纳米金颗粒的晶种法制备及表征

朱文壮，刘轶群，孟 赓

(1.中国农业大学动物医学院，北京海淀100193 ； 2. 北京大学生命科学学院仪器中心，北京海淀100871)

纳米金颗粒以其良好的导电性、稳定性、生物相容性、表面光学特性等，在光学、催化、电子、免疫诊断、生物传感器、生物影像、药物传送等方面有不可替代的作用，近年来生物技术与纳米技术深入结合研究已经成为生物医学研究的前沿和热点领域[1-7]。目前，纳米金颗粒制备方法包括液相还原法、模板法、光化学法、电化学法、微波法、晶种法[8-11]等，其中液相还原法是制备纳米金颗粒的经典方法，目前已报道液相还原法常用的还原剂包括柠檬酸钠、硼氢化钠、抗坏血酸、白磷、过氧化氢等[12-14]，但是此方法制备的胶体金颗粒粒径较小，且均一性、稳定性不理想。本工作通过晶种生长法，先以硼氢化钠作为还原剂制备晶种，然后采用抗坏血酸作为还原剂，通过改变加入氯金酸的用量，严格控制抗坏血酸和晶种用量，进一步制备出粒径更大、表面光滑、粒径均一的球形纳米金颗粒，并利用透射电镜和紫外-可见分光光度计对不同粒径的纳米金颗粒进行表征。

1 材料与方法

1.1 试剂和仪器 氯金酸(HAuCl4·4H2O,国药集团化学试剂有限公司)；柠檬酸三钠(Na3C6H5O7·2H2O，国药集团化学试剂有限公司)；硼氢化钠(NaBH4，Sigma公司)；抗坏血酸(C6H8O6，国药集团化学试剂有限公司)；试验用水为经过超纯水装置(Milli-Q Advantage公司)净化的二次去离子水，电阻率≥18.2 mΩ·cm，25 ℃。UV-Vis吸收光谱采用IMPLEN N50 Touch测得；样品的尺寸、形貌表征采用FEI Talos 200型透射电子显微镜进行。

1.2 方法

1.2.1 晶种纳米金颗粒的制备 所用容器用王水处理，然后用超纯水清洗干净，烘干备用。将1 g氯金酸溶于50 mL超纯水中配置成母液备用，硼氢化钠配置成浓度为0.1 mol/L溶液，现配现用，柠檬酸三钠配置成浓度为0.04 mol/L溶液备用。取250 mL圆底烧瓶，加入100 mL超纯水，然后加入0.7 mL氯金酸和1 mL柠檬酸三钠，室温搅拌均匀后迅速加入4 mL新鲜配置的硼氢化钠溶液，快速搅拌均匀后调慢搅拌速度，室温继续反应30 min，即可得到15 nm晶种纳米金颗粒。

1.2.2 不同粒径纳米金颗粒制备 为获得分散性好、尺寸均一、性质稳定的不同粒径纳米金颗粒，试验以15 nm纳米金颗粒为种子，采用晶种生长法，以柠檬酸三钠为保护剂，以抗坏血酸为还原剂，进一步生长成不同粒径纳米金颗粒。

将100 mL圆底烧瓶置于冰浴环境中，加入1 mL的晶种，并用超纯水稀释至30 mL，然后加入0.225 mL的抗坏血酸作为还原剂，加入 0.03 mL的柠檬酸三钠作为保护剂，然后快速搅拌均匀。取0.15 mL氯金酸，缓慢滴加入圆底烧瓶中，可以观察到颜色从酒红色变为紫红色，继续搅拌30 min，最终可获得60 nm纳米金颗粒。按照以上方法，可以分别制备40 nm、80 nm、100 nm、150 nm及200 nm纳米金颗粒。随着纳米金颗粒粒径变大，颜色由酒红色变为紫红色直至变成砖红色。

1.3 制备的纳米金颗粒表征 采用FEI Talos 200型透射电子显微镜对制备的不同粒径的纳米金颗粒进行尺寸和形貌表征，采用紫外-可见分光光度计在波长200～800 nm范围内测定纳米金颗粒的吸收光谱。

2 结果

2.1 UV-Vis吸收光谱表征 图1为不同粒径的纳米金颗粒的紫外-可见吸收光谱分析。从图中可以看出，粒径不同的胶体金，其等离子共振吸收峰的位置不同，随着粒径的增大，其共振吸收峰发生变大红移。当纳米金颗粒粒径为40 nm时，其紫外-可见吸收测得其特征吸收峰在524 nm处，当纳米金颗粒粒径逐渐增大到60、80、100 nm时，纳米金颗粒的特征吸收峰也随之红移变大，吸收峰由536 nm逐步红移到549、564 nm，随着纳米金颗粒粒径的增大，特征吸收峰也变得更宽。当纳米金颗粒粒径增大到150～200 nm时，未检测到其特征吸收峰值。

图1 纳米金颗粒的紫外-可见吸收峰a：40 nm纳米金颗粒吸收峰; b：60 nm纳米金颗粒吸收峰; c：80 nm纳米金颗粒吸收峰; d：100 nm纳米金颗粒吸收峰

2.2 纳米金颗粒的形貌表征 从封三彩版图2(a)中可以看出，随着纳米金颗粒粒径从40 nm增大到200 nm，溶胶颜色从酒红色变为紫红色直至变成砖红色，纳米金颗粒溶胶颜色澄清透明，说明金颗粒分散性较好，没有聚集出现。从封三彩版图2(b～f)可以观察到，纳米金颗粒的粒径分别为40 nm，60 nm，100 nm，150 nm和200 nm，此5种粒径的纳米金颗粒均是以15 nm金颗粒为种子生长所得。随着纳米金颗粒的粒径增大，其粒径分布绝对值范围也增大，但其偏差小，纳米金粒子分散性好，表面光滑，成均匀规整的球形，且分布均匀，边界清晰，未出现粘连及聚集现象。

图2 纳米金颗粒的形貌表征

a： 不同粒径纳米金颗粒图片; b： 40 nm电镜图片; c： 60 nm电镜图片; d： 100 nm电镜图片;e： 150 nm电镜图片; f： 200 nm电镜图片

3 讨论

纳米金颗粒的制备至今已有几十年的研究历史，制备粒径均一、分散性好、性质稳定的不同粒径纳米金颗粒是目前科研工作者亟需解决的热点问题之一。纳米金颗粒制备主要采用液相还原法，通过加入还原剂还原氯金酸制备，过程包括直接生长法和晶种生长法两种方法，制备的胶体金颗粒粒径大小及均一度均不理想，因此急需建立一种操作简单方便，制备颗粒均一、稳定的方法。

本试验以硼氢化钠为还原剂，柠檬酸钠为保护剂，制备了15 nm金颗粒，以15 nm金颗粒为种子，采用晶种生长法，以抗坏血酸为还原剂，柠檬酸钠为保护剂，制备了40～200 nm不同尺寸的、分布均匀的球形纳米金颗粒。通过紫外-可见吸收光谱验证，随着纳米金粒子粒径增加，纳米金粒子的特征吸收峰出现红移增大，且峰宽变大。通过扫描电镜观察，合成的纳米金颗粒成规则球形均匀分布，分散性好，粒径均一。

纳米金颗粒作为检测探针已经应用于核酸、蛋白及小分子化合物的检测中，它具有操作简单、灵敏、迅速、适用范围广等特点。本试验制备的纳米金颗粒具有良好的分散性，粒径均一，性质稳定，可重复性好，容易规模放大等优点，作为检测探针应用在胶体金试纸条检测产品中，可以显著提高产品的稳定性及灵敏性，降低检测背景。