银纳米粒子的制备及其等离子手性性能

王 静, 周 伟, 杨 新, 王建伟, 费凯旋, 彭银仙

(江苏科技大学 环境与化学工程学院,镇江 212003)

贵金属纳米材料具有十分优异的表面等离子体共振特性,在诸多领域有着广泛的应用前景．化学合成的贵金属纳米粒子通常是由无机核和有机壳组成的复合结构．壳层中的有机分子不但决定着贵金属纳米材料在溶液中的稳定性,而且还会影响纳米材料的光学性质．研究发现，当具有手性的有机小分子修饰在贵金属纳米材料的表面时,有机小分子的手性会传递到贵金属纳米材料上,在其表面等离子体共振区域出现圆二色性信号．贵金属纳米材料可以将手性小分子的CD响应从紫外区放大到可见区甚至近红外区,实现手性信号从分子尺度到纳米尺度的跨越,这将为其在光学和生物学方面的应用带来新机遇．

一直以来，人们对分子手性的研究比较深入,但对这种介于分子与宏观尺度之间的手性纳米材料的研究却极其有限．近年来对纳米材料手性的研究已逐渐成为当今学术界的一个研究热点．手性贵金属纳米材料具有特殊的光学、电学、催化等性质,在手性光学[1]、不对称催化[2-3]及手性分离[4-5]等领域有着更加广泛的应用前景．因此，设计合成具有光学活性的贵金属纳米材料不仅具有重要的基础理论意义,也具有巨大的应用价值．目前手性贵金属纳米材料的合成方法主要有以下3种方法:(1) 在手性配体存在下直接通过化学(或光化学)还原前驱体离子制备[6-7];(2) 先制备出非手性的贵金属纳米材料,然后利用手性分子对其表面进行修饰[8];(3) 利用手性模板对贵金属纳米材料进行手性组装[9]．其中第三种方法被广泛用于制备在可见光区具有光学活性的贵金属纳米材料,常用的手性模板有DNA[10-12]、具有螺旋的纳米结构[13-15]、手性超分子组装体[16-17]等．

通过无模板法制备在表面等离子体共振(SPR)区域具有手性响应的贵金属纳米材料,并对手性信号进行调控仍然是一项具有挑战性的工作．文中利用上述第二种方法制备了在可见光区具有光学活性的银纳米材料,选用L-His作为手性配体,通过改变实验条件对手性信号进行调控,并对银纳米材料的手性发生机制进行了研究．

1 实验

1.1 仪器与试剂

L-His、硝酸银(AgNO3)、硼氢化钠(NaBH4),Sigma-Aldrich公司;柠檬酸钠,Acros Organics．所有试剂使用前均未作进一步纯化处理．

U-3010紫外可见分光光度计, 日本HITACHI;JEM-2010透射电子显微镜,日本JEOL;J-1500圆二色谱仪,日本分光(JASCO)株式会社．

1.2 L-His组氨酸修饰的银纳米粒子的制备

往9.2 mL水中加入0.1 mL柠檬酸钠溶液(300 mM)和0.2 mL硝酸银溶液(50 mM),搅拌均匀后再快速加入新冰水配制的硼氢化钠和柠檬酸钠混合溶液0.5 mL (37.83 mg硼氢化钠溶于18 mL冰水中,然后加入300 mM的柠檬酸钠溶液2 mL),反应30 min停止搅拌,得到柠檬酸钠稳定的银纳米粒子．

往制备好的柠檬酸钠稳定的银纳米粒子中加入不同量的组氨酸溶液,经陈化配体交换后得到组氨酸修饰的银纳米粒子．溶液的酸碱性用0.01 M的氢氧化钠溶液调节．

1.3 L-His组氨酸修饰的银纳米粒子的表征

用紫外-可见吸收光谱(UV-Vis)测定制备的银纳米粒子的吸收光谱．用透射电子显微镜(TEM)分析样品的形貌及分散情况．银纳米粒子的手性通过圆二色谱仪(CD)测定．

2 结果与讨论

2.1 非原位制备L-His修饰的银纳米粒子

以柠檬酸钠为稳定剂通过硼氢化钠还原硝酸银，制备了柠檬酸钠稳定的银纳米溶胶．图1(a)是经过离心处理再分散在水中的柠檬酸钠稳定的银纳米粒子的紫外-可见吸收光谱图,在389 nm左右出现Ag纳米粒子的SPR吸收峰.圆二色谱结果显示柠檬酸钠稳定的银纳米粒子基本没有手性信号(图1(b))．

图1 柠檬酸钠稳定的银纳米粒子紫外-可见吸收光谱和CD光谱Fig.1 UV-vis absorptionspectra and CD spectra ofsodium citrate stabilized silver nanoparticles

往制备的柠檬酸钠稳定的银纳米粒子中加入组氨酸溶液,通过配体交换反应制备了组氨酸修饰的银纳米粒子,其圆二色谱结果显示没有经过离心处理的样品的CD信号很弱(图2(a)曲线1),而经过离心处理、沉淀再分散在纯水中得到的样品在400 nm 附近出现一个正的科顿效应峰(图2(a)曲线2)．样品相应的紫外-可见吸收光谱如图2(b),离心前样品的SPR吸收峰位于394 nm左右(图2(b)曲线1)．离心后得到的样品的吸收光谱发生了明显的变化,表现为一个较宽的SPR吸收峰(图2(b)曲线2)，这是由于在离心过程中部分银纳米粒子发生了聚集,这可以从图2(c)得到证实.从图2(c)可以看出,银纳米粒子之间发生轻微的聚集,形成小尺寸的聚集体．研究发现当两个或多个贵金属纳米粒子相互靠近时,粒子之间的局域电磁场会明显增强,形成所谓的“热点”,从而有效地增强SERS效应[18-19]．此外，聚集的粒子间产生的局域增强的电磁场有助于增强样品的圆二色谱信号[20],而且由于表面等离激元的共振耦合会导致样品的吸收光谱不同于单个粒子的,会形成新的局域表面等离激元共振模式,这也是聚集后的粒子的吸收光谱不同于分散状态的粒子的原因．

图2 L-His修饰的银纳米粒子的CD光谱紫外-可见吸收光谱和透射电子显微镜照片Fig.2 CD spectra，UV-vis absorption spectra and TEMimage of L-histidine capped silver nanoparticles

2.2 溶液pH值对银纳米粒子手性的影响

组氨酸作为两性物质,当溶液pH值等于其等电点时,组氨酸在溶液中以两性离子的状态存在；当溶液pH值大于其等电点时,组氨酸在溶液中带负电．因此，溶液pH值会影响组氨酸的带电性,进而会影响与银离子的配位能力．组氨酸分子中能与银离子配位的基团分别为羧基、氨基及咪唑环中的氮原子．当溶液pH值偏低时,银离子易与羧基氧原子和氨基氮原子形成配位键,而当溶液pH值较高时,咪唑环上的N原子易与银形成配位键[21]．通过加入氢氧化钠溶液,改变溶液的酸碱性,考察pH值对制备的银纳米粒子手性性能的影响．图3是加入不同量的氢氧化钠溶液得到的银纳米粒子的CD光谱图，从图中可以看出随着溶液的碱性增强,CD信号逐渐增强.这表明当溶液的pH值较高时,组氨酸在溶液中带负电,咪唑基参与配位,修饰在银纳米粒子表面的带负电的组氨酸分子,使纳米粒子带上电荷,有利于保持银纳米粒子在溶液中的稳定存在．

图3 不同氢氧化钠溶液加入量下得到的L-His修饰的银纳米粒子的CD光谱Fig.3 CD spectra of L-histidine capped silver nanoparticlesprepared with different amounts of sodium hydroxide

2.3 银纳米粒子的聚集对其手性的影响

当溶液中组氨酸的浓度保持在0.2 mM以下时,得到的银纳米粒子能稳定的分散在溶液中,样品经离心处理后,粒子发生轻微的聚集,溶胶的颜色基本保持不变．但当组氨酸的浓度大于0.5 mM,离心后得到的样品颜色发生变化,表明溶胶中的粒子发生聚集,有较大的聚集体生成,圆二色谱信号也发生了变化．图4(a)是离心后得到的样品CD光谱,曲线1、2和3对应的组氨酸浓度分别为0.5,0.75和1.25 mM．3个条件下得到的样品在400 nm左右都没有手性信号,但组氨酸浓度为0.75和1.25 mM时得到的样品在650 nm 左右出现一个正的科顿效应峰．对应的吸收光谱均在长波方向650 nm 左右出现银纳米粒子的SPR吸收(图4(b))．在长波方向出现的新吸收峰来源于银纳米粒子聚集体的吸收[22]．从图4(c)可以看出，组氨酸浓度较大条件下(1.25 mM)制备的银纳米粒子会发生明显的聚集,生成尺寸较大的聚集体,从而导致溶胶颜色及吸收光谱的变化．

2.4 氯化钠浓度对银纳米粒子手性的影响

往组氨酸浓度较低的样品中加入氯化钠也会引起银纳米粒子聚集．银纳米粒子表面由于吸附了L-组氨酸而带负电荷,带负电的银纳米粒子会吸引溶液中带正电的钠离子,形成紧密双电层结构,引起银纳米粒子所带的负电量减小,粒子间排斥力降低,从而引起银纳米粒子的聚集．图5(a)是在加入不同浓度NaCl后离心得到的银纳米粒子的CD图.当样品中氯化钠的浓度较低时，其光谱在590 nm左右出现正的科顿效应峰,对应的吸收光谱在长波方向出现聚集体的SPR吸收(图5(b))；但当氯化钠的浓度增加后,位于长波方向的SPR吸收峰消失,相应的在长波方向的CD信号亦随之消失．

图4 组氨酸浓度较高时制备的银纳米粒子的CD光谱、紫外-可见吸收光谱和组氨酸浓度为1.25 mM制备的银纳米粒子的TEM图像Fig.4 CD spectra,UV-vis absorption spectra of Agnanoparticles prepared with higher concentrations ofhistidine and TEM image of Ag nanoparticlespreparedwith histidine of 1.25 mM

图5 银纳米粒子在不同浓度的氯化钠溶液中的CD光谱图和紫外-可见吸收光谱Fig.5 CD spectra and UV-Vis spectra ofsilvernanoparticles in different concentrations of NaCl

从图5(b)可以看出,适当增加氯化钠浓度会使银纳米粒子的聚集程度降低．这是由于溶胶中会有少量的未反应掉的Ag+,当氯化钠加入后,Cl-离子会与这少量的Ag+反应生成AgCl溶胶．当氯化钠浓度继续增加后,过量的Cl-会吸附在生成的AgCl溶胶表面而使溶胶带上负电荷．由于带负电的AgCl溶胶的存在会起到一定的阻止银纳米粒子聚集的作用,提高了银纳米粒子的稳定性[23],因此经过离心处理后的银纳米粒子没有发生明显的聚集现象,导致CD信号消失．

3 结论

(1) 采用液相化学还原法制备了柠檬酸钠稳定的银纳米粒子,CD光谱结果显示其在银纳米粒子的SPR吸收区没有出现手性信号．通过配体交换反应得到L-组氨酸修饰的银纳米粒子,样品经过离心处理后在银纳米粒子的SPR吸收区出现正的科顿效应峰．

(2) 银纳米粒子的光学响应取决于银纳米粒子的聚集程度,轻微聚集的粒子在400 nm左右出现CD信号,而尺寸较大的聚集体在长波方向出现CD信号．银纳米粒子的聚集程度可以通过改变组氨酸的浓度，加入外加电解质氯化钠进行调节．

(3) 研究结果可为调控贵金属纳米粒子的光学活性及手性检测生物小分子提供新思路．