二元混合表面活性劑用于窄吸收金納米棒的無種子合成

陸 峰，貢 祎，趙 婷，趙 寧，琚雯雯，范曲立，黃 維

（南京郵電大學有機電子與信息顯示國家重點實驗室培育基地,江蘇省生物傳感材料與技術重點實驗室,江蘇先進生物與化學制造協(xié)同創(chuàng)新中心,南京210023）

金納米棒（AuNRs）作為金納米材料的一種，因獨特的形貌特征而具有特殊的光學和電學方面的性質，在生物傳感、分子影像、生物治療和催化合成等方面展現(xiàn)出巨大的應用前景［1～4］.AuNRs對光的吸收來自于其表面等離子體共振，包括縱向表面等離子共振（LSPR）和橫向等離子共振（HSPR）.AuNRs的LSPR與其長徑比直接相關，為其特征吸收，是判斷其性能的重要指標之一.隨著長徑比的增加，金納米棒的LSPR能從可見光區(qū)連續(xù)調節(jié)至紅外光區(qū)［5］.同時金納米棒的LSPR具有極高的摩爾吸光系數［6］，因而在光聲成像和光熱治療方面具有顯著的優(yōu)勢［7］.

在金納米棒被首次合成之后［8］，研究者對其制備方法進行了大量的探索［9～11］.種子生長法［5，12，13］、光化學合成法［14，15］、電化學法［16］和模板法［17］等方法都已被用于金納米棒的制備.2003年El-Sayed等［5］提出了以十六烷基三甲基溴化銨（CTAB）包覆的金納米顆粒為金種、Ag+輔助生長的種子生長法，大幅提高了金納米棒的產率，逐漸發(fā)展成為金納米棒制備的標準方法.Murray等［18～20］在該方法基礎上引入芳香族化合物等添加劑，大大提高了金納米棒的均勻性和可控性，成為金納米棒制備的最佳方案之一.雖然種子生長法在金納米棒的制備上取得了巨大的成功，但是種子生長法是兩步法，種子溶液需要現(xiàn)制且無法保存，相對來說合成步驟較復雜且生產難度較大.因此Jana等［21］發(fā)展了不需要金種的一步法制備金納米棒，通常被稱為無種子法.近年來無種子法的研究已經成為金納米棒合成領域的研究熱點［22～24］.5-溴水楊酸、芐基十六烷基二甲基氯化銨等［25～27］被作為添加劑或表面活性劑輔助CTAB控制金納米棒的各向異性生長，白藜蘆醇、多巴胺、對苯二酚等［28，29］弱還原劑被用來代替抗壞血酸（AA），用于Au3+到Au+的還原并調控金納米棒的生長.雖然近年來無種子法得到了快速的發(fā)展，但是與種子生長法相比，其產物的均勻性仍較差，具體表現(xiàn)在無種子法制備的AuNRs普遍具有較寬的LSPR峰.

本文選擇CTAB/NaOL二元混合表面活性劑體系，研究了合成參數對金納米棒形貌及光學性質的影響，開發(fā)了一種高效的AuNRs無種子合成方法，所得AuNRs的LSPR在650～1150 nm范圍內可調，且具有較窄的半峰寬，相對于其它無種子合成方法具有明顯優(yōu)勢.已有研究發(fā)現(xiàn)光在1000～1100 nm具有最佳的活體組織穿透能力［30］，另外在1050～1150 nm范圍內具有最低的光聲背景干擾［7］，因此基于1064 nm激光的近紅外二區(qū)（NIR-Ⅱ）光聲成像和光熱治療近年來受到了廣泛的關注.本方法制備的LSPR在近紅外二區(qū)的金納米棒（LSPR為1026 nm）半峰寬僅為168 nm，能夠媲美改良過的種子生長法.光熱性能測試結果表明，該金納米棒在1064 nm激光照射下具有良好的光熱穩(wěn)定性和較高的光熱轉化效率，在近紅外二區(qū)光聲成像和光熱治療方面具有良好的應用價值.

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

四水合氯金酸（HAuCl4·4H2O）、鹽酸（HCl）、硝酸銀（AgNO3）和硼氫化鈉（NaBH4）購于國藥集團化學試劑有限公司；十六烷基三甲基溴化銨和抗壞血酸購于西格瑪奧德里奇（上海）貿易有限公司；油酸鈉（NaOL）購于梯希愛（上海）化成工業(yè)發(fā)展有限公司.所用試劑均為分析純，實驗用水均為超純水（電阻率＞18 MΩ·cm）.

UV-3600 Plus型紫外-可見-近紅外分光光度計（UV-Vis-NIR），日本島津公司；HT7700型透射電子顯微鏡（TEM），日本日立公司；FLIR E50型紅外熱像儀，美國菲力爾公司；Direct-Q 5UV型超純水機，美國密理博公司；MIL-H-1064-2W型1064 nm激光器，長春新產業(yè)光電技術有限公司.

1.2 實驗過程

1.2.1 金納米棒的合成 首先，將CTAB和NaOL在50℃下用9.8 mL超純水溶解，得到均勻透明的溶液后冷卻至30℃，CTAB和NaOL的濃度分別為49和8.21 mmol/L.接著，在攪拌下加入AgNO3溶液（4 mmol/L），使其最終濃度為0.144 mmol/L，10 s后停止攪拌并靜置15 min.然后，加入200μL 25 mmol/L HAuCl4溶液并緩慢攪拌1 h使溶液變?yōu)闊o色，再加入0.36 mL 1 mol/L HCl調節(jié)溶液pH值至1.6并攪拌數秒.最后，依次加入37.5μL新配制的86 mmol/L AA溶液和7.5μL 12 mmol/L NaBH4溶液，攪拌10 s后在30℃水浴中靜置5 h.反應完成后，將溶液裝入離心管，在8000 r/min轉速下離心10 min，棄去上層清液后，將產物分散于2 mL水中保存.

將CTAB的濃度在38.4～49.4 mmol/L范圍內進行調節(jié)，NaOL的濃度在6.5～16.4 mmol/L范圍內進行調節(jié)，AgNO3的濃度在0.072～0.288 mmol/L范圍內進行調節(jié)，HCl的用量在0.24～1.08 mL范圍內進行調節(jié)，以考察各合成參數對于所得樣品的影響，并獲得具有不同LSPR的金納米棒.

1.2.2 金納米棒的光熱性能測試 將所制備的金納米棒（LSPR峰為1026 nm）用1.5 mmol/L CTAB水溶液洗滌2次后，用該溶液配制不同吸光度（0.25，0.5，0.705，1，1.5）的金納米棒溶液.取1 mL溶液置于光程為1 cm的石英比色皿中，使用1064 nm激光器（功率1 W/cm2）照射10 min，利用紅外熱像儀讀取溶液溫度.以純水作為參照，重復上述實驗.

在金納米棒吸光度為1的條件下，改變激光器功率密度（0.5，0.75，1，1.25 W/cm2）測試樣品的光熱性能.

在金納米棒吸光度為1、激光功率為1 W/cm2的條件下，將樣品照射至最高溫度后，關閉激光器，使樣品溫度降至室溫，再重新打開激光器使樣品升溫至最高溫度，循環(huán)5次，以考察樣品的光熱穩(wěn)定性.

2 結果與討論

2.1 NaOL濃度對AuNRs形貌及LSPR的影響

NaOL是一種長鏈不飽和脂肪酸鈉鹽，溶于水后可作為陰離子表面活性劑和弱還原劑使用.NaOL在實驗初期和另一種陽離子表面活性劑CTAB一同溶解在水溶液中，這兩種表面活性劑在水溶液中有強烈的吸引力，極大提高了它們締合成棒狀膠束的能力.由于CTAB的濃度遠超過其臨界膠束濃度，因此CTAB在溶液中形成的是一種厚度約為2.5 nm的雙分子層［31］.同時，NaOL分子中的雙鍵具有一定的還原性，可起到傳統(tǒng)方法中抗壞血酸的部分作用，將Au3+原位還原成Au+.在Au+形成的同時，CTABNaOL形成的雙分子層膠束團會將其吸附在表面，使其更加穩(wěn)定.當NaOL濃度合適時，這可能有助于金納米棒的定向生長［19］.

如圖1（A）所示，當NaOL濃度從4.93 mmol/L增加至16.4 mmol/L時，所得樣品的LSPR峰逐漸藍移，最大吸收峰位置從934 nm變?yōu)?02 nm.在NaOL濃度過低（≤6.5 mmol/L）或者過高（≥13.1 mmol/L）時，樣品在510 nm處的峰高較高，甚至高于其LSPR峰，表明這時AuNRs的橫向等離子體共振較明顯，球狀產物較多.當NaOL濃度過低時，被還原的Au3+數量也相對最少，這影響了金納米棒的定向生長.同時，表面活性劑濃度較低時，其在金納米棒側面（110）晶面上的包裹密度減小，使得金納米棒的橫向生長變快，即更易生成球狀顆粒［圖1（D）］.當NaOL濃度過高時，其可將Au3+充分還原為Au+并改變金離子的氧化還原電勢，減慢還原反應的動力學速率，進而抑制各向異性生長，使金納米棒變粗或形成球形顆粒［13］［圖1（G）］.當NaOL濃度在8.21～11.5 mmol/L時，能夠獲得形貌均勻、LSPR峰較窄的金納米棒.隨著NaOL濃度在這一范圍內增大，金納米棒的尺寸從11.9 nm×57.6 nm變?yōu)?4.3 nm×77.7 nm［圖1（E）和（F）］，LSPR從889 nm（半峰寬144 nm）變?yōu)?34 nm（半峰寬107 nm）.吸收光譜測試結果［圖1（B）和（C）］表明，當NaOL濃度較高時，反應速率確實明顯變慢.當NaOL濃度為11.5 mmol/L時，LSPR峰隨反應時間的延長而藍移，說明金納米棒的生長可能分為兩步［32］，首先快速形成長徑比較大的初始金納米棒，然后金納米棒再逐漸生長變粗.這可能是由于NaOL濃度較高時，金納米棒側面（110）晶面上的生長速率高于兩端（100）晶面的生長速率，使得AuNRs的長徑比整體上有所下降，最終導致金納米棒大小的增加和LSPR峰的藍移.

Fig.1 Normalized absorption spectra of AuNRs synthesized with different NaOL concentrations(A),absorption spectra of AuNRs prepared under NaOL concentrations of 8.21 mmol/L(B)and 11.5 mmol/L(C)at different reaction time and TEM images(D—G)of AuNRs synthesized at different NaOL concentrations

2.2 AgNO濃度對AuNRs形貌及LSPR的影響3

無論是采用種子生長法還是無種子法合成AuNRs，硝酸銀的使用都是不可或缺的.通常認為AgNO3在加入到CTAB溶液中后是以AgBr的形式存在［25］，并且會嵌入到由CTAB形成的棒狀膠束中去，起到穩(wěn)定膠束形狀的作用，同時促進AuNRs在縱向上的生長，使得AuNRs的縱向表面等離子共振具有更好的可調性.已有研究［5］表明，在一定范圍內LSPR峰位置會隨AgNO3濃度的增加而紅移，這與本文報道的現(xiàn)象一致［圖2（A）和（D）］.然而在本文中，AgNO3對LSPR的調節(jié)能力并不好，只有當AgNO3濃度約為0.144 mmol/L時才能得到質量較好的金納米棒［圖2（A）和（D）］.固定NaOL濃度為8.21 mmol/L，當AgNO3濃度降低時，LSPR有一定的藍移，同時所得金納米棒變得粗細不均勻［圖2（B）］；當AgNO3濃度較高時，在550 nm處有一較弱的吸收，表明生成了不均勻的顆粒狀副產物［13］，圖2（C）所示的TEM圖片也證明了這一點.通常認為Ag+通過晶面的選擇性吸附來調節(jié)金納米棒的長徑比和LSPR，銀離子在AuNRs不同晶面上的欠電位沉積電勢不同，使其優(yōu)先沉積到金納米棒（110）面，從而減緩了金原子在該晶面上的生長，使得金納米棒沿軸向生長［33］.因此，當AgNO3濃度過低時，銀在金納米棒（110）面上的沉積不足，使得AuNRs的粗細不均勻［圖2（B）］.而當AgNO3濃度過高時，銀在金納米棒兩端（100）面的沉積開始增加，因而出現(xiàn)了類似方形的金顆粒［圖2（C）］.固定NaOL濃度為11.5 mmol/L，當AgNO3濃度降低至0.072 mmol/L時，能夠得到米粒狀顆粒［圖2（E）］，LSPR峰約為655 nm；略提高AgNO3濃度至0.108 mmol/L時，即可得到棒狀產物［圖2（F）］，LSPR峰也明顯紅移；當AgNO3濃度高于0.108 mmol/L時，所得金納米棒的LSPR峰明顯變寬，均勻性下降.這一結果與NaOL濃度為8.21 mmol/L時類似，但是由于NaOL能夠在一定程度上改變Au+離子的還原和生長速率，因此所得產物與NaOL濃度較低時在形貌上有一定的區(qū)別［圖2（E）］.總之，AgNO3濃度對LSPR的調節(jié)能力有限，但對所得AuNRs的均勻性影響很大，因而本方法中固定AgNO3濃度為0.144 mmol/L.

2.3 AA濃度對AuNRs形貌及LSPR的影響

抗壞血酸是AuNRs合成中使用頻率最高的一種弱還原劑，能夠將Au3+還原成Au+，同時促進金原子在晶種上的沉積.AA的濃度能夠改變金原子在不同晶面上的沉積速率，從而影響其長徑比和形貌，造成LSPR峰的紅移或藍移.如圖3（A）和（B）所示，當NaOL濃度不同時，AA濃度對AuNRs的LSPR峰影響有區(qū)別.在本方法中，當NaOL濃度較低（8.21 mmol/L）時，提高AA的濃度可能會增加初始晶種的濃度，使所得金納米棒整體尺寸變?。蹐D4（A）～（D）］.此時，橫向尺寸的縮減小于縱向的縮減，使得長徑比減小，LSPR峰藍移.當NaOL濃度較高（11.5 mmol/L）時，提高AA的濃度可能有助于AuNRs的縱向生長，使其LSPR峰略微紅移.總體來說，AA濃度對LSPR峰有一定的調控能力，但AA濃度過高或者過低都會明顯影響金納米棒的質量，使其半峰寬增加并產生球形顆粒.

Fig.3 Normalized absorption spectra of AuNRs synthesized with different amounts of AA under the NaOL concentration of 8.21 mmol/L(A)and 11.5 mmol/L(B)

Fig.4 TEM images of AuNRs synthesized with different amounts of AA at a NaOL concentration of 8.21 mmol/L

2.4 HCl用量對AuNRs形貌及LSPR的影響

基于近紅外二區(qū)（NIR-II，λ＞1000 nm）的光聲成像和光熱治療由于能夠提供更高的穿透深度和較低的背景干擾，在新型診療體系的開發(fā)中受到了廣泛的關注［34］.LSPR在近紅外二區(qū)的金納米棒通常是在較低的pH下獲得的［28］，因此我們在優(yōu)化過的合成體系（8.21 mmol/L NaOL，1.44 mmol/L AgNO3，37.5μL AA）中調節(jié)HCl的用量，從而使其LSPR能夠紅移至近紅外二區(qū).在加入不同體積HCl后，體系的pH值大約為1.6（0.36 mL），1.4（0.54 mL），1.3（0.72 mL），1.1（0.86 mL）及1.0（1.08 mL）.如圖5（A）所示，雖然增加HCl的量至1.08 mL可使AuNRs的LSPR峰紅移至1141 nm附近，但其半峰寬也明顯增加，并且550 nm處的吸收顯著提高，說明產生了較多球形顆粒［圖5（C）］.但我們發(fā)現(xiàn)適當降低CTAB的濃度可顯著提高在高HCl濃度下獲得的AuNRs的質量.當下調CTAB濃度至38.4 mmol/L后，在HCl用量為1.08 mL時，所得的金納米棒仍能保持較窄的半峰寬［圖5（B）］.除了在最高HCl濃度時出現(xiàn)了部分顆粒狀產物外［圖5（G）］，該方法在其它HCl濃度下均能獲得形貌較好的高長徑比AuNRs［圖5（D）～（F）］.因此，本方法能夠通過調節(jié)CTAB和HCl的濃度獲得高質量的LSPR峰在近紅外二區(qū)的金納米棒.

2.5 金納米棒的LSPR半峰寬

材料吸收峰的半峰寬是檢驗材料是否均勻的一項重要參數，同樣金納米棒的LSPR半峰寬與其長徑比是否均一有直接的聯(lián)系，是檢驗AuNRs質量的一個重要參考［13］.標準的種子生長法在經過Murray等［18，19］的改良之后，產物的均勻性有了極大的改善，LSPR半峰寬已經非常窄.目前無種子法雖然獲得了較大的發(fā)展，但是在產物的半峰寬上與種子生長法仍有較大的差距，這顯著影響了無種子法的使用.雖然也有一些無種子的方案能夠實現(xiàn)較窄的LSPR半峰寬，但是該方法僅能合成LSPR峰小于900 nm的金納米棒［23］.目前也有較多無種子方法可以實現(xiàn)LSPR峰在近紅外二區(qū)的金納米棒的制備［26～28］，但是這些方法所得樣品的半峰寬普遍很大，相關數據如表1所示.本方法在734～1071 nm范圍內能夠獲得LSPR峰較窄的AuNRs，其半峰寬明顯小于其它無種子法，甚至略好于標準的種子生長法.特別是本方法中獲得的LSPR位于1026 nm的金納米棒［圖5（F）］，半峰寬僅168 nm，能夠媲美改良過的種子生長法（LSPR峰位于1068 nm，半峰寬170 nm）.值得一提的是，光在生物組織中的穿透并不是波長越大越好，目前近紅外二區(qū)光熱治療常用1064 nm的激光，因為更長的波長（＞1100 nm）反而會降低穿透深度，導致很強的熱效應，造成正常組織燒傷［35］.因而本方法獲得的LSPR峰在1026 nm的金納米棒能夠較好地適配1064 nm激光器，用于近紅外二區(qū)的光熱治療.

Fig.5 Normalized absorption spectra of AuNRs synthesized with different amounts of HCl(1 mol/L)under the CTAB concentration of 49.4 mmol/L(A)and 38.4 mmol/L(B),TEM images of AuNRs synthesized with a HCl amount of 0.86 mL and a CTAB concentration of 49.4 mmol/L(C)and with different amounts of HCl at a CTAB concentration of 38.4 mmol/L(D—G)

Table 1 LSPR positions and corresponding FWHMs of AuNRs obtained in this work and in the literature

2.6 金納米棒的光熱性能

利用1064 nm激光器測試所得LSPR峰位于1026 nm的金納米棒在近紅外二區(qū)的光熱性能.當固定激光照射強度為1 W/cm2，改變金納米棒的濃度時，可以發(fā)現(xiàn)金納米棒溶液的溫度隨其濃度的提高而變高［圖6（A）］.當吸光度為1.5時，照射10 min后溶液溫度可達67℃，而同樣條件下水溶液僅升溫至34℃.固定AuNR溶液吸光度為1，改變激光功率密度時，可以發(fā)現(xiàn)溶液升溫曲線與照射強度直接相關，強度越大升溫越高［圖6（B）］.由于1064 nm激光的皮膚最大允許照射強度為1 W/cm2［36］，選取激光強度1 W/cm2，金納米棒吸光度為1的條件，測試了AuNRs的光熱穩(wěn)定性和光熱轉換效率.如圖6（C）所示，金納米棒在5次光照循環(huán)中的升溫曲線基本一致，同時AuNRs在光照后仍能保持原有的形貌［圖6（D）］和LSPR吸收［圖6（E）］，表明所得金納米棒具有良好的光熱穩(wěn)定性，這也是光熱治療材料所必需的性質.材料的光熱轉換效率按照文獻［37］中的方法進行計算.根據圖6（C）中的降溫曲線，可以計算出體系的時間常數為120.7 s［圖6（F）］，從而得出AuNRs在1064 nm處的光熱轉換效率約為31.5%，這一數值能夠較好地滿足活體內光聲成像及光熱治療的需求［38］.一般認為大于2 nm的金納米材料都是生物惰性的［39］，因此金納米棒在體內是穩(wěn)定的，發(fā)生化學反應或降解的幾率不大，能夠用于活體光熱治療.需要說明的是，光聲成像雖然也基于光熱效應，但光聲成像通常使用的是納秒級脈沖激光.根據文獻［7］報道，在相同長徑比時，金納米棒對脈沖激光的穩(wěn)定性隨其尺寸的減小而增加，本工作中金納米棒的尺寸（12 nm×77 nm）介于文獻［7］所用的兩種金納米棒（8 nm×49 nm和18 nm×120 nm）之間，在非極端條件下對脈沖激光是穩(wěn)定的，可用于活體光聲成像.

Fig.6 Temperature-time profiles of AuNRs with different absorbance(A)and with different power densities(B)under laser irradiation of 1064 nm(1 W/cm2),temperature change of AuNRs over 5 laser on/off cycles(C),TEM image of AuNRs after laser irradiation(D),absorption spectra of AuNRs before and after laser irradiation(E),and time constant for heat transfer of the characterization system(τs=120.7 s)determined by applying the leaner time data vs.―lnθfrom the cooling period(F)

3 結 論

使用CTAB和NaOL二元混合表面活性劑體系，開發(fā)了一種AuNRs的無種子制備方法，研究了各合成條件對所得金納米棒的影響，實現(xiàn)了窄LSPR峰金納米棒的快速簡便合成.在8.21～11.5 mmol/L范圍內改變NaOL的濃度能夠使金納米棒的LSPR峰在734～889 nm之間有效調節(jié)，提高NaOL的濃度可使所得AuNRs粒徑整體變大但是長徑比變小，同時反應速率減慢；在較低的CTAB濃度下，降低體系的pH值能夠使AuNRs的LSPR峰紅移至近紅外二區(qū).本方法獲得的金納米棒的LSPR峰為1026 nm，且半峰寬較窄，具有良好的光熱穩(wěn)定性和較高的光熱轉換效率，在近紅外二區(qū)光聲成像及光熱治療方面具有良好的應用價值.