中依次加入1.075 mL濃度為10 mmol·L-1的HAuCl4、0.24 mL濃度為10 mmol·L-1的AgNO3以及0.17 mL濃度為0.1 mol·L-1的抗壞血酸溶液，混合均勻，27 °C水浴預處理一段時間。然后再加入0.115 mL的種子溶液，混合10 s，然后在27 °C水浴中靜置至少5 h，得到含有0.1 mol·L-1CTAB的金納米棒原始分散液待用。

所制備得到的金納米棒是[001]取向的單晶，長度為(37 ± 4) nm，直徑為(11 ± 1) nm，軸徑比約為3.4 (圖S1，見Supporting Information)。據(jù)文獻22報道，軸徑比約(3.5 ± 0.7)的GNR的摩爾吸光系數(shù)(ε)為4.6 × 109mol-1·L·cm-1，根據(jù)Beer-Lambert定律計算，金納米棒原始液中GNR的粒子濃度約為0.8 nmol·L-1。可通過多次離心以及再分散的方法調(diào)節(jié)分散液中GNR基元和CTAB至合適的濃度。采用的離心速度為12000 r·min-1，離心時間為10 min。在典型金納米棒組裝實驗中，GNR的粒子濃度與原始液相同(0.8 nmol·L-1)，CTAB濃度則是原始分散液的1/100 (1 mmol·L-1)。

2.4 α-環(huán)糊精誘導金納米棒組裝

采用2 mL的溶液體系研究環(huán)糊精誘導下的金納米棒組裝。具體實驗步驟為：將0.8 mL GNR和CTAB濃度分別為0.8 nmol·L-1和1 mmol·L-1的分散液與0.8 mL去離子水混合，然后在攪拌速度約為150 r·min-1的情況下，快速加入0.4 mL一定濃度的α-CD水溶液；攪拌1 min后，用30 s的時間迅速轉(zhuǎn)移樣品至比色皿，并測試400-1100 nm范圍的Vis-NIR吸收光譜。靜置不同時間后，測試吸收光譜隨組裝時間的變化。向分散液中加入不同體積的α-CD時，相應調(diào)節(jié)水的加入量，使總體積始終保持2 mL。

測試光譜后，取15 μL溶液滴于電鏡銅網(wǎng)，讓溶液迅速鋪展，避免溶劑蒸發(fā)對組裝的影響，干燥后用于TEM表征。

2.5 利用金納米棒組裝體系實現(xiàn)α-淀粉酶檢測

配置1 mg·mL-1的α-淀粉酶溶液，然后將一定體積的α-淀粉酶與0.2 mL 5 mmol·L-1的α-CD預混合30 min，讓淀粉酶充分水解α-CD，再向體系中快速加入0.4 mL金納米棒分散液(CTAB濃度為1 mmol·L-1)。攪拌1 min后，測試Vis-NIR吸收光譜。為保持2 mL總體積不變，需要根據(jù)α-淀粉酶用量的變化調(diào)節(jié)水的加入量。

3 結(jié)果與討論

3.1 α-環(huán)糊精誘導金納米棒可控自組裝

3.1.1 不同α-CD濃度下GNRs的自組裝

實驗中觀察到溶液中的金納米棒可以在α-CD的誘導下發(fā)生自組裝，并且α-CD濃度對GNRs的溶液相組裝形式有很大影響。圖1為一系列不同濃度的α-CD誘導GNRs發(fā)生組裝的系列吸收光譜(均為加入α-CD轉(zhuǎn)移至比色皿后直接測試，相當于攪拌1 min后靜置～30 s后測得)。從圖中可以看出，隨著α-CD濃度逐漸增加至1.12 mmol·L-1，位于744 nm處的長軸方向SPR吸收峰(LSPR)的強度逐漸減弱，并且逐漸藍移；與此同時，位于516 nm處的橫軸方向SPR吸收峰(TSPR)逐漸紅移。該結(jié)果意味著隨著α-CD濃度的增加，納米棒發(fā)生了肩并肩的組裝23。當α-CD濃度繼續(xù)增大時，LSPR則開始發(fā)生明顯的紅移和寬化，這意味著在高濃度α-CD的存在下金納米棒可能更傾向于發(fā)生頭對頭的組裝23。

為了探究不同濃度α-CD誘導下的GNR自組裝，我們選取了分別對應于肩并肩和頭對頭組裝的兩個典型α-CD濃度(1.125和1.175 mmol·L-1)，深入考察了GNR組裝體系吸收光譜隨時間的變化，并對組裝體的形貌進行了TEM觀測。

圖1 不同濃度α-CD誘導GNRs發(fā)生組裝后的吸收光譜Fig.1 Absorption spectra of GNRs after addition of different concentrations of α-CD.

3.1.2 低濃度α-CD誘導GNRs肩并肩組裝

當加入α-CD的濃度為1.125 mmol·L-1時，金納米棒分散液的吸收光譜隨靜置時間的變化如圖2a所示。靜置～30 s后測試的光譜與原始GNRs吸收光譜相比，LSPR強度減弱并且發(fā)生明顯藍移，從744 nm移動至727 nm，同時TSPR發(fā)生明顯紅移，從516 nm移動至540 nm。這意味著GNRs在α-CD加入后迅速發(fā)生肩并肩組裝23。隨著靜置時間的延長，LSPR的強度進一步緩慢下降，說明組裝體在繼續(xù)變大，并引起沉降。大約24 h之后能觀察到GNR完全聚沉，且難以通過超聲處理再分散。

用TEM表征靜置過程中GNRs組裝體形貌，結(jié)果如圖2b，c所示?？梢钥吹?，5 min時GNRs已發(fā)生了明顯的肩并肩組裝；15 min時同樣以肩并肩組裝為主，同時組裝體明顯變大。該結(jié)果與吸收光譜結(jié)果基本相符，表明在外加α-CD的濃度為1.125 mmol·L-1時，可以誘導GNRs發(fā)生肩并肩組裝。

3.1.3 高濃度α-CD誘導GNRs頭對頭組裝

圖2 1.125 mmol·L-1 α-CD誘導GNRs發(fā)生肩并肩組裝。(a)不同時間下的吸收光譜；靜置(b) 5 min和(c) 15 min時所制樣品的TEM照片F(xiàn)ig.2 Side-by-side assembly of GNRs directed by 1.125 mmol·L-1 α-CD.(a) Time-dependent absorption spectra of GNRs; TEM images of GNRs at (b) 5 min and (c) 15 min after addition of α-CD.

當加入α-CD的濃度增大到1.175 mmol·L-1時，金納米棒分散液的吸收光譜隨靜置時間的變化如圖3a所示。靜置～30 s后測試的吸收光譜與原始GNRs光譜相比，發(fā)生明顯下降，且LSPR強度降低并且發(fā)生明顯紅移和寬化，從744 nm移動至874 nm；而TSPR則僅有微小的移動，從516 nm移至520 nm。該結(jié)果意味著GNRs發(fā)生了頭對頭組裝現(xiàn)象23，但LSPR峰的明顯寬化說明聚集體的大小及聚集狀態(tài)可能并不均一。隨靜置時間的延長，光譜進一步紅移，說明組裝體在繼續(xù)變大，并引起沉降。與發(fā)生肩并肩組裝的現(xiàn)象類似，大約24 h之后能觀察到GNRs完全聚沉，難以通過超聲處理再分散。

用TEM表征靜置30 min后GNRs組裝體的形貌，結(jié)果如圖3b，c所示。可以發(fā)現(xiàn)，GNRs比較傾向于頭對頭的組裝，能夠形成一些明顯的一維鏈狀聚集，不過局部也存在一些無規(guī)聚集導致的分叉，總體呈現(xiàn)為網(wǎng)狀。

3.2 α-環(huán)糊精誘導金納米棒組裝的機理探討

3.2.1 α-CD與β-CD誘導GNRs組裝的對比

圖3 1.175 mmol·L-1 α-CD誘導GNRs發(fā)生頭對頭組裝。(a)不同時間下的吸收光譜；靜置(b，c) 30 min所制樣品的TEM照片F(xiàn)ig.3 End-to-end assembly of GNRs directed by 1.175 mmol·L-1 α-CD.(a) Time-dependent absorption spectra of GNRs; (b, c) TEM images of GNRs at 30 min after addition of α-CD.

圖4 不同濃度α-CD與β-CD誘導GNRs組裝的吸收光譜圖：(a) 1.25 mmol·L-1；(b) 1.50 mmol·L-1Fig.4 Absorption spectra of GNRs after addition of α-CD and β-CD with different concentrations:(a) 1.25 mmol·L-1; (b) 1.50 mmol·L-1.

為探討α-CD誘導GNRs組裝的機理，考察了與α-CD化學性質(zhì)非常相似，但疏水空腔更大的β-CD對GNRs組裝的作用。α-CD是由6個D-吡喃糖單元組成，空腔內(nèi)徑為5.7 ? (1 ? = 0.1 nm)，而β-CD則是由7個D-吡喃糖單元組成，空腔內(nèi)徑為7.8 ?。在相同的實驗方法條件下，圖4a為兩種CD都在1.25 mmol·L-1時誘導GNRs組裝后吸收光譜發(fā)生的變化(圖中實線對應于β-CD，虛線對應于α-CD)?？梢悦黠@的看出，該濃度下的α-CD已導致GNRs吸收光譜迅速降低或GNRs的組裝；而β-CD加入后吸收光譜卻非常穩(wěn)定或未發(fā)生GNRs的組裝。圖4b為兩種CD都在1.5 mmol·L-1時誘導GNRs組裝后吸收光譜發(fā)生的變化?？梢钥闯觯诖溯^高CD濃度下，α-CD很快使得吸收光譜降至很低，對應于GNRs發(fā)生聚集沉降；而該濃度下β-CD的加入開始逐漸引起GNRs的組裝。

上述結(jié)果表明，α-CD和β-CD在適宜的濃度下都可以引發(fā)GNRs的組裝，但相比于α-CD，β-CD通常需要更高的濃度才能達到與α-CD相當?shù)恼T導組裝程度。據(jù)文獻24報道，α-CD和β-CD均具有疏水空腔，可以與帶有烷基鏈的表面活性劑分子發(fā)生主客體包合作用，但其包合常數(shù)存在較大差異。因此，可以推測CD與CTAB的超分子主客體作用可能是GNRs發(fā)生自組裝的主要誘因，而且該超分子作用的強度及超分子包合物的形態(tài)結(jié)構(gòu)會顯著影響GNRs的組裝過程。

3.2.2 高濃度CTAB對GNRs自組裝的影響

通過仔細觀察圖1，可以發(fā)現(xiàn)在α-CD濃度由0增加至1.0 mmol·L-1之前光譜基本不會發(fā)生變化，而從1.0 mmol·L-1開始，光譜才發(fā)生緩慢藍移?？紤]到混合后的GNRs分散液中存在0.4 mmol·L-1游離的CTAB，引入的α-CD分子可能會優(yōu)先與溶液中游離的CTAB分子發(fā)生包合作用，當α-CD達到一定濃度之后才能進一步與GNR表面吸附的CTAB分子發(fā)生包合作用，并導致GNRs的組裝。

根據(jù)以上分析可以推測，若向正在由α-CD誘導組裝的GNRs體系中加入大量高濃度的CTAB，則可引入大量游離的CTAB分子，從而終止α-CD誘導的GNRs組裝。為驗證該推論，我們做了以下對照實驗：在1.05 mmol·L-1α-CD誘導GNRs組裝的體系中，當攪拌混合1 min后，向體系中加入0.7 mL 0.1 mol·L-1的CTAB溶液，使得體系中游離的CTAB濃度增加約90倍，再攪拌10 min后測試不同靜置時間的光譜，結(jié)果如圖S2 (見Supporting Information)所示。可以發(fā)現(xiàn)，靜置30 min后光譜也不再發(fā)生變化，說明大量游離的CTAB分子可與金納米棒表面吸附的CTAB分子發(fā)生競爭，阻止GNRs表面附著的CTAB分子與α-CD發(fā)生包合作用，從而避免GNRs的聚集。但需要指出的是，大量游離的CTAB分子只能終止聚集而不能使已經(jīng)聚集的GNRs發(fā)生解聚。

3.2.3 α-CD誘導組裝機理討論

基于以上對照實驗，獲得了一些能支持環(huán)糊精與表面活性劑主客體作用誘導GNRs組裝的實驗證據(jù)，簡述如下：(1) CD空腔尺寸可顯著影響GNRs組裝，即空腔更小的α-CD比β-CD能在更低濃度誘導GNRs組裝；(2) α-CD濃度需要達到一定值才能誘導GNRs組裝；(3)向α-CD誘導GNRs組裝的體系中加入高濃度的CTAB后，可以阻止GNRs組裝。

據(jù)此我們提出了α-CD與CTAB主客體作用誘導GNR組裝的一個可能機理，如圖5所示。該組裝過程的關(guān)鍵在于GNR表面吸附有帶正電的雙層CTAB分子25，而這些起靜電穩(wěn)定作用的CTAB分子又可以與α-CD通過主客體包合作用形成超分子包合物26，從而導致GNR表面電荷的降低和膠體穩(wěn)定性的降低。大致的組裝過程是：α-CD首先與溶液中游離的CTAB發(fā)生包合作用，然后再與GNR表面CTAB相互作用形成包合物，進而導致GNR表面雙層CTAB結(jié)構(gòu)破壞，部分CTAB從GNR表面脫離，使得GNR表面電荷減少，溶液中的GNR逐漸失去穩(wěn)定性，從而發(fā)生相互聚集或組裝。圖S3 (見Supporting Information)所示的紅外光譜測試結(jié)果表明，相比于原始的CTAB包覆的GNR，由α-CD誘導的GNR聚集體在1025 cm-1出現(xiàn)了一個較強的對應于α-CD的吸收峰27，這意味著一部分α-CD/CTAB主客體復合物仍然吸附在金納米棒的表面。

圖5 α-CD與CTAB主客體作用誘導GNRs自組裝的機理示意圖.(a)較低α-CD濃度；(b)較高α-CD濃度Fig.5 Schematic illustration of mechanism of selfassembly of GNRs directed by host-guest interaction of α-CD and CTAB.(a) A lower α-CD concentration;(b) a higher α-CD concentration.

在α-CD濃度較低時(圖5a)，它們與GNRs表面少量CTAB發(fā)生包合作用，GNRs的穩(wěn)定性略微降低，并以較慢的速度發(fā)生自組裝，形成棒狀粒子的優(yōu)先聚集方式，即肩并肩組裝體。根據(jù)文獻28,29報道，GNRs形成肩并肩組裝體時范德華吸引能更大。當α-CD濃度較高時(圖5b)，它們與GNR表面大量CTAB都發(fā)生明顯的包合作用，GNRs極不穩(wěn)定，發(fā)生快速聚集，形成動力學控制條件下的頭對頭組裝體。值得指出的是，在高濃度α-CD存在下，GNR兩端吸附的CTAB分子很有可能全部被α-CD/CTAB主客體復合物所取代，因而GNR兩端所帶的正電荷顯著降低，端部與端部的靜電排斥力大大減弱，從而有利于GNR的頭對頭組裝。這與文獻30報道的硫酸根離子誘導GNR的頭對頭組裝具有一定的相似之處。由于聚集速度很快，同時也會出現(xiàn)一些無規(guī)的局部聚集形式。整體呈現(xiàn)為以頭對頭組裝為主的網(wǎng)狀聚集體。需要指出的是，這只是目前推測得到的一個可能機理，而其分子層次上的確切組裝機理仍有待于深入研究。

3.3 基于金納米棒自組裝體系的α-淀粉酶檢測

α-淀粉酶可以將α-CD逐漸水解至單個的D-吡喃糖單元(圖6a)。因此，將α-淀粉酶引入環(huán)糊精參與的超分子主客體體系，可實現(xiàn)對α-淀粉酶的檢測31,32。根據(jù)上述α-CD與CTAB主客體作用誘導GNRs的組裝機理可以推測，因水解導致疏水空腔消失的α-CD將不能再與CTAB相互作用，即不能誘導GNRs組裝。因此，我們系統(tǒng)研究了不同濃度α-淀粉酶對GNRs自組裝的影響。這既能驗證自組裝機理，也可作為一種檢測α-淀粉酶的方法。

圖6 基于α-CD誘導GNRs組裝體系的α-淀粉酶檢測。(a) α-淀粉酶催化α-CD水解示意圖；(b)不同濃度α-淀粉酶存在下的組裝體系吸收光譜；(c) 734 nm處吸光度隨α-淀粉酶濃度的變化曲線Fig.6 Detection of α-amylase based on self-assembly of GNRs directed by α-CD.(a) Schematic illustration of the hydrolysis of α-CD catalyzed by α-amylase; (b) absorption spectra GNRs after addition of α-CD in the presence of α-amylase with varied concentrations; (c) variation of absorbance at 734 nm with the concentration of α-amylase.

在保持總體積為2 mL的條件下，向不同濃度α-淀粉酶與α-CD的混合溶液中加入0.4 mL GNRs分散液，將導致GNRs不同程度的聚集，其吸收光譜如圖6b所示?？梢杂^察到隨著α-淀粉酶濃度的增加，LSPR峰的下降程度逐漸減少，7.14 U·mL-1的α-淀粉酶基本可以阻止α-CD誘導的GNRs聚集。光譜中734 nm處吸光度(A734)與α-淀粉酶濃度在0-7.14 U·mL-1范圍內(nèi)呈正相關(guān)，如圖6c所示。這也意味著可以在該濃度范圍內(nèi)實現(xiàn)對溶液中微量α-淀粉酶的檢測。α-淀粉酶對α-CD誘導組裝的抑制作用，進一步驗證了前文對組裝機理的推測。

4 結(jié)論

本文利用α-CD與GNRs表面CTAB分子的超分子主客體作用，成功誘導了GNRs在水溶液中的可控自組裝。通過調(diào)節(jié)α-CD的濃度可以分別實現(xiàn)金納米棒肩并肩組裝或頭對頭組裝。通過α-CD與β-CD的對比實驗以及高濃度CTAB對組裝過程的抑制作用，初步揭示α-CD與CTAB的超分子主客體作用是金納米棒組裝的主要誘因。提出α-CD與CTAB的主客體作用分兩個階段，即先與溶液中游離的CTAB相互作用，再與GNR表面CTAB相互作用。借助于α-淀粉酶對α-CD的水解作用，可以利用該組裝體系實現(xiàn)對溶液中微量淀粉酶的檢測。這種基于主客體作用的自組裝策略有望拓展至其它由表面活性劑分子所穩(wěn)定的膠體體系，從而為非球形納米基元的可控自組裝提供新的思路。

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