大肠杆菌吸附-化学还原法用废含金催化剂制备金纳米线

杨海贤，林丽芹，黄加乐，李清彪

（1. 湄洲湾职业技术学院 化学工程系，福建 莆田 351200；2. 厦门大学 化学化工学院，福建 厦门 361005）

大肠杆菌吸附-化学还原法用废含金催化剂制备金纳米线

杨海贤1，2，林丽芹2，黄加乐2，李清彪2

（1. 湄洲湾职业技术学院 化学工程系，福建 莆田 351200；2. 厦门大学 化学化工学院，福建 厦门 361005）

采用大肠杆菌吸附-化学还原法，以大肠杆菌（ECCs）为模板、十六烷基三甲基溴化铵为保护剂、抗坏血酸为还原剂，由废含金催化剂制备金纳米线（AuNWs）。采用 XRD，SEM，TEM等技术对AuNWs进行表征。研究了AuNWs对罗丹明6G（R6G）和4-巯基苯甲酸（4-MBA）的拉曼散射信号的增强效果。实验结果表明：在制备过程中加入微生物ECCs，可使金回收率提高约20百分点；当溶液pH小于4时，反应2 h后，有大量呈线状的AuNWs聚集沉降，金回收率可达99%以上。表征结果显示，AuNWs呈多晶结构，晶格间距为0.23 nm。表面增强拉曼散射分析表明，AuNWs对R6G和4-MBA具有良好的拉曼光谱增强性能。

废含金催化剂；大肠杆菌；金纳米线；吸附；化学还原；表面增强拉曼散射

近年来随着纳米科学和技术的不断进步以及人们对环境保护和可持续发展的日益重视，以生物还原技术为代表的新兴金纳米材料的制备方法受到广泛关注。金纳米材料的尺寸、形貌、间距、表面结构等具有高度可调性，使它不仅具有良好的光学吸收特性，还可以显著增强拉曼散射信号，是目前使用最多且活性最高的表面增强拉曼散射（SERS）基底［1-5］。从工业废弃物中回收贵金属并循环利用，不仅能够保护自然环境，而且能在一定程度上缓解贵金属需求。采用菌体吸附的方法，通过菌体的细胞壁与Au（Ⅰ）或Au（Ⅲ）溶液相互作用，在低温下从含金废液中沉积回收金，已引起人们的关注［6］。在已有研究中，大多使用活菌体吸附还原，形成的纳米颗粒主要位于细胞内，而大量菌体分散悬浮在溶液中［7］，这给后续处理带来了一定的困难。采用死菌体制备的纳米材料主要位于细胞表面或细胞外，不受细胞代谢及生长条件的影响，具有更为灵活的操作空间。在本课题组的前期研究中，通过大肠杆菌（ECCs）、抗坏血酸（AA）和十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）的协同作用，在纯金液体中对所制备的金纳米材料的形貌进行了调控［8］，同时使生成的金纳米材料快速沉降。该研究尚未应用于废含金催化剂回收金的过程。

本工作采用大肠杆菌吸附-化学还原法，以ECCs为模板、AA为还原剂、CTAB为保护剂，由废含金催化剂制备金纳米线（AuNWs）。采用XRD，SEM，TEM等技术对AuNWs进行表征。研究了AuNWs对罗丹明6G（R6G）和4-巯基苯甲酸（4-MBA）的SERS信号的增强效果。

1 实验部分

1.1 材料和仪器

AA，CTAB，R6G，4-MBA：分析纯。98%（w）浓硫酸、30%（w）H2O2溶液：化学纯。

ECCs菌种：厦门大学生物系。按照文献［8］的方法进行培养，收集培养后的菌液，用去离子水多次离心洗涤，将菌体沉淀物置于80 ℃烘箱烘干至恒重，冷却后研磨成微细粉末，保存于干燥器中备用。

废含金催化剂：厦门大学工业催化实验室，金质量分数为0.1%～1.0%。

TAS-986型原子吸收分光光度计：北京普析通用仪器有限公司；LEO-1530型场发射扫描电子显微镜：德国LEO公司；TECNAI F30型场发射透射电子显微镜：荷兰Philips公司；X'Pert Pro MPD型X射线粉末衍射仪：荷兰PANalytical B. V.公司；LabRam I型共焦显微拉曼光谱仪：法国Dilor公司。

1.2 废含金催化剂中金的溶解

采用王水溶解废含金催化剂，进行赶硝处理。将溶解液过滤，得到黄色澄清溶液。移取一定体积的黄色溶液，加入去离子水，配制成50 mL浓度为10.00 mmol/L的含金溶液。置于棕色试剂瓶中，于4 ℃冰箱中保存备用。

1.3 AuNWs的制备

向250 μL浓度为10.00 mmol/L的含金溶液中加入9.5 mL去离子水，振荡摇匀。用浓度为0.1 mol/ L的NaOH溶液调节pH。向含金溶液中加入0.005 g ECCs菌粉和500 μL浓度为0.1 mol/L的CTAB，振荡摇匀，再加入50 μL浓度为0.1 mol/L的AA，振荡摇匀。置于温度为30 ℃、转速为150 r/min的水浴摇床上反应2 h。将反应产物用去离子水洗涤，烘干，得到AuNWs。

1.4 SERS检测

采用R6G和4-MBA为探针分子，以ECCs作为对照组，考察以AuNWs为基底的不同浓度R6G和4-MBA的SERS增强效果。将空白玻片放入V（浓硫酸）∶V（H2O2溶液）=3的混合溶液中超声30 min，洗净烘干。将制得的AuNWs用去离子水超声清洗3次，烘干后再加入50 μL去离子水，均匀分散沉淀物后滴加到玻片上，再滴加10 μL R6G或4-MBA，制成SERS试样。逐级稀释R6G与4-MBA，以能够观测到SERS信号的最低浓度作为探测极限。

1.5 分析方法

采用原子吸收分光光度法测定金含量，计算金回收率；采用SEM，TEM，XRD等技术对产物的形貌进行表征；采用拉曼光谱仪对SERS试样进行分析。

2 结果与讨论

2.1 微生物的加入对AuNWs制备效果的影响

向含金溶液中加入ECCs和CTAB后，溶液颜色加深，由浅黄色变成黄色，这是由于Au（Ⅲ）与CTA+发生了络合反应；加入还原剂AA，振荡后溶液变为无色；反应2 h后，瓶底产生黑色颗粒，并不断团聚。经紫外-可见光谱和原子吸收光谱检测，表明溶液中的Au（Ⅲ）已完全转化，并被菌体吸附及还原。微生物的加入对金回收率的影响见图1。由图1可见，加入ECCs后，金回收率明显增加，较未加入ECCs时提高了约20百分点。

2.2 溶液pH对AuNWs制备效果的影响

溶液pH对金回收率的影响见图2。由图2可见，在不同溶液pH条件下反应，金的回收率均可达99%以上。

不同溶液pH条件下的产物照片见图3。由图3可见：当溶液pH小于4时，在反应体系中可见一定数量的沉淀颗粒；当溶液pH大于6时，有大量的金纳米颗粒生成，并悬浮在溶液中，导致反应液变成黑色。

图1 微生物的加入对金回收率的影响

图2 溶液pH对金回收率的影响

图4 不同溶液pH条件下产物的SEM照片

不同溶液pH条件下产物的SEM照片见图4。由图4可见，当溶液pH小于4时，有大量呈放射状或柳条状的金纳米线形成；当溶液pH为6.48时，形成了大量球形金纳米颗粒。由此可见，金纳米线主要在强酸性环境中生成。在强酸性环境中Au（Ⅰ）发生还原的速率慢；而在中性偏碱性环境中有利于AA的水解，反应速率加快，金离子快速还原成核，生长为球形颗粒［9］。

2.3 AuNWs的表征

AuNWs的TEM照片见图5。由图5可见，AuNWs的晶格间距为0.23 nm。

AuNWs的XRD谱图见图6。由图6可见，在2θ=38.2°，44.4°，64.5°，77.5°，81.7°处出现了5个明显的衍射峰，分别对应金的（111），（200），（220），（311），（222）晶面。其中主衍射峰对应（111）晶面，AuNWs呈面心立方（FCC）晶格［7］，纳米线优先沿晶面（111）的方向生长，为多晶结构。

图3 不同溶液pH条件下的产物照片

图5 AuNWs的TEM照片

图6 AuNWs的XRD谱图

2.4 AuNWs对SERS的增强效果

以AuNWs为基底的不同浓度R6G试样的拉曼光谱图见图7。由图7可见：613 cm-1和773 cm-1处出现了C—C—C环的面内振动峰和C—H键的面外振动峰；1 311 cm-1和1 572 cm-1处出现了δ（N—H）键的面内弯曲振动峰；1 361，1 511，1 652 cm-1处出现了σ（C—C）键的伸缩振动峰［9-10］。

图7 以AuNWs为基底的不同浓度R6G试样的拉曼光谱图a 1×10-6mol/L；b 1×10-9mol/L；c 1×10-12mol/L；d 对照组

以 AuNWs为基底的不同浓度4-MBA试样的拉曼光谱图见图8。由图8可见：1 076 cm-1和1 587 cm-1处出现了芳香环中ν（C—C）键的振动峰；1 153 cm-1和1 270 cm-1处出现了δ（C—H）键和ν（COO—）的振动峰［11-12］。

图8 以AuNWs为基底的不同浓度4-MBA试样的拉曼光谱图a 1×10-6mol/L；b 1×10-9mol/L；c 1×10-12mol/L；d 对照组

由图7和图8还可见：当R6G和4-MBA的浓度为1×10-12mol/L时，AuNWs仍有较强的SERS信号增强效果；AuNWs对R6G的SERS检测灵敏度优于对4-MBA的SERS检测灵敏度；AuNWs对4-MBA的SERS响应强度高于对R6G的SERS响应强度。由此可见，从废含金催化剂制备得到的AuNWs具有良好的拉曼光谱增强性能，可为环境领域内R6G和4-MBA的SERS检测提供一种简单和快速的方法。

3 结论

a）采用大肠杆菌吸附-化学还原法，以ECCs为模板、CTAB为保护剂、AA为还原剂，由废含金催化剂制备AuNWs。在制备过程中加入微生物ECCs，可使金回收率提高约20百分点。当溶液pH小于4时，有大量呈线状的AuNWs聚集沉降。反应2 h后，金回收率可达99%以上。

b）SEM，TEM，XRD的表征结果显示，AuNWs呈多晶结构，晶格间距为0.23 nm。

c）AuNWs具有良好的拉曼光谱增强性能。当R6G和4-MBA的浓度为1×10-12mol/L时，AuNWs仍有较强的拉曼光谱增强效果，可为环境领域内R6G和4-MBA的SERS检测提供一种简单和快速的方法。

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（编辑 王 馨）

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Preparation of Au Nano-Wire with Waste Gold-Containing Catalyst by E. Coli Adsorption-Chemical Reduction Method

Yang Haixian1，2，Lin Liqin2，Huang Jiale2，Li Qingbiao2
（1. Department of Chemical Engineering，Meizhouwan Vocational Technology College，Putian Fujian 351200，China；2. Department of Chemistry and Chemical Engineering，Xiamen University，Xiamen Fujian 361005，China）

The Au nano-wires （AuNWs）were prepared with waste gold-containing catalyst by E. Coli adsorptionchemical reduction method using E. Coli cells （ECCs）as bio-template，cetyltrimthyl ammonium bromide （CTAB）as protective agent and ascorbic acid （AA）as reducing agent，and characterized by XRD，SEM and TEM. The enhancement effects of AuNWs on Raman scattering signals of Rhodamine 6G （R6G）and 4-sulphur benzoic acid（4-MBA）were studied. The experimental results indicate that：The Au recover rate can be increased by about 20 percent with the addition of ECCs；When the solution pH is less than 4 and the reaction time is 2 h，plenty of linear AuNWs are gathered and settled，and the Au recover rate reaches 99%. The characterization results show that the AuNWs exhibits the polycrystalline structure with 0.23 nm of lattice spacing. The surface-enhanced Raman scattering（SERS）analysis results show that AuNWs have good enhancement effects on Raman spectra of R6G and 4-MBA.

waste gold-containing catalyst；E. Coli；gold nano-wire；adsorption；chemical reduction；surfaceenhanced Raman scattering

X703.1

A

1006-1878（2015）05-0521-05

2015 - 03 - 27；

2015 - 06 - 09。

杨海贤（1973—），男，福建省莆田市人，硕士，副教授，电话18959578229，电邮yhx507@163.com。

福建省教育厅A类科研项目（JA14440）；莆田市工业科技类科研项目（2012JG01）。