二元混合表面活性剂用于窄吸收金纳米棒的无种子合成

陆 峰，贡 祎，赵 婷，赵 宁，琚雯雯，范曲立，黄 维

（南京邮电大学有机电子与信息显示国家重点实验室培育基地,江苏省生物传感材料与技术重点实验室,江苏先进生物与化学制造协同创新中心,南京210023）

金纳米棒（AuNRs）作为金纳米材料的一种，因独特的形貌特征而具有特殊的光学和电学方面的性质，在生物传感、分子影像、生物治疗和催化合成等方面展现出巨大的应用前景［1～4］.AuNRs对光的吸收来自于其表面等离子体共振，包括纵向表面等离子共振（LSPR）和横向等离子共振（HSPR）.AuNRs的LSPR与其长径比直接相关，为其特征吸收，是判断其性能的重要指标之一.随着长径比的增加，金纳米棒的LSPR能从可见光区连续调节至红外光区［5］.同时金纳米棒的LSPR具有极高的摩尔吸光系数［6］，因而在光声成像和光热治疗方面具有显著的优势［7］.

在金纳米棒被首次合成之后［8］，研究者对其制备方法进行了大量的探索［9～11］.种子生长法［5，12，13］、光化学合成法［14，15］、电化学法［16］和模板法［17］等方法都已被用于金纳米棒的制备.2003年El-Sayed等［5］提出了以十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）包覆的金纳米颗粒为金种、Ag+辅助生长的种子生长法，大幅提高了金纳米棒的产率，逐渐发展成为金纳米棒制备的标准方法.Murray等［18～20］在该方法基础上引入芳香族化合物等添加剂，大大提高了金纳米棒的均匀性和可控性，成为金纳米棒制备的最佳方案之一.虽然种子生长法在金纳米棒的制备上取得了巨大的成功，但是种子生长法是两步法，种子溶液需要现制且无法保存，相对来说合成步骤较复杂且生产难度较大.因此Jana等［21］发展了不需要金种的一步法制备金纳米棒，通常被称为无种子法.近年来无种子法的研究已经成为金纳米棒合成领域的研究热点［22～24］.5-溴水杨酸、苄基十六烷基二甲基氯化铵等［25～27］被作为添加剂或表面活性剂辅助CTAB控制金纳米棒的各向异性生长，白藜芦醇、多巴胺、对苯二酚等［28，29］弱还原剂被用来代替抗坏血酸（AA），用于Au3+到Au+的还原并调控金纳米棒的生长.虽然近年来无种子法得到了快速的发展，但是与种子生长法相比，其产物的均匀性仍较差，具体表现在无种子法制备的AuNRs普遍具有较宽的LSPR峰.

本文选择CTAB/NaOL二元混合表面活性剂体系，研究了合成参数对金纳米棒形貌及光学性质的影响，开发了一种高效的AuNRs无种子合成方法，所得AuNRs的LSPR在650～1150 nm范围内可调，且具有较窄的半峰宽，相对于其它无种子合成方法具有明显优势.已有研究发现光在1000～1100 nm具有最佳的活体组织穿透能力［30］，另外在1050～1150 nm范围内具有最低的光声背景干扰［7］，因此基于1064 nm激光的近红外二区（NIR-Ⅱ）光声成像和光热治疗近年来受到了广泛的关注.本方法制备的LSPR在近红外二区的金纳米棒（LSPR为1026 nm）半峰宽仅为168 nm，能够媲美改良过的种子生长法.光热性能测试结果表明，该金纳米棒在1064 nm激光照射下具有良好的光热稳定性和较高的光热转化效率，在近红外二区光声成像和光热治疗方面具有良好的应用价值.

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

四水合氯金酸（HAuCl4·4H2O）、盐酸（HCl）、硝酸银（AgNO3）和硼氢化钠（NaBH4）购于国药集团化学试剂有限公司；十六烷基三甲基溴化铵和抗坏血酸购于西格玛奥德里奇（上海）贸易有限公司；油酸钠（NaOL）购于梯希爱（上海）化成工业发展有限公司.所用试剂均为分析纯，实验用水均为超纯水（电阻率＞18 MΩ·cm）.

UV-3600 Plus型紫外-可见-近红外分光光度计（UV-Vis-NIR），日本岛津公司；HT7700型透射电子显微镜（TEM），日本日立公司；FLIR E50型红外热像仪，美国菲力尔公司；Direct-Q 5UV型超纯水机，美国密理博公司；MIL-H-1064-2W型1064 nm激光器，长春新产业光电技术有限公司.

1.2 实验过程

1.2.1 金纳米棒的合成 首先，将CTAB和NaOL在50℃下用9.8 mL超纯水溶解，得到均匀透明的溶液后冷却至30℃，CTAB和NaOL的浓度分别为49和8.21 mmol/L.接着，在搅拌下加入AgNO3溶液（4 mmol/L），使其最终浓度为0.144 mmol/L，10 s后停止搅拌并静置15 min.然后，加入200μL 25 mmol/L HAuCl4溶液并缓慢搅拌1 h使溶液变为无色，再加入0.36 mL 1 mol/L HCl调节溶液pH值至1.6并搅拌数秒.最后，依次加入37.5μL新配制的86 mmol/L AA溶液和7.5μL 12 mmol/L NaBH4溶液，搅拌10 s后在30℃水浴中静置5 h.反应完成后，将溶液装入离心管，在8000 r/min转速下离心10 min，弃去上层清液后，将产物分散于2 mL水中保存.

将CTAB的浓度在38.4～49.4 mmol/L范围内进行调节，NaOL的浓度在6.5～16.4 mmol/L范围内进行调节，AgNO3的浓度在0.072～0.288 mmol/L范围内进行调节，HCl的用量在0.24～1.08 mL范围内进行调节，以考察各合成参数对于所得样品的影响，并获得具有不同LSPR的金纳米棒.

1.2.2 金纳米棒的光热性能测试 将所制备的金纳米棒（LSPR峰为1026 nm）用1.5 mmol/L CTAB水溶液洗涤2次后，用该溶液配制不同吸光度（0.25，0.5，0.705，1，1.5）的金纳米棒溶液.取1 mL溶液置于光程为1 cm的石英比色皿中，使用1064 nm激光器（功率1 W/cm2）照射10 min，利用红外热像仪读取溶液温度.以纯水作为参照，重复上述实验.

在金纳米棒吸光度为1的条件下，改变激光器功率密度（0.5，0.75，1，1.25 W/cm2）测试样品的光热性能.

在金纳米棒吸光度为1、激光功率为1 W/cm2的条件下，将样品照射至最高温度后，关闭激光器，使样品温度降至室温，再重新打开激光器使样品升温至最高温度，循环5次，以考察样品的光热稳定性.

2 结果与讨论

2.1 NaOL浓度对AuNRs形貌及LSPR的影响

NaOL是一种长链不饱和脂肪酸钠盐，溶于水后可作为阴离子表面活性剂和弱还原剂使用.NaOL在实验初期和另一种阳离子表面活性剂CTAB一同溶解在水溶液中，这两种表面活性剂在水溶液中有强烈的吸引力，极大提高了它们缔合成棒状胶束的能力.由于CTAB的浓度远超过其临界胶束浓度，因此CTAB在溶液中形成的是一种厚度约为2.5 nm的双分子层［31］.同时，NaOL分子中的双键具有一定的还原性，可起到传统方法中抗坏血酸的部分作用，将Au3+原位还原成Au+.在Au+形成的同时，CTABNaOL形成的双分子层胶束团会将其吸附在表面，使其更加稳定.当NaOL浓度合适时，这可能有助于金纳米棒的定向生长［19］.

如图1（A）所示，当NaOL浓度从4.93 mmol/L增加至16.4 mmol/L时，所得样品的LSPR峰逐渐蓝移，最大吸收峰位置从934 nm变为702 nm.在NaOL浓度过低（≤6.5 mmol/L）或者过高（≥13.1 mmol/L）时，样品在510 nm处的峰高较高，甚至高于其LSPR峰，表明这时AuNRs的横向等离子体共振较明显，球状产物较多.当NaOL浓度过低时，被还原的Au3+数量也相对最少，这影响了金纳米棒的定向生长.同时，表面活性剂浓度较低时，其在金纳米棒侧面（110）晶面上的包裹密度减小，使得金纳米棒的横向生长变快，即更易生成球状颗粒［图1（D）］.当NaOL浓度过高时，其可将Au3+充分还原为Au+并改变金离子的氧化还原电势，减慢还原反应的动力学速率，进而抑制各向异性生长，使金纳米棒变粗或形成球形颗粒［13］［图1（G）］.当NaOL浓度在8.21～11.5 mmol/L时，能够获得形貌均匀、LSPR峰较窄的金纳米棒.随着NaOL浓度在这一范围内增大，金纳米棒的尺寸从11.9 nm×57.6 nm变为24.3 nm×77.7 nm［图1（E）和（F）］，LSPR从889 nm（半峰宽144 nm）变为734 nm（半峰宽107 nm）.吸收光谱测试结果［图1（B）和（C）］表明，当NaOL浓度较高时，反应速率确实明显变慢.当NaOL浓度为11.5 mmol/L时，LSPR峰随反应时间的延长而蓝移，说明金纳米棒的生长可能分为两步［32］，首先快速形成长径比较大的初始金纳米棒，然后金纳米棒再逐渐生长变粗.这可能是由于NaOL浓度较高时，金纳米棒侧面（110）晶面上的生长速率高于两端（100）晶面的生长速率，使得AuNRs的长径比整体上有所下降，最终导致金纳米棒大小的增加和LSPR峰的蓝移.

Fig.1 Normalized absorption spectra of AuNRs synthesized with different NaOL concentrations(A),absorption spectra of AuNRs prepared under NaOL concentrations of 8.21 mmol/L(B)and 11.5 mmol/L(C)at different reaction time and TEM images(D—G)of AuNRs synthesized at different NaOL concentrations

2.2 AgNO浓度对AuNRs形貌及LSPR的影响3

无论是采用种子生长法还是无种子法合成AuNRs，硝酸银的使用都是不可或缺的.通常认为AgNO3在加入到CTAB溶液中后是以AgBr的形式存在［25］，并且会嵌入到由CTAB形成的棒状胶束中去，起到稳定胶束形状的作用，同时促进AuNRs在纵向上的生长，使得AuNRs的纵向表面等离子共振具有更好的可调性.已有研究［5］表明，在一定范围内LSPR峰位置会随AgNO3浓度的增加而红移，这与本文报道的现象一致［图2（A）和（D）］.然而在本文中，AgNO3对LSPR的调节能力并不好，只有当AgNO3浓度约为0.144 mmol/L时才能得到质量较好的金纳米棒［图2（A）和（D）］.固定NaOL浓度为8.21 mmol/L，当AgNO3浓度降低时，LSPR有一定的蓝移，同时所得金纳米棒变得粗细不均匀［图2（B）］；当AgNO3浓度较高时，在550 nm处有一较弱的吸收，表明生成了不均匀的颗粒状副产物［13］，图2（C）所示的TEM图片也证明了这一点.通常认为Ag+通过晶面的选择性吸附来调节金纳米棒的长径比和LSPR，银离子在AuNRs不同晶面上的欠电位沉积电势不同，使其优先沉积到金纳米棒（110）面，从而减缓了金原子在该晶面上的生长，使得金纳米棒沿轴向生长［33］.因此，当AgNO3浓度过低时，银在金纳米棒（110）面上的沉积不足，使得AuNRs的粗细不均匀［图2（B）］.而当AgNO3浓度过高时，银在金纳米棒两端（100）面的沉积开始增加，因而出现了类似方形的金颗粒［图2（C）］.固定NaOL浓度为11.5 mmol/L，当AgNO3浓度降低至0.072 mmol/L时，能够得到米粒状颗粒［图2（E）］，LSPR峰约为655 nm；略提高AgNO3浓度至0.108 mmol/L时，即可得到棒状产物［图2（F）］，LSPR峰也明显红移；当AgNO3浓度高于0.108 mmol/L时，所得金纳米棒的LSPR峰明显变宽，均匀性下降.这一结果与NaOL浓度为8.21 mmol/L时类似，但是由于NaOL能够在一定程度上改变Au+离子的还原和生长速率，因此所得产物与NaOL浓度较低时在形貌上有一定的区别［图2（E）］.总之，AgNO3浓度对LSPR的调节能力有限，但对所得AuNRs的均匀性影响很大，因而本方法中固定AgNO3浓度为0.144 mmol/L.

2.3 AA浓度对AuNRs形貌及LSPR的影响

抗坏血酸是AuNRs合成中使用频率最高的一种弱还原剂，能够将Au3+还原成Au+，同时促进金原子在晶种上的沉积.AA的浓度能够改变金原子在不同晶面上的沉积速率，从而影响其长径比和形貌，造成LSPR峰的红移或蓝移.如图3（A）和（B）所示，当NaOL浓度不同时，AA浓度对AuNRs的LSPR峰影响有区别.在本方法中，当NaOL浓度较低（8.21 mmol/L）时，提高AA的浓度可能会增加初始晶种的浓度，使所得金纳米棒整体尺寸变小［图4（A）～（D）］.此时，横向尺寸的缩减小于纵向的缩减，使得长径比减小，LSPR峰蓝移.当NaOL浓度较高（11.5 mmol/L）时，提高AA的浓度可能有助于AuNRs的纵向生长，使其LSPR峰略微红移.总体来说，AA浓度对LSPR峰有一定的调控能力，但AA浓度过高或者过低都会明显影响金纳米棒的质量，使其半峰宽增加并产生球形颗粒.

Fig.3 Normalized absorption spectra of AuNRs synthesized with different amounts of AA under the NaOL concentration of 8.21 mmol/L(A)and 11.5 mmol/L(B)

Fig.4 TEM images of AuNRs synthesized with different amounts of AA at a NaOL concentration of 8.21 mmol/L

2.4 HCl用量对AuNRs形貌及LSPR的影响

基于近红外二区（NIR-II，λ＞1000 nm）的光声成像和光热治疗由于能够提供更高的穿透深度和较低的背景干扰，在新型诊疗体系的开发中受到了广泛的关注［34］.LSPR在近红外二区的金纳米棒通常是在较低的pH下获得的［28］，因此我们在优化过的合成体系（8.21 mmol/L NaOL，1.44 mmol/L AgNO3，37.5μL AA）中调节HCl的用量，从而使其LSPR能够红移至近红外二区.在加入不同体积HCl后，体系的pH值大约为1.6（0.36 mL），1.4（0.54 mL），1.3（0.72 mL），1.1（0.86 mL）及1.0（1.08 mL）.如图5（A）所示，虽然增加HCl的量至1.08 mL可使AuNRs的LSPR峰红移至1141 nm附近，但其半峰宽也明显增加，并且550 nm处的吸收显著提高，说明产生了较多球形颗粒［图5（C）］.但我们发现适当降低CTAB的浓度可显著提高在高HCl浓度下获得的AuNRs的质量.当下调CTAB浓度至38.4 mmol/L后，在HCl用量为1.08 mL时，所得的金纳米棒仍能保持较窄的半峰宽［图5（B）］.除了在最高HCl浓度时出现了部分颗粒状产物外［图5（G）］，该方法在其它HCl浓度下均能获得形貌较好的高长径比AuNRs［图5（D）～（F）］.因此，本方法能够通过调节CTAB和HCl的浓度获得高质量的LSPR峰在近红外二区的金纳米棒.

2.5 金纳米棒的LSPR半峰宽

材料吸收峰的半峰宽是检验材料是否均匀的一项重要参数，同样金纳米棒的LSPR半峰宽与其长径比是否均一有直接的联系，是检验AuNRs质量的一个重要参考［13］.标准的种子生长法在经过Murray等［18，19］的改良之后，产物的均匀性有了极大的改善，LSPR半峰宽已经非常窄.目前无种子法虽然获得了较大的发展，但是在产物的半峰宽上与种子生长法仍有较大的差距，这显著影响了无种子法的使用.虽然也有一些无种子的方案能够实现较窄的LSPR半峰宽，但是该方法仅能合成LSPR峰小于900 nm的金纳米棒［23］.目前也有较多无种子方法可以实现LSPR峰在近红外二区的金纳米棒的制备［26～28］，但是这些方法所得样品的半峰宽普遍很大，相关数据如表1所示.本方法在734～1071 nm范围内能够获得LSPR峰较窄的AuNRs，其半峰宽明显小于其它无种子法，甚至略好于标准的种子生长法.特别是本方法中获得的LSPR位于1026 nm的金纳米棒［图5（F）］，半峰宽仅168 nm，能够媲美改良过的种子生长法（LSPR峰位于1068 nm，半峰宽170 nm）.值得一提的是，光在生物组织中的穿透并不是波长越大越好，目前近红外二区光热治疗常用1064 nm的激光，因为更长的波长（＞1100 nm）反而会降低穿透深度，导致很强的热效应，造成正常组织烧伤［35］.因而本方法获得的LSPR峰在1026 nm的金纳米棒能够较好地适配1064 nm激光器，用于近红外二区的光热治疗.

Fig.5 Normalized absorption spectra of AuNRs synthesized with different amounts of HCl(1 mol/L)under the CTAB concentration of 49.4 mmol/L(A)and 38.4 mmol/L(B),TEM images of AuNRs synthesized with a HCl amount of 0.86 mL and a CTAB concentration of 49.4 mmol/L(C)and with different amounts of HCl at a CTAB concentration of 38.4 mmol/L(D—G)

Table 1 LSPR positions and corresponding FWHMs of AuNRs obtained in this work and in the literature

2.6 金纳米棒的光热性能

利用1064 nm激光器测试所得LSPR峰位于1026 nm的金纳米棒在近红外二区的光热性能.当固定激光照射强度为1 W/cm2，改变金纳米棒的浓度时，可以发现金纳米棒溶液的温度随其浓度的提高而变高［图6（A）］.当吸光度为1.5时，照射10 min后溶液温度可达67℃，而同样条件下水溶液仅升温至34℃.固定AuNR溶液吸光度为1，改变激光功率密度时，可以发现溶液升温曲线与照射强度直接相关，强度越大升温越高［图6（B）］.由于1064 nm激光的皮肤最大允许照射强度为1 W/cm2［36］，选取激光强度1 W/cm2，金纳米棒吸光度为1的条件，测试了AuNRs的光热稳定性和光热转换效率.如图6（C）所示，金纳米棒在5次光照循环中的升温曲线基本一致，同时AuNRs在光照后仍能保持原有的形貌［图6（D）］和LSPR吸收［图6（E）］，表明所得金纳米棒具有良好的光热稳定性，这也是光热治疗材料所必需的性质.材料的光热转换效率按照文献［37］中的方法进行计算.根据图6（C）中的降温曲线，可以计算出体系的时间常数为120.7 s［图6（F）］，从而得出AuNRs在1064 nm处的光热转换效率约为31.5%，这一数值能够较好地满足活体内光声成像及光热治疗的需求［38］.一般认为大于2 nm的金纳米材料都是生物惰性的［39］，因此金纳米棒在体内是稳定的，发生化学反应或降解的几率不大，能够用于活体光热治疗.需要说明的是，光声成像虽然也基于光热效应，但光声成像通常使用的是纳秒级脉冲激光.根据文献［7］报道，在相同长径比时，金纳米棒对脉冲激光的稳定性随其尺寸的减小而增加，本工作中金纳米棒的尺寸（12 nm×77 nm）介于文献［7］所用的两种金纳米棒（8 nm×49 nm和18 nm×120 nm）之间，在非极端条件下对脉冲激光是稳定的，可用于活体光声成像.

Fig.6 Temperature-time profiles of AuNRs with different absorbance(A)and with different power densities(B)under laser irradiation of 1064 nm(1 W/cm2),temperature change of AuNRs over 5 laser on/off cycles(C),TEM image of AuNRs after laser irradiation(D),absorption spectra of AuNRs before and after laser irradiation(E),and time constant for heat transfer of the characterization system(τs=120.7 s)determined by applying the leaner time data vs.―lnθfrom the cooling period(F)

3 结 论

使用CTAB和NaOL二元混合表面活性剂体系，开发了一种AuNRs的无种子制备方法，研究了各合成条件对所得金纳米棒的影响，实现了窄LSPR峰金纳米棒的快速简便合成.在8.21～11.5 mmol/L范围内改变NaOL的浓度能够使金纳米棒的LSPR峰在734～889 nm之间有效调节，提高NaOL的浓度可使所得AuNRs粒径整体变大但是长径比变小，同时反应速率减慢；在较低的CTAB浓度下，降低体系的pH值能够使AuNRs的LSPR峰红移至近红外二区.本方法获得的金纳米棒的LSPR峰为1026 nm，且半峰宽较窄，具有良好的光热稳定性和较高的光热转换效率，在近红外二区光声成像及光热治疗方面具有良好的应用价值.