（物理化学专业论文）基于金纳米颗粒生物探针的制备及其检测重金属离子的应用研究.pdf

_ 独创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师指导下独立进行研究工作所取得 的成果。据我所知，除了特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果。对本人的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了 明确的说明。本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 学位论文使用授权书 本学位论文作者完全了解东北师范大学有关保留、使用学位论文的规定，即：东 北师范大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权东北师范大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有 关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编本学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 日 期： 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 指导教师签名： 日 期： 电话： 邮编： 摘要 金纳米颗粒被广泛应用于包括生物检测、生物标记和表面增强拉曼等各个领域。 由于具有表面等离子体共振的性质，金纳米颗粒可用作可视的传感器而吸引众多研究者 的关注，表面等离子体共振的响应机理是基于金颗粒的诱导聚集状态而引起颜色变化 的。表面等离子体共振对于环境、尺寸、金纳米颗粒的形状以及颗粒之间的距离都是极 为敏感的。最近金纳米颗粒已被研究者广泛地用作分析探针检测生物或化学行为。 具有强的荧光性质水溶性的小原子簇贵金属量子点近年来受到研究者的关注，这些 荧光贵金属纳米颗粒具有发光连续、在紫外和可见区可调的电子跃迁的性质。由于具有 特殊的性质，这些发光的水溶性的金纳米簇可以作为生物标记、生物传感器、纳米级发 光的光电子来源。 在本论文中，我们进行表面功能化的纳米金颗粒作为纳米生物检测探针检测重金 属离子的研究。具体的研究内容如下： ( 1 ) l 半胱氨酸功能化的纳米金颗粒( c y s g n p s ) 并结合紫外光源的辅助用于检测 水溶液中的h 9 2 + 。在水溶液中如果存在h 9 2 + ，c y s g n p s 就会与其发生比色响应，达到 检测水溶液中h 9 2 + 的目的。通过对其灵敏度和选择性的实验研究，证明该方法表现出 高的灵敏度，紫外光源的照射提高了检测的灵敏度，并且，该方法在其它的二价离子中 具有很好的选择性，该方法检测h 9 2 + 可以达到的最低检测限为1 0 0n m ，最低的检测结 果可以通过裸眼观察到。 ( 2 ) 研究基于谷胱苷肽功能化的纳米金颗粒( g s h g n p s ) 的比色检测p b 2 + 的方法。 通过g s h g n p s 对p b 2 + 灵敏度和选择性的实验研究，水体中的p b 2 + 可以被g s h g n p s 快速、准确地检测出来，并且有高的灵敏度，与其它的金属离子( h 矿+ ，m 9 2 + ，z n 2 + ，n i ”， c u 2 + ，c 0 2 + ，c a 2 + ，m n 2 + ，f e 2 + ，c d 2 + ，b a 2 + 和c r 3 + ) 相比具有高的选择性。模拟应用实验的结 果均表明，g s h g n p s 作为检测探针具有较好的环境适应性，对环境水体存在的其它混 合离子等有一定的适应性，能够准确地检测出p b 2 + 的存在，并保证检测限在1 0 0n m 。 ( 3 ) 一种简单、方便的基于牛血清白蛋白功能化纳米金颗粒( b s a g n p s ) 的荧光 检测探针用于检测汞离子。牛血清白蛋白功能化纳米金颗粒在4 7 0 n m 处激发在6 4 0 n m 处有强的红光发射。利用其检测水溶液中的h 9 2 + ，得到的实验结果证明h 9 2 + 可以被 b s a g n p s 荧光检测探针快速准确地检测，并且具有非常高的灵敏度，检测限为0 1n m ， 而且，b s a g n p s 荧光检测探针具有非常好的选择性，其它重金属离子都不能使 b s a g n p s 的荧光完全淬灭。通过对实际环境中的水样进行检测，证明b s a g n p s 荧光 检测探针具有很好的实用性和环境适应性。 关键词：金纳米颗粒；重金属离子：检测；比色；荧光 a b s t r a c t g o l dn a n o p a r t i c l e s ( g n p s ) a r ew i d e l yu s e di nar a n g eo fa p p l i c a t i o n s ，i n c l u d i n g e l e c t r o n i c s ，b i o s e n s i n g ，a n ds u r f a c ee n h a n c e dr a m a ns p e c t r o s c o p y g n p sh a v er e c e i v e dg r e a t a t t e n t i o ni nt h ed e v e l o p m e n to fv i s u a ls e n s i n gs c h e m e sb e c a u s eo ft h es u r f a c ep l a s m o n r e s o n a n c e ( s p r ) m e c h a n i s mb a s e do nt h eb i n d i n g i n d u c e da g g r e g a t i o no fs p h e r i c a lg n p s t h es p ra b s o r b a n c e sa r ee x t r e m e l ys e n s i t i v et ot h en a t u r e ，s i z e ，a n ds h a p eo ft h eg n p s ，t h e i r i n t e r p a r t i c l ed i s t a n c e s ，a n dt h en a t u r eo ft h e i rs u r r o u n d i n gm e d i a r e c e n t l y , g n p sh a v e e x t e n s i v e l yb e e ne m p l o y e da sa n a l y t i c a lp r o b e si nb i o t e c h n o l o g i c a la n dc h e m i c a ls y s t e m s h i 曲l yf l u o r e s c e n t ，w a t e r - s o l u b l e ，f e w a t o m n o b l em e t a lq u a n t u md o t sh a v eb e e n c r e a t e dt h a tb e h a v ea sm u l t i e l e c t r o na r t i f i c i a la t o m sw i t hd i s c r e t e ，s i z e t u n a b l ee l e c t r o n i c t r a n s i t i o n st h r o u g h o u tt h ev i s i b l ea n dn e a ri r p r o v i d i n gt h e m i s s i n gl i n k b e t w e e na t o m i c a n dn a n o p a r t i c l eb e h a v i o ri nn o b l em e t a l s ，t h e s ee m i s s i v e ，w a t e rs o l u b l ea un a n o c l u s t e r s o p e nn e wo p p o r t u n i t i e sf o rb i o l o g i c a ll a b e l s ，b i o s e n s o r s ，a n dl i g h te m i r i n gs o u r c e si n n a n o s c a l eo p t o e l e c t r o n i c s i nt h i sp a p e r , t h ed e t e c t i o no fh e a v ym e t a li o n sb yf u n c t i o n a l i z e dg o l dn a n o p a r t i c l e sw a s s t u d i e d a 1 1t h er e l a t i v es t u d i e sa r eo u t l i n ea sf o l l o w s ( 1 ) t h el e y s t e i n em o d i f i e dg o l dn a n o p a r t i c l e sc a nb ei n d u c e dt oa g g r e g a t eq u i c k l y u n d e rt h ec o n d i t i o no fp r e s e n c eo fh 9 2 十，e s p e c i a l l yw i t ha s s i s t a n c eo fu l t r a v i o l e tr a d i a t i o n t h ep r e s e n c eo fh 9 2 十c a nb em o n i t o r e db yc o l o r i m e t r i cr e s p o n s eo fg o l dn a n o p a r t i c l e s t h e d e t e c t i o no fh 9 2 十c o u l db er e a l i z e da f t e rm e a s u r i n gt l l eu v - v i ss p e c t r aw i t had e t e c t i o nl i m i t o f10 0n m t h es e l e c t i v i t yo ft h i sm e t h o dh a sb e e ni n v e s t i g a t e db yo t h e rd i v a l e n tm e t a li o n s ( 2 ) t h eg l u t a t h i o n em o d i f i e dg n p sc a l lb ei n d u c e dt oa g g r e g a t eq u i c k l yi nt h ep r e s e n c eo f p b 计，e s p e c i a l l ya f t e ra d d i n gt h es o l u t i o no f 1mn a c l t h ed e t e c t i o no fp b 2 + i o nc o u l db er e a l i z e d w i t had e t e c t i o nl i m i to f10 0n m t h eg s h g n p sc a l ls e l e c t i v e l yb i n dp b 2 + o v e ro t h e rm e t a li o n s ( h 矿+ ，m 矿+ ，z n 2 + ，n i 2 + ，c u 2 + ，c 0 2 + ，c a 2 + ，m n 2 + ，f e 2 + ，c d 2 + ，b a 2 + a n dc n ，l e a d i n g t op r o m i n e n t c o l o rc h a n g e m o r ei m p o r t a n t l y , t h i sp r o b ew a sa l s oa p p l i e dt od e t e r m i n et h ep b 2 十i nt h el a k e s a m p l e s ，a n dt h er e s u l t sd e m o n s t r a t el o w i n t e r f e r e n c ea n dh i 【g hs e n s i t i v i t y ( 3 ) as i m p l e ，c o s t e f f e c t i v ey e tr a p i da n ds e n s i t i v es e n s o rf o rt h ed e t e c t i o no fh 矿u s i n g b o v i n es e r u ma l b u m i n ( b s a ) f u n c t i o n a l i z e df l u o r e s c e n tg o l dn a n o p a r t i c l e sw a sd e v e l o p e d u s i n g t h i sp r o b e ，a q u e o u sh g + c a l lb ed e t e c t e da to 1n mb a s e df l u o r e s c e n c eq u e n c h i n gi naf a c i l ew a y , w i t hh i g hs e l e c t i v i t ya g a i n s to t h e rm e t a li o n s t h i sp r o b ew a sa l s oa p p l i e dt od e t e r m i n et h eh + i nt h el a k es a m p l e s ，a n dt h er e s u l t sd e m o n s t r a t el o wi n t e r f e r e n c ea n dh i g h s e n s i t i v i t y k e yw o r d s ：g o l dn a n o p a r t i c l e ；h e a v ym e t a li o n s ；d e t e c t i o n ；c o l o r i m e t r i c ；f l u o r e s c e n c e n 目录 中文摘要i 英文摘要i i 目录i i i 第一章前言1 1 1 贵金属纳米颗粒的概述1 1 2 贵金属纳米材料的制备、表面修饰2 1 2 1 金、银纳米颗粒的合成及表面修饰2 1 2 2 荧光金、银簇的合成7 1 3 贵金属纳米颗粒的性质9 1 3 1 表面等离子体共振( s p r ) 9 1 3 2 荧光性质1 0 1 3 3表面增强拉曼1 1 1 4 贵金属纳米颗粒在重金属离子检测中的应用1 1 1 4 1 基于金纳米颗粒的比色分析1 1 1 4 2 基于荧光纳米金颗粒的检测1 7 1 4 3 基于表面增强拉曼的检测1 9 参考文献2 2 第二章半胱氨酸功能化的纳米金颗粒作为探针检测汞离子3 0 2 1 引言3 0 2 2 实验部分3 2 2 2 1 主要试剂3 2 2 2 2 实验思路。3 2 2 2 - 3 实验过程3 3 2 3 结果和讨论。3 4 2 3 1 材料的表征及检测方法。3 4 2 3 2 检测过程3 5 2 3 3 半胱氨酸功能化纳米金颗粒对h 9 2 + 的检测灵敏度3 5 2 3 4 半胱氨酸功能化纳米金颗粒对h 9 2 + 的检测选择性4 1 2 4 ，j 、结4 3 参考文献4 4 第三章谷胱苷肽功能化的纳米金颗粒作为探针检测水溶液中铅离子的应用研究。4 8 3 1 引言4 8 3 2 实验部分4 9 i l l 3 2 1 主要试剂及实验设备4 9 3 2 2 谷胱苷肽功能化的纳米金颗粒( g s h g n p s ) 的制备5 0 3 2 3g s h g n p s 比色检p b 2 + 的实验过程：5 0 3 3 结果和讨论5 1 3 3 1 检测原理及实验思路5 1 3 3 2 比色检测p b 2 + 5 2 3 3 3 检测p b 2 + 的灵敏度研究5 2 3 3 4g s h g n p s 检测探针对p b 2 + 的选择性5 5 3 3 5 实际应用检测实验5 9 3 4 列、结6 3 参考文献6 4 第四章荧光纳米金探针高灵敏度高选择性检测汞离子6 7 4 1 引言6 7 4 2 实验部分6 8 4 2 1 主要试剂和仪器6 8 4 2 2 b s a g n p s 的制备6 9 4 2 3 检测实验过程6 9 4 3 结果和讨论6 9 4 3 1 荧光探针检测h 9 2 + 的设计思路6 9 4 2 2 b s a a 岬s 荧光检测探针的选择性7 3 4 3 3 b s a g n p s 荧光检测探针的应用实验7 5 4 4 ，j 、结7 6 参考文献7 7 结论8 0 致谢81 发表论文8 2 i v 东北师范大学博士学位论文 第一章前言 纳米( 符号为n m ) 是长度单位，就是1 0 。9 米。所谓纳米技术，是指在0 1 - 1 0 0 纳米的尺度里，研究电子、原子和分子内的运动规律和特性的一项崭新技术。科 学家们在研究物质构成的过程中，发现在纳米尺度下隔离出来的几个、几十个可 数原子或分子，显著地表现出许多新的特性，而利用这些特性制造具有特定功能 设备的技术，就称为纳米技术。纳米科技现在已经包括纳米生物学、纳米电子学、 纳米材料学、纳米机械学、纳米化学等学科。 纳米材料( n a n om a t e r i a l ) 统指合成材料的基本结构单元的尺限制在1 l o o n m 范 围的材料，这大约相当于1 0 1 0 0 个原子紧密排列在一起的尺度。由于它的尺寸已 经接近电子的相干长度，它的性质因为强相干所带来的自组织使得性质发生很大 变化。 1 1 贵金属纳米颗粒的概述 贵金属纳米粒子( 主要是指金、银) 由于具有良好的物理、化学、光学性质，在 诸多领域都具有非常重要的作用。由于大多数重要的生物分子( 如蛋白质、核酸等) 的尺寸都处在纳米这一尺度内，( 图1 1 ) ，金纳米颗粒具有制备简单、粒径均匀、化 学性质稳定、亲和力强、生物相容性好、易于生物分子固定修饰等优点，因而广泛应用 纳米生物传感器和疾病的诊疗中 1 7 。 图1 - 1 纳米技术尺寸比较 东北师范大学博士学位论文 金、银纳米微粒的尺寸、形状和结构控制以及相应的性质一直是材料科学以及相 关领域的前沿热点 8 ，9 】。近年来，对金、银纳米的制备及性质研究取得了长足的进步， 人们可以通过可控制备得到不同形状的金、银纳米颗粒，从而得到具备不同物理性质的 材料，制备出不同尺寸的球形粒子还可以对其形貌加以控制，制备出许多不同形貌的一 维、二维、三维材料 1 0 ，1 1 ，如下图所示。 震辩隧园因 露隧犯豳 爵鞠芦鳕蛩园 图1 2 各种形状的纳米颗粒( a 纳米棒、b 、花生形c 梭形、d 棒状、e 管状、f 三 角银、g 、椭圆h 、带状、i 、梳子状j 、立方体k 、三角l 八面体、m 星状、n 、六角 形o 空心笼形) 其中金纳米颗粒是研究较早的一种纳米材料，在生物学研究中一般将其称为胶体金 1 0 】。它的粒子尺寸一般在1 1 0 0n i n 之间，随粒径的变化呈现不同的颜色，有利于肉 眼观察，具有较强的显色能力，而且合成方法简单，产率高，技术成熟，已被广泛应用 于感光、催化、生物标识、医学免疫、表面增强拉曼散射等诸多领域 1 2 1 5 】，在这里， 重点阐述金纳米颗粒的合成、表面修饰、光学性质以及在重金属离子检测方面的应用。 1 2 贵金属纳米材料的制备、表面修饰 1 2 1 金、银纳米颗粒的合成及表面修饰 纳米金颗粒具有制备方法简单，粒径均匀，化学性质稳定的特点。其制备的方法有 许多，主要可以分为物理法和化学法。物理法制备金颗粒主要是通过各种分散技术将金 直接转变为纳米粒子，物理方法由于对设备的要求较高，得到的粒子尺寸分布不均匀， 限制了这类方法的应用，远远没有化学方法应用广泛。而化学法是以金的化合物( 通常 是氯金酸) 为原料，利用还原性还原生成金纳米粒子，通过控制温度、还原剂的量等反 应条件，来制备不同尺寸的颗粒，化学法主要包括：水相氧化还原法、晶种法、相转移 法等。近年来各种制备金属纳米颗粒的方法不断发展，对制备的颗粒的形貌、尺寸、表 2 东北师范大学博士学位论文 面所修饰的基团等都可以进行可控操作 1 6 。这里只介绍几种化学方法。 1 、水相氧化还原法 氧化还原法制备金纳米粒子通常是向a u ( i i i ) 的溶液中加入还原剂，在还原剂的作 用下，氯金酸水溶液中的金离子还原成金原子，并聚集成微小的金核，在其表面吸附负 离子( a u c l 厶) 和部分正离子( h + ) 形成吸附层，依靠静电作用形成稳定的胶体溶液 1 7 2 3 】。 这种制备方法已经很成熟，实验室中可以很容易地制备出尺寸在3 1 0 0 n n l 范围内的颗粒， 该方法具有简单，快速，颗粒单分散性好，性质稳定等优点。其中最经典的f r e n s 方法 1 8 】 是用柠檬酸钠还原的金纳米颗粒制备方法，可以得到1 0 1 0 0n m 尺寸范围的纳米金颗 粒，是应用最广的一种制备方法，得到的柠檬酸钠保护的纳米金颗粒，带负电荷，该方 法也可以用于制备银纳米颗粒。 2 、晶种法 晶种法是以预先合成的尺寸较小的金纳米粒子为晶种，再用还原剂在晶种表面继续 还原氯金酸，并在一定的生长溶液中，使粒子在晶种表面上继续生长，通过调节生长溶 液、晶种的比例控制产物的粒径和不同的形貌 2 4 ，2 5 】。利用晶种法可以制备不同尺寸 和比率的球形的纳米颗粒、棒状的纳米颗粒、三角形的纳米颗粒等。 3 、相转移法 最原始的是b r u s t 双相反应 2 6 ，利用烷基硫醇等有机分子或表面活性剂 2 7 溶解到 有机溶液中，与水相的氯金酸混合，在双相反应过程中，发生了亲疏水交换，添加还原 试剂或沉淀试剂，就可以得到相应的纳米粒子。使金纳米颗粒成为有机分子或基团保护 的结构，用该方法可以制备l o 2 0n l t l 的纳米金颗粒，这种方法是一种比较简单的表面 修饰的合成方法，可直接将金纳米颗粒表面修饰上羟基、表面活性剂等。 4 、单层表面修饰还原法 最近报道的许多合成方法都是通过目标修饰基团先与氯金酸作用，形成单层保护， 然后直接一步由保护还原生成纳米金颗粒，或者加入还原剂还原，生成纳米金颗粒 【2 8 3 4 】，利用这种方法可以直接在金纳米颗粒表面上修饰，得到表面带有羧基、氨基等 基团的功能化的纳米金颗粒。 如图1 3 所示，溶解酵素与氯金酸混合后，再加入还原剂硼氢化钠还原，就一步得 到了溶解酵素保护的金纳米颗粒，溶解酵素作为表面功能基团修饰纳米颗粒，这种颗粒 非常稳定，在不同的温度下都保持着分散状态，可以进一步进行其它的性质研究。 图1 4 中为t s e n g 等利用没食子酸( g a ) 作为还原剂和保护剂还原氯金酸生成的金纳 米颗粒，讨论了不m p h 值条件下，没食子酸还原氯金酸生成的金纳米颗粒的形貌尺寸大 小。并将这种g a 保护的金纳米颗粒用作检测探针，检测水溶液中的铅离子。 v a r m a 课题组利用可降解的植物表面活性剂( 如柠檬油精、蓖麻油等) 作为还原剂， 在室温条件下还原氯金酸，得到各种形貌和尺寸的纳米或微米的结构，而且不同的还原 剂得到的金纳米结构形貌有很大的差异，这种方法是一种简单绿色的制备金纳米颗粒的 方法。但是，缺点是这种绿色的方法得到的纳米金颗粒的形貌和尺寸大都不均匀。该方 法可用于合成作为催化功能材料的金微、纳米结构( 图1 5 ) 。 3 东北师范大学博士学位论文 h a u c l 4 & 一 图1 3 溶解酵素保护的纳米金颗粒的制备及s p r 吸收光谱 ( a ) 一 ( b ) ( d ) 图l - 4 t e mi m a g e so ff o u rk i n d so fg a a u n p sw h e nt h ep ho fh a u c l 4s o l u t i o n sw e t e a d j u s t e dt o ( a ) 2 2 ，( b ) 4 3 ，( c ) 11 1 ，a n d ( d ) 11 6 【3 0 1 4 7 ， 钳 一j s ， 参 c ，。it 东北师范大学博士学位论文 图1 5 t e mo f a un a n o s t r u c t u r e sp r e p a r e db yb i o d e g r a d a b l ep l a n ts u r f a c t a n t s 31 s c o t t 等合成了水溶性的甘氨酸半胱胺保护的单层金纳米颗粒( g l y - c s am p c s ) ，得 到的金纳米颗粒粒径分布均匀，尺寸在1 2n l t i 范围内，由于得到的g i y - c s am p c s 的表 面富含氨基，g l y c s am p c s 与印三酮有很好的响应，可作为具有潜在应用的功能材料 进行研究。 图l - 6 ( a ) t r a n s m i s s i o ne l e c t r o nm i c r o s c o p yi m a g eo fa s s y n t h e s i z e dg l y c s a m p c sa n d ( b ) p a r t i c l es i z eh i s t o g r a mf r o m ( a ) 3 2 s e r i z a w a 研究组利用2 - 4 - ( 2 - h y d r o x y e t h y l ) 1 - p i p e r a z i n y l e t h a n e s u l f o n i ea c i d ( h e p e s ) 在以半胱氨酸为终端的缩氨酸存在的条件下还原氯金酸得到了缩氨酸保护的纳米金颗 粒，缩氨酸c y s a r g - p r o t h r - a r g 保护的纳米颗粒的尺寸约为1 0n n l ，而且这种表面为 5 在功能附加 图1 - 7 s c h e m a t i cr e p r e s e n t a t i o no f p r e p a r a t i o no f p e p t i d e - c a p p e dg o l dn a n o p a r t i c l e 3 3 辫杈 ：黟“9 图1 - 8 i n f l u e n c eo fc 18 n 3 h a u c l 4m o l a rr a t i o so nt h em o r p h o l o g i e so fg o l dp a r t i c l e s s e m i m a g e so fv a r i o u sm o r p h o l o g i e so fg o l dp a r t i c l e so b t a i n e d a td i f f e r e n tm o l a rr a t i o so f c js n 3 h a u c l , ( a ) a n d ( b ) m o l a rr a t i oc 1s n d h a u c h = 6 9 ；( c ) m o l a rr a t i oc18 n 3 h a u c l 4 = 2 7 8 ；( d ) a n d ( e ) m o l a rr a t i oc s n 班i a u c h = 1 3 9 【3 4 江龙课题组在8 0 0 c 的条件下，利用二( 乙氨基一甲氨酰乙基) 十八胺作为还原剂还 原氯金酸得到了金纳米盘状结构，并且二( 乙氨基一甲氨酰乙基) 十八胺与氯金酸的物 质的量配比不同，分别得到六边形、十面体的结构，并研究了其表面增强拉曼性质。( 图 l - 8 ) 6 东北师范大学博士学位论文 1 2 2 荧光金、银簇的合成 早在1 9 6 9 年，m o o r a d i a n 就发现小体积态的金，银，铜等贵金属呈现较弱的荧光， 量子产率约在l o - l o 数量级。后来研究发现随着金属材料的尺寸逐步减小，直至纳米级 别时，金属的发光效率有明显增强，特别是在其尺寸接近电子的费米波长的级别( 小于 l n m ) 时 3 5 ，3 6 ，这些贵金属纳米簇( 如金，银) 会呈现较强的荧光性质 3 7 4 7 。这些 发光的金属纳米簇具有很多优于传统的荧光团的性质，如尺寸小，好的光稳定性，大的 s t o k e s 位移等，在单分子光谱，荧光成像，光电器件上都有可观的应用前景 4 8 】。制备 荧光金、银簇的方法一般是由终端带一o h 和二n h 2 的p o l y ( a m i d o a m i n e ) 或( p a m a m ) 4 9 5 2 支状聚合物去集中和发起一些原子簇的形成。 饕繇 n 岁善。孓审 舢嗽撩p 目 脚悖鞭刖 a u n c 四d h l a ”h t t eh g h t l b , 2 a 0 l 诅t l u n 图1 - 9 f o u rd i s t i n g u i s h a b l ee m i s s i o nc o l o r so ff l u o r e s c e n tg o l dn a n o c l u s t e r se x c i t e d w i t hau v l a m p u p p e rl e f ti l l u s t r a t e st h ep o s s i b l es t r u c t u r e so fa u n c p e i ，a u n c ：m u a a n da u n c d h l a u p p e rr i g h ti ss e mi m a g eo fa u n c d h l a l o w e rf i g u r e s ：f r o ml e f t t or i g h t ( b l u et or e d ) w h i c hi sm a d ei np e i ( a ) ，m u a ( b ，c ) o rd h l a ( d ) r e s p e c t i v e l y , t h e e m i s s i o nm a x i m u ma l el o c a t e da t4 5 0 ，5 0 0 ，5 5 0 ，a n d6 5 0n n l 5 3 1 h u a n g 研究组利用氯化四羟甲基膦( t h p c ) 作为还原剂，将不同碳链长度的疏醇或 羧酸作为保护剂，制备了荧光金、银簇，通过实验将巯基十一酸( m u a ) 作为保护剂， 将不同浓度的保护剂与氯金酸和硝酸银反应，可以制备出在不同的波长发射的金、银荧 光纳米簇( 1 1 0 ) 【5 4 。 7 博士学位论文 图1 1 0 s y n t h e s i so f w a v e l e n g t h t t m a b l el u m i n e s c e n tg o l da n dg o l d s i l v e rn a n o d o t s 近年来，研究人员发现，缩氨酸类，核酸等作为保护剂与金、银的化合物反应，也 可以制备成荧光的纳米金簇或银簇，并开发了其在生物检测及标记方面的应用 5 3 6 3 】。 其中，d i c k s o n 研究组对各种核苷酸的胞嘧啶，胸腺嘧啶组合组成，进行了分析，通过 d n a 芯片的使用，制备了新的具备优异的光谱和光物理性能的荧光银纳米簇。通过对 生物多样性的单链d n a 的碱基序列固有链的长度和修改应当有助于进一步优化，形成 新银纳米粒子为基础的单分子光谱学和成像发射识别器件。 图1 1 1 s t e a d y s t a t e e x c i t a t i o na n de m i s s i o n s p e c t r a f o rf i v ed i s t i n c ts s d n a e n c a p s u l a t e da gn a n o c l u s t e r s ( a ) b l u ee m i t t e r sc r e a t e di n5 - c c c t t t a a c c c c - - 3 ，( b ) g r e 锄 e m i t t e r sc r e a t e di n 5 - c c c t c t t a a c c c 一3 ，( c ) y e l l o w e m i t t e r sc r e a t e di n 5 - c c c t t a a t c c c c 一3 ，( d ) r e de m i t t e r sc r e a t e di n5 - c c t c c t t c c t c c 一3 ，a n d ( e ) n e a r - i r e m i t t e r sc r e a t e di n5 - c c c t a a c t c c c c 一3 ( f ) p i c t u r e so fe m i s s i v es o l u t i o n si nad 【61 8 东北师范大学博士学位论文 图l - l2 ( a ) p h o t o g r a p h so fb s a ( 1 ) p o w d e ra n d ( 2 ) a q u e o u ss o l u t i o n ，a n db s a - a un c s ( 3 ) a q u e o u ss o l u t i o na n d ( 4 ) p o w d e ru n d e r ( t o p ) v i s i b l ea n d ( b o t t o m ) u vl i g h t ( b ) o p t i c a l a b s o r p t i o n ( d a s hl i n e s ) a n dp h o t o e r n i s s i o n ( s o l i dl i n e s ，x e x4 7 0n l r l ) s p e c t r ao fa q u e o u s s o l u t i o no f ( b l u e ) b s aa n d ( r e d ) b s aa un c s t h ei n s e ts h o w st h ep h o t o e x c i t a t i o ns p e c t r u m o f b s a a un c s 【6 2 新加坡y i n g 研究组最近报道了一种由牛血清白蛋白功能化的纳米金颗粒，在紫外 条件下激发具有强的红光发射，而且这种荧光纳米金颗粒的合成是通过简单的一次性绿 色合成路线，在3 7 0 c ，牛血清白蛋白与氯金酸混合在弱碱性条件下混合搅拌1 2 小时， 即得到产物，具备成本低、合成方法简单的特点 6 2 。 1 3 贵金属纳米颗粒的性质 金、银纳米颗粒的光学性能优异，具有强的表面等离子体共振( s u r f a c ep l a s m o n r e s o n a n c e ，s p r ) 、荧光( f l u o r e s c e n c e ) 、表面增强拉曼( s e r s ) 等优异的性质，这些性 质使金、银纳米颗粒在生物标记、分子识别、医疗诊断及治疗、生物检测等方面具有广 泛的应用。 1 3 1 表面等离子体共振( s p r ) 纳米金、银颗粒具有表面等离子体共振的性质，纳米金颗粒的特征等离子体吸收 峰在5 1 0 5 5 0a m 处，纳米银颗粒在4 1 0 4 3 0n n l 处，在宏观上体现为金属胶体溶液具有 鲜亮的颜色，并且随着粒子尺寸的增加吸收峰的位置发生红移如图所示 6 4 】。这种特殊 的性质来源于入射光与金属纳米粒子的自由电子相互作用：当入射光波长与自由电子的 9 4 0 08 0 0l 嘲 w a v e l e n g t hln m ) 示出强 图1 1 3 不同粒径大小的金纳米颗粒的吸收光谱图及t e m 6 4 。 m i e 将麦克斯韦的电磁理论应用到胶体纳米金颗粒的光学性质上，利用麦克斯韦 ( m a x w e l l ) 方程定量的描述了表面等离子共振 6 6 6 8 】。对于金属纳米颗粒，位置和状态 是非常重要的，一般情况室温下金属电子的自由路径大约在1 0 1 0 0n m 范围内 6 9 ，7 0 ， 因此，由于具有类似的尺度，可以预期金属有趣的物理效应。即使到5a m 纳米的尺寸， 大多数金属仍然可以被描述为具有导带 6 9 ，7 0 。纳米尺寸的贵金属纳米颗粒具有鲜亮的 颜色，是由于由于电子的集体振荡导带是通过适当的频率的光激发产生的 7 0 ，7 2 。这 些振荡被称为”等离子振子”，或者更精确地对金属纳米粒子胶体，局部表面等离子体共 振 6 4 ，7 1 1 。可以通过紫外可见分光光度计测定金颗粒的吸收峰，确定金、银纳米颗粒的 尺寸范围或分散聚集情况，作为测定颗粒形貌和状态的一种辅助工具。如图为表面等离 子体共振与颗粒大小和形状尺寸的关系。 1 3 2 荧光性质 纳米金属颗粒在5 0n l n 左右时，是具有微弱的荧光性质的，这是由于其表面等离子 体散射的原因，可以由麦氏理论解释【6 6 】。金属纳米簇由几个或几十个原子组成的簇， 一般的尺寸为小于二个纳米。由于纳米簇的空间限制备自由电子的运动，导致其自支持 的能力处于连续状态，因此具有强荧光的性质 7 4 ，7 5 】。这种极小的尺寸具备荧光性质 的金属纳米簇在生物标记等方面具有非常好的应用前景 7 6 ，7 7 。如图为利用聚甘油聚 丙烯酸聚合物作为模板，制备了一种水溶液性的荧光银纳米簇。 1 0 东北师范大