光纤光谱仪实时监测胶体金生长及凝聚

李 新， 李剑君， 朱 键， 赵军武

(西安交通大学 生物医学信息工程教育部重点实验室，生命科学与技术学院，西安 710049)

0 引 言

与块状物质不同，特别是金、银纳米颗粒，由于表面效应和尺寸效应，金属纳米颗粒具有独特的光学性质[1]。当金属纳米结构表面的自由电子与入射光子在一定的频率下发生共振时就产生了表面等离子体共振，在光谱上会出现一个吸收峰，金属纳米颗粒价电子与入射光子间的相互作用情况可以通过吸收光谱方便、快捷、有效地进行表征[2-4]。金属纳米结构的表面等离子体共振特性在很多领域有着广泛的应用，例如：生物标记、生物医学检测、纳米集成光子学、光催化、光谱传感及表面增强拉曼等[5-7]。光谱技术是研究纳米材料性能和结构的重要手段之一。大量研究结果表明，金属纳米结构的表面等离子体共振特性对纳米颗粒的微观状态非常敏感，共振波长可从紫外连续调节到红外波段，通过吸收光谱可以方便地表征纳米颗粒的几何形状、尺寸及材料组分等[5-8]。与透射电镜表征方法相比，光谱技术减少了实验的操作步骤和时间，避免了贵重仪器的使用，降低了成本。测定吸光度，常规分光光度计体积大、价格昂贵、对样品的体积要求严格、获取光谱耗时长且无法实时在线监测[9]。光纤光谱仪采用模块化设计，通过光纤的耦合技术可以很方便地搭建起由光源、样品支架和光纤光谱仪组成的光谱测量系统，实现远距离的光谱信号探测。光纤光谱仪价格便宜、质量轻、体积小、系统灵活、测量速度快，最重要的是可以实时在线采集光谱[10]，在各种光谱测量及相关领域引起了人们广泛的兴趣。本文利用光纤光谱仪实现胶体金生长及凝聚的实时监测，为相关的科研工作者提供了一种研究纳米材料的新思路。

1 实验原理

柠檬酸三钠还原氯金酸法制备纳米金颗粒，纳米金生成的化学反应式如下：

2Au0+3(-OCOCH2)2C=O+6Cl-+3H++3CO2

柠檬酸三钠还原法制备出的纳米金表面带负电[11]，把NaCl溶液加入到纳米金胶体中，由于Na+和Cl-破坏了纳米金胶体原溶液的静电场，从而引起了纳米金颗粒的凝聚，凝聚过程如图1所示。

图1 纳米金颗粒凝聚示意图

吸收光谱对纳米颗粒的微观状态变化非常敏感。特征吸收峰的强度可以表示合成的纳米金粒子数浓度，由朗伯比尔定律可知吸光度与生成的纳米金粒子数浓度成正比。纳米金颗粒的吸收峰波长在500～600 nm之间，这取决于纳米金颗粒的尺寸、形貌以及周围环境的介电性质和温度。胶体纳米金吸收谱半高宽越小，颗粒粒径分布越均匀;半高宽越大，颗粒粒径分布越不均匀[12]。颗粒尺寸与吸收光谱有一定的关系，随着颗粒尺寸的增大，吸收光谱会逐渐红移[13]。颗粒凝聚、尺寸增大以及非球状粒子的生成，会导致吸收峰红移[14-16]。纳米颗粒的线性凝聚可以导致长波长带纵向吸收峰的产生，随着颗粒凝聚链条长度的增加，吸收光谱逐渐红移，链条数目越多，吸收峰强度越强[17]。

2 材料与方法

2.1 试 剂

氯金酸(AuCl3·HCl·4H2O)(国药集团化学试剂有限公司)；柠檬酸钠(C6H5Na3O7·2H2O)，Aladdin Industrial Corporation；氯化钠(NaCl)(国药集团化学试剂有限公司)；超纯水(ρ>18 MΩ·cm)(Millipore 公司超纯水器制得)

2.2 仪 器

HT-7700型透射电镜(TEM)，日本日立公司；HR4000型光纤光谱仪，美国Ocean Optics公司；GL-3250B型加热磁力搅拌器，海门市其林贝尔仪器制造有限公司。实验用光纤光谱仪系统装置如图2所示。

1-光源,2-光纤,3-光具座,4-5 cm石英比色皿,5-1 cm石英比色皿,6-加热磁力搅拌器,7-1 cm比色皿样品架,8-光谱仪

图2 光纤光谱仪系统装置示意图

2.3 胶体纳米金颗粒的制备与凝聚

(1) 胶体纳米金颗粒的制备。将图2中的A处光纤放到C处，F处的光纤放到D处，用光纤光谱仪实时监测和存储胶体纳米金颗粒生长过程中的吸收光谱。在5 cm石英比色皿中加100 mL的超纯水，将250 μL质量分数为1%的柠檬酸三钠溶液加入到超纯水中，开启磁力搅拌器加热溶液至沸腾。在沸腾后的溶液中加入250 μL质量分数为0.67%的氯金酸溶液(此时开始计时)。在反应前2 min左右，溶液颜色基本没有变化，之后开始变蓝，3 min左右变紫，6.5 min左右变红，7 min左右突变为清亮透明的酒红色且之后颜色保持不变，10 min时关闭磁力搅拌器，冷却至室温。

(2) 胶体纳米金颗粒的凝聚。将图2中的A处光纤放到B处，F处的光纤放到E处。用光纤光谱仪实时监测和存储胶体纳米金颗粒凝聚过程中的吸收光谱。在1 cm石英比色皿中加入2 mL的纳米金胶体溶液，将1 mL 0.05 g/mL氯化钠溶液加入到纳米金胶体溶液中(此时开始计时)，溶液很快由酒红色变成蓝棕色。

3 结果与讨论

3.1 颗粒生长过程中吸收光谱和TEM分析

在加入0.67%的氯金酸后2 min左右，溶液由无色变为蓝色，在500～900 nm处没有吸收峰。3～6.5 min左右可见光范围表现出金纳米颗粒的表面等离子体共振特征吸收，最大吸收波长在540 nm左右，吸收峰强度逐步增强但较低，表明纳米金的浓度较低，半高宽很宽，暗示颗粒形貌不均匀。这一推论得到了TEM表征的进一步证实，电镜下观察，反应液在5 min左右时，金纳米颗粒形貌不规则，部分颗粒凝聚，尺寸不均一，20 nm左右粒径的颗粒分布最多，最小粒径7 nm，最大粒径38 nm。随着反应时间的继续延长，溶液可见光吸收继续增强，吸收峰值继续增大，表明纳米金的粒子数浓度增大。最大吸收波长向短波方向蓝移，吸收光谱半高宽变小，最后吸收峰波长稳定在522 nm左右，表明纳米金颗粒的大小越来越均一且颗粒凝聚现象消除，反应完全后纳米金颗粒的粒径大小在20～30 nm之间[18]。这一推论得到了TEM表征的进一步证实，电镜下观察反应液在10 min时，颗粒更圆，形状更规则，分散性较好，粒径集中分布在13～27 nm左右，尺寸均一，粒径25 nm左右。结果见图3和图4。

图3 (a) 胶体纳米金制备过程中溶液吸收光谱随时间的变化,(b) 胶体纳米金制备过程中溶液吸收峰位和峰强随时间的变化

3.2 颗粒凝聚过程中吸收光谱和TEM分析

在加入0.05 g/mL氯化钠溶液后，Na+和Cl-破坏了纳米金胶体原溶液的静电场，纳米金颗粒重新分布，溶液很快由酒红色变成蓝棕色。在660 nm处出现了第2个吸收峰并逐渐红移至740 nm处，表明纳米金颗粒凝聚为链状结构。吸收峰半高宽很宽，表明链条长度不均一。随着氯化钠加入时间的延长，第2个吸收峰逐渐红移，表明链条长度逐渐变长。吸收峰强度逐渐增强，表明凝聚的颗粒数目和链条数目逐渐增多。电镜下观察纳米颗粒凝聚为链状结构。结果见图5和图6。

图5 (a) 胶体纳米金凝聚过程中溶液吸收光谱随时间的变化,(b) 胶体纳米金凝聚过程中溶液第2个吸收峰位和峰强随时间的变化

4 结 语

柠檬酸三钠还原氯金酸法制备纳米金颗粒，用氯化钠凝聚纳米金颗粒，通过光纤光谱仪对胶体纳米金颗粒生长和凝聚过程中的吸收光谱实时检测，用透射电镜对其形貌进行表征。结果显示，在胶体纳米金颗粒生长过程中，在500～600 nm之间逐渐出现一个吸收峰，此吸收峰随反应时间的延长，峰强越来越强，表明纳米金颗粒浓度越来越大。半高宽越来越小，吸收峰逐渐蓝移，表明纳米金颗粒在生长过程中形貌越来越规则、尺寸越来越均一和分散性越来越好，这一推论从透射电镜照片得到印证。在胶体纳米金颗粒凝聚过程中，在660 nm处出现了第2个吸收峰并逐渐红移至740 nm，峰强逐渐增强，表明纳米金颗粒凝聚为链状结构，且链条长度逐渐变长，链条数目逐渐增多，电镜下观察纳米颗粒凝聚为链状结构。利用光纤光谱仪探测的实时吸收光谱不仅可以用来表征纳米金颗粒的光学性质，其颗粒大小、形貌和分布也可以体现出来，最重要的是，实时监测把纳米金颗粒微观状态的动态变化呈现出来，这是常规分光光度计无法比拟的。这种用光纤光谱仪研究纳米金颗粒的方法同样也能应用到其他纳米材料，比如：纳米棒[19]、纳米星[20]和纳米线[21]等。

图6 加入氯化钠后金溶胶的电镜照片

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