光譜法研究pH值對(duì)納米銀及其與賴氨酸相互作用的影響

張磊,姬文晉,宋巍,陳志舜,趙肅清

(廣東工業(yè)大學(xué)輕工化工學(xué)院,廣州 510006)

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光譜法研究pH值對(duì)納米銀及其與賴氨酸相互作用的影響

張磊,姬文晉,宋巍,陳志舜,趙肅清*

(廣東工業(yè)大學(xué)輕工化工學(xué)院,廣州 510006)

利用化學(xué)方法合成納米銀,調(diào)節(jié)pH值,加入賴氨酸溶液,通過(guò)紫外光譜和動(dòng)態(tài)光散射法研究pH對(duì)納米銀及納米銀-賴氨酸體系穩(wěn)定性的影響,利用表面增強(qiáng)拉曼光譜考察賴氨酸與納米銀的相互作用方式。紫外光譜顯示納米銀和納米銀-賴氨酸體系在pH值為5～10時(shí),均具有較強(qiáng)的吸收峰；應(yīng)用動(dòng)態(tài)光散射測(cè)定了不同pH的納米銀及其賴氨酸體系的粒徑及強(qiáng)度自相關(guān)函數(shù),在pH值為5～10時(shí),粒徑分布均勻,DLS自相關(guān)曲線平滑,說(shuō)明納米銀和納米銀-賴氨酸體系穩(wěn)定性良好；SERS研究了pH為4、7、10時(shí),賴氨酸在銀粒子表面的吸附作用,體系出現(xiàn)比較明顯的賴氨酸特征峰,當(dāng)pH為4時(shí),為 δ(NH3+) 的1444 cm-1譜峰和δ(COO-)的1576 cm-1,此時(shí)賴氨酸通過(guò)氨根和羧酸根共同與銀納米粒子發(fā)生相互作用,當(dāng)pH為10時(shí),NH3+發(fā)生去質(zhì)子化,此時(shí)賴氨酸只出現(xiàn)COO-的伸縮振動(dòng)在1576 cm-1處,說(shuō)明此條件下賴氨酸以羧酸根吸附在銀粒子表面。

納米銀；賴氨酸；pH值；表面增強(qiáng)拉曼光譜；動(dòng)態(tài)光散射

1 引言

近年來(lái),納米材料由于特殊的物理和化學(xué)特性引起人們的關(guān)注,被廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)藥、化學(xué)、環(huán)境等各個(gè)領(lǐng)域。將生物分子與納米材料進(jìn)行結(jié)合,為生物醫(yī)療技術(shù)提供了新的方法和手段[1-2]。納米銀具有良好的光電特性、較高的催化活性和潛在的光催化殺菌活性,在催化劑材料、光電材料,生物分析檢測(cè)、疾病診斷與治療中發(fā)揮著重要的作用[3-4]。目前銀納米粒子被廣泛用作比色傳感器檢測(cè)重金屬離子、生物分子及有機(jī)小分子等物質(zhì)；用銀納米粒子增敏與金納米粒子標(biāo)記的方法聯(lián)用檢測(cè)DNA序列,比熒光團(tuán)標(biāo)記具有更高的選擇性和靈敏度；利用銀納米粒子作為表面增強(qiáng)拉曼散射的基體,可以應(yīng)用于生物分子,如DNA、蛋白質(zhì)和其他生物活性小分子的檢測(cè)和鑒定；此外,銀納米粒子染色,也是一種靈敏度高、抗干擾性強(qiáng)的蛋白質(zhì)測(cè)量方法[5-7]。因此,隨著納米銀越來(lái)越多地應(yīng)用于生物醫(yī)藥領(lǐng)域,使得納米銀的生物分子功能化成為目前研究的熱點(diǎn)。

在納米材料的生物功能化過(guò)程中,氨基酸作為一種簡(jiǎn)單的有機(jī)物具有良好的前景。氨基酸是蛋白質(zhì)的基本單位,研究氨基酸修飾的納米顆?？梢宰鳛殡呐c蛋白質(zhì)修飾的納米材料的簡(jiǎn)單模型,常用的研究手段主要有紫外可見光譜法、熒光分光光度法、紅外光譜法、圓二色光譜法等。表面增強(qiáng)拉曼光譜(SERS)技術(shù)已經(jīng)被廣泛用于檢測(cè)核酸堿基、氨基酸和蛋白質(zhì)[8-9],虞丹尼等[10]通過(guò)研究亮氨酸、異亮氨酸及纈氨酸三種支鏈氨基酸在金/銀核-殼復(fù)合粒子基底表面的SERS光譜,探討了三種支鏈氨基酸在此基底表面不同的作用方式及其吸附模式,通過(guò)對(duì)比苯丙氨酸、組氨酸、色氨酸三種帶環(huán)狀結(jié)構(gòu)的氨基酸分子在銀粒子表面的SERS,推測(cè)了三種環(huán)狀結(jié)構(gòu)氨基酸的吸附狀態(tài),探討了氨基酸與銀膠的不同作用模式及其不同濃度、pH值對(duì)吸附狀態(tài)的影響。賴氨酸是一種兩性小分子,包裹納米顆粒后在藥物傳送、醫(yī)藥治療、放射領(lǐng)域都是研究的熱點(diǎn)[11]。研究賴氨酸在納米銀顆粒表面的結(jié)合情況、修飾特性對(duì)于納米銀的氨基酸及多肽修飾具有獨(dú)特的價(jià)值。但是,氨基酸與銀膠表面的這種相互作用的研究仍存在諸多疑問(wèn),尤其是在不同條件環(huán)境下,生物大分子結(jié)構(gòu)的多變性為這種研究帶來(lái)了極大的困難[12]。

利用經(jīng)典的化學(xué)法制備的銀納米粒子,由于比表面積大、表面能高,屬于熱力學(xué)不穩(wěn)定體系,顆粒間極易團(tuán)聚,形成尺寸較大的團(tuán)聚體,導(dǎo)致最終應(yīng)用時(shí)失去納米顆粒應(yīng)有的物性和功能。王蕊等通過(guò)紫外吸收光譜法研究了溶液pH值、醇/水比例及表面活性劑等因素對(duì)納米銀溶膠分散穩(wěn)定性的影響[13]；吳麗萍等利用動(dòng)態(tài)光散射和透射電鏡法研究了pH值和NaCl對(duì)絲膠蛋白微觀結(jié)構(gòu)的影響,說(shuō)明納米顆粒和蛋白質(zhì)在介質(zhì)中的分散與許多因素有關(guān)[14]。因此本文研究在不同pH值下納米銀與納米銀-賴氨酸體系的分散穩(wěn)定性并考察賴氨酸在納米銀表面的相互作用方式。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 儀器與試劑

LabRAM HR 800型激光紫外拉曼光譜儀(法國(guó)HORIBA Jobin Yvon公司)。TU-1901型紫外可見分光光度計(jì)(普析通用)。Zeta PALS 型Zeta電位及粒度分析儀(美國(guó)Brookhaven公司)。KDC-16H型高速離心機(jī)。Nova Nano SEM430型超高分辨率場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(荷蘭FEI)。超聲波清洗器。

硝酸銀(含量≥99.8%,國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司),L-賴氨酸(含量≥98.5%,薩恩化學(xué)技術(shù)有限公司),檸檬酸三鈉(含量≥99.0%,天津市大茂化學(xué)試劑廠),HCl溶液(含量36.0%～38.0%,廣州化學(xué)試劑廠),NaOH(含量99.6%,廣州化學(xué)試劑廠),以上試劑皆為分析純。實(shí)驗(yàn)中所有水均為屈臣氏蒸餾水。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

利用檸檬酸三鈉還原硝酸銀的方法制備銀溶膠。對(duì)制得的銀溶膠高速離心提純,轉(zhuǎn)速為12000 r/min,離心30分鐘,去除上層清液,底部沉淀加入蒸餾水重新分散,超聲振蕩10分鐘。再進(jìn)行第二次高速離心15分鐘,將沉淀分散于不同pH值的水溶液中,由HCl和NaOH溶液調(diào)節(jié)pH值(3～11)。

配制1×10-4mol·L-1的賴氨酸溶液。取300L上述賴氨酸溶液與不同pH值的銀溶膠溶液均勻混合,(混合體系記為：AgNPs-Lysine)。靜置2小時(shí)后觀察發(fā)現(xiàn),pH=3、pH=4和pH=11的AgNPs-Lysine溶液由黃綠色變無(wú)色,并有黑色沉淀生成。分散于不同pH值水溶液的銀溶膠并未發(fā)生聚沉。

將銀溶膠調(diào)節(jié)pH值為4,7,10,分別與1×10-4mol·L-1的賴氨酸溶液混合,離心分散于蒸餾水中,自然晾干,測(cè)SERS。

2.3 表征

納米銀粒子大小和形貌采用Nova Nano SEM430型超高分辨率場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡觀察。吸收光譜采用TU-1901型紫外可見分光光度計(jì)測(cè)定。采用Zeta電位及粒度分析儀測(cè)試銀溶膠和AgNPs-Lysine體系的粒徑及DLS光強(qiáng)自相光曲線。表面增強(qiáng)拉曼光譜采用LabRAM HR 800型激光紫外拉曼光譜儀進(jìn)行測(cè)定,激光波長(zhǎng)為623.8 nm,曝光10 s,2次循環(huán)測(cè)試。

3 結(jié)果與討論

3.1 紫外吸收光譜

圖1為納米銀的紫外吸收光譜圖和掃描電鏡圖。合成的納米銀特征吸收峰為～423 nm,平均粒徑為45 nm左右,以球形為主,少量棒狀,分散性良好。

圖2為納米銀和AgNPs-Lysine體系在不同pH值溶液的紫外吸收光譜。納米銀在pH值為3～10范圍內(nèi)有特征吸收峰。當(dāng)pH值為3,4,5時(shí),納米銀的特征峰變寬,最大吸收峰強(qiáng)度降低,說(shuō)明粒徑分布不均勻,穩(wěn)定性開始變差,出現(xiàn)了粒子間的部分團(tuán)聚；當(dāng)pH值11時(shí),銀溶膠完全聚沉,已無(wú)吸收峰,穩(wěn)定性受到了影響。這是因?yàn)樗釅A性溶液中的電荷會(huì)破壞銀溶膠的電荷平衡,導(dǎo)致顆粒間排斥力急劇減小,出現(xiàn)粒子間的團(tuán)聚。對(duì)于AgNPs-Lysine體系,吸收光譜發(fā)生藍(lán)移至418 nm,可以看到在pH值為3,4,11時(shí),賴氨酸修飾的銀溶膠已沒有明顯的特征峰,觀察溶液顏色由黃綠色變成無(wú)色,出現(xiàn)黑色沉淀,說(shuō)明納米銀顆粒出現(xiàn)了明顯的聚沉[15],在此過(guò)程中,AgNPs-Lysine體系不穩(wěn)定。而在pH值為5～10時(shí)其紫外峰形與峰值未發(fā)生明顯改變,說(shuō)明在pH值為5～10條件下納米銀和賴氨酸得到穩(wěn)定的修飾體系。

Fig.1 UV-Vis spectrum(A) and SEM image of Ag colloids (B)

Fig.2 UV-Vis spectra of Ag colloids(A) and AgNPs-Lysine(B) at different pH values

3.2 動(dòng)態(tài)光散射

圖3為不同pH值納米銀溶液的DLS光強(qiáng)自相關(guān)函數(shù)圖像。根據(jù)圖像可以觀察到,納米銀在pH 5～10溶液時(shí),自相關(guān)曲線比較平滑(圖3(c)(d)(e)(f)(g)(h)),說(shuō)明納米銀溶液比較穩(wěn)定。而納米銀在pH為3、4和11時(shí),光強(qiáng)-自相關(guān)曲線明顯變差,納米銀不穩(wěn)定,與紫外吸收光譜的結(jié)果一致。

Fig.3 DLS correlation curves of AgNPs at different pH values (a)pH=3; (b)pH=4; (c)pH=5; (d)pH=6; (e)pH=7; (f)pH=8; (g)pH=9; (h)pH=10; (i)pH=11

根據(jù)AgNPs-Lysine體系的DLS光強(qiáng)-自相光曲線可以觀察到(圖4),AgNPs-Lysine體系在pH 5～10溶液時(shí),自相關(guān)曲線比較平滑(圖4(c)(d)(e)(f)(g)(h)),說(shuō)明賴氨酸在銀溶膠中得到了穩(wěn)定的修飾體系。而AgNPs-Lysine在pH值為3,4,11溶液時(shí),光強(qiáng)-自相關(guān)曲線衰減慢,曲線不平滑,說(shuō)明體系不穩(wěn)定,這與吸收光譜的結(jié)果一致。

Fig.4 DLS correlation curves of AgNPs-Lysine at different pH value (a)pH=3; (b)pH=4; (c)pH=5; (d)pH=6; (e)pH=7; (f)pH=8; (g)pH=9; (h)pH=10; (i)pH=11

3.3 粒徑分布

表1為不同pH值下納米銀、AgNPs-Lysine體系粒徑數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)分析表明：pH值在4～10之間,納米銀粒徑分布比較集中,但pH值為11時(shí),銀溶膠發(fā)生聚沉。不同的pH值下的納米銀粒徑不同,說(shuō)明調(diào)節(jié)銀膠體的pH值可改變銀膠體的穩(wěn)定性。加入賴氨酸后,粒徑都發(fā)生了變化,說(shuō)明納米銀與賴氨酸進(jìn)行了結(jié)合,納米銀-賴氨酸體系在pH值為5～10的范圍內(nèi)穩(wěn)定,結(jié)果與吸收光譜和DLS自相關(guān)曲線一致。

Tab.1 Particle size of AgNPs and AgNPs-Lysine

3.4 AgNPs-lysine體系表面增強(qiáng)拉曼光譜

本實(shí)驗(yàn)得到了pH=4,pH=7,pH=10時(shí)賴氨酸在納米銀粒子上的SERS光譜(圖5)。

Fig.5 SERS of AgNPs-Lysine at different pH values

從賴氨酸的表面增強(qiáng)拉曼譜圖中可以看出(圖5),在pH=4、pH=7、pH=10時(shí),均出現(xiàn)了比較明顯的賴氨酸特征拉曼峰,但峰位不完全相同[12,16]。當(dāng)pH為4和7時(shí),賴氨酸的拉曼譜圖出峰相似,為δ(NH3+) 的1444 cm-1譜峰和δ(COO-)的1576 cm-1,此時(shí)賴氨酸通過(guò)氨根和羧酸根共同與銀納米粒子發(fā)生相互作用；當(dāng)pH為10時(shí),NH3+發(fā)生去質(zhì)子化,此時(shí)賴氨酸只出現(xiàn)COO-的伸縮振動(dòng)在1576 cm-1處,說(shuō)明此條件下賴氨酸以羧酸根吸附在銀粒子表面。最強(qiáng)峰1372 cm-1和其他譜峰為賴氨酸側(cè)鏈的-CH2和NH2振動(dòng)產(chǎn)生。

4 結(jié)論

納米銀及其與賴氨酸混合體系的穩(wěn)定性及其相互作用與所處環(huán)境的pH值有著密切聯(lián)系。在不同pH值下,納米銀的粒徑會(huì)有所改變。納米銀本身是帶電荷的,不同的pH值會(huì)影響膠體的電荷平衡,因此改變?nèi)芤簆H值可使納米銀粒子聚集、長(zhǎng)大,產(chǎn)生聚沉。對(duì)于賴氨酸-納米銀體系,經(jīng)紫外吸收光譜和Zeta電位及粒度分析儀測(cè)定,在pH為5～10范圍內(nèi),具有較強(qiáng)的吸收峰,DLS自相關(guān)曲線平滑,粒徑分布集中,說(shuō)明體系穩(wěn)定。當(dāng)溶液偏酸性時(shí),體系呈亞穩(wěn)團(tuán)聚狀態(tài),同時(shí)根據(jù)賴氨酸的SERS譜圖分析,此時(shí)賴氨酸通過(guò)氨根和羧酸根共同吸附在銀納米粒子表面。隨著pH值的增大,體系的穩(wěn)定性逐步增強(qiáng),當(dāng)pH值為10時(shí),此時(shí)賴氨酸僅以羧酸根吸附在納米銀表面。本論文的研究為肽、蛋白質(zhì)等生物分子與納米材料的相互作用研究提供簡(jiǎn)單的吸附模型。

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Effects of pH on Silver Nanoparticles and Its Interaction with Lysine Studied by Spectroscopy

ZHANG Lei,JI Wen-jin,SONG Wei,CHEN Zhi-shun,ZHAO Su-qing*

(SchoolofChemicalEngineeringandLightIndustry,Guangdonguniversityoftechnology,Guangzhou,510006)

The prepared silver nanoparticles synthesized by chemical method was bound with lysine at different pH values.The UV-Vis spectrum and dynamic light scattering methods were used to study the stability of Ag colloids and AgNPs-lysine system.The interaction of Ag nanoparticles and lysine was surveyed by SERS.The results showed at the pH value of 5～10,the UV-Vis spectra appeared strong adsorption peak,the particle size was uniform distribution and DLS intensity auto-correlation curve was smooth,which indicated that the system had good stability.The interaction of lysine binding to Ag nanoparticle surface was investigated by SERS.At the pH value of 4,the SERS band at 1440 cm-1is assigned to δ(NH3+),and the band of 1576 cm-1is assigned to δ (COO-),which tells the lysine adsorbs on the Ag surface through the interaction of the amino and carboxyl groups together.At the pH value of 10,the main characteristic Raman spectrum was δ(COO-) at 1576 cm-1,it demonstrated that the lysine was adsorbed on the surface of silver nanoparticles with the NH3+group.

silver nanoparticles; lysine; pH value; SERS; DLS

2015-07-14; 修改稿日期:2015-11-02

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41271340),廣東工業(yè)大學(xué)校青年基金項(xiàng)目(13ZK0386)資助

張磊(1986-),女,甘肅高臺(tái)人,實(shí)驗(yàn)師,研究方向?yàn)榧{米金屬材料的制備表征及表面增強(qiáng)拉曼光譜應(yīng)用,E-mail：zhangleishg@163.com

趙肅清,E-mail：sqzhao@gdut.edu.cn

Q517

A

10.13883/j.issn1004-5929.201603001