（环境工程专业论文）功能纳米金的制备及其在重金属离子检测中的应用.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 重金属离子在水中的污染对环境影响重大，对人类的健康会产生不可逆转的危 害。目前对重金属离子的检测分析主要还是依赖于仪器的分析，包括原子吸收法、 离子色谱法、发射光谱法等。鉴于重金属离子检测分析的重要性和紧迫性，发展 便捷、灵敏度高、输出信号便于观测的检测方法是未来分析领域发展的主要方向 之一。纳米材料由于其独特的尺寸效应，高的比表面积和好的光电性质，受到广泛 的关注，在环境分析领域有广阔的应用前景。 功能性金纳米粒子由于具有独特的光化学性质，良好的生物相容性，简便有 效的表面修饰等特性，近年来被广泛应用于环境分析检测、生物检测和生物标记 等领域。金纳米颗粒的尺寸和形状是决定其性能的重要因素，因此不同维度的金 纳米结构单元的制备、组装、表面改性与应用，已成为当前纳米材料研究的主导 方向之一。 本文以金纳米棒和金纳米团簇为研究对象，主要研究内容如下： ( 1 ) 以半胱氨酸修饰的金纳米棒为探针，基于该金纳米棒和h 9 2 + 对半胱氨酸 的竞争性结合作用，研究开发了一种灵敏检测汞离子的方法。在最优实验条件下， 吸收强度的变化与h 矿+ 浓度的对数呈线性关系，检测范围为1 5 2 5 0l x m ，相关系 数为0 9 9 3 4 。将该探针用于实际水样中汞离子的检测，结果令人满意。 ( 2 ) 在加热条件下，以谷胱甘肽为稳定剂和还原剂，快速制备出了具有荧光 特性的金纳米团簇。通过改变g s h ：a u 3 + 的摩尔比和溶液p h 值，制备出了一系列 具有不同最大发射波长的荧光金纳米团簇，并对其结构和光学性质进行了表征。 ( 3 ) 利用c u 2 + 对合成的谷胱甘肽包被的金纳米团簇( g s h - a u n c s ) 具有特 异性的荧光猝灭作用，建立了一种快速、简便地测定微量c u 2 + 的方法。在最优实 验条件下，g s h a u n c s 的荧光强度与c 1 1 2 + 的浓度呈良好的线性关系，当c u 2 + 的浓 度范围为5 1 0 。9 4 1 0 曲m o l l ，线性回归方程为：f o f = 1 0 4 + 5 5 4 1 0 4c c u 0 1 ) ( 尺= o 9 9 4 0 ) ；当c u 2 + 浓度范围为4 1 0 币2 1 0 巧m o l l 时，线性回归方程为：f g f = 1 5 0 4 + 3 5 4 1 0 。c c u ( 1 i ) ( r = 0 9 9 5 0 ) 。检出限为2 x1 0 一m o l l 。该方法成功地应用 功能纳米金的制备及其在重金属离子检测中的应用 于实际水样的分析。 关键词：纳米材料，金纳米棒，金纳米团簇，荧光，分光光度法，重金属离子， 环境分析 i i 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t h e a v ym e t a li o n sh a v eas i g n i f i c a n te n v i r o n m e n t a li m p a c ti nw a t e r , w h i c hw i l l c a u s ei r r e v e r s i b l ed a m a g et oh u m a nh e a l t h t h ed e t e c t i o no fh e a v ym e t a li o n sm a i n l y d e p e n d s o nt h ec o n v e n i e n ta n a l y s i si n s t r u m e n t s ，i n c l u d i n g a t o m i c a b s o r p t i o n s p e c t r o m e t r y , i o nc h r o m a t o g r a p h y , e m i s s i o ns p e c t r o m e t r y d u et ot h ei m p o r t a n c ea n d u r g e n c yo ft h eh e a v ym e t a li o nd e t e c t i o na n a l y s i s ，t h ed e v e l o p m e n t o fc o n v e n i e n t ， h i g h l ys e n s i t i v ed e t e c t i o nm e t h o d si so n eo f t h em a i nd i r e c t i o n sf o rt h ef u t u r ea n a l y s i s n a n o m a t e r i a l sw e r ea t t r a c t e db e c a u s eo fi t su n i q u es i z ee f f e c t ，h i g hs u r f a c ea r e aa n d g r e a to p t i c a l e l e c t r i c a lp r o p e r t i e s ，w h i c hh a da w i d ea p p l i c a t i o np r o s p e c ti nt h ef i e l do f e n v i r o n m e n t a la n a l y s i s f 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 sh a v e b e e nw i d e l yu s e di nt h ef i e l do fa n a l y t i c a l t e s t i n g ，b i o l o g i c a lt e s t i n ga n db i o m a r k e r so fm e t a li o n so nb e h a l f o ft h e i rp r o p e r t i e so f u n i q u ep h o t o c h e m i s t r y , g o o db i o c o m p a t i b i l i t y , s i m p l e a n de f f e c t i v es u r f a c e m o d i f i c a t i o n t h es i z ea n ds h a p eo ft h eg o l dp a r t i c l e sa r et h ei m p o r t a n tf a c t o r si n d e t e r m i n i n g t h e i r p e r f o r m a n c e ，t h e r e f o r e ，t h ep r e p a r a t i o n ，a s s e m b l y , s u r f a c e m o d i f i c a t i o na n da p p l i c a t i o n so ft h eg o l dn a n o p a r t i c l e ss t r u c t u r a lu n i t so fd i f f e r e n t d i m e n s i o n sh a v eb e c o m eo n eo ft h el e a d i n gr e s e a r c hi nn a n o - m a t e r i a l s i nt h i st h e s i s ，g o l dn a n o r o d s ( a un r s ) a n df l u o r e s c e n tg o l dn a n o c l u s t e r s ( a un c s ) w h i c hh a v eu n i q u eo p t i c a lp r o p e r t i e sh a v eb e e ni n v e s t i g a t e d t h em a i n l yp o i n t sa r e 弱 f o l l o w s ： ( 1 ) an o v e ls t r a t e g yf o rt h ed i s a s s e m b l yo fs e l fa s s e m b l e da u n r sb a s e d o nt h e c y s t e i n ec o m p e t i t i v eb i n d i n gb e t w e e nm e c u r yi o n sa n dm e t a la u w a sd e v e l o p e d t h e d i s a s s e m b l yb a s e do p t i c a ld e t e c t i o n o fh g ( i i ) o f f e r r e da d v a n t a g e so fs i m p l i c i t y , s p e c i f i c i t ya n dh i g hs e n s i t i v i t y u n d e ro p t i m u mc o n d i t i o n ，t h ea b s o r p t i o ni n t e n s i t y c h a n g e ss h o w e dal i n e a rr e l a t i o n s h i pw i t ht h el o g a r i t h m i cc o n c e n t r a t i o n so fh 9 2 十i nt h e r a n g eo f1 5 t o2 5 0l a m w i t hac o r r e l a t i o nc o e m c i e n to f0 9 9 3 4 a n di th a sb e e n s u c c e s s f u l l ya p p l i e dt ot h ed e t e c t i o no fh g 计i nt a p w a t e rs a m p l e s ( 2 ) b a s e do nt h eh e a t a s s i s t e dr e d u c t i o no fag o l d ( i 卜t h i o lc o m p l e x ，f l u o r e s c e n t g o l dn a n o c l u s t e r s ( a u n c s ) w e r es y n t h e s i z e db yas i m p l e ，r a p i dp r o c e d u r e g l u t a t h i o n e w a se m p l o y e da sb o t hs t a b i l i z e ra n dg e n t l er e d u c i n ga g e n ti nt h i so n e p o ts y n t h e s i s p r o c e d u r e b yc h a n g i n gt h ep hc o n d i t i o na n dt h em o l a r r a t i ob e t w e e ng s ha n dh a u c l 4 ， i i i 功能纳米金的制备及其在重金属离子检测中的应用 w eg o tas u i t eo fa u n c sw i t l ld i f f e r e n tf l u o r e s c e n c ee m i s s i o nw a v e l e n g t h t h es t r u c t u r e a n do p t i c a lp r o p e r t i e so ft h e s eg o l dn a n o c l u s t e r sw e r es t u d i e d ( 3 ) t h ef l u o r e s c e n tg o l dn a n o e l u s t e r st h a tc a p p e d 、析t 1 1g l u t a t h i o n ew e r ea p p l i e df o r u l t r a - s e n s i t i v ec 一十s e n s i n g t h es e n s i n ga p p r o a c hw a sb a s e do nt h ef l u o r e s c e n c eo ft h e g s h - a u n c ss e l e c t i v e l y q u e n c h e di nt h ep r e s e n c eo fc u z 十e x p e r i m e n t a lr e s u l t s s h o w e dal o wi m e r f e r e n c er e s p o n s et o w a r d so t h e rm e t a li o n s t h ep o s s i b l eq u e n c h i n g m e c h a n i s mw a sd i s c u s s e do nt h eb a s i so ft h eb i n d i n gb e t w e e ng l u t a t h i o n ea n dt h ec u 2 + t h er e s p o n s eo ft h eo p t i c a ls e n s o rw a sl i n e a r l yp r o p o r t i o n a lt ot h ec o n c e n t r a t i o no fc u 2 + r a n g i n gf r o m5 x 1 0 9 t o4 x 1 0 。6m o l la n d4 1 0 石t o2 x l o m o l l a n dt h el i m i to f d e t e c t i o n ( l o d ) f o rc u 2 + a tas i g n a lt on o i s er a t i oo f3w a s2 x10 一m o l l f u r t h e r m o r e ， i th a sb e e ns u c c e s s f u l l ya p p l i e dt ot h ed e t e c t i o no fc u 2 十i nt a p w a t e ra n dl a k e w a t e r s a m p l e s k e y w o r d s ：n a n o m a t e r i a l s ，a un a n o r o d s ，a un a n o c l u s t e r s ，f l u o r e s c e n c e ，c o l o r i m e t r i e a s s a y , h e a v ym e t a li o n s ，e n v i r o n m e n t a la n a l y s i s i v 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1重金属污染及其危害 随着冶金、电镀、机械加工、重金属化工等行业的蓬勃发展，重金属元素的 污染问题日益严重。这些污染物能通过大气、水体环流、食物链等传播，影响环 境及人体健康。其危害性的特点主要有： ( 1 ) 微量即可表现出较大的毒性，水中含量在1 1 0m g l 一般就会致害。如 镉和汞的含量在0 0 1 0 1m g l 时就有很强的毒性； ( 2 ) 一些重金属在微生物作用下毒性会被强化。如汞在生物体内易转化成甲 基汞，毒性大大增强； ( 3 ) 重金属稳定难降解，并且可以通过食物链在生物体中不断富集，富集系 数有时可以高达几万倍，一旦这些含有大量有毒重金属的动植物被食用，就会在 人体内聚集进而造成慢性中毒。 重金属是一种非常危险的污染物，各种生态系统都不同程度地受到重金属的 影响。重金属通过食物链沉积到人体中也可引起多种疾病。所以重金属的检测在 环境、食品和医药等领域都具有十分重要的意义。目前重金属的检测技术大多存 在依赖大型仪器、需要专业技术人员、耗费耗时、对于某些重金属离子测定不灵 敏等问题，不适应当前检测人员的工作，因此研究一种快速、灵敏、简单的重金 属离子定性定量检测技术具有重要的意义。 随着纳米技术的不断发展，纳米材料在重金属离子以及其他环境污染物的分 析应用中受到人们越来越广泛的关注。 1 2 纳米材料概述 1 2 1 纳米材料的概念 纳米( r i m ) 是一个长度单位，ln m = l o 母m 。纳米材料指三维空间中至少在一 个维度的尺寸处于1n m 到1 0 0i i i t i 之间的材料。人类认识自然始于宏观物体，又 可以追溯到微观的离子、分子、原子。宏观系统和微观系统之间的体系称之为介 观系统( m e s o s c o p i cs y s t e m ) 。介观系统中物质的粒子大小在1n m ll x m 之间。胶 团、微乳液、纳米粒子等就属于介观系统。纳米科技于2 0 世纪8 0 年代诞生后得 1 蕊愁缡泰盒麟粼备及英在饕龛蕊鬻予检测孛鹋摩感 测燃漶发瀵，箕黪椽燕在燃拳簿滋媳试识劳馥蕊糖瀵，著置瀵越瓣缴努予溅鞭子 翎遮黼瓣矮。 乳2 。鐾缡漾檄糕酶静摸 瓣米耪辫瀚攘壤毅霹戳分薄篓豢； q 1 攀壤，掺褰窆瓣篡缝辫楚饔镳卷尺囊，擒缡桊足麓瀚颗瓣、蘸孑瀚麓等； 一缕，撩奁塞姆点富藏壤囊于煞繁建麓，巍缎米舔、缡岽缝、藕岽繁警 蠢篓壤，攒褒兰壤空麓霄一娥在瀚黎篾麓，熬镳米羚、麓簿熊、熊米鬻簿。 慧予这照攀嚣纂霄爨w 予靛震，逡三辩赫耩奢麓叉竣拣为熬予煮、瀑学臻辩爨 予辩，绫褡蠹鬣壤缫米熊辫。翌黎瓣岽然拣材糕拣霹淡纛这熊蕊熊懿岽缫褥缀装 瓣戚渊。 打2 。3 镳辩鞲料黪特犍 燕瓣癀瀵，然岽榭糕猩足麓童懿予爨澳整熊舞越寨凌，窀鬣攀避徽糕繁蠛避 搴麓鬻擒鹣塞熬蒸黧。蜜予瀚畿中瓣予黼拣禳孽箨蕊鞠魍挚渡秘蠛骥足寸炎李麓 澎黼，n 鬻镳岽瓣瓣嚣鬻甓辘塞瓣槠糕蹶萃蒸餐瓣溅蒋魏纯学鞍辫懑燧骥，运然 褥然誉笈鞭凌予足4 寸突誉，逶壤蕊予澎憝鬻鬻麓瀚努希豁l 。遴憋瓣秣程麓蔓瓣蕊 糕鸯宏瓣熬予熬瀵鼗艨、褒瓣裁藏、枣震寸羧黛爨学震霄激嬲饕黼备 q )畿藩熊寝黪撼e f f “e c t “) 然瀑髓予髓薰燹寸躐枣，豢鬻凝子羧慧毒滤麓蠹糕穗勰，辍予辩表藤熊鬻褒 麟畿力瞧麓裳鬻熊，赋瓣葫怒簸辍瓣健蕊发燮变椽；鄹裘蕊散纛。辫警徽辍滚灏 漂予疑擎严羹煞溉燕获悉，麟就箕活性藤墓檄零穗庭，懑黼其毂漂予露会壤镶绻 螽簌瓣鬻箕稳定稼。 霪麟- t 震尊教纛( q u a n t u ms i z ee f f e c t 蕊挚怒霄羧巍蔗辫懋誊壤港羧孑足”麓溅多，大足礞撼辩串麓遴滚熊羧努 哭磐袁瓣麓躐，畿糕鬻爨髓乏罐夫。燮燕勰、毯缀赣、谶蓊滤枣予逡夔熊滋溺翡 警均瀚凝辩，缭岽耪鞲蕊会熏瀚擞鸳终囊耩糕誉麟辫声、煮、熬、憩、磁耧蕊簿 墩性餐祷赫辫麓罐经黉。 昭小震寸效纛( 一s m a l ls i z e 舔赫戳 墨爨攀簸挚瓣必。遁“萼滗溅波长、罐毒爹纛羧畿谶疑越器卷游熊等嫒魔蠛瀵瓣 塞 江苏大学硕士学位论文 深度等物理特征尺寸相当或更小时，晶体周期性的边界条件将被破坏，非晶态纳 米粒子的颗粒表面层附近的原子密度减少，物质的声、光、电、热、磁等性质所 发生的变化称为小尺寸效应( 也称体积效应) 。纳米材料的小尺寸效应还表现在超 导电性、介电性能和化学性能等方面。 ( 4 ) 宏观量子隧道效应( m a c r o s c o p i cq u a n t u mt u n n e le f f e c t ) 纳米粒子具有的贯穿隧道的能力称为隧道效应。近年来人们发现一些宏观物 理量，例如量子相干器件中磁通量和粒子的磁化强度等也显示出隧道效应，称之 为宏观量子隧道效应。未来微电子器件将以隧道效应为基础，微电子器件进一步 微型化前必须考虑上述量子效应。 1 3 功能纳米材料在环境分析中的应用研究 重金属离子分析检测是环境分析中一个重要的领域，自从日本“水俣病”事 件发生之后，n g + 、p b “、c u ：+ 、a s 3 + 等重金属离子研究越来越得到重视。检测方 法包括色谱法、荧光法、电化学法、色度法、等离子体共振吸收法和散射法等。 目前研究较热的是基于纳米颗粒实现对重金属离子简单、快速、灵敏、可视化的 检测。 。 g u o 掣6 j 将木瓜蛋白酶修饰到金纳米颗粒表面，该蛋白表面含有的巯基、氨基 和羧基等官能团，重金属离子如h 9 2 + 、c u 2 + 和p b 2 + 的加入可使得纳米金粒子发生 团聚，从而引起溶液颜色发生变化，进而开发了一种使用肉眼即可检测水中重金 属离子的方法。实验结果表明，尺寸越大的纳米金粒子检测灵敏度越高，该方法 在环境水质分析中将具有潜在的应用。 c h a n g 等【7 1 利用甘露糖保护的水溶性金纳米团簇检测刀豆球蛋白a ( c o na ) 和埃希氏菌属大肠杆菌( ec o l i ) ( 图1 1 ) 。对c o n a 的检出限达到了7 5p m o l l ， 并且具有很好的选择性。另外，在室温条件下，将甘露糖保护的金纳米团簇加入 到的ec o l i 培养皿中，6 0m i n 后离心处理。标记上金纳米团簇的ec o l i 发出绿色 荧光且荧光信号与ec o l i 浓度呈线性关系，荧光强度随ec o l i 的浓度增大而增强。 ec o l i 的检出限为7 2 1 0 5 细胞m l 。与标准的病原体检测方法相比，该法更灵敏 快速，标准检测方法至少需要两天时间，此方法只需要3 h 。 3 功能纳米金的制备及其在重金属离子检测中的应用 o a un p m a n n o p y r a n o s k ，eg r a f t i n gt h i o l _ ) 誉i 0 ：， 磊玲辫 图1 1 荧光性甘露糖保护的金纳米团簇检测检测伴刀豆球蛋白a 和埃希氏菌属大肠杆菌的制 备示意图 x i e 等8 】利用h 9 2 + 对金纳米团簇荧光的选择性猝灭作用， 制备出可以用于水 溶液中h 9 2 + 的检测的金纳米团簇试纸( 图1 2 ) ，检出限可以达到0 5n m o l l 。 图1 2 浸入5 0 m m 不同金属离子溶液后，金纳米团簇试纸在紫外灯照射下的照片 目前我国农药残留分析检测面临的困难主要有样品成分复杂、待测成份浓度 低、样品前处理费时费力、仪器的检测范围和检测检测灵敏度不足等。但这些问 题用纳米金生物标记的法可以得到很好的解决。王等【9 1 采用纳米金层析技术和渗滤 技术研究出了一种检测农药中西维因残留的方法，该方法检测时问短( 5m i n ) ，检 测限低( 分别达到1 0 0 “l 和5 0p g l ) 。 1 4 金纳米材料 1 4 1概述 在纳米材料中，金纳米材料具有良好的物理性能，广泛应用于感光、催化、生 物标记、光电子学、光子学等领域【l o - 13 1 。金纳米粒子的光、电、磁，催化等性能， 跟粒子的大小及形状密切相关。因此，如何控制金纳米粒子的大小和形状是当今 纳米材料科学研究的热点。会纳米粒子具有良好的生物相容性和稳定性，冈此在 催化【1 4 】、传感器【1 5 。6 | 、药物载体【 。2 0 j 手n q - 物成像 2 1 2 2 1 等方面有着广泛的应用潜力。 4 江苏大学硕士学位论文 不同形貌的金纳米粒子更能表现出优异的性能。图1 3 汇总了一些不同形貌金纳米 结构【2 3 - 3 3 1 ，其中研究最为广泛的是球形金纳米颗粒、棒状金纳米颗粒。它们制备 方法简单，产率高，表面容易修饰，因而在生物传感器、分析检测等方面有着很 好的应用。 图1 3 不同形貌金纳米结构的透射电镜照片( t e m ) 和扫描电镜照片( s e m ) ：a 带状； b 片状；c 空心笼状；d 星状；e 盒状；f 管状；g 空心球状；h 枝状；1 八面体状；j 立方体 状；k 棒状；l 多面体状 1 4 2 球形金纳米颗粒 1 4 2 1球形纳米金的制备 球形纳米金的制备方法主要分为物理法和化学法。物理法是把块状固体用各 种办法分散为纳米尺度的颗粒；化学法是用还原剂将金从金的化合物中还原出来， 通过控制试剂的量、反应条件等来控制粒子的生长，以生成纳米金颗粒。在生化 传感领域所采用的金纳米颗粒一般用化学法，常用的方法又可以分为：化学还原 法、电化学法、反胶团法和微乳液法，比较经典的是f r e n s 法和s c h i f f r i n 法。 ( 1 ) 柠檬酸盐还原法( f r e n s 法) ： t u r k e v i t c h 等f 3 4 】在水中以柠檬酸盐还原h a u c i 。，制备的纳米会颗粒直径大约 为2 0n m 。f r e n s 等f 3 5 1 利用凋= 肖还原剂与稳定剂的比例( 柠檬酸三钠与金的比例) 5 功能纳米金的制备及其在重金属离子检测中的应用 来控制纳米金颗粒的形成，以获得不同尺寸( 1 6n m 至1 4 7n m ) 纳米金颗粒。当 需要在金核周围形成一个相对松散的配体的壳层，以制备有价值的基于纳米颗粒 的材料的前体时，这种方法至今仍被经常使用。 ( 2 ) b m s t s c h i f f r i n 的方法： 此方法是利用如表面活性剂、反相胶束或微乳剂等一些两性物质来合成纳米 金颗粒。表面活性剂既能维持微乳剂或胶束的形成，同时能方便金属离子从水相 到有机相的萃取。利用表面活性剂的双重作用和硫醇金的作用力可以达到金纳米 颗粒的生长和控制。m u l v a n e y 和g i e r s i g 等1 3 6 】首次报告了以烷基硫醇制备的金纳米 颗粒。b m s t s c h i f f r i n t 3 7 1 于1 9 9 4 年报告的金纳米颗粒合成方法，具有良好的热稳定 性和分散性，得到的金纳米颗粒可以溶于一般有机溶剂，不会发生不可逆聚集和 分解，并且能容易地被有机和分子化合物处理和功能化。a u c l 4 通过相转移试剂被 转移到有机相甲苯中，在十二烷硫醇的存在下被n a b h 4 还原。n a b h 4 在过量的情 况下，有机相颜色由橘黄变为深棕。此方法也可用其它配基代替十二烷硫醇，含 硫配基如磺酸盐、二硫化物、二巯基化物、三巯基化物、间苯二酚四乙基硫醇等。 1 4 2 2 球形金纳米颗粒的性质 由于金纳米颗粒表面自由电子受激发导致等离子体共振吸收 3 8 ( s u r f a c e p l a s m o nr e s o n a n c e ，s p r ) ，在可见光区域产生单一光吸收谱带，特征吸收峰在5 1 0 a m 5 5 0n m 范围变化，其最大吸收波长取决于颗粒的大小和微粒之间的距离。因此， 粒径大小不同的纳米金溶液颜色有一定的差别。当金纳米颗粒呈聚集状态时，由 于相邻纳米粒子中电子之间的极化和耦合作用，金纳米颗粒的最大吸收会向长波 方向红移，伴随着金纳米溶液的颜色由红色变为蓝色，利用这种肉眼可识别的信 号变化可以对一些物质进行识别和检测。 此外，由于具有特殊的纳米界面能量转移特性，金纳米粒子对几乎所有的荧光 物质都具有较高的淬灭效率，借此可以研制出含f r e t 体系的荧光传感探针。 1 4 2 3金纳米颗粒的应用 近年来，金纳米颗粒在生物体系检测中的应用成为热点课题。金纳米颗粒可 与氨基发生非共价的静电吸附，或与巯基形成强的a u s 共价键，从而使得胶体金 能够与生物活性分子相互结合，以形成生物体系检测的探针，在分子生物学、生 物传感器等领域具有深远的研究意义。 6 江苏大学硕士学位论文 ( 1 ) 在分析检测中的应用 m i r k i n 等例用金纳米颗粒标记寡核苷酸并对靶标寡核苷酸进行检测。检测过 程中只需要用裸眼观察，不需要其它先进的仪器，因此吸引了众多研究者的注意。 金纳米颗粒表面经功能化基团修饰后，与目标检测物发生配位作用，使得金纳米 颗粒发生由单分散状态变为聚集态，从而引起其表面等离子体共振吸收峰的变化， 溶液颜色也由红色变为蓝紫色。 ( 2 ) 在医学成像和癌症治疗中的应用 金纳米颗粒具有清晰可辨，不易变形的核。金在体内毒性低，金纳米粒子在 不同维度上进行扩展合成也很容易。而且，由于金纳米粒子高电子密度的特性， 在透射电子显微镜下，我们能观测到它们在细胞内的定位。应用这些成像方法， 加上可用于测定器官水平金含量的电感耦合等离子质谱( i c p m s ) ，使得金纳米粒 子成为一种能自大而小地说明纳米粒子在器官、组织和细胞( 亚细胞) 水平上分布状 况的万能显像平台。 w a n g 等【4 0 1 利用叶酸作还原剂和包覆剂还原氯金酸，一步合成出的金纳米颗粒 能够靶向识别h e l a 细胞，并进行细胞成像实验。此方合成的金纳米颗粒尺寸均一、 大小可调，毒性小，在h e l a 细胞的靶向治疗中具有很好的应用前景。 e 1 s a y e d 等【4 1 1 研究发现，纳米金粒子与癌细胞的结合能力相当高，是与正常 细胞结合能力的上百倍。将纳米金粒子与e f g r 的抗体结合，从而使得其能够附 着在癌细胞上。纳米金的高吸光能力能够将光能转换为热能，从而可以用激光进 行局部范围内的选择性加热，对分子或细胞的靶向非常适合。采用这种金纳米颗 粒辅助激光热作用方法，对癌细胞进行选择性破坏，和正常细胞相比，杀死癌细 胞只需一半的激光能量，并且不损害正常细胞。 1 4 3 金纳米棒 金纳米棒f a un a n o r o d s ，a u n r s ) 是一种胶囊状的金纳米颗粒，具有一个横向 等离子共振吸收峰( t r a n s v e r s es u r f a c ep l a s m o nr e s o n a n c e ，t s p r ) 和一个纵向等离子 共振吸收峰( 1 0 n g i t u d i n a ls u r f a c ep l a s m o n r e s o n a n c e ，l s p r ) ，分别对应其横轴和纵轴 两个特征尺寸。因此会纳米棒比球形会纳米粒子具有更为奇特的光电性质。纵轴 长度和横轴直径之比为金纳米棒的长径e l ( a s p e c tr a t i o ，a r ) 通过改变实验条件可 7 功能纳米金的制备及其在重金属离子检嘲4 中的应用 以制各出长径比可调的金纳米棒。其独特的可调的表面等离子共振特性以及合成 方法简单、化学性质稳定、产率高等优点，使其在材料学、生物医学以及疾病诊 断和治疗等方面的应用越来越广泛。 1 4 3 1 金纳米棒的制备 目前，金纳米棒的合成方法已日渐成熟，主要有模板法，晶种生长法，电化 学法和光化学法等。 ( 1 ) 晶种法 晶种法是目前使用最广泛的金纳米棒合成方法。晶种可以是球型金纳米颗粒 也可以是短的金纳米棒。晶种法合成金纳米棒可以分为三个步骤：晶种的制备、 生长液的配置、金纳米棒的生成。e 1 s a y e d 等【删分别就短和长的金纳米棒合成做了 一系列研究。在搅拌的状态下，将十六烷基三甲基溴化铵、氯金酸、和硼氢化钠 溶液混合，制得晶种。再在含有十六烷基三甲基溴化铵、氯金酸、抗坏血酸和硝 酸银的生长液中加入晶种液，控制温度条件，使其生长为棒状纳米金颗粒。金棒 的长径比可以通过改变晶种与金属盐的比例进行控制。在随后的研究中发现，通 过调节溶液的p h 值也可改善金纳米棒的合成。对于长的金纳米棒的制备，在生长 液中同时加入一定比例的c t a b 与b d a c ，通过控制c t a b 浓度，也可以进一步 还原并获得高长径比的金棒。s m i t h 等【4 5 】发现来自不同厂商的c t a b 也会对纳米金 棒的制备产生影响。在一定浓度范围内，硝酸银的量也能控制金纳米棒的长径比。 ( 2 ) 模板法 用电化学法将金离子还原并附着在薄膜的孔道内，由于空间生长受到孔道的 限制进而形成棒状金纳米粒子，然后在保护剂存在的情况下，用n a o h 溶液将模 板溶解，经超声分散后即可获得单分散性的金纳米棒。m a r t i n 等【4 6 】以聚碳酸酯或 氧化铝膜为模板，电化学法将金离子沉积到纳米级上的小孔内，再将模板溶解得 到金纳米棒。金纳米棒的直径和长度分别由模板的孔径和膜孔中沉积的金的量进 行控制。模板法的优点为通过控制孔道的长度和直径，调节电化学沉积时间就能 够有效控制金纳米棒的纵横比，但该法操作复杂，影响因素较多，产率往往较低。 ( 3 ) 电化学法 w a n g 等【4 7 1 首先阐述了金纳米棒电化学合成法能制备高产率的金纳米棒。以金 片为阳极，铂片为阴极，将电极浸入含有c t a b 和助表面活性剂四辛基溴化 8 江苏大学硕士学位论文 胺( t c a b ) 的电解质溶液中，在超声控温条件下电解。金从阳极溶出并于阴极一 电解质溶液界面还原形成纳米金颗粒。溶液中t c a b 起到诱导金纳米棒的形成， c t a b 则起到支撑电解质的作用，并且能防止纳米金颗粒的凝聚，两者的比例决定 金纳米棒的长径比。通过电化学法制得的金纳米棒粒径均一，形貌可控，但其机 理和银离子的作用尚未完全研究清楚。 ( 4 ) 光化学法 k i m 等【4 8 1 在十六烷基溴化铵四十二烷基胺氯金酸模板水溶液体系中，加入一 定量环己胺和丙酮，其作用是松开胶束结构，有利于金纳米棒的生成，再加入 a g n 0 3 溶液，紫外照射一段时间就能够获得长径比均一、分散性良好的金纳米棒。 合成过程中，a g + 对金纳米棒的形成起到相当重要的作用：无a 矿存在时仅能形成 金纳米粒子；随着a 矿用量增加，形成的金纳米棒直径减小，而长径比增加。在银 离子存在下，使用c t a b 和四( 十二烷基) 溴化铵( t c l 2 a b ) 双表面活性剂作为胶束， 再在2 5 4n i n 紫外灯( 4 2 0 t w c m 2 ) 下照射3 0 小时来还原h a u c l 4 3 h 2 0 。体系中通过 控制银离子的浓度可以改变金棒的长径比。 1 4 3 2 金纳米棒的性质 金纳米粒子具有非常有趣的光学性质。这种特殊的性质来源于入射光与金纳 米粒子的自由电子相互作用：当入射光的波长与自由电子的振动频率发生共振耦 合时，就会产生表面等离子体共振( s u r f a c ep l a s m o nr e s o n a n c e ，s p r ) 。对于球形 纳米粒子，基于其对称的结构，等离子振动也是等方向性的，因此表现出单一的 共振吸收峰。而金纳米棒随着形状的改变也表现出等离子振动的差异性，即具有 横向和纵向两个共振吸收峰，横向及收峰在5 3 0n i n 附近，而纵向峰的位置取决于 的金棒的长径比。 利用金纳米棒的光谱可调性，可以制备出与所需激光频率相匹配的金纳米棒。 近红外光比可见光对生物组织具有更强的穿透力，因此纵向吸收峰调节在近红外 区域的金纳米棒能较好地吸收近红外光，利用近红外光的能量杀伤细菌和癌细胞。 将具有不同纵向共振吸收峰的金纳米棒的混合，可以同时实现多种细胞的靶向识 别。 1 4 3 3 金纳米棒的应用 ( 1 ) 在生物分子检测中的应用 9 功能纳米金的制备及其在重金属离子检测中的应用 金纳米棒具有的特殊光学性质，可以作为良好的表面等离子体共振分子探子 和s e r s 的基底或者形成灵敏的分子探针。c h i l k o t i 等【4 9 佣金纳米棒制备成颗粒膜， 用于检测蛋白分子。首先将c t a b 稳定的金纳米棒固定在巯基修饰的玻璃基片上， 再用三乙氧基硫醇( e g 3 s h ) 和巯基十六酸( m h a ) 修饰并生物素化基片，得到 可用于检测链霉亲和素的蛋白传感器。该法应用于磷酸缓冲液中的蛋白的测定， 其检出限为9 4p m ；用于血清中蛋白的测定，其检出限为1 9n m 。利用抗体与抗原 具有的特异性识别作用，w a n g 等【5 0 】用聚苯乙烯磺酸钠( p s s ) 处理金纳米棒而使其 带上负电荷，进而吸附i g g ，通过i g g 对h - i g g 的免疫识别作用，从而诱导溶液中 金纳米棒自组装聚集，通过分析检测金纳米棒的光谱变化，可以实现对h 2 i g g 的 快速检测。 ( 2 ) 在d n a 转运及释放中的应用 金纳米棒可以吸收红外光线，这就意味着金纳米棒可以被红外激光激活，而 不会破坏周围的正常细胞。金纳米棒纵向最大吸收波长处的激光辐射能使金纳米 棒被激光辐射成小粒径的纳米颗粒形态，可以制备出可调控的金纳米棒，共价结 合上相应的d n a ，用激光辐射( 激光的辐射波长金纳米棒最大纵向吸收波长) 可以实现d n a 的释放。w i j a y a 等【5 l 】将两种带有巯基修饰的不同d n a 修饰结合到 两种金纳米棒上，通过细胞转运进入细胞内，对相应波长进行激光辐射，可以选 择性的释放金纳米棒上的两种d n a 。c h e n 等【5 2 j 基于以上原理，将一整条的巯基修 饰的双链共价结合到金纳米棒上，通过细胞转运到合适细胞，通过特定波长的激 光辐射作用将金纳米棒上的双链d n a 释放于细胞中，而金纳米棒则被相应激光击 碎成短的棒状，多边形，球形等粒子形态。 ( 3 ) 在细胞成像中的应用 生物样品( 如蛋白、细胞等) 自身存在荧光，使用一般荧光标记对其检测， 本身就有可能产生干扰，但是生物样品在近红外区只有很微弱的吸收，不至于影 响标记成像。相比与有机染料而言，金纳米棒性质稳定，纵向吸收强度大且靠近 近红外区，由于可见光不易穿透生物组织，而金纳米棒的近红外光激光生物成像 可以实现深层组织成像。所以金纳米棒作为新型的标记材料和造影剂受到了越来 越多科学研究者的关注。e 1 s a y e d 等1 5 3 】将金纳米棒与抗e f g r 结合，用于选择性 的标记癌细胞，用暗场光学显微镜可以实现对生物体中癌细胞的生物成像。常用 1 0 江苏大学硕士学位论文 的球形金纳米颗粒是通过可见光来实现生物成像的，由于可见光不容易穿透生物 组织，因此对于皮下癌组织的诊断治疗，球形金纳米颗粒就无多大作用。 ( 4 ) 在光热治疗中的应用 金纳米棒可以吸收某些特定波长的入射光而散射其它波长的光，而且能引起 周围环境温度升高，以此破坏周边生物组织而用于治疗肿瘤的方法。t o n g 等【5 4 】引 入靶k b 癌细胞中引入叶酸寡核苷酸配体共轭的金纳米棒并孵化后，用近红外脉 冲激光实现对k b 癌症的光热治疗。e 1 s a y e d 等【5 5 】先将金纳米棒共轭结合到抗表 皮生长因子受体( a n t i e g f r ) 上，再将良性的表皮细胞和恶性口腔细胞同时孵化， 在反应中a n t i - e g f r - g o l dn a n o r o d s 特异性的结合到恶性细胞表面上。在显微镜下， 可以清晰看到金纳米棒显出明显的红光，从而可以区分良性细胞与恶性细胞；同 时在红外光连续照射后，相比良性细胞，只需少量的激光能量就能将附着在金纳 米棒上恶性细胞杀死，这样就同时实现了对癌细胞的有效诊断和选择性的光热治 疗。 1 4 4 金纳米团簇 金纳米簇具有诸多如尺寸小，毒性低，光稳定性好等良好性质，所以从上世 纪八十年代就开始有了合成荧光金纳米簇的报道。但由于合成方法的局限，早期 的研究主要集中在基础理论研究。最近十年，科学家们对金纳米团簇的合成方法 有了新的进展，合成出的金纳米簇生化性质越来越好，荧光量子产量越来越高， 为其在其他领域的应用奠定了良好的基础。 1 4 4 1 金纳米团簇的制备 ( 1 ) 惰性气体模板法 在低温下，惰性气体呈固态，在制备金属纳米簇的过程中可以起到模板稳定 作用。在低压惰性气体中，将金高温加热至汽化，蒸发的金属原子与惰性气体原 子碰撞后金属原子能量迅速损失而冷却，从而在蒸发源附近形成过饱和区域，进 而成核生长形成金纳米簇。利用此方法h a r b i c h 等 5 6 , 5 7 1 在氟气和氢气基底中研究制 备了a u 2 和a u 3 纳米簇。 ( 2 ) 高聚物模板法 聚酰胺枝状化合物( p a m a m ) 分子表面有极高的官能团密度，具有良好的包 容性，而分子内部具有广阔的空腔是一种内部疏松外围紧密的球形结构。近年来， 1 1 功能纳米金的制备及其在重金属离子检测中的应用 以此类聚合物为模板来合成金纳米团簇研究受到越来越多的重视1 5 蹦0 1 ，d i e k s o n 等 【6 1j 人在这一领域的研究工作比较出色。他们以p a m a m 为模板，在室温下用n a b h 4 还原h a u c l 4 ，制得量子产量高达4 1 + 5 的水溶性a u 8 纳米团簇。虽然有研究发现 | 6 2 , 6 3 1 ，水溶液的p a m a m 化合物在4 5 0a m 附近有强荧光，但后期的研究工作表明， 调节金离子与p a m a m 的摩尔比( 从1 ：1 到1 ：1 5 ) ，可以得到发射波长从紫外区到 近红外区变化的金纳米团簇晔】，如图1 4 ，而且荧光发射波长随着金纳米团簇的粒 径增加而红移。而这一现象是p a m a m 化合物本身不具有的，因此可以证明采用 p a m a m 为模板可以成功制备出荧光金纳米簇。 量 耋 主 蓍 要 图1 4 不同粒径的金纳米团簇的激发( 图a 虚线) 和发射( 图a 实线) 光谱图和a u 5 a u 8 a u l 3 的荧光照片 b a o 等【6 5 】以抗坏血酸为还原剂，g 4 o hp a m a m 为模板，在同一溶液中合成 出了不同尺寸纳米簇的混合物，即在不同的激发波长下，溶液能够显示出不同颜 色的荧光( 图1 5 ) 。 12 江苏大学硕士学位论文 图1 5 模板法合成的多色金纳米团簇 除了p a m a m 枝状物外，也有用聚乙烯亚胺( p o l y e t h y l e n i m i n e ，p e i )