（分析化学专业论文）金纳米粒子的形态及分析应用研究.pdf

西南大学硕士学位论文 摘要 金纳米粒子的形态及分析应用研究 分析化学专业硕士研究生：王健 指导教师：黄承志教授 摘要 金纳米粒子由于形态改变引起的光学信号的变化，在药物测定、基因检测、免疫分析、 生物分子测定等方面得到了广泛的应用。本文主要应用紫外可见吸收光谱、共振光散射光谱、 电子显微镜以及暗场成像等技术，研究了带正电的金纳米棒在碘作用下形态的变化，及其球 形金纳米粒子在氨基酸蛋白质分析中的应用。具体内容包括下列四个方面： ( 1 ) 应用等离子共振吸收光谱和扫描电子显微镜，观察了c u c l 2 与发生氧化还原反应产 生的碘单质与金纳米棒的作用过程。实验发现，由于溶液介电常数的改变，单独的c u c l 2 和 能够使金纳米棒的纵向吸收波长发生移动但不能改变金纳米棒的形态。而当c u c l 2 与同 时存在时，由于l ( i 与c u c l 2 发生氧化还原作用产生的碘单质能够使多个金纳米棒以肩并肩方 式融合，金纳米粒子由棒状变为球形，其径向比减小，且伴随着纵向吸收峰的蓝移、横向吸 收峰的红移、吸收峰拓宽以及吸收强度的降低。实验发现，金纳米粒子纵向吸收波长的蓝移 的程度与铜离子或碘离子的浓度存在线性关系，这为分光光度法测定铜离子或者碘离子提供 了可能。 ( 2 ) 单质碘能对金纳米棒产生融合作用，引起金纳米棒径向比的减小和纵向吸收波长的蓝 移；但当盐酸四环素存在时，单质碘被还原，对金纳米棒的融合作用减弱，使金纳米棒的纵 向吸收峰随盐酸四环素浓度的增大发生线性红移，据此建立了一种测定盐酸四环素的方法。 方法的线性范围为5 0 l o m 0 1l 一5 0 1 0 4m o ll 1 ，检测限为2 4 1 0 6m o ll 1 ( 3 0 脚。常见物 质不干扰测定。该方法用于合成样中四环素测定，回收率在9 2 8 1 0 7 2 之间，r s d 值小于 4 3 。用标准加入法测定了牛奶中的盐酸四环素，实验发现，牛奶中的四环素残余物浓度较 低，符合安全标准。 ( 3 ) 以带正电荷的球形金纳米粒子为光散射探针研究了一种快速测定半胱氨酸的方法。在p h 4 2 的介质中，c t a b 包被的金纳米粒子通过a u s 共价键与半胱氨酸作用。由半胱氨酸诱导 产生的金纳米粒子聚集体在5 6 6 on m 产生较强的等离子共振光散射，且增强的散射信号与半 胱氨酸在2 5 4 0 0n gm l _ 浓度范围成线性关系，方法的检测限为2 9 1 1 9l 吐- 1 ( 3 矾) 。所测样品中 的氨基酸均不影响测定。该方法用于合成样的测定，同收率住9 5 3 1 0 5 9 之间，r s d 值小丁 3 6 。 两南人学硕士毕业论文摘要 ( 4 ) 正电球形金纳米粒子与不同构象的朊蛋白具有不同的响应，突变型朊蛋白( p r p & ) 能够 诱导金纳米粒子的聚集，导致金纳米粒子散射信号的增强、吸收波长的移动以及颜色的改变， 并且散射信号增强的程度与p r p & 的浓度成正比，为p r p & 的定量测定提供了理论依据；而原 生型朊蛋白( p r p c ) 则能够稳定金纳米粒子。据此可以区分不同构象的朊蛋白。 关键词：半胱氨酸朊蛋白碘盐酸四环素金纳米粒子。 西南人学硕士学位论文摘要 t h e s t u d y o nm o r p h o l o g ya n d a n a l y t i c a l a p p l i c a t i o no fg o l dn a n o p a r t i c l e s a n a l t i c a lc h e m s i t r yp o s t g r a d u a t e ：j i a nw 抽g s u p e i s o r ：p r o f e s s o rc h e n g z h ih u a n g a b s t r a c t 1 1 1 e 叩t i c a ls i 弘a l sc h 锄g e so f9 0 l dn a n o p 矾i c l e s ( a u 一s ) o w i n gt om o 印h o l o 酉c a l t r a i l s f 0 硼a t i o nh a v eo p e n e du pf 如c i n a t i n ga p p l i c a t i o n si nm e d i c a ld e t e m i n a t i o n ，g e n e d e t e c t i o n ，i i l l 【i l u n ea n a l y s i sa n db i o m o l e c u l ed e t e c t i o n ，a n ds 0o n i i l “sp a p m 锄y t e c h n i q u e ss u c ha su 讥v i sa b s o 巾t i o ns p e c 仃aa i l dp l a s m o nr e s o n 觚c el i g h ts c a t t 甜n g ( p r l s ) ，e l e c 仃o nm i c r o s c o p e sa | l dd a r k f i e l di m a g ea r eu s e dt o 觚h e rs t u d ya u n p s w e i n v e s t i g a t e dm em o 础0 1 0 舀c a lt m s f 0 n n a t i o no f9 0 1 dn a l l o r o d s ( a u 枫s ) i n d u c e d b yi o d i n e ，a n dt h e 印p l i c a t i o no fa i u 一si nc y s t e i n ea n d 研o np r o t e i n sa n a l y s i s 。t h e m i a nc o n t e n ti sa sf 0 l l o w s ： f i r s t l y ，t h em o r p h o l o g i c a l 协m s f o n n a t i o np r o c e s sr e s u l t i n g 行o mt l l er e a c t i o n b e 帆e e na u n r s 觚di o d i n e 伽娘铭p r o d u c e d 丘o mt h er e d o xb e 俩e e n a n dc u c l 2 ， w a sm o i l i t o r e db yv i r t u eo ft h ep l a s m o nr e s o n a n c ea b s o 印t i o n ( p r a ) s p e c t ma n dm e s c a n n i n ge l e c n o nm i c r o s c o p ei m a g e s ( s e m ) nw a sf o u n dt h a tt h ep r e s e n c eo fk io r c u c l 2c o u l dm a l ( et h el o n g i t u d i n a lp r a b a n do fa u n r ss 1 1 i rw i t h o u ta i l yc h a n g eo f m o 啦h o l o 垂c a lt r a 【n s f o 肌a t i o n ，w h i c hi sd u et 0t h ec h 孤g eo fm er e f r a i c t i v ei n d e xo ft h e m e d i 砌d i 位r e n t 舶mt h a t ，i o d i n e ，w h i c hw a s 砌s 砌p r o d u c e d 肋mm er e d o xo f a 1 1 dc u c l 2 ，c o u l d 如s ea u n r sw i t ht h es i d e - b y - s i d em o d e ，r e s u l t i n gi nm o 印h o l o 舀c a l t r a l l s f 0 肌a t i o n 舶ma u - n r st os p h 嘶c 时w i t ht h ed e c r e a s eo fa u n r s 唧e c tr a t i o ， b l u e s h i ro fm el o n g i t u d i m lp a rb a n d ，r e d s h i ro ft r a i l s v e r s ep r a b a l l d ，b r o a d e n i n g o f b o t hl o n 百t u d i n a la n dt r a i l s v e r s ep r ab a i l d so fa - u n r s ，a l l dt h ef a l lo fa u n r sp r a i n t e n s i t y t h eb l u e s h i r e dw a v e l e n 昏ho fl o n 西t u d i n a lp r a b a l l dw a sf o u i l dt ob ei n p r o p o r t i o nt ot h ec o n c e n t r a t i o no fc o p p e rc h l o r i d eo ri o d i d e ，s u p p l 皿n gt l l ep o s s i b i l i t yt o d e t e c tc o p p e ra n di o d i n ee l 锄e n ti ns 锄p l e sw i m s p e c t r o p h o t o m e t 】哆 t h ea b o v et h e o 哆a l s oc a l lb ee x p l o i t e dt od e t e c tr e d u c i n ga g e l l t t e t r a c y c l i n e h y d r o c h l o r i d ea c i d t e t r a c y c l i n ec a nd e o x i d i z e1 2 ，r e s u l t i n gi nm ed e c r e a s eo f1 2 e 虢c t i v ec o n c e n t r a t i o na n dm e 凡s i o nm l et og o l dn a n o r o d s a sar e s u l t ，t h el o n 西t u d i n a l 西南大学硕士学位论文 摘要 p r ao f g o l d n a i l o r o d ss h i r e dt 0 1 0 n g e rw a v e l e n 垂h1 i n e a r l y a si n c r e a s em e c o n c e n t r a t i o no ft e 仃a c y c l i n e b a s e do nw h i c h ，t e t r a c y c l i n ec a nb ed e t e c t e di nm e 啪g e o f5 o l o 5m o ll - 1 5 0 1 0 - 4m 0 1l ，w i t hal o do f2 4 1 0 - 6m o ll 1 ( 3 回m o s t f o r e i g ns u b s t a i l c e si nm es a m p l e sd i dn o ti n t e r f e r ei nm ed e t e c t i o n ，a i l dt e t r a c y c l m ei l l m es ”t h e t i cs a n l p l e sc o u l db ed e t e c t e dw i t hm er e c o v e r yb e 觚e e n9 2 8 a 1 1 d10 7 2 ， a 1 1 dr s d i sl e s st h 觚4 3 ni sf o u i l d 也a tc o n c e b t r a t i o no ft e 饿忙y c l i n ei l lm i l l 【 d e t e c t e dw i t l ls t 锄d a r da d d i t i o nm e t l l o dw 嬲l o wt h a ta c c o r dw i mm es a f e t y r e g u l a t i o n ar a p i dm e t h o df 1 0 rc y s t e i n ed e t e c t i o ni sd e v e l o p e du s i n gt l l ep o s i t i v e l yc h a r g e d s p h e r i c a la - u - n p s 勰al i g h ts a c a t t e r i n gp r o b e h 1a q u e o u sm e d i u mo fp h4 2 ，t l l e c t a b c 印p e da u 姗sc o u l dr e a c tw i t hc y s t c i n et h o u 曲a m - sc o v a l e n tb o n d t h e c y s t e i n e i n d u c e da g 笋e g a t e so fa m n p sd i s p l a ys 仃o n gp i 也ss i 印a l sc h a r a c t e r i z e da t 5 6 6 0n m ，a i l dm ep r l si n t 饥s i t i e so ft h ea g 黟e g a t e sa r ei np r o p o n i o nt 0t h e c o n c e n 仃a t i o no fc y s t e i n ei nt h er a n g eo f2 5 4 0 0 1 1 9m l qw i t ht h e1 i m i to fd e t e c t i o n ( l o d ) b e i n g2 9n gm l 1 ( 3 a ) n oa n l i n oa c i d si nm es 锄p l e si n t e 彘r ei nt h ed e t e c t i o n a 1 1 dc y s t e i n ei ns ) 7 1 1 t h e t i cs a m p l e sc o u l db ed e t e c t e dw i t ht h er e c o v e 巧b e 觚e e l l9 5 3 a l l d1 0 5 9 a i l dr s d i sl e s sm a l l3 6 。 f un _ h e 衄o r e ，m ep r i o np r o t e i n so fd i 能r e n tc o n f i g u r a t i o n sh a v ed i s t i n c tr e s p o n s e s t op o s i t i v e l yc h 鹕e da u n p s p r p c o u l di n d u c et h ea g 乒e g a t i o no fa u n p s ，r e s u l t i n g i nm ee 1 1 l l a i l c e i t l e i l to fp r l ss i n g a l s ，t h es h i f to fu v v i ss p e c t r aa i l dt h ec o l o rc h a i l g e o fa u n p s b e s i d e s ，t h ee n h a l l c e dp r l ss i n g a l sw e r ei np r o p o n i o nt ot l l ec o n c e n t r a t i o n o fp r p s c ，w h i c hs u p p l i e dt 1 1 et h e o r e t i c a lb a s ef o rp r p s cd e t e c t i o n h o w e v e r ，p r p cc a i l s t a b l i z ea u 小m s ，w i t h o u tm ei n c r e a s eo fp r l so rc h a i l g eo fu v - v i ss p e c t r a t h e n ，t 1 1 e c o n 丘g u r a t i o n so f p r i o np r o t e i nc a nb ed i s t i n g u i s h e d k e y w o r d s ：i o d i n e ；g 0 l dn a l l o p a n i c l e s ( a u n p s ) ；t e 仃a c y c l i n e ( t c ) h y d r o c h l o r i d ea c i d ； c y s t e i n e ( c y s ) ；p r i o np r o p t e i n i v 西南大学硕士学位论文 缩写符号对照表 缩写符号对照表 v 独创性声明 本人提交的学位论文是在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。论 文中引用他人已经发表或出版过的研究成果，文中已加了特别标注，不存在抄袭、 伪造等学术不当行为。对本研究及学位论文撰写曾做出贡献的老师、朋友、同仁 在文中作了明确说明并表示衷心感谢。对文中所呈内容由本人负全部学术责任。 学位论文作者：l 但 签字日期：_ z 瞄年6 月f 日 学位论文版权使用授权书 n 陧二篓耋竺榷论奎橼喜篁荸肿掀机本褥瞒惑 口保密期限至年月止) 。 鍪委羞篷童翊 学位论文作者签名：l ，导师签名：鳓 签字日期：娥年b 月6 日签字日期：矽口扩年石月 西南大学硕士学位论文第一苹绪论 第一章绪论 近年来，由于声、光、电、磁、热力学等特性，各种形态的纳米材料越来越 得到人们的青睐。纳米材料的形态不同，其光学性质、化学性质等就会截然不同。 因此，研究纳米粒子的不同形态具有非常重要的意义。迄今为止，人们已经制备 出各种形态的纳米材料( 如图1 ) 【1 卅，例如纳米线( n a n o 、v i r e s ) 5 - 7 】、纳米花 ( n a n o n o 、v e r s ) 【8 ，9 】、纳米片( n a l l o p l a t e s ) 【1 0 1 、纳米点( n a n o d o t s ) 【l l 1 扪、纳米管 ( n a n o t u b e s ) 【1 3 1 5 1 以及多面体【1 6 ，1 7 1 等。金纳米材料因为其形态可控阱】、化学性质具 有各向异性【ls 】等而被广泛研究。本文着重介绍球形和棒状金纳米粒子由于形态差 异而在光学性质、组装、应用等方面的区别。 图1 调节反应条件制备不同形态的纳米粒子 f i g 1p rc c _ 町s o r s ( 1 e f t ) c 扭f 嘶nav 枷e 够o f n 如o p a n i c l es h a p c s ( r i g l l t ) ，d 印d i n go nt l l er c a c t i o nc o n d i t i o 第一节不同形态金纳米粒子的制备、表征及组装 球形金纳米粒子( a u n p s ) 是研究较早的一种纳米材料【l 牡0 1 ，其s e m 及吸收光 谱如图2 所示。由于金纳米粒子是非各向异性纳米材料，所以单分散状态的金纳 米粒子的吸收光谱只有一个峰位于5 2 0 胁左右【2 l j ；当金纳米粒子呈聚集状态时， 由于相邻纳米粒子中电子之间的极化和耦合作用，金纳米粒子的最大吸收波长红 移至长波长处【2 2 】；相对应地，金纳米粒子的颜色也会由红色变为蓝色【2 引。金纳米 粒子形态改变引起的信号变化常被应用于d n a 检测【2 4 3 、生物标识【3 2 删、金属离 子的测定【4 5 - 5 0 】以及小分子的识别阮5 1 枷1 等。 图2 球形金纳米粒子的s e m 图和吸收图谱 f i g ，2s e mi m a g ea i l do fa b s o r p d o ns p c c t r l i i i lo fs p h 嘶c a la u n p s l 西南大学硕士学位论文第一章绪论 棒状金纳米即金纳米棒( a u n 】r s ) 是近年来兴起的一种一维的纳米材料，分为 横向轴( n 锄s v e r s ea ) 【e s ) 和纵向轴( 1 0 n 萄t u d i n a la x e s ) 。纵向轴与横向轴的长度之比即 为径向比( a s p e c tr a t i o ) 。图3 为本实验室合成的金纳米棒，其平均长度为5 0i l i i l ， 直径为1 4 姗，其径向比约为3 7 。 金纳米棒除具有量子尺寸效应、表面效应和宏观量子隧道效应等特点，还具 有其自身的优越特性【6 1 。6 5 1 。这些特性包括：各向异性【1 8 6 2 1 ，即金纳米棒的纵向轴 和横向轴有不同的性质；长度可控【6 2 ，6 6 ，6 7 】，即可以合成不同径向比的金纳米棒：颜 色可控【4 6 8 6 9 】，即金纳米棒的径向比不同，溶液的颜色也有所不同；优良的光谱特 性【6 l ，7 们，即金纳米棒的纵向吸收波长与金纳米棒的径向比存在线性关系；以及十 六烷基三甲基溴化铵( c 吖心) 双分子层在金纳米棒上的特殊分布方式【3 7l ，7 2 】，使 金纳米棒组装方式多样化【7 3 8 7 1 。这些特性引起了研究者的极大兴趣。 金纳米棒的优越特性使其得到了日益广泛的应用。在生物传感方面，通过调 节金纳米棒的径向比，其局部表面等离子共振可以从紫外区延伸到红外区，包括 近红外区，而生物组织由于自身的发色团的消光系数较小，透射系数在近红外区 最大，因此金纳米棒可以用于生物医学成像以及诊断【8 神3 1 。此外，金纳米棒的形 态决定了金纳米棒对局部的介电环境响应比较灵敏，如溶液、吸附物和金纳米棒 之间的距离变化等都很容易通过金纳米棒的局部表面等离子共振反映出来。该性 质被广泛用于金属离子的测定【9 4 1 、d n a 的检测【9 5 1 、免疫分析【9 6 。1 0 1 】以及用做生物 医学传感器【1 0 2 - l1 6 】等方面。 图3 金纳米棒的s e m 图和吸收图谱 f i g 3s e mi 嘲g e 柚do f a b r p t i o n 印咖mo fa u - n r s 1 1 金纳米粒子的制备 各向异性纳米材料形态的不同主要是通过控制实验条件实现的。随着纳米技 术的发展，纳米材料的合成方法越来越多样化，从合成的手段来讲可以分为：湿 法化学合成法【3 ，4 ，6 2 ，1 1 7 - 1 3 1 1 、光化学合成法【6 8 舯，1 3 2 1 3 6 1 、电化学合成法f 7 0 ，1 3 7 1 ，微波合 成法【1 3 舡1 4 1 】等。 1 1 1 湿法化学合成法 2 两南大学硕士学位论文第一章绪论 该法是在温和的实验条件下还原h a u c l 4 ，得到金纳米粒子【3 ，4 ，6 2 ，1 1 7 m 。实验 条件简便，易于控制，方法的重现性好。柠檬酸钠还原法【1 2 0 。2 2 】是现在最常用的方 法，柠檬酸根既做还原剂又做保护剂，简化了实验步骤，但是该方法的缺点在于 抗盐能力差。n a b h 4 具有较强的还原性，还原得到的金纳米粒子粒径很小( 1 0 m ) 【1 2 8 】且能发生光致发光。实验发现，此法制备的纳米粒子稳定性较差，刚制备出的 纳米粒子为淡棕色，在紫外可见吸收光谱中几乎没有明显的吸收峰；2 0 天之后， 该溶液变为红色，在5 2 0 m 出现明显的吸收峰，说明金纳米粒子的粒径逐渐增大。 因此需要用还原性稍微弱的还原剂以及合适的表面活性剂来控制金纳米粒子的稳 定性。以c t a b 为表面活性剂，抗坏血酸( a a ) 【1 3 0 1 3 i 】还原h a u c l 4 得到的金纳米 粒子粒径均匀，稳定性好，能稳定半年以上。 控制实验条件，球形金纳米粒子可以在一维方向定向生长成为金纳米棒。图4 表示的是用化学方法制备金纳米棒的机理【3 】。先用n a b h 4 等还原性较强的还原剂 与h a u c l 4 反应得到粒径较小的晶核，接着，晶核逐渐生长成为双孪十面体。然后， c t a b 双分子层吸附到双孪十面体的 1 0 0 ) 面。后来，加入还原性较弱的a a 将 a u ( i i i ) 还原为a u ( i ) ，在a g n 0 3 的作用下，a u ( d 在双孪十面体 1 1 1 ) 面定向生长， 进而使金纳米棒沿着 1 0 0 方向延伸。由此可以制备出表面吸附了c t a b 双分子层 的金纳米棒。从机理探讨中可以看出，金纳米棒是球形纳米颗粒在一维方向的延 伸，阳离子表面活性剂c t a b 在金纳米棒合成中起到了关键作用。 墨菇：。逢鳜麓 ，一l ? 篓。一，勰 i l 0 、，”o i t t i i l 图4 以表面活性剂为软模版合成金纳米棒的机理【3 】 f i g 4p r o p o s e dm e c h 锄i s mo f s u 疵c t a n t d i r e c t e da u n 黜伊。叭h 1 1 2 光化学合成法 光化学合成法【6 8 ，9 4 ，1 3 2 郴6 1 制备的金纳米粒子粒径均匀，稳定性较好，但是该方 法需要较长的反应时间。在金纳米粒子的合成过程中，a g n 0 3 的浓度以及辐射时 间会影响纳米粒子的大小、数量和形态。如图5 所示，当溶液中不存在a g n 0 3 时， 由于无法成核，紫外光照射溶液得到红色的球形金纳米粒子( 图5 a 左一) ，在 吸收图谱在表现为一个等离子共振吸收峰；增加a g n 0 3 的浓度，得到的金纳米棒 的径向比逐渐增长；同样，照射时问不同，金纳米棒的径向比也存在差异。因此， 西南大学硕士学位论文第一章绪论 在光化学合成金纳米粒子的过程中，a g n 0 3 在控制金纳米粒子的形态方面起到了 非常重要的调节作用侧。 b 主 一曹善 e 一_ 露 l 图5 光化学法合成金纳米棒的照片和吸收光谱螂】 f i g 5 ( a ) i i n a g eo fp h o t o c h e m i c a l l yp r 卵绷趔a u n r ss o l 砸。珥a n d ( b ) c o r r 唧伽d i i l gu v - v i ss p c c t n l mf r o ml 硪 t or i g h t ：o ，5 3 ，1 0 5 ，7 9 ，l o 5 咖ll 1o f s i l v c rn i 廿a 钯鲥l i t i o 虬唧c t i v e l y 1 1 1 e 确枷o n 曲蟛o f t h em i d d i ei s5 4 k 舭d m e o m c r sa r e3 眦 1 1 3 电化学合成法 电化学合成法1 7 0 i3 7 】直接用电子还原h a u c l 4 ，可以通过调节电极的电流和电压 实现对纳米粒子形态的控制，该方法反应较快，所得到的纳米粒子粒径均匀，但 是一般要加入表面活性剂以保持金纳米粒子的单分散性。通过电化学法还可以实 现纳米形态之间的转化。例如，当将金纳米棒滴在电熔炉上以不同温度加热4 0 m i n ， 金纳米棒因表面活性剂挥发变得不稳定，逐渐由棒状变为球形。 i 竹c - 嘲o ? 吖bt ；v 0 rn 帅“i 州 雌 “，i - “d 雌 f r l j r 霉h l 必d 吖dtt 擞o f _ c m c k 岣哗 图6 在不同温度下金纳米棒的形态转变的s e m 酬1 3 7 】 f 碴6s e mi m a g 髓o f a u n p ss 锄p i c sa td i m 猢tt c i n p 珂砒1 哪e 1 1 4 微波合成法 微波合成法【1 0 8 ，1 0 9 1 的优点在于快速，但是得到的纳米粒子不够均匀，有球形纳 米粒子、三角形纳米片和纳米棒等。在微波合成法中，表面活性剂的浓度对纳米 粒子的形态影响比较明显。例如，当溶液中t o a b 浓度较小时，得到的是球形纳米 粒子；当t o a b 浓度增大时，金纳米棒也逐渐增多。 4 西南大学硕士学位论文第一章绪论 图7 微波法合成金纳米掣1 4 l 】 f i g 7m i c m w a v es y i l t h e s i so fa u n r sa td i m i r e n tt o a bc o n c e n t r a t i o n s ：( a ) o 5 ，( b ) 2 0 ，( c ) 4 om m 1 2 金纳米粒子的表征 金纳米粒子的形态的差异可以通过不同的表征手段得到印证。常用的表征手 段主要包括：电子显微镜法和光谱法。其中，电子显微镜包括：透射电子显微镜 【7 2 8 0 ，8 3 ，8 9 舯，1 1 2 ，1 1 4 ，1 1 5 ，1 4 3 ，1 4 q 、扫描电子显微镜【7 2 ，9 8 ，1 4 5 ，1 矧、原子力显微镜【1 4 7 1 4 9 1 和成像 技术嗍等。光谱法包括：吸收光谱【4 2 ，4 9 ，5 5 5 9 舯，1 5 0 。1 5 2 1 、x r a y 衍射【1 5 3 1 、共振光散射 【4 3 ，5 0 ，5 6 - 5 8 ，1 5 4 ，1 5 5 】蒂非【9 5 ，1 5 6 1 5 8 】笔 、，弋一，u 弋ro 1 2 1 电子显微镜法 电子显微镜是表征纳米材料形态的常用方法，特别是透射电子显微镜 【7 2 ，8 3 ，8 9 舯，1 1 2 ，1 1 4 ，1 1 5 ，1 4 3 ，1 4 4 1 和扫描电子显微镜【7 2 ，9 8 ，1 4 5 ，1 4 6 1 被广泛用来观察纳米材料的 形态和分散状态，以及定性研究纳米粒子与其它物质的反应情况。 ( 1 ) 透射电子显微镜( t r a n s i l l i s s i o e l e c t m nm i c r o s c o p e ，t e m ) t e m 能够清晰地给出金纳米粒子的形态以及分散状态方面的信息，高分辨透 射电子显微镜( h r l e m ) 【1 4 3 ，1 4 4 j 则可以直接观察到纳米粒子的精细结构。图8 中的 瑚玎e m 【1 4 3 】明确标示出金纳米棒中原子的排列情况以及各晶面的生长趋势，为晶体 研究提供了可靠信息。h r t e m 是分析金纳米粒子精细结构的一种非常有力的手 段。 “f l 搿囊一一j ， o h “ j _ “4 蚺” 图8 金纳米棒的高分辨透射电镜图3 】 f i g 8h i g h - r e l u t i o nt e mi m a g eo f t h e 硒一p r c p a r e da u - n r s ( 2 ) 扫描电子显微镜( s c a n n i n ge l e c t m nm i c r o s c o p e ，s e m ) s e m 【7 2 9 8 1 4 5 ，1 4 6 1 ( 如图2 和3 ) 样品制备简单，图像立体感强，可以观察到金纳 米粒子的形态以及分布，为纳米材料的形态分析提供了比较直观的信息，但是不 一黧赢躐咏琢篷硼翟 阿k量 西南大学硕士学位论文第一章绪论 能够提供纳米粒子精细结构的信息。 ( 3 ) 原子力电子显微镜( a t o m i cf o r c em i c r o s c o p e ，a f m ) a f m 【1 4 7 1 4 8 】可以用来表征纳米粒子的形态、高度以及分布，能够给出纳米材料 三维尺寸的信息。纳米粒子的形态发生改变时，a f m 能够给出比较准确的信息。 但是由于a f m 探针的影响，其测得粒径比t e m 测定值要大【1 49 1 。图9 中用不同颜 色代表不同的高度，从中可以看出，粒径较大的球形纳米粒子的高度大于金纳米 棒的高度。 。：0，：t h ： 图9 金纳米棒的a f m 图【1 4 7 】 f i g 9t a p p i n gm o d ea f mi m a g e si na i ro fs c l f - a s s e m b l c dm o n o l a y e ro fa u - n r so ng l a s s ( 4 ) 成像技术 不同形态和分散状态的纳米粒子的散射光是不同的，暗场成像显微镜就是根 据纳米粒子的散射光来判断纳米粒子的粒径和分散状态的。图1 0 表示的是金纳米 棒与5 生物素修饰的d n a 和3 ，5 二生物素修饰的d n a 的结合情况【08 | ，由于形成的 纳米粒子的粒径不同，分散状态存在差异，所以，在暗场成像显微镜中显示出的 纳米粒子的颜色及数目存在明显的差异。从而达到测定f 1 a t p 酶的目的。同理， 金纳米棒在生物医学方面可以作为成像对照试剂【8 9 3 】。 图1o 用金纳米棒与5 生物素修饰的d n a 和3 ，5 一二生物素修饰的d n a 的结合情况【9 8 】 f 瞎l om i c r o 伊a p ho fn a i l o f o d si m m o b i l i z e do na 1 1a v i d i n b i o t i n y l a t e df i - a t p a s e c o a t e ds l i d ei i lt 1 1 ep r c s e n c eo f3 p r n o lo f ( a ) 3 b i o t i n y i a t e d d n ao r ( b ) 3 ，5 - d i b i o t i n y l a t e dd n a 成像技术在球形金纳米粒子的比色法【3 3 3 6 。4 0 ，4 2 ，4 4 4 7 ，4 9 ，5 1 ，5 3 ，5 9 1 研究中也得到了广 泛的应用。单分散的球形金纳米粒子呈现红色，但是聚集状态的金纳米粒予则呈 6 西南大学硕士学位论文第一章绪论 现蓝色，由此可以建立基于金纳米粒子颜色变化的测定方法。以比色法测定凝血 酶为例33 l 。凝血酶的2 9 个碱基的a 雕h n e r 为s s d n a ，当加入凝血酶时，叩惚m e r 就会 形成四折叠结构( 图1 1 a ) 。在一定的盐浓度下，开链结构的s s d n a 能够稳定金纳 米粒子，但是四折叠结构或者d s d n a 能够破坏这种稳定作用，诱导金纳米粒子的 聚集和颜色的改变( 图1 1 b ) 。金纳米粒子的颜色变化可以灵敏地区分凝血酶加入 前后a p t a m e r 构象的变化，从而达到比色法测定凝血酶的目的。 i 一_ 一 一 j 图1 1 比色法测定凝血酶 f i gl la u - n p sc o l o r i m 嘶cd e t c c t i o no f m r o m b i n 1 2 2 光谱法 目前，研究最多的是紫外可见吸收光谱4 9 ，5 5 ，5 9 ，6 0 ，1 5 0 。1 5 2 1 。吸收光谱与电子的 表面等离子共振密切相关，能够灵敏地反映金纳米粒子的形态及变化：) a m 光谱 可以明确地给出纳米粒子形态变化前后晶体结构和元素的改变；共振光散射法 f 2 = i 2 9 ，4 3 ，5 0 ，5 8 ，1 5 4 彤8 1 则是利用金纳米粒子进行定量分析的重要手段；纳米材料的结构 只有符合一定要求时才会有荧光9 5 ，1 5 9 。1 6 1 1 ，所以纳米材料的荧光研究得较少。 ( 1 ) 吸收光谱 前面提到，单分散的球形金纳米粒子只有一个吸收峰，当其形态发生改变时， 对应的吸收波长及强度会发生改变【4 2 ，4 9 ，5 5 ，5 9 ，6 0 ，1 5 0 小2 1 。如图1 2 所示，在金纳米粒子上 修饰多肽，而多肽与不同金属离子的结合能力不同。因此，金属离子引起金纳米 粒子的聚集程度不同，溶液颜色的改变存在差异，对应的吸收光谱也产生一定的 差别，据此可以测定不同的金属离子【4 9 j 。 筵襄二巷；、二一 m 、一 u - 啪芷- 宣一 图1 2 多肽修饰的金纳米粒子的a ) 聚集示意图，b ) 颜色变化和c ) 对应的吸收光谱m 明 西南大学硕士学位论文第一章绪论 与球形金纳米粒子不同的是，金纳米棒的吸收图谱有两个吸收带( 如图3 ) ， 分别对应于表面等离子共振的横向和纵向模式。横向模式吸收带对应金纳米棒的 横向轴方向表面等离子共振，处于约5 2 01 1 1 n 的短波长处；纵向模式吸收带对应纳 米棒的纵向轴方向的表面等离子共振，位于长波长处，其最大吸收波长与纳米棒 的径向比( l d ) 相关。随着径向比的增大，纵向吸收的最大波长向长波方向移动， 横向吸收非线性地向短波长方向移动。当径向比为1 时，横向和纵向吸收重叠，波 长位于约5 3 0 啪处【9 4 1 。e l s a y e d 等【1 5 0 ，1 5 1 1 在实验基础上推导了径向比与吸收波长的 关系得到如下公式： 。= ( 5 3 7 1 r - 4 2 2 9 ) 岛+ 4 9 5 1 4( 公式1 ) 。为纵向模式吸收波长，岛为介电常数，r 为纳米棒的径向比。 p i l e n i 等【2 】根据d d a 模拟和实验证明，也给出了类似的公式： 五们a 、= ( 5 2 9 5 a r - 4 1 6 8 ) 国+ 4 6 6 3 8( 公式2 ) 厶砒为纵向模式吸收波长，国为介电常数，a r 为纳米棒的径向比。 以上公式说明，金纳米棒的吸收光谱能够灵敏反映出金纳米棒自身的信息和 环境的变化，其纵向吸收波长与金纳米棒的径向比成线性关系，同时还与环境的 介电常数密切相关。 c a i i l p i g l i a 等【9 4 】利用汞与金的融合作用建立了一种测定金属汞的方法。当在金 纳米棒溶液中加入汞时，金纳米棒的径向比减小，纵向吸收波长蓝移( 如图1 3 所 示) 。根据汞浓度与金纳米棒纵向吸收波长之间的线性关系实现了对环境中汞的测 定。该方法快速灵敏，整个过程只需1 0m i n ，检测限为6 6 1 0 。1 3 9l 。 m 1 _ 女 鞫皆蝌 ：鞫雌 一剖眵嘲一 鞘警钔+ 图1 3 汞引起金纳米棒形态改变的示意图以及吸收光谱的变化【9 4 l f i g 13s c h e m a t i cd i a g r a ms h o w i n gt h ea m a l g a m a t i o no fh gw i t ha u - n r sa n du v - v i s i b l ea b s o r p t i o ns p e c t r a s h o w i n gt h es p e c t r a ls h i ra ts e v e l 。a lh g ( i1 ) c o n c e n t r a t i o n s ( 2 ) x 射线衍射( x r a yd i f f r a c t i o n ，x r d ) x r d 可以根据标准图谱对纳米粒子进行晶体分析和元素分析。如图1 4 所示， 、l j 金纳米粒子的形态发生改变时，在x i m 图谱上表现出2 0 角度以及强度的变化， f f d 时可以标明会纳米粒子形念变化前后组分的改变。这为纳米f 扛f 形态变化的原 汶n_一 j | | 。弋f塞毒 慝悖_ 。 西南大学硕士学位论文第一章绪论 因提供了可靠的依据【1 5 3 1 。 图1 4 金纳米粒子形态变化的t e m 图和图群1 5 3 】 f i g 1 41 1 b mi 嘲g e 柚dp o w d e rx - r a yd i 倚a c t o g 埘n so f a ) o d ac a p p e dg o l dn 锄o p 矾i c l e s 锄db ) o d ac a p p e d a u n p sa f i e rn i sa d d i t i ( 3 ) 共振光散射光谱 根据共振光散射定律【1 5 4 ，1 5 5 】，球形金纳米粒子的共振光散射峰位于5 5 0 彻1 左右， 且散射信号的强弱与粒子的粒径大小和数量密切相关【1 5 6 】。因此，金纳米粒子增强 的共振光散射信号常被用来进行定量分析【2 3 2 9 4 3 ，5 筇6 。5 8 1 5 8 1 。定量分析方法分为两 类：( 1 ) 根据已有的金纳米粒子分散状态的改变引起的散射信号的增强进行定量 测定【2 3 ，2 9 ，4 3 ，5 晒6 1 ，例如，k + 能够诱导端粒d n a 构象发生改变，从而导致金纳米粒子 产生聚集，根据金纳米粒子散射信号与c 浓度之间关系可以建立一种测定k _ 的方 法【5 0 】；( 2 ) 根据生成的金纳米粒子的粒径及数量的变化进行定量分析【5 7 5 8 1 ，例如， 用葡萄糖还原m 札c 1 4 得到的金纳米粒子的粒径与葡萄糖的浓度密切相关，而金纳 米粒子粒径的