金納米顆粒的微反應(yīng)連續(xù)合成

董曉銳，王凱，駱廣生

（清華大學(xué)化學(xué)工程系，化學(xué)工程聯(lián)合國家重點實驗室，北京100084）

引 言

金納米顆粒（AuNPs）是一種重要的貴金屬納米材料，它可以分散于水中形成水溶膠，因此又被稱為膠體金（colloidal gold）[1]。溶液中的金納米顆粒表面被配體覆蓋從而免于團聚沉淀，常見配體有檸檬酸鈉（Na3Ct）[2]、十六烷基三甲基溴化銨（CTAB）[3]、聚乙烯吡咯烷酮（PVP）[4]等。由于存在局域表面等離子體共振效應(yīng)，低濃度的金納米顆粒溶液具有明顯的紫外-可見光吸收[5]，并且顆粒的粒徑越均勻其吸收峰越窄[6]。如果金納米顆粒在溶液中發(fā)生聚集，其特征吸收峰會發(fā)生紅移并且展寬[7]，因此可以利用金納米顆粒對被檢測物的光譜響應(yīng)實施分析檢測[5]。此外，金納米顆粒也可被應(yīng)用于超分子化學(xué)[8]、生物標(biāo)記[9]、化學(xué)探針[10-11]等領(lǐng)域。

不同粒徑的金納米顆粒一般采用不同方法制備，如NaBH4還原法（1～10 nm）、晶種生長法（>40 nm）等[12-15]，其中15～30 nm 的金顆粒制備技術(shù)大多源于Turkevich 法[16]，其突出優(yōu)勢在于產(chǎn)物顆粒的粒徑高度均一。該方法在水溶液中以弱還原劑檸檬酸鈉作為反應(yīng)物和配體，在沸騰條件下與氯金酸（HAuCl4）反應(yīng)形成單質(zhì)金，以不規(guī)則形態(tài)沉淀出的金顆粒晶核再經(jīng)過一定時間的奧氏熟化[17]即可轉(zhuǎn)變?yōu)檎植嫉慕鸺{米顆粒。該體系在酸性環(huán)境下反應(yīng)速度快，但易受到原料混合的影響，一般制得的顆粒粒徑分布較寬；相反在堿性環(huán)境下反應(yīng)速度慢，通過長時間的攪拌反應(yīng)有助于獲得分散因子（PDI）小于10%的金納米顆粒[18]，因此Turkevich 法一般都在堿性反應(yīng)條件下進行。反應(yīng)體系的酸堿性可通過Na3Ct 與HAuCl4的比例控制，也可以通過外加無機酸堿進行調(diào)節(jié)。Turkevich 法制備出的金納米顆粒表面由物理吸附的檸檬酸根離子保護，當(dāng)結(jié)合能力更強的配體，如巰基化合物[19-20]存在時，檸檬酸根可以被交換下來[21]，這使得很多生物分子經(jīng)巰基修飾后，可進一步與金納米顆粒結(jié)合形成功能化合物或超分子[22-23]。

由于金納米顆粒的用途廣泛，其批量制備技術(shù)是當(dāng)前化學(xué)工程領(lǐng)域的研究熱點。以往金納米顆粒大多在攪拌釜內(nèi)通過間歇反應(yīng)合成，該方法存在固有局限性，例如：反應(yīng)效率低、顆粒批次重復(fù)性差、制備規(guī)模難以靈活調(diào)節(jié)等。當(dāng)前研究者普遍認為連續(xù)化的微反應(yīng)技術(shù)是突破傳統(tǒng)間歇攪拌反應(yīng)局限的重要手段[24-26]，而且實驗室級別的微通道反應(yīng)器也十分適合快速制備金納米顆粒[27-29]，避免納米粒子大量儲存過程中穩(wěn)定性不佳的問題。2005年Wagner 等[30]拉開了金納米顆粒連續(xù)合成的序幕，他們以抗壞血酸為還原劑，通過IPHT微通道反應(yīng)器實現(xiàn)了5～50 nm 金顆粒的連續(xù)合成。該方法使用較強的還原劑快速完成反應(yīng)過程，顆粒的均勻性不夠理想。對于粒徑控制能力強的Turkevich 法，相關(guān)微反應(yīng)技術(shù)的報道還很少，主要原因在于該反應(yīng)一般通過降低反應(yīng)速率的方法控制顆粒的成核與生長，動力學(xué)上不利于微反應(yīng)過程的實施，但也有少部分研究者在該方向上進行了嘗試。例如Girardon 等[31]提出了一種不銹鋼毛細管微反應(yīng)器，他們通過T 型三通快速混合Na3Ct 和HAuCl4水溶液，制備出了平均粒徑<5 nm 的金顆粒。由于物料停留時間短，反應(yīng)僅停留在成核階段，因此顆粒均勻性也欠佳。Gavriilidis 等提出了類似的毛細管微反應(yīng)器用于實施Na3Ct和HAuCl4的水溶液反應(yīng)[32-33]，通過在合成過程中引入微波照射[34]或紫外線照射[35]的方法強化顆粒的成核，在一定程度上改善了粒徑大小和分布狀況。

為了實現(xiàn)窄分布金納米顆粒的連續(xù)穩(wěn)定制備，本文工作突破了傳統(tǒng)Turkevich 法的堿性反應(yīng)條件，提出了一種酸性條件下合成金納米顆粒的微反應(yīng)方法。該方法嘗試在高反應(yīng)速率下實施HAuCl4的還原反應(yīng)，利用螺紋管微混合器強化反應(yīng)物混合，保障成核環(huán)境的均勻性，引入惰性溶劑避免顆粒在反應(yīng)器內(nèi)沉積，在連續(xù)流的條件下完成納米顆粒的成核、生長、熟化過程，利用膜分相裝置對溶劑進行連續(xù)回收，實現(xiàn)金納米顆粒的連續(xù)穩(wěn)定合成。圍繞該方法本文重點介紹了微反應(yīng)器的設(shè)計依據(jù)，系統(tǒng)展示了反應(yīng)物摩爾比、濃度、停留時間、水油體積比、pH等因素對于顆粒粒徑分布和吸收光譜的影響規(guī)律。

1 實驗材料和方法

1.1 材料

實驗使用的三水合氯金酸（98%）來自Sigma-Aldrich，二水合檸檬酸鈉（分析純）、氫氧化鈉（分析純）來自國藥集團化學(xué)試劑有限公司，正癸烷（色譜純）來自阿拉丁生化科技股份有限公司，去離子水由The Lab 超純水系統(tǒng)制備，電導(dǎo)率為18.2 mΩ。所有藥品在實驗中未進行進一步純化。

1.2 裝置和運行

圖1 金納米顆粒微反應(yīng)連續(xù)合成實驗平臺Fig.1 Experimental platform for the microreaction continuous synthesis of gold nanoparticles

1.3 分析檢測

實驗所獲得的水相反應(yīng)產(chǎn)物通過紫外-可見光譜儀（UV2450，Shimadzu Co.,Ltd.）測量吸收光譜，通過 激 光 光 散 射 儀（BI-90Plus，Brookhaven Instruments）測量溶液中金納米顆粒的中值粒徑（d50）和分散因子（PDI）。使用離心超濾管（Ultracel-50K，Merck Millipore）濃縮顆粒溶液，并在濃縮過程中使用去離子水洗滌產(chǎn)物顆粒2 次，最終將所獲得的顆粒轉(zhuǎn)移至微柵，通過透射電鏡（JEM-2010，JEOL）觀察顆粒的形貌和分散狀態(tài)。

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 單相反應(yīng)體系的金納米顆粒連續(xù)制備

圖2 Na3Ct/HAuCl4摩爾比對金顆粒特征吸收峰的影響和窄分布金顆粒的透射電鏡照片F(xiàn)ig.2 Effect of Na3Ct/HAuCl4 molar ratio on the characteristic absorption peak of Au particles and the TEM images of narrowdistributed Au particles

表1 反應(yīng)體系pH和顆粒粒徑分布結(jié)果Table 1 pH of the reaction system and particle size distribution results

在明確了反應(yīng)的基本條件后，為了提升金納米顆粒產(chǎn)量，嘗試開展小時級連續(xù)微反應(yīng)合成實驗，結(jié)果發(fā)現(xiàn)金納米顆粒的制備過程存在顆粒在反應(yīng)器內(nèi)壁吸附的問題。如圖4所示，利用Na3Ct/HAuCl4摩爾比等于3 的實驗條件開展連續(xù)合成研究，當(dāng)微反應(yīng)器工作時間達到2 h 時，產(chǎn)物溶液顏色明顯變淺，3 h 后溶液的最大吸光度降低至初始值的1/4。取出水浴中的反應(yīng)盤管，發(fā)現(xiàn)其顏色由透明變?yōu)樽霞t（圖4 中照片），部分區(qū)域更顯示出伴有金屬光澤的黑色，說明有大量金顆粒沉積在反應(yīng)管道上。產(chǎn)生顆粒吸附現(xiàn)象的原因一方面來源于95℃的高溫反應(yīng)環(huán)境下檸檬酸鈉與金顆粒的結(jié)合力較弱，配體保護作用被削弱的金顆粒疏水性增強，易與疏水的反應(yīng)器表面相結(jié)合；另一方面單相流反應(yīng)器管壁附近流速低，顆粒停留時間長，容易在奧氏熟化的作用下進一步生長并且在管道表面發(fā)生沉降。因此，需進一步通過引入惰性溶劑隔絕納米顆粒水溶液和輸水反應(yīng)管道，實現(xiàn)微反應(yīng)器的長時間穩(wěn)定運行。

表2 不同反應(yīng)物濃度實驗的顆粒粒徑分布Table 2 Particle size distribution in experiments with different reactant concentrations

2.2 兩相反應(yīng)體系的金納米顆粒連續(xù)制備

為了解決金納米顆粒在反應(yīng)器內(nèi)的吸附問題，進一步啟用了圖1所示的液液兩相微反應(yīng)系統(tǒng)。從圖1(b)所示的PFA 毛細管內(nèi)兩相流照片可以看出，在疏水毛細管內(nèi)部水相以液滴形式存在，因此在反應(yīng)液滴和反應(yīng)器管道之間存在一層有機相薄膜[38]，該薄膜有效阻止了金顆粒接觸反應(yīng)管道壁面。實驗結(jié)果表明：經(jīng)過20 h 的連續(xù)合成實驗，反應(yīng)管道上仍然沒有任何顆粒吸附沉積現(xiàn)象的發(fā)生。

圖5對比了相同實驗體系單相和兩相反應(yīng)產(chǎn)物溶液的吸收光譜曲線。為了對比顆粒的細微差別，對該曲線也采取歸一化處理并使用式(1)定義的特征半峰寬Wλ定量比較特征吸收峰的分布情況。

圖3 HAuCl4和Na3Ct濃度對金顆粒特征吸收峰的影響(實驗條件：=200μl·min-1，τ=9.8 min =3.5)Fig.3 Effect of HAuCl4 and Na3Ct concentrations on the characteristic absorption peak of Au particles

圖4 單相流體系連續(xù)微反應(yīng)合成實驗(實驗條件==400μl·min-1，=0.5 mmol·L-1=3.0，τ=4.9 min)Fig.4 Continuous microreaction synthesis experiment in single-phase flow system

圖5 單相與兩相反應(yīng)代表性產(chǎn)物顆粒的吸收光譜對比（實驗條件=0.5 mmol·L-1=3.0，τ=4.9 min，單相反應(yīng)=400μl·min-1；兩相反應(yīng)=300μl·min-1，=200μl·min-1）Fig.5 Comparison of absorption spectra of representative product particles of single-phase and two-phase reactions

針對兩相反應(yīng)在顆粒粒徑分布上的不足，進一步優(yōu)化反應(yīng)條件以獲得特征吸收峰型更優(yōu)的金納米顆粒。文獻結(jié)果表明Turkevich 法制備的金納米顆粒可經(jīng)過一段時間的奧氏熟化變得更為均勻[18]，因此嘗試通過降低流速延長微反應(yīng)器內(nèi)的停留時間改善顆粒的分布狀態(tài)，結(jié)果如圖6(a)所示。隨著反應(yīng)停留時間從4.9 min 延長至11.8 min 顆粒的特征吸收峰明顯變窄，特征半峰寬Wλ由96 nm 下降至77 nm，說明進行適當(dāng)?shù)膴W氏熟化可以獲得粒徑更均勻的金顆粒。實驗結(jié)果還表明停留時間9.8 min和11.8 min 的實驗結(jié)果基本無差別，說明反應(yīng)10 min 后奧氏熟化的作用不再明顯?？紤]到惰性溶劑并不參與反應(yīng)過程，大量使用雖然可以更好地分割水相液滴，但是會占用反應(yīng)器體系，影響物料處理量，因此嘗試優(yōu)化其用量，結(jié)果如圖6(b)所示。實驗結(jié)果表明：水油體積比從1∶1 到7∶1 都能起到隔絕水相和反應(yīng)器壁面的效果，產(chǎn)物水溶液特征吸收峰半峰寬介于82～89 nm 之間。當(dāng)水油體積比為8∶1時，過于懸殊的體積比導(dǎo)致水相液柱在反應(yīng)管道內(nèi)容易發(fā)生聚并，此時反應(yīng)器內(nèi)流動變得不穩(wěn)定，實驗不能穩(wěn)定進行，也無法采集穩(wěn)定的產(chǎn)物溶液。此外，實驗還考察了反應(yīng)體系pH 的微小調(diào)整對于粒徑分布的影響。通過向Na3Ct 溶液中添加少量NaOH 改變反應(yīng)體系的pH 進行實驗，圖6(c)所示的實驗結(jié)果表明：在pH=6.2～6.6 的酸性范圍內(nèi)，所制備的金顆粒直徑基本無差別，相應(yīng)顆粒的特征吸收峰半峰寬在70～72 nm 之間，略優(yōu)于圖5 所示的單相體系反應(yīng)結(jié)果。圖7展示了獲得的部分代表性顆粒的透射電鏡照片，該實驗在相對優(yōu)化的實驗條件下獲得了分散因子小于10%的窄分布金納米顆粒。

圖6 不同反應(yīng)條件對金納米顆粒特征吸收峰的影響Fig.6 The influences of different reaction conditions on the characteristic absorption peaks of Au nanoparticles

圖7 代表性產(chǎn)物顆粒的透射電鏡照片F(xiàn)ig.7 TEM images of representative product particles

3 結(jié) 論

本文介紹了一種通過微反應(yīng)系統(tǒng)合成窄粒徑分布金納米顆粒的方法。不同于常規(guī)間歇合成過程所使用的堿性Turkevich 反應(yīng)體系，該方法使用酸性Turkevich 反應(yīng)體系在高反應(yīng)速率下實現(xiàn)了金納米顆粒的連續(xù)穩(wěn)定合成。所使用的微反應(yīng)系統(tǒng)通過螺紋管混合器強化物料的快速均勻混合，引入正癸烷作為惰性溶劑防止納米顆粒在反應(yīng)器內(nèi)吸附沉積，利用膜分離器實施在線油水分離實現(xiàn)溶劑的在線回收。研究結(jié)果表明：在95℃下，pH=5.6～6.6，HAuCl4濃度為0.5～1.0 mmol·L-1，Na3Ct/HAuCl4的摩爾比為3.0～3.5，反應(yīng)體系的水油體積比≤7是較為優(yōu)化的操作條件，在此條件下反應(yīng)物經(jīng)歷4.9～9.8 min的停留時間即可完成金納米顆粒的成核、生長、熟化過程，所制備的金納米顆粒中值粒徑為20～24 nm，分散因子小于10%。