張承桃,秦天禮,陳 強(qiáng),秦 云
(新疆科技學(xué)院 化工與紡織工程學(xué)院,新疆庫(kù)爾勒 841000)
近年來(lái),納米材料因與天然酶有高度相似功能,被視為一類重要的模擬酶,有望在實(shí)際應(yīng)用中取代天然酶[1]。與天然酶相比,金納米材料模擬酶呈現(xiàn)出合成成本較低、合成條件溫和、能夠長(zhǎng)期儲(chǔ)存、響應(yīng)速度快及穩(wěn)定性高等優(yōu)勢(shì),且在生物化學(xué)中表現(xiàn)出卓越的催化活力,在納米材料的組裝、催化和納米傳感器等領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用[2]。因此,較高催化性能的金納米材料在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用方面具有重要意義。基于聚合物刷負(fù)載的金納米顆粒反應(yīng)器因其具有顯著的催化效率,因此成為科研工作者關(guān)注的焦點(diǎn)。
2-溴異丁酰溴(BiBB),溴化亞銅,3-氨基丙基三乙氧基硅烷(APTES),2, 2-聯(lián)吡啶,甲基丙烯?;一谆然@(METAC),氯金酸(HAuCl4),2,2-聯(lián)氮-二(3-乙基-苯并噻唑-6-磺酸)二銨鹽(ABTS)等。
掃描電子顯微鏡(SEM),X 射線光電子能譜儀(EDS),高倍透射電子顯微鏡(HRTEM),X 射線光電子能譜(XPS)。
1.2.1 硅片表面P(METAC)刷的制備
將帶有BiBB 引發(fā)劑的硅片與Zn 片組裝,通過(guò)微流體泵將提前配置好的METAC,2, 2-聯(lián)吡啶、溴化亞銅混合溶液快速注入Si-BiBB 與Zn 片組成的容器內(nèi)反應(yīng)1 h,反應(yīng)結(jié)束后,清洗干燥,如圖1所示。
圖1 P(METAC) 刷制備反應(yīng)機(jī)理[8]
表面接枝P(METAC)刷的硅片依次置入濃度分 別 為3 mmol/L、5 mmol/L 和7 mmol/L,HAuCl4溶液中反應(yīng)30 min,制備不同尺寸的金納米顆粒(NPs)。接著,將干燥后的樣品放入NaBH4(1 mmol/L)水溶液中反應(yīng),此目的是以P(METAC)刷為模板進(jìn)行原位還原制備Au NPs。
為驗(yàn)證樣品厚度的均一性及元素分布情況,對(duì)樣品做了SEM 和EDS mapping 測(cè)試,如圖2所示)。從圖2可以看出,其厚度分布均勻,均為200 nm 左右。從元素分布圖可以看出樣品中含有C、O、Cl 和N 元素,初步驗(yàn)證了METAC 鏈的引入。
圖2 P(METAC)刷不同位置的SEM截面圖(a,b,c)和EDS mapping圖
通過(guò)XPS 對(duì)P(METAC)刷的結(jié)構(gòu)進(jìn)一步分析,如圖3所示。(a)為聚合后材料的XPS 總譜圖,表面檢測(cè)到了N 1s、Cl 2s 和Cl 2p 及強(qiáng)烈的C 1s 和O 1s 的信號(hào),且Cl 2s 和Cl 2p 兩處的結(jié)合能分別為195.17 eV 和264.84 eV,這表明P(METAC)刷成功聚合。N 1s 的結(jié)合能分別為398.1 eV 和401 eV。
圖3 P(METAC)刷的XPS圖(a)P(METAC)刷的Cl 2s、Cl 2p、C 1s、N 1s和O 1s峰;(b)N 1s的精細(xì)光譜。
用TEM 對(duì)3 mmol/L、5 mmol/L 和7 mmol/L HAuCl4濃度下的金納米顆粒進(jìn)行分析,如圖4所示。從圖4(a)分析得出HAuCl4濃度為3 mmol/L 時(shí),P(METAC)刷表面的金納米顆粒大小在1.0 nm 左右;從圖4(b)中分析得出HAuCl4濃度為5 mmol/L 時(shí),表面的金納米顆粒大小在3.2 nm 左右;從圖4(c)中分析得出HAuCl4濃度為7 mmol/L 時(shí),表面的金納米顆粒大小在6 nm 左右。用HRTEM 對(duì)HAuCl4濃度為5 mmol/L 時(shí)的P(METAC)刷表面的金納米顆粒晶面間距進(jìn)行了分析,圖像顯示金納米顆粒含有Au(111)晶格面(d=0.235 nm)(圖4 d)。綜上,P(METAC)刷的存在可以有效防止Au 納米顆粒在形成過(guò)程中的聚集,且能夠制備出類球形金納米顆粒。
圖4 P(METAC)刷穩(wěn)定的Au NPs的TEM圖
P(METAC) 膜 上Au NPs 由XPS 進(jìn) 一 步 檢測(cè)(HAuCl4,5 mmol/L),如圖5 所 示。Au NPs 在P(METAC)刷在表面的成功組裝通過(guò)Au 4f 信號(hào)的出現(xiàn)可以驗(yàn)證,從全譜圖中看出,P(METAC)中的Cl 2s 和Cl 2p 的信號(hào)峰幾乎消失,且檢測(cè)到金Au 4f的強(qiáng)烈信號(hào)(圖5 a)。Au 4f 在Au 4f7和Au 4f5處的結(jié)合能為84.5 eV 和87.6 eV(圖5 b),其結(jié)果與處于零價(jià)狀態(tài)的Au 對(duì)應(yīng),表明Au NPs 生成。
圖5 XPS測(cè)量光譜
ABTS 作為一種顯色底物,被氧化后產(chǎn)生的自由基呈藍(lán)綠色,且被氧化后產(chǎn)生的自由基在423 nm會(huì)出現(xiàn)明顯的特征吸收峰。本實(shí)驗(yàn)中,選用雙氧水和磷酸氫二鈉(緩沖液)體系作為模型反應(yīng)來(lái)驗(yàn)證金納米顆粒的催化活性,利用紫外可見光譜監(jiān)測(cè)金納米顆粒催化ABTS 氧化反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)。收集了在Si-P(MEATC)和Si-P(MEATC)-Au 表面流過(guò)的Na2HPO4(25 mmol/L),H2O2(50 mmol/L)及ABTS(2.5 mmol/L)溶液進(jìn)行紫外可見光譜分析。如圖6(b)所示,控制Na2HPO4(25 mmol/L),H2O2(50 mmol/L)以 及ABTS(2.5 mmol/L)溶 液 的 流 速 為0.4 mL/h,即催化反應(yīng)時(shí)間為30 min。當(dāng)溶液從Si-P(MEATC)表面流過(guò),其吸收峰如圖6(b)中的紅色曲線所示;當(dāng)溶液從Si-P(MEATC)-Au 表面流過(guò),其吸收峰如圖6(b)中的黑色曲線所示。相同條件下,溶液從Si-P(MEATC)-Au 表面流過(guò)的情況下紫外曲線出現(xiàn)了吸收,而溶液從Si-P(MEATC)表面流過(guò)的情況下紫外曲線沒(méi)有出現(xiàn)吸收,說(shuō)明該反應(yīng)中起催化作用的是聚合物表面負(fù)載的金納米顆粒。
圖6 ABTS顯色原理
以P(METAC)刷為模板制備金納米顆粒,研究了HAuCl4濃度對(duì)金納米顆粒尺寸的影響,當(dāng)HAuCl4濃度分別為3mmol/L、5mmol/L、7mmol/L時(shí),P(METAC)刷表面的金納米顆粒平均粒徑分別為1.2 nm、3.2 nm 和6 nm。由此可見,文章為制備高度分散、尺寸較小的金納米顆粒提供了一種策略,且為金屬/聚合物雜化材料在模擬過(guò)氧化物酶活性方面提供了廣泛的應(yīng)用前景。