本文介绍了一种以对苯二酚作为还原剂合成金纳米棒的实验方案，并阐述了调控其尺寸和长径比的各种机制。
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摘要
摘要
金纳米棒是一类具有独特等离子体性质的重要纳米粒子。尽管其在纳米技术中已得到广泛应用，但金纳米棒的合成方法仍未能完全优化。本文介绍了一种基于对苯二酚作为温和还原剂的新型高效两步法合成方案。通过该方法，只需调节“生长溶液”中十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）和银离子（Ag+）的用量，即可实现对纳米棒尺寸和长径比（AR）的良好控制。采用此方法可显著减少获得长条形貌所需的CTAB用量——CTAB是一种昂贵且具有细胞毒性的试剂。在仅含50 mM CTAB的条件下即可制备出长径比约为3的金纳米棒（相比之下，基于抗坏血酸的标准方案需使用100 mM CTAB），而使用低至10 mM的CTAB浓度则可获得更短的金纳米棒。
引言
金纳米颗粒（AuNPs）是目前在生物医学应用中最为广泛且前景广阔的纳米结构之一。其在许多即时检测（point-of-care）场景中的应用至关重要。 体外 诊断产品1 它们已被提议作为多种其他不同应用的有效工具：在影像学研究中作为对比剂，2 作为一种药物递送系统3 以及用于光诱导热疗（或光热疗法）的药物。4 金纳米颗粒（AuNPs）的巨大潜力在近二十年来推动了大量研究，致力于开发新的合成方法，以增强对所获得颗粒尺寸和形貌的控制。5 这是因为不同类型的金纳米颗粒（AuNPs）实际上在特定应用中比其他类型更具适用性。
在各种不同的金纳米结构中，金纳米棒（AuNRs）已成为最具吸引力的体系之一。金纳米棒具有两个等离激元吸收峰，分别对应于电子沿纵向轴和横向轴的振荡。6 特别重要的是，根据棒状颗粒的长径比，最强纵向峰的位置可在620至800 nm之间精确调节。该区域与生物窗口相匹配。7 在该波长范围内，人体组织几乎不吸收光，从而促进了多种技术的发展 体内 涉及金纳米颗粒的光子学应用。
尽管这类纳米结构引起了极大的研究兴趣，但金纳米棒（AuNRs）的合成方法仍存在若干局限性。大多数情况下，纳米棒的制备采用Sau及其同事开发的两步法8。在其方案中，金纳米棒通过抗坏血酸还原金离子而合成，反应体系中需含有预先制备的金种子、银离子以及大量十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）——一种阳离子线性表面活性剂。
该方案的缺点是金离子的还原产率相对较低（约20%）9，且需要大量CTAB，这是一种昂贵的试剂，在合成所用试剂总成本中占比超过一半。因此，开发一种新的、更高效的合成路线被认为是一项重要需求，有助于推动基于金纳米棒（AuNRs）的生物医学方法的广泛应用。
在本文的第一部分，我们介绍了一种制备长径比约为三的金纳米棒（AuNR）的优化方案。该合成方法采用对苯二酚作为温和还原剂，能够在几乎完全还原金离子的同时，减少十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）的使用量10。该金纳米棒的制备方案基于两步法，其中金种子被用于"生长溶液"中。
在第二部分中，我们展示了通过两种方法精细调控所获得金纳米棒（AuNR）尺寸和长径比的方式。第一种方法与基于抗坏血酸的标准方案类似，即调节反应体系中银离子的含量 "生长溶液"第二种方法基于CTAB用量的变化，可将其浓度降低至10 mM（接近供应商报告的临界胶束浓度），以获得形貌均一的短纳米棒。
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方案
1. 金纳米棒的合成
注意：整个过程中请使用高纯度水。
- 金种子的制备
- 在40 °C下，将364.4 mg十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）溶于5 ml水中，并在超声处理下直至溶液变澄清。让CTAB溶液冷却至室温。
- 另取，制备5 ml四氯金酸（HAuCl4）水溶液（0.5 mM）。
- 在27 °C恒温下，将HAuCl4溶液加入CTAB溶液中，并进行剧烈磁力搅拌。
- 在4 °C下制备600 µl硼氢化钠（NaBH4）水溶液（10 mM）。在剧烈搅拌下将该溶液加入混合液中。观察溶液颜色是否立即由黄色变为棕褐色。
- 使用前继续搅拌悬浮液20分钟。种子悬浮液在室温下储存不得超过24小时。
- 使用紫外-可见分光光度计检测种子的尺寸。确保种子足够小（约2 nm），以适用于通过紫外-可见光谱法进行金纳米棒的制备。
注意：光谱应与图1中报道的结果相似。若存在约505–520 nm处的等离子体吸收峰，则表明种子过大，不应使用，因其可能生成球形纳米颗粒。
- 金纳米棒"生长溶液"的制备
- 在40 °C下，使用超声处理将182.2 mg CTAB与22 mg对苯二酚溶于5 ml水中。将溶液冷却至27 °C。
- 制备200 µl浓度为4 mM的硝酸银（AgNO3）溶液。
- 另取，制备5 ml浓度为1 mM的四氯金酸（HAuCl4）溶液。
- 首先加入步骤1.2.2中制备的硝酸银溶液，然后在磁力搅拌下加入步骤1.2.3中制备的HAuCl4溶液至步骤1.2.1中制备的CTAB与对苯二酚混合溶液中。
- 立即在磁力搅拌下加入12 µl根据步骤1.1所述方法预先制备的种子悬浮液，启动反应。观察悬浮液是否在约30分钟内发生颜色变化。
- 按照第4节所述方法，每隔5分钟检测一次悬浮液的紫外-可见光谱，以监控纳米棒的形成过程。持续进行直至光谱稳定。为确保纳米棒完全形成，继续搅拌悬浮液30分钟（图2）。
- 将悬浮液分装至离心管中（每管1 ml），在10,000 × g下离心10分钟。金纳米棒将在管底形成深色沉淀。
- 将每管中的沉淀重悬于1 ml水中。合并各管内容物，将金纳米棒悬浮液在室温下储存。
- 按照第4节所述方法，通过紫外-可见光谱法和透射电子显微镜对所得纳米棒进行表征（图3）。
2. 通过改变 Ag+ 离子浓度调节纳米棒的长径比
- 配制浓度为 4 mM 的硝酸银溶液，将 3.4 mg AgNO3 溶解于 5 ml 水中。
- 在三个不同的样品瓶中，按照第 1.2.1 节所述配制含有 CTAB 和对苯二酚的溶液，并分别加入 100 µl、150 µl 或 200 µl 硝酸银溶液。
- 加入按照步骤 1.2.3 配制的 HAuCl4 溶液，并按照第 1.2.5 点所述继续进行金纳米棒的制备。
- 通过紫外-可见光谱法和透射电子显微镜对所得纳米棒进行表征。加入较少 Ag+ 的样品瓶将得到较短的纳米棒（长径比分别为 2 和 2.2）（图 4）。
3. 通过改变CTAB浓度调节纳米棒的长径比
- 制备不同批次的金纳米棒，每批在"生长溶液"中使用不同浓度的CTAB。使用10 mM至100 mM的CTAB浓度，以制备具有不同尺寸和长径比的金纳米棒。各实验中所用CTAB浓度及其对应的毫克用量总结于表1。每次溶解不同量的CTAB时，均需与22 mg氢醌溶于5 ml水中。
- 在磁力搅拌下，向每个小瓶中加入200 µl硝酸银溶液（按步骤1.2.2制备）和5 ml HAuCl4溶液（按步骤1.2.3所述方法制备）。
- 加入12 µl种子悬浮液，并观察最终混合物的颜色变化。
- 当悬浮液颜色及紫外-可见光谱稳定后，停止搅拌；反应时间取决于生长溶液中CTAB的浓度。
- 以10,000 × g离心10分钟，并将沉淀重悬于水中。
- 通过紫外-可见光谱法和透射电子显微镜对所得纳米棒进行表征。较低的CTAB浓度将产生较短的纳米棒，而较高的浓度则生成更长但更粗的纳米棒。相反，纳米棒的长径比在CTAB浓度约为40–50 mM时达到最高，而在更低或更高浓度下均会降低（图5和图6）。
4. 金纳米棒的表征
- 紫外-可见光谱法
- 在塑料微量比色皿中，将100 µl纳米棒溶液用400 µl水稀释，然后根据制造商的操作说明，采集紫外-可见吸收光谱（波长范围为400至840 nm）。
- 每5分钟采集一次生长溶液的紫外-可见光谱（波长范围为400至840 nm），以研究反应动力学。
- 透射电子显微镜（TEM）
- 采集每份纳米棒样品的透射电子显微镜图像，用于测量所得纳米棒的尺寸和长径比。样品制备方法：将4 µl悬浮液滴加到覆有超薄Formvar膜的200目铜网上，于4 °C空气中自然干燥。根据制造商的操作说明，使用200 kV加速电压进行透射电子显微镜分析。
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结果
金种子的紫外-可见光谱如图1所示。在金种子注入后不同时间点测得的紫外-可见光谱如图2所示。所制备的金纳米棒的紫外-可见光谱及透射电子显微镜（TEM）图像如图3所示。通过改变银离子用量获得的不同长径比的金纳米棒的紫外-可见光谱及透射电子显微镜（TEM）图像如图4所示，而通过改变生长溶液中CTAB的含量所获得的结果如图5和图6所示。紫外-可见光谱用于观察各向异性金纳米粒子的形成过程，并粗略估计其长径比。TEM图像用于确定纳米结构的形貌，精确评估金纳米棒的长径比，并验证金的晶体结构。
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讨论
本文所述方案采用对苯二酚——一种具有较弱还原电位的芳香族分子——来制备金纳米棒。与目前最常用的基于抗坏血酸的合成方法相比，本方案具有两个主要优势：第一，对苯二酚几乎能够定量还原金离子，从而可制备出更高产量的金纳米棒11；第二，该方法所需CTAB的用量更少，从而显著降低了成本。本方案基于两步法策略，将成核过程与纳米棒的生长过程分离开来。我们注意到，所使用的金种子的尺寸必须保持在约3 nm左右，这一点通过紫外-可见光谱分析已得到证实8。相反，如果使用尺寸为5 nm或更大的种子，则不可避免地会生成球形纳米颗粒。
通过紫外-可见光谱法可以轻松追踪金纳米棒的生长过程。棒状粒子的光谱具有两个明显的吸收峰，分别对应于纳米棒的两个不同维度。此外，根据经验定律，该技术还可用于初步估算所获得纳米棒的长径比：
AR = 0.0078 • PP - 3.3
其中，AR 是通过透射电子显...
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披露
作者无任何利益冲突需要披露。
致谢
本研究的经费由意大利卫生部在EuroNanoMed II（欧洲纳米医学创新研究与技术发展项目，项目名称：“InNaSERSS”）框架下提供。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 三水合氯化金(III) | Sigma Aldrich | 520918 | |
| 对苯二酚 | Sigma Aldrich | H17902 | |
| 硝酸银 | Sigma Aldrich | 209139 | 有毒 |
| 硼氢化钠 | Sigma Aldrich | 480886 | |
| 十六烷基三甲基溴化铵（CTAB） | Sigma Aldrich | H5882 | 急性毒性（经口）。在本研究中，我们测试了来自 Sigma Aldrich 的三批不同 CTAB（H5882），其中两批标注产地为中国，一批标注产地为印度。根据我们的经验，只有标注产地为中国批次的 CTAB 对制备金纳米棒（AuNR）有效。 |
| 分光光度计 | Thermo scientific | Nanodrop 2000C | |
| 透射电子显微镜（TEM） | JEOL | 2100 |
参考文献
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- Lohse, S. E., Murphy, C. J. The Quest for Shape Control: A History of Gold Nanorod Synthesis. Chem. Mater. 25 (8), 1250-1261 (2013).
- Weissleder, R. A clearer vision for in vivo imaging. Nat. Biotech. 19 (4), 316-317 (2001).
- Sau, T. K., Murphy, C. J. Seeded High Yield Synthesis of Short Au Nanorods in Aqueous Solution. Langmuir. 20 (15), 6414-6420 (2004).
- Ratto, F., Matteini, P., Rossi, F., Pini, R. Size and shape control in the overgrowth of gold nanorods. J. Nanopart. Res. 12, 2029-2036 (2010).
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重印与许可
