沈建磊 徐 艷 李 昆 宋世平 樊春海

（中國(guó)科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所嘉定園區(qū) 上海 201800）

啞鈴狀納米金的合成及其光吸收效應(yīng)的研究

沈建磊 徐 艷 李 昆 宋世平 樊春海

（中國(guó)科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所嘉定園區(qū) 上海 201800）

通過在DNA組裝的納米金棒上實(shí)現(xiàn)金的再生長(zhǎng)，我們合成了一種啞鈴狀的復(fù)合金納米結(jié)構(gòu)。通過紫外-可見吸收發(fā)現(xiàn)，該結(jié)構(gòu)在較小的尺寸下，表現(xiàn)出良好的近紅外吸收特性，這為進(jìn)行深層組織光熱治療提供了一種良好的載體。另外，通過改變還原劑與氯金酸的比率及還原劑的種類，可以得到金棒兩端生長(zhǎng)“刺狀突起”和“海膽狀”金納米結(jié)構(gòu)。由于這兩種結(jié)構(gòu)具有較大的比表面使其在表面增強(qiáng)拉曼和金屬催化等方面具有潛在的應(yīng)用；同時(shí)該結(jié)構(gòu)可用于包裹標(biāo)記同位素作為放射性藥物進(jìn)入細(xì)胞或體內(nèi)的載體。

金納米棒，DNA納米結(jié)構(gòu)，光熱效應(yīng)，標(biāo)記化合物

金納米顆粒具有優(yōu)異的光學(xué)性質(zhì)，已廣泛應(yīng)用于生物傳感器[1]、納米光學(xué)器件[2]等領(lǐng)域；也由于其具有較好的生物相容性而被廣泛應(yīng)用于藥物載體[3]；近年來又發(fā)現(xiàn)納米金具有增強(qiáng)拉曼信號(hào)的作用[4]。目前已合成的納米金結(jié)構(gòu)包括球狀體、棒狀體、立方體、金花等[5–7]。在眾多的結(jié)構(gòu)中，納米金棒以其特有的二維不對(duì)稱性得到了廣泛研究。目前通過化學(xué)合成方法可以制備大量結(jié)構(gòu)均一且具有不同長(zhǎng)徑比的金棒，并確定納米金棒的光學(xué)性質(zhì)隨其長(zhǎng)徑比的變化而有顯著不同[8]，這為納米光子學(xué)器件的研究奠定了基礎(chǔ)。Verellen等[9]利用電子束蝕刻的方法制備出具有“∏”結(jié)構(gòu)的超材料，但是這種合成方法需要昂貴的儀器，不利于大規(guī)模生產(chǎn)。Poon等[10]利用納米金棒的光致熱效應(yīng)進(jìn)行可控釋藥，他們采用的金棒最大紫外-可見吸收波長(zhǎng)在700 nm左右，而這一波長(zhǎng)納米金的組織透過性較差。光波的波長(zhǎng)越長(zhǎng)，穿透性能力越強(qiáng)，即組織透過性越好，因此，研究的熱點(diǎn)多集中于具有較長(zhǎng)波長(zhǎng)吸收的納米金結(jié)構(gòu)。由于金棒長(zhǎng)徑比的增加，其紫外吸收會(huì)發(fā)生紅移，所以目前一般采用化學(xué)合成方法制備不同長(zhǎng)徑比的金棒。但是這同樣會(huì)導(dǎo)致金棒尺寸的增加，比如當(dāng)吸收在900 nm左右時(shí)，金棒的長(zhǎng)徑比達(dá)到5左右[8]，而這一尺寸又嚴(yán)重影響了金棒的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

鑒于上述問題，制備較小尺寸且具有紅外或者近紅外吸收的納米金棒顯得十分重要。文獻(xiàn)[11]報(bào)道了納米顆粒間的耦合作用可使納米結(jié)構(gòu)的光學(xué)性質(zhì)發(fā)生顯著變化。但是需要納米金之間的距離在10 nm以下。而使納米顆?？拷姆椒ㄒ话闶峭ㄟ^DNA雜交或者是固定在基底上[12]，但是這樣既不穩(wěn)定也不利于實(shí)際的應(yīng)用。因此，我們提出在小金棒兩端直接生長(zhǎng)納米金球的方法，以實(shí)現(xiàn)對(duì)其光學(xué)性質(zhì)的調(diào)控。這相當(dāng)于兩個(gè)金球和一個(gè)金棒發(fā)生耦合作用，使其在較小的尺寸下具有光學(xué)性質(zhì)變化。Lee等[13]報(bào)道了在納米金表面上定向生長(zhǎng)銀，通過在納米金表面上組裝DNA，調(diào)節(jié)溶液中NaCl的濃度即可使銀定向生長(zhǎng)。由于金棒在制備過程中會(huì)使用大量的十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)，且這種分子會(huì)在金棒側(cè)面大量地吸附，而在金棒兩端的吸附則比較少[14]，因此我們認(rèn)為通過相似的操作可以在納米金棒的兩端上長(zhǎng)出金球。

本文主要內(nèi)容是在較小的金棒兩端生長(zhǎng)納米金球，通過調(diào)節(jié)加入氯金酸的量、還原劑與氯金酸的比例和還原劑的種類，控制納米金只在金棒兩端生長(zhǎng)，并控制生長(zhǎng)的金球的形貌。TEM表征說明該方法具有高的產(chǎn)率(＞95%)及好的均一性；紫外吸收顯示該方法制備的納米金的紫外吸收波長(zhǎng)與同尺寸下的金棒相比，有明顯的紅移。特別地，通過這種方法我們還得到了一種“海膽”結(jié)構(gòu)的納米金。所得的結(jié)構(gòu)由于具有較大的比表面使其在表面增強(qiáng)拉曼、金屬催化、放射性藥物載藥可控釋放等方面都具有潛在的應(yīng)用。

1 材料與方法

1.1材料和儀器

鹽酸羥氨，美國(guó)Aldrich試劑公司；氯金酸，中國(guó)百靈威試劑公司；抗壞血酸鈉(沃凱)，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑公司；聚乙烯吡咯烷酮(PVP)K-30，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑公司。

紫外-可見分光光度計(jì)，U-3010，日本Hitachi公司(儀器工作波長(zhǎng)范圍200–1100 nm)。

1.2納米金棒的制備

40 nm×10 nm納米金棒的制備采用文獻(xiàn)[5]報(bào)道的方法。

1.3金棒上組裝DNA

首先將合成的金棒離心洗滌兩次，以除去溶液中剩余的CTAB。然后用去離子水進(jìn)行重懸至原體積。取100 μL納米金棒溶液，加入1 μL 1% SDS溶液，然后加入3 μL巰基DNA(序列為：3’-HS-(CH2)3-A10-PEG18-AAACTCTTTGCGCAC-5’)，37oC恒溫過夜。加入10 μL 0.1 mol/L PB溶液(pH 7.4)，半小時(shí)后加入2 mol/L NaCl(2×2, 3×2)至終濃度為0.2 mol/L，37oC恒溫過夜。離心洗滌3次(12000 r/min，20 min, 4oC)以除去剩余的DNA和金表面上吸附的過量CTAB。最后用10 mmol/L PB緩沖液重懸至原體積。由于可以在DNA鏈上進(jìn)行放射性藥物的標(biāo)記，所以通過相同的方法也可以對(duì)標(biāo)記了放射性核素的DNA進(jìn)行組裝。

1.4金棒兩端長(zhǎng)金球、金刺及“海膽狀”結(jié)構(gòu)納米金的合成

金棒兩端長(zhǎng)金球：取上述重懸溶液10 μL，加入90 μL PB緩沖液和500 μL 1%PVP，混合均勻后，依次加入鹽酸羥胺還原劑和氯金酸溶液各10 μL。金棒兩端長(zhǎng)金刺：方法大致與生長(zhǎng)金球時(shí)條件相似，只是所用鹽酸羥氨的量為20 μL或30 μL。“海膽狀”結(jié)構(gòu)納米金的合成與前兩種方法步驟類似，不同的是還原劑的種類由鹽酸羥氨變?yōu)榭箟难徕c?？箟难徕c與氯金酸所加入的體積均為10 μL。

2 結(jié)果與討論

反應(yīng)原理如圖1所示，首先在納米金棒上組裝DNA分子，然后加入納米金生長(zhǎng)液，通過調(diào)節(jié)加入氯金酸的量、還原劑與氯金酸的比例及還原劑的種類控制納米金在金棒兩端進(jìn)行生長(zhǎng)。

圖1 DNA調(diào)控的納米金棒上納米球的生長(zhǎng)Fig.1 Growing of Au nanospheres on the surface of DNA modified Au nanorods.

2.1納米金棒的表征

按照文獻(xiàn)[5]報(bào)道的方法合成了金納米棒，并對(duì)其進(jìn)行了透射電鏡(TEM)表征，發(fā)現(xiàn)其尺寸一般在10 nm×40 nm左右(圖2)。從圖2(a)可知此方法不僅產(chǎn)率高，且得到的納米金棒尺寸均一。圖2(b)中對(duì)單個(gè)納米金棒進(jìn)行超分辨TEM表征，結(jié)果顯示金棒是單晶結(jié)構(gòu)。另外，紫外吸收光譜顯示，納米金棒有兩個(gè)吸收峰，分別對(duì)應(yīng)于金棒短軸的表面等離子體振動(dòng)(520 nm)和金棒長(zhǎng)軸的表面等離子振動(dòng)(650 nm)，這與文獻(xiàn)[5]報(bào)道的結(jié)果相符。

2.2兩端不同尺寸的金納米棒的制備

通過向反應(yīng)溶液中加入還原劑和氯金酸，金原子就會(huì)在金棒兩端緩慢沉積，最終生長(zhǎng)成啞鈴狀結(jié)構(gòu)。由圖3(a)可知，金原子在金棒的兩側(cè)端形成了兩個(gè)金球，其尺寸隨氯金酸量而增加(圖3b)，并出

現(xiàn)把整個(gè)金棒包裹起來的趨勢(shì)。紫外吸收顯示，當(dāng)金棒兩端生長(zhǎng)出兩個(gè)較小金球時(shí)，其長(zhǎng)軸等離子體共振對(duì)應(yīng)的紫外吸收相對(duì)于原金棒發(fā)生明顯的紅移(吸收峰在890 nm左右)，而短軸所對(duì)應(yīng)的紫外吸收卻沒有明顯變化。這也與TEM中所示的金只生長(zhǎng)在長(zhǎng)軸方向相對(duì)應(yīng)。另外，隨著氯金酸用量的繼續(xù)增加，新生的金幾乎將整個(gè)金棒包裹起來。此時(shí)，從紫外光譜中可以看出其長(zhǎng)軸對(duì)應(yīng)的紫外吸收會(huì)發(fā)生明顯的藍(lán)移。這是由于隨著金將金棒完全包裹，金棒的對(duì)稱性降低，其形狀逐漸趨于球形了。當(dāng)繼續(xù)增加氯金酸的量時(shí)，納米金就會(huì)向兩側(cè)生長(zhǎng)并逐漸將納米金棒包裹起來；由于DNA修飾在納米金棒的表面，所以新生成的金殼也將DNA包裹起來。若將DNA進(jìn)行放射性標(biāo)記，可以將放射性藥物包裹在納米金里，這樣能夠降低放射性藥物對(duì)正常細(xì)胞的損傷，同時(shí)維持藥物在體內(nèi)的穩(wěn)定性。

圖2 納米金棒表征(a) TEM成像，(b) 單個(gè)金棒超分辨TEM成像，(c) 金棒溶液的紫外吸收Fig.2 Characterization of Au nanorods.(a) TEM imaged of Au nanorods, (b) HRTEM image of single Au nanorod, (c) UV-vision absorbance of Au nanorods solution.

圖3 氯金酸加入量與金顆粒尺寸的關(guān)系(a) 氯金酸量為10 μL，(b) 氯金酸量為20 μL，(c) 兩種結(jié)構(gòu)的紫外吸收Fig.3 The relationship between the amount of chloroauric acid and particle size. (a) 10 μL chloroauric acid, (b) 20 μL chloroauric acid, (c) UV-vision absorbance of two nanostructures

對(duì)于納米金傾向于在金棒兩端生長(zhǎng)的機(jī)制，我們認(rèn)為與DNA在金棒兩端及側(cè)面的組裝密度不同有關(guān)。文獻(xiàn)[14]報(bào)道，在相同尺寸的納米金表面上組裝DNA時(shí)，DNA會(huì)首先組裝到金棒兩端，然后組裝在金棒側(cè)面。在金棒兩端組裝的DNA鏈數(shù)一般只有5–6條；而金棒側(cè)面的組裝密度高于兩端(如圖1所示)。所以在長(zhǎng)金的過程中，金原子會(huì)首先傾向于沉積在DNA組裝密度較低的金棒兩端。由于新長(zhǎng)成的金簇表面是裸露的，所以利于后面金原子的進(jìn)一步沉積并最終長(zhǎng)成金球形狀，直至溶液中金原子耗竭為止。另外，金棒兩端較側(cè)面具有更低的能量，更利于原子的沉積。

比較在金棒兩端生長(zhǎng)不同尺寸納米金的紫外-可見吸收光譜可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)在金棒兩端長(zhǎng)出球狀的金顆粒時(shí)，其紫外吸收發(fā)生了明顯的紅移現(xiàn)象。起初，金棒的紫外最大吸收峰位于660 nm左右(見圖2c)；兩端生長(zhǎng)了10 nm的金球后(圖3a)，其紫外吸收最大峰位于890 nm左右。吸收波長(zhǎng)紅移了約200 nm。但隨著金球尺寸的繼續(xù)增加，紫外吸收又發(fā)生了藍(lán)移。從圖3(b)中可知，當(dāng)生長(zhǎng)的金球增大時(shí)，并不是沿著金棒長(zhǎng)軸的方向生長(zhǎng)；相反地，開始將金棒逐漸包裹起來，這樣金棒的長(zhǎng)軸和短軸之間的差距就會(huì)減小，從而導(dǎo)致其長(zhǎng)軸對(duì)應(yīng)的等離子體共振紫外吸收藍(lán)移。

2.3新生金球的形貌控制

我們發(fā)現(xiàn)，改變還原劑和氯金酸的摩爾比可以使新生金球呈現(xiàn)不同的形貌。當(dāng)還原劑量足夠大時(shí)，金棒兩端新生金球?yàn)榇虪?如圖4)。刺狀突起的形成應(yīng)該歸因于反應(yīng)速率的增加。當(dāng)反應(yīng)速率增加時(shí)，不利于金原子的有序沉積，此時(shí)金原子就會(huì)沿著一種分枝狀模式進(jìn)行生長(zhǎng)，并最終長(zhǎng)成刺狀突起結(jié)構(gòu)。如圖4(b)所示，金原子在金棒兩端的沉積也不再是采用單點(diǎn)成核的方式，而是采用多點(diǎn)成核的方式，即同時(shí)在多處成核，然后隨著生長(zhǎng)的進(jìn)行，刺狀突起逐漸連接起來。為了進(jìn)一步研究還原劑鹽酸羥胺與氯金酸的比例對(duì)生成金球形貌的影響，我們采用了三組不同的還原劑和氯金酸比例(體積比)。將鹽酸羥胺/氯金酸分別設(shè)定為：30/10、20/10和10/10(圖5a、b、c)，結(jié)果顯示，隨著鹽酸羥胺與氯金酸比例的降低，反應(yīng)速率逐漸降低，生成的金球結(jié)構(gòu)也變得越來越有序。因?yàn)?，隨著鹽酸羥胺量的降低，反應(yīng)速率降低，更有利于金原子的有序沉積，并最終形成有序的納米結(jié)構(gòu)。

當(dāng)在金棒兩端長(zhǎng)成刺狀突起的結(jié)構(gòu)時(shí)(圖4(a))，其紫外吸收峰的峰位較圖3(a)中結(jié)構(gòu)的峰位沒有多大的改變，但是其強(qiáng)度發(fā)生了很大的變化，而且其峰型也變寬。這是由于長(zhǎng)成刺狀突起的時(shí)候，其結(jié)構(gòu)變得不均一，從而使紫外吸收峰型變寬。

圖4 納米金球的形貌表征(a) 具有刺狀結(jié)構(gòu)的納米金棒TEM圖，(b) 刺狀突起的HRTEM圖，(c) 該結(jié)構(gòu)的紫外-可見吸收Fig.4 Morphology of the Au nanospheres.(a) TEM images of Au nanorod with Au splinter at the end, (b) HRTEM of the “Au splinter”,(c) UV-vision absorbance of the nanostructure

2.4 “海膽”狀納米金棒的合成

通過改變還原劑，可以觀察還原劑對(duì)生成結(jié)構(gòu)的影響。結(jié)果表明，當(dāng)將還原劑由鹽酸羥氨改為抗壞血酸鈉時(shí)，可以得到一種“海膽”狀結(jié)構(gòu)的納米金棒。該方法不僅具有高的產(chǎn)率，且形狀均勻。如圖6所示，刺狀的突起均勻布滿整個(gè)金棒四周，而且刺狀突起之間具有明顯的縫隙。這極大地增加了納米顆粒的比表面，為后續(xù)的應(yīng)用提供了可能。

從圖6(b)可以看出，刺狀突起之間存在間隙，說明刺狀突起的生長(zhǎng)是采用一種多位點(diǎn)成核的方式，這種生長(zhǎng)方式應(yīng)該是上述兩端長(zhǎng)成刺狀突起結(jié)構(gòu)的特殊形式。至于金原子在金棒側(cè)面和金棒兩端同時(shí)成核應(yīng)該是由于還原劑的作用。當(dāng)利用抗壞血酸鈉作為還原劑時(shí)，溶液pH呈弱堿性，此時(shí)金原子在溶液中直接成核，生長(zhǎng)納米金簇[15]，而溶液中的金簇在遇見游離的金棒時(shí)則會(huì)吸附在金棒四周。隨著金顆粒的繼續(xù)生長(zhǎng)，便形成了這種由均勻的刺狀突起包圍的“海膽狀”結(jié)構(gòu)。

圖5 三種鹽酸羥胺/氯金酸比例(體積比)下制備的納米金的TEM圖片 (a) 30/10, (b) 20/10和(c) 10/10Fig.5 TEM images of Au nanostructures in the volume ratio of hydroxylamine hydrochloride/chloroauric acid of (a) 30/10, (b) 20/10 and (c) 10/10.

圖6 “海膽狀”的金納米結(jié)構(gòu) (a)均勻分布的“海膽狀”金納米結(jié)構(gòu)，(b)單個(gè)“海膽狀”的金納米顆粒TEM圖Fig.6 Sea urchin-like nanostructure. (a) sea urchin-like nanostructure with uniform size distribution, (b) TEM image of single Sea urchin-like nanoparticle

3 結(jié)語

通過在DNA組裝的納米金棒表面進(jìn)行金生長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)，我們得到了三種不同結(jié)構(gòu)的復(fù)合金納米結(jié)構(gòu)。在反應(yīng)過程中不僅沒有引入對(duì)生物體有毒的分子，且合成方法簡(jiǎn)單。通過紫外-可見吸收可知，當(dāng)在金棒兩端生長(zhǎng)成球狀的納米金時(shí)，其紫外-可見的最大吸收峰紅移至900 nm左右，這就為進(jìn)行深層組織的光熱治療提供了一種非常有用的載體。另外兩種結(jié)構(gòu)具有較大的比表面，在SERS及金屬催化方面會(huì)有較好的應(yīng)用前景。所合成納米結(jié)構(gòu)具有夾層，通過DNA放射性標(biāo)記或標(biāo)記化合物預(yù)組裝，可以作為放射性藥物的載體，并有望在放射性治療中實(shí)現(xiàn)藥物可控緩釋。

1 Song S P, Liang Z Q, Zhang J, et al. Gold- Nanoparticlebased multicolor nanobeacons for sequence-specific DNA analysis[J]. Angewandte Chemie International Edition, 2009, 121(46): 8826–8830

2 Fan P Y, Chettiar U K, Cao L Y, et al. An invisible metal–semiconductor photodetector[J]. Nature Photonics, 2012, 6: 380–385

3 Wei M, Chen N, Li J, et al. Polyvalent immunostimulatory nanoagents with self-assembled CpG oligonucleotideconjugated gold nanoparticles[J]. Angewandte Chemie International Edition, 2012, 51(5): 1202–1206

4 Etchegoin P G, Le E C Ru. A perspective on single molecule SERS: current status and future challenges[J]. Physical Chemistry Chemical Physics, 2008, 10(40): 6079–6089

5 Sau T K, Murphy C J. Seeded high yield synthesis of short au nanorods in aqueous solution[J]. Langmuir, 2004, 20(15): 6414–6420

6 Zhang J, Langille M R, Personick M L, et al. Concave cubic gold nanocrystals with high-index facets[J]. Journal of the American Chemical Society, 2010, 132(40): 14012–14014

7 Wang Z D, Bharathi M S, Hariharaputran R, et al. PH-dependent evolution of five-star gold nanostructures: an experimental and computational study[J]. ACS Nano, 2013, 7(3): 2258–2265

8 Chang S S, Shih C W, Chen C D, et al. The shape transition of gold nanorods[J]. Langmuir, 1999, 15(3): 701–709

9 Verellen N, Sonnefraud Y, Sobhani H, et al. Fano resonances in individual coherent plasmonic nanocavities[J]. Nano Letter, 2009, 9(4): 1663–1667

10 Poon L, Zandberg W, Hsiao D, et al. Photothermal release of single-stranded DNA from the surface of gold nanoparticles through controlled denaturating and Au-S bond breaking[J]. ACS Nano, 2010, 4(11): 6395–6403

11 McMahon J M, Li S Z, Ausman L K, et al. Modeling the effect of small gaps in surface-enhanced Raman spectroscopy[J]. Journal of Physical Chemistry C, 2012, 116(2): 1627–1637

12 Lim D K, Jeon K S. Nanogap-engineerable Raman-active nanodumbbells for single-molecuLe detection[J]. Nature Material, 2010, 9(1): 60–67

13 Lee J H, Kim G H. Directional synthesis and assembly of bimetallic nanosnowmen with DNA[J]. Journal of the American Chemical Society, 2012, 134(12): 5456–5459

14 Xu L G, Kuang H, Xu C L, et al. Regiospecific plasmonic assemblies for in situ Raman spectroscopy in live cells[J]. Journal of the American Chemical Society, 2012, 134(3): 1699?1709

15 Brown K R, Natan M J. Hydroxylamine seeding of colloidal Au nanoparticles in solution and on surfaces[J]. Langmuir, 1998, 14(4): 726–728

CLCTL12

Synthesis of Dumbbell-like Au nanostructure and its light-absorbance study

SHEN Jianlei XU Yan LI Kun SONG Shiping FAN Chunhai
(Shanghai Institute of Applied Physics,Chinese Academy of Sciences,Jiading Campus,Shanghai 201800,China)

Background:By changing the size or the morphology of Au nanostructures, they can absorb different wavelength light due to the localized surface plasmon resonance (LSPR). Because Au nanorods show good ability to transform light into heat (photothermal effect), they have been wildly used to deliver the drugs and release them controllably. However, when applying such nanostructures for in vivo treatments, Au nanorods must have long aspect ratio which often make it hard to prepare heterogeneous nanostructures. Purpose: A new method to synthesize Au nanostructures with uniform size and to achieve long wavelength light absorbance is needed. This work attempts to synthesize such Au nanostructures by using bio-nano techniques. Methods: New nanostructures are prepared by growing Au nanoparticles on the surface of Au nanorods modified with DNA molecules. Results: Dumbbell-like Au nanostructures were prepared firstly. Its maximum absorbance locates at near ultraviolet region, which means that it can be used as a potential tool for the deep-skin photothermal treatment. Moreover, other two kinds of nanostructures, i.e. Au nanorods with Au splinter at two ends and sea urchin-like nanostructures, are also studied. Conclusions: We successfully fabricated novel Au nanostructures which can be used for drug delivery, surface-enhanced Raman spectroscopy and catalysis.

Au nanorods, DNA nanostructure, Photothermal effect, Labeled compound

TL12

10.11889/j.0253-3219.2013.hjs.36.060501

沈建磊，男，1987年出生，2010年畢業(yè)于合肥工業(yè)大學(xué)，現(xiàn)為中國(guó)科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所碩士研究生，專業(yè)：無機(jī)化學(xué)

2013-03-10，

2013-04-13