金纳米花的快速可控制备及应用

2018-07-27郭新秋

实验室研究与探索 2018年7期

郭攀，郭新秋，殷姗，陈峰，何琳

(上海交通大学 a.化学化工学院；b.分析测试中心，上海 200240)

0 引言

金纳米花独特的光学性质、高的光热转化效率、良好的生物相容性，在表面增强拉曼散射、生物医用材料等方面得到普遍应用，并引起了研究者的重视[1-5]。

制备金纳米花的主要方法是模板法[6]。表面活性剂在金纳米花生长过程中起到模板-结构导向剂作用，对其形貌调控起到至关重要的作用[7-9]。目前合成金纳米花的表面活性剂主要有：聚乙烯吡咯烷酮(PVP)[10]、N-(2-羟乙基)哌嗪-N-2-乙烷磺酸(HEPES)[11-12]、六亚甲基-1,6-双(十二烷基二甲基铵溴)(C12C6C12Br2)[13]和N，N，N’-二甲基-N，N’-二十四烷基乙烷-1,2-二胺(C14C2C14Br2)[4]等。Xie等[14]采用HEPES为表面活性剂制备金纳米花，以牛血清白蛋白为稳定剂，罗丹明B为拉曼探针，检测出细胞内拉曼信号。Jia等[15]用十八烷基胺(C18N3)制备金纳米花，获得多分枝的金纳米花，极大增强了表面拉曼散射强度。金纳米花的制备虽然较成熟，但仍存在一些问题：① 制备时间长；② 金纳米花不稳定；③ 生物相容性差。

HED3A[16]与金属离子具有超强的螯合作用，且稳定性高和结构导向强。因此，本文采用HED3A作为合成金纳米花的表面活性剂，高效制备出稳定性高、拉曼信号增强效果显著和生物相容性好的金纳米花。通过改变HED3A、AA和HAuCl4浓度，实现了对金纳米花的形貌调控。该反应快速，1 min完成，制得的金纳米花有以下优点：① 稳定性高，12个月形貌无变化；② 拉曼散射信号增强效果显著，R6G检出限可达10 nmol/L；③ 生物相容性好。

1 实验部分

1.1 实验试剂及仪器

主要试剂：氯金酸(HAuCl4·3H2O)、抗坏血酸(AA)、罗丹明6G(R6G)、二甲基亚砜(DMSO)(均购于国药集团化学试剂)，噻唑蓝(MTT)购于Aldrich，细胞培养基(DMEM)、胎牛血清(FBS)购于PAA公司，大鼠肝脏细胞(BRL-3A)购于中科院上海细胞所。

主要仪器：FEI生物型透射电镜(Tecnai G2 spirit Biotwin，)、核磁共振波谱仪(AvanceⅢ400 MHz，Bruker)、红外光谱仪(IR/Nicolet 6700，Agilent)、高液相色谱-线性离子阱质谱联用仪(HPLC1260<QXL，Thermo-fisher)、紫外可见分光光度计(UV/EV300，Thermo Electron CORP)、色散型共聚焦拉曼光谱仪(Senterra R200-L，Bruke)、酶标仪(Elx800，BioTek)。

1.2 金纳米花的制备

根据文献[16]中制备HED3A。取4个烧杯，依次加入不同浓度的HED3A溶液，混合均匀后分别加入HAuCl4，AA，1 min内溶液颜色由黄色变成褐色或紫色，证明反应完全，离心10 min，1 000 r/s，上清液除掉，将得到的金纳米花分散在超纯水中。

1.3 金纳米花形貌的调控

1.3.1HED3A浓度的影响

将4 mL浓度为0.1、1、10及50 mmol/L的HED3A分别加入到反应体系中，然后加入2 mL 2 mg/mL的HAuCl4和 0.2 mL 0.08 mol/L的AA，其他制备过程与1.2节相同。

1.3.2AA浓度的影响

将4 mL 1 mmol/L的HED3A溶液，2 mL 2 mg/mL的HAuCl4溶液分别加入到反应体系中，然后加入2 mL浓度为0.06、0.08 、0.12及0.2 mol/L的AA溶液，其他制备过程与1.2节相同。

1.3.3HAuCl4浓度的影响

将4 mL 1 mmol/L的HED3A溶液分别加入到反应体系中，然后加入2 mL浓度为0.5、1、2及3 mg/mL的HAuCl4溶液和2 mL 0.08 mol/L的AA溶液，其他制备过程与1.2节相同。

1.3.4温度的影响

向体系中分别加入4 mL 1 mmol/L的HED3A，2 mL 2 mg/mL的HAuCl4溶液，2 mL 80 mmol/L的AA溶液，改变反应温度20 °C、30 °C、50 °C、80 °C，其他制备条件与1.2节相同。

1.4 表面增强拉曼光谱的测试

以R6G为拉曼探针，金纳米花为基底，使用激发波长532 nm激光器，激发功率10 mV，曝光时间10 s。

1.5 细胞毒性测定

将BRL-3A细胞种植于96孔板中，放在培养箱(5% CO2和37 ℃)中培养，当细胞完全贴壁后，加不同浓度的金纳米花，继续培养细胞24 h或48 h后，加入MTT溶液，再将96孔板培养4 h后，加入DMSO，酶标仪测定490 nm处的吸光(A)值。

2 结果与讨论

2.1 HED3A浓度的影响

保持体系中V(AA0.08 mol/L)=0.2 mL，V(HAuCl4 2 mg/mL)=2 mL不变，当HED3A浓度从0.1 mmol/L增加到10 mmol/L时，金纳米花形貌由致密变得疏松(见图1(a)～(c))；随着浓度继续增大，则生成金纳米球(见图1(d))。由此可见，HED3A可有效调控金纳米花的形貌，在金纳米花合成过程中起到结构导向剂的作用。这种现象与有限配体和充足配体保护效应有关[17-18]。当HAuCl4及AA的浓度相同，HED3A浓度较低时，初期产生的金纳米晶由于表面包裹的表面活性剂较少，为了减少体系的表面能，生成的金纳米晶不稳定，作为晶核聚集成金纳米花。随着表面活性剂浓度的增加，包裹在金纳米晶表面的表面活性剂较多，使金纳米晶无法进行各向异性生长，从而生成最稳定的球形。

(a)0.1 mmol/L，(b)1 mmol/L，(c)10 mmol/L，(d)50 mmol/L

2.2 AA浓度的影响

保持体系中V(HED3A 1 mmol/L)=4 mL，V(HAuCl4 2 mg/mL)=2 mL不变，当AA浓度为0.06 mol/L时，得到金纳米花结构较致密(见图2(a))；随着AA浓度增加，金纳米花形貌没有显著变化(见图2(b)～(d))。表明AA浓度对金纳米花形貌影响不大，不能实现对金纳米花形貌的有效调控。当HED3A、HAuCl4浓度一定时，改变AA浓度，只是稍微改变金纳米晶生长速度，对金纳米花形貌影响不显著。

(a)

(b)

(c)

(d)

2.3 HAuCl4浓度的影响

保持体系中V(HED3A 1 mmol/L)=4 mL，V(AA 0.08 mol/L)=0.2 mL不变，当HAuCl4浓度小于0.5 mg/mL时，制备得到的是金纳米球(见图3(a))；当浓度从0.5 mg/mL 增加至3 mg/mL时，制备得到金纳米花(见图3(b)～(d))。由此可知，改变HAuCl4浓度，可有效改变金纳米花的形貌。当HED3A、AA浓度一定，HAuCl4浓度较低时，初期得到的金纳米晶数目少，包裹在单个金纳米晶表面的表面活性剂相对较多，阻止了金纳米晶各向异性生长，趋向于生成最稳定的球形；随着氯金酸浓度增加，初期生产的金纳米晶数目增多，则单个金纳米晶表面包裹的表面活性剂较少，金纳米晶不稳定，聚集生成金纳米花。

(a) 0.5 mg/mL，(b)1 mg/mL， (c)2 mg/mL， (d)3 mg/mL

2.4 温度的影响

保持体系中V(HED3A 1 mmol/L)=4 mL，V(HAuCl4 2 mg/mL)=2 mL，V(AA 0.08 mol/L)=0.2 mL，不变，改变反应温度，当温度在10～50 °C变化时，得到金纳米花(见图4(a)～(c))；当温度升高到80 °C时，制得金纳米球(见图4(d))。表明控制温度在80 °C以下，可有效地制备出金纳米花。温度过高，反应速度过快，得到金纳米晶数目较多，制备得到金纳米球。