金 納 米 花 的 快 速 可 控 制 備 及 應 用

郭 攀， 郭新秋， 殷 姍， 陳 峰， 何 琳

(上海交通大學 a.化學化工學院；b.分析測試中心，上海 200240)

0 引 言

金納米花獨特的光學性質、高的光熱轉化效率、良好的生物相容性，在表面增強拉曼散射、生物醫用材料等方面得到普遍應用，并引起了研究者的重視[1-5]。

制備金納米花的主要方法是模板法[6]。表面活性劑在金納米花生長過程中起到模板-結構導向劑作用，對其形貌調控起到至關重要的作用[7-9]。目前合成金納米花的表面活性劑主要有：聚乙烯吡咯烷酮(PVP)[10]、N-(2-羥乙基)哌嗪-N-2-乙烷磺酸(HEPES)[11-12]、六亞甲基-1,6-雙(十二烷基二甲基銨溴)(C12C6C12Br2)[13]和N，N，N’-二甲基-N，N’-二十四烷基乙烷-1,2-二胺(C14C2C14Br2)[4]等。Xie等[14]采用HEPES為表面活性劑制備金納米花，以牛血清白蛋白為穩定劑，羅丹明B為拉曼探針，檢測出細胞內拉曼信號。Jia等[15]用十八烷基胺(C18N3)制備金納米花，獲得多分枝的金納米花，極大增強了表面拉曼散射強度。金納米花的制備雖然較成熟，但仍存在一些問題：① 制備時間長；② 金納米花不穩定；③ 生物相容性差。

HED3A[16]與金屬離子具有超強的螯合作用，且穩定性高和結構導向強。因此，本文采用HED3A作為合成金納米花的表面活性劑，高效制備出穩定性高、拉曼信號增強效果顯著和生物相容性好的金納米花。通過改變HED3A、AA和HAuCl4濃度，實現了對金納米花的形貌調控。該反應快速，1 min完成，制得的金納米花有以下優點：① 穩定性高，12個月形貌無變化；② 拉曼散射信號增強效果顯著，R6G檢出限可達10 nmol/L；③ 生物相容性好。

1 實驗部分

1.1 實驗試劑及儀器

主要試劑：氯金酸(HAuCl4·3H2O)、抗壞血酸(AA)、羅丹明6G(R6G)、二甲基亞砜(DMSO)(均購于國藥集團化學試劑)，噻唑藍(MTT)購于Aldrich，細胞培養基(DMEM)、胎牛血清(FBS)購于PAA公司，大鼠肝臟細胞(BRL-3A)購于中科院上海細胞所。

主要儀器：FEI生物型透射電鏡(Tecnai G2 spirit Biotwin，)、核磁共振波譜儀(AvanceⅢ400 MHz，Bruker)、紅外光譜儀(IR/Nicolet 6700，Agilent)、高液相色譜-線性離子阱質譜聯用儀(HPLC1260<QXL，Thermo-fisher)、紫外可見分光光度計(UV/EV300，Thermo Electron CORP)、色散型共聚焦拉曼光譜儀(Senterra R200-L，Bruke)、酶標儀(Elx800，BioTek)。

1.2 金納米花的制備

根據文獻[16]中制備HED3A。取4個燒杯，依次加入不同濃度的HED3A溶液，混合均勻后分別加入HAuCl4，AA，1 min內溶液顏色由黃色變成褐色或紫色，證明反應完全，離心10 min，1 000 r/s，上清液除掉，將得到的金納米花分散在超純水中。

1.3 金納米花形貌的調控

1.3.1HED3A濃度的影響

將4 mL濃度為0.1、1、10及50 mmol/L的HED3A分別加入到反應體系中，然后加入2 mL 2 mg/mL的HAuCl4和 0.2 mL 0.08 mol/L的AA，其他制備過程與1.2節相同。

1.3.2AA濃度的影響

將4 mL 1 mmol/L的HED3A溶液，2 mL 2 mg/mL的HAuCl4溶液分別加入到反應體系中，然后加入2 mL濃度為0.06、0.08 、0.12及0.2 mol/L的AA溶液，其他制備過程與1.2節相同。

1.3.3HAuCl4濃度的影響

將4 mL 1 mmol/L的HED3A溶液分別加入到反應體系中，然后加入2 mL濃度為0.5、1、2及3 mg/mL的HAuCl4溶液和2 mL 0.08 mol/L的AA溶液，其他制備過程與1.2節相同。

1.3.4溫度的影響

向體系中分別加入4 mL 1 mmol/L的HED3A，2 mL 2 mg/mL的HAuCl4溶液，2 mL 80 mmol/L的AA溶液，改變反應溫度20 °C、30 °C、50 °C、80 °C，其他制備條件與1.2節相同。

1.4 表面增強拉曼光譜的測試

以R6G為拉曼探針，金納米花為基底，使用激發波長532 nm激光器，激發功率10 mV，曝光時間10 s。

1.5 細胞毒性測定

將BRL-3A細胞種植于96孔板中，放在培養箱(5% CO2和37 ℃)中培養，當細胞完全貼壁后，加不同濃度的金納米花，繼續培養細胞24 h或48 h后，加入MTT溶液，再將96孔板培養4 h后，加入DMSO，酶標儀測定490 nm處的吸光(A)值。

2 結果與討論

2.1 HED3A濃度的影響

保持體系中V(AA0.08 mol/L)=0.2 mL，V(HAuCl4 2 mg/mL)=2 mL不變，當HED3A濃度從0.1 mmol/L增加到10 mmol/L時，金納米花形貌由致密變得疏松(見圖1(a)～(c))；隨著濃度繼續增大，則生成金納米球(見圖1(d))。由此可見，HED3A可有效調控金納米花的形貌，在金納米花合成過程中起到結構導向劑的作用。這種現象與有限配體和充足配體保護效應有關[17-18]。當HAuCl4及AA的濃度相同，HED3A濃度較低時，初期產生的金納米晶由于表面包裹的表面活性劑較少，為了減少體系的表面能，生成的金納米晶不穩定，作為晶核聚集成金納米花。隨著表面活性劑濃度的增加，包裹在金納米晶表面的表面活性劑較多，使金納米晶無法進行各向異性生長，從而生成最穩定的球形。

(a)0.1 mmol/L，(b)1 mmol/L，(c)10 mmol/L，(d)50 mmol/L

2.2 AA濃度的影響

保持體系中V(HED3A 1 mmol/L)=4 mL，V(HAuCl4 2 mg/mL)=2 mL不變，當AA濃度為0.06 mol/L時，得到金納米花結構較致密(見圖2(a))；隨著AA濃度增加，金納米花形貌沒有顯著變化(見圖2(b)～(d))。表明AA濃度對金納米花形貌影響不大，不能實現對金納米花形貌的有效調控。當HED3A、HAuCl4濃度一定時，改變AA濃度，只是稍微改變金納米晶生長速度，對金納米花形貌影響不顯著。

(a)

(b)

(c)

(d)

2.3 HAuCl4濃度的影響

保持體系中V(HED3A 1 mmol/L)=4 mL，V(AA 0.08 mol/L)=0.2 mL不變，當HAuCl4濃度小于0.5 mg/mL時，制備得到的是金納米球(見圖3(a))；當濃度從0.5 mg/mL 增加至3 mg/mL時，制備得到金納米花(見圖3(b)～(d))。由此可知，改變HAuCl4濃度，可有效改變金納米花的形貌。當HED3A、AA濃度一定，HAuCl4濃度較低時，初期得到的金納米晶數目少，包裹在單個金納米晶表面的表面活性劑相對較多，阻止了金納米晶各向異性生長，趨向于生成最穩定的球形；隨著氯金酸濃度增加，初期生產的金納米晶數目增多，則單個金納米晶表面包裹的表面活性劑較少，金納米晶不穩定，聚集生成金納米花。

(a) 0.5 mg/mL，(b)1 mg/mL， (c)2 mg/mL， (d)3 mg/mL

2.4 溫度的影響

保持體系中V(HED3A 1 mmol/L)=4 mL，V(HAuCl4 2 mg/mL)=2 mL，V(AA 0.08 mol/L)=0.2 mL，不變，改變反應溫度，當溫度在10～50 °C變化時，得到金納米花(見圖4(a)～(c))；當溫度升高到80 °C時，制得金納米球(見圖4(d))。表明控制溫度在80 °C以下，可有效地制備出金納米花。溫度過高，反應速度過快，得到金納米晶數目較多，制備得到金納米球。

(a)20 °C,(b) 30 °C， (c) 50 °C， (d)80 °C

2.5 金納米花的穩定性測試

金納米花在室溫放置12月后，形貌基本沒有變化(見圖5(a)～(b))，表明此金納米花的穩定性好，可長期保存。

(a)0個月 (b)12個月

2.6 SERS性能測試

以金納米花作為拉曼基底，測得R6G的拉曼信號檢出限可達10 nmol/L(見圖6)，表明該金納米花可顯著增強R6G的拉曼信號，是一種較好的拉曼增強基底材料。

圖6 羅丹明6G的拉曼光譜圖

2.7 細胞毒性實驗

當金納米花的濃度達到4 mg/mL，與大鼠肝臟細胞共同培養48 h后，細胞的存活率仍>75%(見圖7)，表明該金納米花具有較小的細胞毒性，是一種潛在的生物醫用材料。

圖7 不同濃度的金納米花與大鼠肝臟細胞共同

3 結 語

本文以HED3A作為制備金納米花的表面活性劑。通過改變反應條件，制備出形貌可控的金納米花。實驗發現：HED3A、HAuCl4及溫度可有效調控金納米花的形貌。

制備得到的金納米花穩定性高，拉曼增強效果顯著、細胞毒性小，是一種潛在的表面增強拉曼及生物醫用材料。