柠檬酸钠还原法制备金纳米颗粒的影响因素分析*

任林娇，李晨龙，秦自瑞，徐 鹏，姜利英

(郑州轻工业大学 电气信息工程学院，郑州 450002)

0 引 言

金纳米颗粒(AuNPs)具有生物相容性好、化学稳定性高且毒性低的优点，在生物传感[1-3]、金属离子检测[4]、催化反应[5]等方向具有应用潜力。AuNPs的制备有多种方法，总体上可以划分为两类“自上而下”法以及“自下而上”法[6]。其中“自上而下”的方法主要是利用物理的手段，对大块的金进行击破打碎使其颗粒逐步逼近纳米级。物理法原理简单，但在实际中却难以使用，一方面是物理手段所使用的仪器比较昂贵，另一方面是物理法得到的金纳米颗粒的尺寸及形状不可控且成本较高。“自下而上”的方法多为化学法[7]，即使用含有金的化合物，利用还原反应制备纳米颗粒。化学法制备参数易调节，应用前景广泛，如白磷还原法、抗坏血酸还原法、硼氢化钠还原法、柠檬酸钠还原法等。

柠檬酸钠还原法的制备过程简单，成本低廉，制备条件易控制，产物尺寸具有可调区间广的优点[8]。柠檬酸钠还原法，即采用柠檬酸钠(Sodium citrate)做还原剂，在一定温度下还原氯金酸，最终得到金纳米颗粒水溶液的方法。纪小会[9]等人采用此法对溶液pH产生的影响进行了分析，Zoha Babaei afrapoli[10]等人通过逆转反应溶液的加入次序对产物生成机理进行了讨论，Himanshu Tyagi[11]等人在室温下进行合成并对反应速率的影响因素进行了探讨。此外对于柠檬酸钠还原法的研究也有很多，如对反应进程进行数学建模[12]、反应进程分析[13]、反应进程中中其他隐含制备参数的影响[14]等。以上的研究集中于反应进程对产物产生的影响，未系统研究柠檬酸钠还原法中制备工艺对AuNPs的影响。

通过调节柠檬酸钠还原法中的反应物浓度比、反应物加入次序、溶液pH、保温温度、搅拌速率等关键工艺参数，应用紫外-可见吸收光谱分析各个工艺参数对所生成产物的影响。为柠檬酸钠还原法制备金纳米颗粒的工艺参数优化提供了理论基础，有利于AuNPs的规模化低成本制备以及推广应用。

1 实 验

1.1 仪器与试剂

盐酸(HCl)、氢氧化钠(NaOH)、柠檬酸钠(C6H5Na3O7·2H2O)、氯金酸(HAuCl4·3H2O)购置于国药集团化学试剂有限公司，以上试剂均为AR级。称量天平使用ME204称量天平(METTLER TOLEDO,Switzerland)，超纯水由PURELAB Option-R(ELGA LabWater, UK)制备，所有溶液pH 值的检测由FE-20K-meter(METTLER TOLEDO,Switzerland)进行，加热及搅拌使用SHJ-2CD水浴锅(金坛友联仪器研究所，常州)，紫外-可见光光谱由TU-1901(普仪，北京)双光束紫外可见分光光度计测量。

1.2 样品制备与测试

1.2.1 样品制备

将HAuCl4水溶液液加热至一定温度，添加柠檬酸钠水溶液，继续保温一段时间，取出后室温下冷却即可得到AuNPS溶液。改变柠檬酸钠浓度(CC1-CC14),反应物加入次序(MP1-MP6)，溶液pH(3～4),保温温度(80～95 ℃)，保温时间(5～60 min),搅拌速率(低-高)可得到不同工艺下的AuNPS样品，如表1。

表1 柠檬酸钠还原法制备金纳米颗粒的关键工艺参数

1.2.2 样品测试

改变柠檬酸钠浓度(CC1-CC14),反应物加入次序(MP1-MP6)，溶液pH(P1-P5)，制备的AuNPs溶液停止加热后移至冰浴中骤冷3 min用于后续测试。保温温度(TP1-TP4)，保温时间(T1-T9),搅拌速率(ST1-ST4)等由反应物加入后开始计时，停止反应后并置于冰浴中冷却用于后续测试。

2 结果与讨论

2.1 反应物浓度比对AuNPs尺寸的影响

制备过程中柠檬酸钠浓度是影响产物尺寸的重要因素。图1为不同柠檬酸钠浓度下样品的测试结果，随着浓度的增加吸收峰波长先由537 nm蓝移至520 nm，再红移至525 nm并趋于稳定。由表1可得Citrate/HAuCl4浓度比，浓度比在0.3～4时吸收峰发生蓝移，即产物尺寸随着浓度比的增加不断降低[15-16]，浓度比在4～10时产物尺寸逐渐增大，当浓度比>10后产物尺寸趋于稳定[17]。AuNPs生成要经历成核、生长两个过程[18]，当浓度比较低时，AuNPs多数处于成核时期，尺寸较小，此时增加Citrate浓度会增加新成核的数量，导致AuNPs整体尺寸减小；浓度比达到一定限度后，AuNPs成核数量基本不变，此时增加Citrate浓度，会通过核生长导致AuNPs的尺寸不断增大；达到较高浓度比后，AuNPs多数处于生长饱和状态，再增加Citrate浓度，AuNPs的尺寸基本保持不变。

图1 不同Citrate浓度下AuNPs的吸收峰

2.2 反应物加入顺序对AuNPs尺寸的影响

Citrate在反应中充当还原剂、保护剂以及pH调节剂，其加入顺序对AuNPs的尺寸有较大影响[10]。将Citrate加入HAuCl4制备AuNPs的方法称为正向法，反之称为反向法。改变Citrate浓度，反向法制备的AuNPs吸收光谱如图2(a)，吸收峰位如图2(b)。Citrate浓度改变时，正向法与反向法的光谱变化趋势基本一致。Citrate/HAuCl4浓度比在2.4～12时，反向法所制得的AuNPs尺寸小于正向法，这是由成核速率影响的。正向法中HAuCl4周围的Citrate浓度相对较低，成核较慢；而反向法中HAuCl4周围的Citrate浓度较高，成核较快，成核数目多，因此反向法制备的AuNPs尺寸稍小[10]。

图2 (a)反向法制备的AuNPs吸收光谱；(b)两种方法中Citrate浓度与AuNPs吸收峰对应波长

2.3 溶液pH对AuNPs尺寸的影响

Citrate浓度或反应物加入顺序发生改变后，溶液pH随之改变。在浓度比不变的情况下，调节pH值，制备了不同的样品，吸收光谱如图3(a)所示，在pH为2时没有明显的吸收峰，未生成AuNPs。当pH值>3后吸收峰呈现出先下降后上升再趋于稳定的趋势，其吸收峰位变化如图3(b)所示，pH由3增加至3.5时吸收峰位由528 nm蓝移至522 nm，pH继续增大则吸收峰位逐渐红移后趋于稳定。即产物尺寸先减小后增大再趋于稳定。其原因可能是AuNPs的两种生长路线所导致的[9]。Citrate加入后溶液pH值分别变为4.95、6.79、6.96、7.21、7.36。在pH低于6.5时AuNPs的生成路线为成核、聚集、平整，当pH高于6.5时AuNPs的生成路线为成核、生长[18]。pH值<6.5时成核、聚集过程进行的较快，成核浓度高，导致尺寸逐渐减小，pH>6.5时生成路线为成核-生长，随着pH的增加成核浓度降低，AuNPs尺寸增加。

图3 (a)不同pH条件下制备AuNPs的吸收光谱；(b)pH值与AuNPs吸收峰对应波长

2.4 保温时间与温度对AuNPs浓度的影响

除了反应物的浓度与加入顺序外，反应的温度与时间同样影响产物的尺寸与产量[19]。不同保温温度下的样品其吸收光谱如图4(a)、(b)所示。随着反应时间的增加，生成的AuNPs浓度不断增加。由图4(c)、(d)可知，反应温度较高的样品会更快的达到浓度阈值、尺寸阈值。由此可知，反应温度与时间相互影响，较高的反应温度有利于快速制备。

图4 保温温度相同、时间不同的AuNPs样品吸收光谱

2.5 搅拌速率对AuNPs浓度的影响

搅拌速率同样对AuNPs的反应过程有影响[20]，图5为不同搅拌速率所制备的AuNPs紫外-可见吸收光谱。在开始的一个阶段搅拌速率越快越有利于成核，但在一段时间后差异逐步消失，这是由于在反应前期搅拌速率加速了成核的过程，完成了成核的过程搅拌速率对反应过程的影响也就逐步减弱。最终反应时间足够长时，搅拌速率不同AuNPs浓度应不会发生改变。即制备同等浓度的AuNPs样品提高搅拌速率可相应缩短反应时间。

图5 (a)不同搅拌速率每3 min生成的产物的吸收光谱；(b)搅拌速率与吸收峰位的关系

3 结 论

柠檬酸钠还原法制备AuNPs时，反应体系pH的改变会对AuNPs的尺寸产生较大影响，其中pH值<6.5时，增加pH，由于成核数增多AuNPs尺寸逐渐减小；pH值>6.5时，增加pH，由于核生长导致AuNPs尺寸逐渐增大。故调节柠檬酸钠浓度、改变反应物加入次序、调节pH可以在一定范围内调控AuNPs的尺寸。反应时间、保温温度、搅拌速率对AuNPs的反应速率有较大影响，固定温度延长反应时间、固定时间提高保温温度都可以使AuNPs的浓度得到提升，提高搅拌速率有助于加速反应,但当反应时间足够长时，不同搅拌速率均可制备出同等浓度和尺寸AuNPs样品。