马 涛， 曾 艳， 韩彦伟， 艾秋爽， 梁 峰

(武汉科技大学化学与化工学院，湖北武汉 430081)

纳米材料由于其独特的性质[1 - 2]，给生物、光电、物理、化学、医药和材料等领域带来了深远的影响[3 - 5]。目前，利用金纳米材料的特性进行的光热疗法已成为生物医疗领域关注的热点[6]，而金纳米星(Au-NSs)是一种非对称且具有尖锐边缘结构的纳米材料，相对于其他金纳米材料，有着极好的光热效应和优异的催化活性[7]。与常规尺寸Au-NSs(～80 nm)相比，小尺寸Au-NSs(～40 nm)具有更好的特性[8 - 9]。小尺寸Au-NSs有更好的光热效应；在利用Au-NSs光热治疗时，特别是进行活体治疗，小尺寸Au-NSs更易于被细胞吞入，能更好地发挥Au-NSs的光热特性从而杀死肿瘤细胞[10]。小尺寸Au-NSs体积小，易被代谢出体外，不会因大量积累的残留而影响正常的生命活动[11]。

Au-NSs的制备一般用一步合成法[12]和种子生长法[13]。其中，种子生长法可调节Au-NSs的大小[14 - 15]。本文通过种子生长法，以聚乙烯吡咯烷酮(PVP)包裹的2 nm Au-NPs作为金种[16]，制备出尺寸仅有40 nm左右的Au-NSs。通过实验条件的优化，建立了一种能够简单、稳定制备小尺寸Au-NSs的方法。

1 实验部分

1.1 实验仪器与试剂

BSA124S电子天平(北京赛多利斯仪器有限公司)；数显加热型磁力搅拌器(北京大龙兴创实验仪器有限公司)；FE20K pH 计(梅特勒-托利多仪器(上海)有限公司)；电热恒温鼓风干燥箱(上海精宏实验设备有限公司)；TG20M离心机(长沙平凡仪器仪表有限公司)；KQ2200D数控超声波清洗器(昆山市超声仪器有限公司)；JEM-2100 UHR高分辨透射电子显微镜(TEM)(日本，电子JEOL1103)。

HAuCl4·4H2O(Au≥47.8%，Sigma-Aldrich)；二水合柠檬酸三钠(分析纯，国药集团化学试剂有限公司)；NaBH4(≥96.0%，国药集团化学试剂有限公司)；抗坏血酸(AA)(分析纯，国药集团化学试剂有限公司)；HCl(信阳市化学试剂厂)；AgNO3(分析纯,上海化学试剂有限公司)。实验用水为去离子水。

1.2 小尺寸Au-NSs(～40 nm)的制备

1.2.1金种的制备将555.5 mg PVP加入到1 mL 0.05 mol/L HAuCl4溶液中，冰浴条件下，以500 r/min搅拌30 min。迅速向上述溶液中加入5 mL 0.1 mol/L NaBH4溶液，溶液由浅黄色变为深棕色，透析24 h以除去溶液中的Na+和Cl-，避免这两种离子破坏Au∶PVP的稳定性。透析后，水洗三次，并稀释到100 mL，得到PVP包裹的Au-NPs溶液，置于4 ℃冰箱内保存。

1.2.2生长液的制备将500 μL 1 mol/L HCl，500 μL 0.01 mol/L AgNO3溶液依次加入到50 mL 2.5×10-4mol/L HAuCl4溶液中，500 r/min搅拌30 s，制得生长液。

1.2.3Au-NSs(～40nm)的制备冰浴条件下向生长液中加入金种溶液，5 min后取出，回升至室温后，加入0.1 mol/L AA溶液，得深蓝色的Au-NSs胶体溶液，在10 000 r/min下离心15 min，用水洗涤、离心3次。移除上清液，将得到的混合物在60 ℃ 下真空干燥，得到Au-NSs固体。

2 结果与讨论

2.1 种子生长法制备小尺寸Au-NSs 条件的优化

2.1.1生长液、金种和AA配比的优化见图1，Au-NSs的紫外-可见-近红外(UV-Vis-NIR)光谱最大吸收峰在600～850 nm，金球的UV-Vis-NIR的最大吸收峰在500～600 nm。控制生长液和AA(0.1 mol/L)溶液的量分别为6 mL和70 μL，金种的用量分别为60、90、120、150 μL。Au-NSs 的形成与生长液和金种的配比密切相关。生长液用量过少时，一部分金种长出尖端，一部分金种仍是球形，UV-Vis-NIR图谱中会出现两个吸收峰，如图1中曲线1所示。生长液过量时，AA将过量的Au3+还原成Au0，Au0向已成形的Au-NSs周围聚集。在封端剂AgNO3的作用下Au-NSs不再生长，多余的Au0填满Au-NSs表面的“沟壑”部分，使原本成形的Au-NSs长成大尺寸的金球。如图1中的曲线3、4所示，生长液越过量，金球的尺寸越大，在UV-Vis-NIR图上表现出明显的红移。在曲线1、3、4中都存在大量的金球，只有生长液和金种溶液在合适的配比情况下(生长液∶金种=6 000 μL∶90 μL)才能生长出Au-NSs，如图1中曲线2所示。

2.1.2温度的影响见图2，按生长液∶金种∶AA=6 000 μL∶90 μL∶70 μL比例配得溶液，室温下制得，发现溶液呈红色。Au-NSs的胶体溶液应呈深蓝色，金纳米球的胶体溶液则为红色，从溶液颜色上可判断无Au-NSs的生成。其UV-Vis-NIR图谱如图2中曲线4所示，其UV-Vis-NIR最大吸收峰在550 nm左右，进一步说明该条件下不能制备出Au-NSs。在冰浴下反应，得到酒红色溶液，其UV-Vis-NIR图谱如图2中曲线3所示，UV-Vis-NIR最大吸收峰在570 nm左右，没有Au-NSs的生成。依然按上述比例，将生长液在冰浴放置15 min，降温至1～2 ℃时加入金种溶液，5 min后取出，回升至室温，加入AA，溶液由浅黄色变为深蓝色，如图2中曲线1所示，最大吸收峰在650 nm左右，与文献报道相符[17]。依据曲线1的实验条件多次重复，得到同样的实验结果，如图2中曲线2所示，说明此条件下可以稳定地制备出Au-NSs。

图1 不同金种用量制备的Au-NPs的UV-Vis-NIR图谱Fig.1 UV-Vis-NIR absorbance spectra of Au-NPs prepared with different amounts of gold seeds 1:60 μL;2:90 μL;3:120 μL;4:150 μL.

图2 不同反应温度制得Au-NSs的UV-Vis-NIR图谱Fig.2 UV-Vis-NIR absorbance spectra of Au-NSs prepared under different temperatures 1:added gold seeds solution into growth solution in ice bath then the AA was added after the temperature of solution rise again to room temperature;2:repetition of 1;3:ice bath;4:room temperature.

为进一步探究Au-NSs的尺寸，取图2中曲线2所代表的样品，进行透射电镜(TEM)表征，如图3所示。从TEM图中可以看到Au-NSs的尺寸仅有40 nm左右，这大大地小于常规Au-NSs的尺寸(～80 nm)。

图3 初步实验条件下制备的Au-NSs的透射电镜(TEM)图Fig.3 TEM images of Au-NSs prepared under tested conditions

2.2 制备小尺寸Au-NSs中生长液条件的优化

图4 不同HAuCl4用量配得的生长液制备的不同Au-NSs的UV-Vis-NIR图谱Fig.4 UV-Vis-NIR absorbance spectra of Au-NSs prepared from different HAuCl4 growth solution Among them,1,2,3,4 and 5 were prepared from 3 mL,4 mL,5 mL,6 mL,7 mL of HAuCl4,respectively.

2.2.1生长液中HAuCl4用量的优化种子生长法制备Au-NSs时，HAuCl4量与金种量的配比对Au-NSs形貌和尺寸起决定性作用。通过配制含有不同HAuCl4量的生长液，固定金种(90 μL)和AA(0.1 mol/L，70 μL)的用量，达到改变HAuCl4和金种配比的效果。其中生长液中，0.01 mol/L AgNO3和1 mol/L HCl的量都为60 μL，2.5×10-4mol/L的HAuCl4的量分别为3、4、5、6、7 mL。Au-NSs的UV-Vis-NIR的最大吸收峰与其尺寸大小有关，最大吸收峰会随着Au-NSs尺寸的增大而出现红移。如图4所示，曲线1、2、4的最大吸收峰大约在700 nm左右，说明这三种Au-NSs的尺寸较大。相比于曲线5，曲线3最大吸收峰要较小，且吸光度大较小，说明其Au-NSs的尺寸小且颗粒浓度大。实验最终确定生长液中HAuCl4(2.5×10-4mol/L)用量为5 mL。

图5 不同pH条件下合成的Au-NPs及其UV-Vis-NIR图谱Fig.5 Photograph(a,c) of Au-NPs prepared at different pH and their UV-Vis-NIR absorbance spectra(b,d)

2.2.2生长液pH的优化在制备Au-NSs的过程中，HAuCl4中Au3+被还原生成Au0，溶液的pH影响Au-NSs的生成，如图5所示。本文研究了在pH=2.89、7.05、11.21的环境下制备Au-NSs，从图5(a)中的颜色和图5(b)中的UV-Vis-NIR图谱可以明显地看出，只有在pH=2.89的条件下呈现出Au-NSs的蓝色以及在650 nm处出现Au-NSs的最大吸收峰，说明在中性或者碱性的环境下无法制备出Au-NSs。出现这一现象的原因较为复杂，主要是因为在中性或者碱性环境下HAuCl4中Au3+不易得电子被还原，使得Au0的量减少，而被还原的Au0不能自由地在体系中移动长成星形。实验进一步优化生长液pH，在pH分别为2.03、3.05、4.30的环境下制备Au-NSs，如图5(c)、5(d)所示。当pH≥4.30时，制得的Au-NPs 溶液为红色，没有Au-NSs生成；当pH≤3.05时制得Au-NPs溶液呈深蓝色，在UV-Vis-NIR图谱中最大吸收峰都大于650 nm，说明有Au-NSs生成。如图5(d)所示，随着pH值的减小，Au-NSs的最大吸收峰出现了明显的红移。表明pH=2.03时形成的Au-NSs有较大的尺寸，因此得到了一个临界值，即pH=3.05时，可以合成尺寸较小的Au-NSs。

2.3 小尺寸Au-NSs的TEM表征

通过对合成Au-NSs条件的探索和优化，制备出大大小于常规尺寸的Au-NSs(～40 nm)。如图6所示。小尺寸Au-NSs具有尖锐的尖端，如图6(a)所示，这种结构有助于它的等离子体共振效应(LSPR)。在高分辨透射电子显微镜(HRTEM)下，将图6(a)中的虚线圆圈处部分放大得到图6(b)，可以清楚地看见Au-NSs尖端间距为2.33 Å的晶格，这与金属金的晶格间距一致，进一步证明了Au-NSs的尖端是由Au元素构成。

图6 (a)优化条件下制备的Au-NSs的透射电镜(TEM)图；(b)图a中虚线圆圈处的放大图Fig.6 (a)TEM image of Au-NSs prepared under the optimized conditions;(b) HRTEM image marked by dotted circle in a

3 结论

利用种子生长法，通过探索合成Au-NSs的实验条件，制备了小尺寸的Au-NSs(～40 nm)，该方法具有简单，稳定，重复性好等特点。小尺寸Au-NSs，这种新型的纳米材料将在生物光热疗法治疗癌症，以及催化应用中有着广泛的应用前景。