一种铜纳米团簇的制备方法及其应用与流程

本发明属于纳米合成技术领域，具体涉及一种铜纳米团簇的制备方法及其应用。

背景技术：

金属纳米团簇，是一种金属核心尺寸为2nm左右的超小纳米粒子，其弥合了有机金属化合物和晶体金属纳米颗粒之间的间隙，通常由几个到几十个金属原子组成。金属纳米团簇的一个明显特征是它强的光致发光，并且具有良好的光稳定性，大的斯托克斯位移，且其尺寸接近电子的费米波长，这些特性使金属纳米团簇表现出有趣的物理和化学特性，因而引起了研究者广泛的兴趣。相对于金和银来说，铜更便宜。因此，铜纳米团簇逐渐成为金属纳米材料中的重要组成部分，并广泛应用于化学分析、生物传感、生物成像和离子检测等研究领域。

香烟烟雾中含有高浓度的毒性自由基(每次抽吸＞10¹⁶个分子)包括活性氧和活性氮。暴露这些自由基造成的氧化损伤可能导致癌症、心血管疾病和慢性肺部疾病等。目前，香烟和其他烟草制品中已包含抗氧化剂，如谷胱甘肽，维生素a，c和e，茶多酚或超氧化物歧化酶制剂，以减少口咽和呼吸道的自由基损伤，但其温度稳定性限制了其使用范围。

目前的铜纳米团簇的制备方法繁琐，且不适合大批量合成，此外部分合成方法中使用了其他还原剂，不利于其后续应用。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述技术不足，提出一种铜纳米团簇的制备方法，该制备方法简单，适合大批量合成，且在制备过程中不涉及其他还原剂，不会对其后续应用造成影响；本发明另一方面的目的，在于提出一种铜纳米团簇在清除香烟中超氧阴离子自由基方面的应用。

为达到上述技术目的，本发明的技术方案提供一种铜纳米团簇的制备方法，包括如下步骤：将铜源水溶液和谷胱甘肽水溶液混合后，在常温下搅拌，得到乳白色水凝胶；将所述乳白色水凝胶加热至75～85℃，并保温10～20min，得到反应产物；再向所述反应产物中逐滴滴加naoh溶液，直至反应产物澄清透明得到粗产物；将所述粗产物冷却至常温，经过纯化和分离后，得到铜纳米团簇；其中，铜源和谷胱甘肽的摩尔比为1：1～5。

本发明的技术方案还提供了铜纳米团簇在清除香烟中超氧阴离子自由基方面的应用。

与现有技术相比，本发明的有益效果包括：

1、本发明提供的铜纳米团簇的制备方法，合成条件温和，成本低廉，操作简单可控，易于重复和放大，适合大批量生产，且合成过程中不涉及其他还原剂，避免了对产物的应用造成影响；

2、本发明制备的铜纳米团簇尺寸小，比表面积大，光稳定性强，毒副作用小，水溶性好，为其后续应用提供了广阔的前景；

3、本发明制备的铜纳米团簇能有效的清除香烟烟雾中的超氧阴离子自由基，将其应用于香烟中降低了烟草对身体的伤害。

附图说明

图1为实施例1～5中制得的铜纳米团簇的荧光发射光谱图，其中，激发波长为365nm，最大发射波长为590nm；

图2为实施例4中制得的铜纳米团簇的透射电镜图；

图3为实施例4中制得的铜纳米团簇的红外光谱图；

图4为实施例4中制得的铜纳米团簇的xps光谱图；

图5为实施例4中制得的铜纳米团簇的sod抑制效果图；

图6为实施例4中制得的铜纳米团簇清除香烟烟雾中超氧阴离子自由基的效果图；

图7为实施例4中制得的铜纳米团簇的细胞毒性试验效果图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明的实施例提供了一种铜纳米团簇的制备方法，包括如下步骤：

将铜源水溶液和谷胱甘肽水溶液混合后，在常温下搅拌，得到乳白色水凝胶；将乳白色水凝胶加热至75～85℃，并保温10～20min，得到反应产物；再向反应产物中逐滴滴加naoh溶液，直至反应产物澄清透明得到粗产物，将粗产物冷却至常温，经过纯化和分离后，得到铜纳米团簇(简称gsh@cuncs)；其中，铜源和谷胱甘肽的摩尔比为1：1～5。

在本发明的一些优选实施方式中，铜源为硫酸铜、硝酸铜、氯化铜中的任意一种。

在本发明的一些优选实施方式中，谷胱甘肽为还原型谷胱甘肽，以将cu²⁺还原，并避免使用其他还原剂，对最终的产物造成影响。

在本发明的一些优选实施方式中，铜源和谷胱甘肽的摩尔比为1：4。

在本发明的一些优选实施方式中，naoh溶液的浓度为2～3mol/l。

在本发明的一些优选实施方式中，将乳白色水凝胶加热至80℃，并保温15min。

本发明中，用乙醇溶液对粗产物进行纯化和分离，具体采用如下方法：向粗产物中加入乙醇溶液聚集沉淀后，将混合溶液离心分离即可；乙醇溶液与粗产物的体积比为4～5：1，乙醇溶液的浓度为95％。

本发明的实施例还提供了一种铜纳米团簇在清除香烟中超氧阴离子自由基方面的应用。

本发明的铜纳米团簇应用于清除香烟中超氧阴离子自由基，具体采用如下方法：

配制铜纳米团簇水溶液，在常温下将香烟滤嘴浸润于铜纳米团簇水溶液中，浸润20～40min后，点燃香烟并向香烟滤嘴中鼓气，使烟气通过香烟滤嘴，再以碘硝基四唑紫(简称int)作为指示剂通过紫外光谱检测烟气中的超氧阴离子自由基。

在本发明的一些优选实施方式中，铜纳米团簇水溶液的浓度为60～180mg/l。

在本发明的一些优选实施方式中，向香烟滤嘴中鼓气，保持香烟滤嘴中气体流速为80～120ml/min。

在本发明的一些优选实施方式中，紫外光谱检测时通过检测通入烟气后的碘硝基四唑紫在505nm处的紫外光谱吸收强度，以判断香烟中超氧阴离子自由基的清除程度；若清除程度越高，则通入烟气后的碘硝基四唑紫在505nm处的紫外吸收值越低；若清除程度越低，则通入烟气后的碘硝基四唑紫在505nm处的紫外吸收值越高。

在本发明的一些优选实施方式中，碘硝基四唑紫的浓度为1.5mmol/l。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明中的实验方法，如无特殊说明，均为常规方法。本发明中所用的实验材料如无特殊说明，均为市场购买得到。

实施例1：

本发明的实施例1提供了一种铜纳米团簇的制备方法，包括如下步骤：

在常温下将0.625g还原型谷胱甘肽溶解于100ml超纯水中，得到谷胱甘肽水溶液，在剧烈搅拌下，向谷胱甘肽水溶液中逐滴加入4ml0.5mol/l的cu(no3)2溶液，加完后在常温下搅拌混合液，直至混合液的颜色褪去并逐渐形成乳白色水凝胶；至不再产生乳白色水凝胶时，将乳白色水凝胶从常温加热至80℃，并在80℃保温15min，再向反应产物中逐滴滴加3mol/l的naoh溶液，直至反应产物澄清透明，得到粗产物；将粗产物转入旋蒸仪，并在70℃下将粗产物旋蒸至20ml。向旋蒸后的粗产物中添加5倍体积的乙醇溶液，聚集沉淀后，在8000rpm转速下离心30min得到产物，该步骤重复三次，将最终得到的产物在冷冻干燥机中冻干得到固态的铜纳米团簇。

实施例2：

本发明的实施例2提供了一种铜纳米团簇的制备方法，包括如下步骤：

在常温下将1.25g还原型谷胱甘肽溶解于100ml超纯水中，得到谷胱甘肽水溶液，在剧烈搅拌下，向谷胱甘肽水溶液中逐滴加入4ml0.5mol/l的cu(no3)2溶液，加完后在常温下搅拌混合液，直至混合液的颜色褪去并逐渐形成乳白色水凝胶；至不再产生乳白色水凝胶时，将乳白色水凝胶从常温加热至75℃，并在75℃保温20min，再向反应产物中逐滴滴加3mol/l的naoh溶液，直至反应产物澄清透明，得到粗产物；将粗产物转入旋蒸仪，并在70℃下将粗产物旋蒸至20ml。向旋蒸后的粗产物中添加5倍体积的乙醇溶液，聚集沉淀后，在8000rpm转速下离心30min得到产物，该步骤重复三次，将最终得到的产物在冷冻干燥机中冻干得到固态的铜纳米团簇。

实施例3：

本发明的实施例3提供了一种铜纳米团簇的制备方法，包括如下步骤：

在常温下将1.875g还原型谷胱甘肽溶解于100ml超纯水中，得到谷胱甘肽水溶液，在剧烈搅拌下，向谷胱甘肽水溶液中逐滴加入4ml0.5mol/l的cu(no3)2溶液，加完后在常温下搅拌混合液，直至混合液的颜色褪去并逐渐形成乳白色水凝胶；至不再产生乳白色水凝胶时，将乳白色水凝胶从常温加热至85℃，并在85℃保温10min，再向反应产物中逐滴滴加3mol/l的naoh溶液，直至反应产物澄清透明，得到粗产物；将粗产物转入旋蒸仪，并在70℃下将粗产物旋蒸至20ml。向旋蒸后的粗产物中添加5倍体积的乙醇溶液，聚集沉淀后，在8000rpm转速下离心30min得到产物，该步骤重复三次，将最终得到的产物在冷冻干燥机中冻干得到固态的铜纳米团簇。

实施例4：

本发明的实施例4提供了一种铜纳米团簇的制备方法，包括如下步骤：

在常温下将2.5g还原型谷胱甘肽溶解于100ml超纯水中，得到谷胱甘肽水溶液，在剧烈搅拌下，向谷胱甘肽水溶液中逐滴加入4ml0.5mol/l的cu(no3)2溶液，加完后在常温下搅拌混合液，直至混合液的颜色褪去并逐渐形成乳白色水凝胶；至不再产生乳白色水凝胶时，将乳白色水凝胶从常温加热至80℃，并在80℃保温15min，再向反应产物中逐滴滴加3mol/l的naoh溶液，直至反应产物澄清透明，得到粗产物；将粗产物转入旋蒸仪，并在70℃下将粗产物旋蒸至20ml。向旋蒸后的粗产物中添加5倍体积的乙醇溶液，聚集沉淀后，在8000rpm转速下离心30min得到产物，该步骤重复三次，将最终得到的产物在冷冻干燥机中冻干得到固态的铜纳米团簇。

实施例5：

本发明的实施例5提供了一种铜纳米团簇的制备方法，包括如下步骤：

在常温下将3.125g还原型谷胱甘肽溶解于100ml超纯水中，得到谷胱甘肽水溶液，在剧烈搅拌下，向谷胱甘肽水溶液中逐滴加入4ml0.5mol/l的cu(no3)2溶液，加完后在常温下搅拌混合液，直至混合液的颜色褪去并逐渐形成乳白色水凝胶；至不再产生乳白色水凝胶时，将乳白色水凝胶从常温加热至80℃，并在80℃保温15min，再向反应产物中逐滴滴加3mol/l的naoh溶液，直至反应产物澄清透明，得到粗产物；将粗产物转入旋蒸仪，并在70℃下将粗产物旋蒸至20ml。向旋蒸后的粗产物中添加5倍体积的乙醇溶液，聚集沉淀后，在8000rpm转速下离心30min得到产物，该步骤重复三次，将最终得到的产物在冷冻干燥机中冻干得到固态的铜纳米团簇。

分别取等量的实施例1～5中制得的固态的铜纳米团簇，将其溶于水配制成铜纳米团簇水溶液，测量实施例1～5中铜纳米团簇的荧光发射光谱，激发波长为365nm，最大发射波长为590nm，得到如图1所示的结果。由图1可以看出，实施例1～4中铜纳米团簇的荧光发射强度依次增强，而实施例5的铜纳米团簇的荧光发射强度减弱，实施例4中制得的铜纳米团簇的荧光发射强度最强，即还原型谷胱甘肽(简称gsh)的含量较低时，铜纳米团簇的荧光发射强度较弱，随着gsh/cu²⁺摩尔比增加，得到的铜纳米团簇的荧光强度不断增强，并在gsh/cu²⁺摩尔比为4时达到最大值；随着gsh/cu²⁺摩尔比继续增加，铜纳米团簇的荧光强度降低，也即当gsh/cu²⁺摩尔比为4时所得的铜纳米团簇最佳。

为了更为直观地观察所合成铜纳米团簇的形貌特征，结合透射电镜得到了铜纳米团簇的粒径分布情况，以实施例4中合成的铜纳米团簇为例进行观察，得到如图2所示的结果。由图2可以看出，所合成的铜纳米团簇的粒径分布在1.5±1nm范围内，符合纳米团簇的定义。此外，所合成铜纳米团簇的尺寸分布比较均匀，证明了采用本发明的制备方法制备铜纳米团簇的可行性。从图2可以看到有部分颗粒相对较大，产生这种情况的原因可能是所合成铜纳米团簇在高压电子束的轰击下，纳米团簇能量较高而发生了聚集现象。通过对铜纳米团簇的高分辨透射电镜图像进行仔细测量，我们发现了其中晶面间距约为0.206nm的晶格条纹，这可归因于面心cu(111)的衍射面。上述结果证明了采用本发明的制备方法成功合成了铜纳米团簇(gsh@cuncs)。

图3为实施例4中合成的铜纳米团簇的红外光谱图。由图3我们可以发现配体gsh表现出许多特征性的红外吸收峰：例如羧基中c＝o键的在1650-1750cm^-1的伸缩振动以及o-h键在1400cm^-1和920cm^-1附近的两处较强的弯曲振动峰；氨基中的n-h键在3400cm^-1附近的伸缩振动峰和在1610cm^-1的弯曲振动峰；此外，在2508cm^-1处观察到比较弱的吸收峰可归因于s-h键的伸缩振动导致。相对于配体的红外光谱，所合成的铜纳米团簇的特征峰的分布与配体谷胱甘肽的特征峰的分布大体一致，只是在出峰位置上有细微的偏移。此外，s-h键的伸缩振动峰在铜纳米团簇中完全消失，进一步表明s-h键的裂解和谷胱甘肽分子通过形成cu-s键与铜纳米团簇表面的结合。

图4为实施例4中合成的铜纳米团簇的xps光谱图。由图4可以看出，所合成的铜纳米团簇具有两个明显的特征峰951.88ev和931.98ev，他们分别对应于cu2p^1/2和2p^3/2可归因于cu(0)。且在942ev处没有特征峰意味着所合成铜纳米团簇中不存在cu²⁺。此外，非常重要的是：由于cu(0)的2p^3/2结合能与cu(i)的结合能非常相近，仅仅相差0.1ev。因此，所获得的铜纳米团簇中铜的价态也可能位于0价和+1价之间。

图2～4中的结果均证实了采用本发明的方法合成铜纳米团簇的可行性，采用本发明的合成方法能成功制得铜纳米团簇。

试验例1：

取实施例4中制得固态铜纳米团簇，将其配制成不同浓度的溶液，用sod(超氧化物歧化酶的简称)试剂盒(购买自南京生物建成工程研究所)检测其sod抑制效果，分别检测铜纳米团簇浓度为60mg/l、120mg/l和180mg/l的铜纳米团簇溶液的sod抑制效果，以不含铜纳米团簇的溶液作为空白对照组，检测波长为450nm并读取酶标仪示数，得到如图5所示的结果。由图5结果可以看出，本发明中超氧阴离子自由基与铜纳米团簇发生相互作用，且随着铜纳米团簇浓度升高，其紫外光谱在450nm处出现明显的降低趋势，表明了铜纳米团簇浓度越高，sod抑制效果越好。

试验例2：

取实施例4中制得固态铜纳米团簇，将其分别配制成铜纳米团簇浓度为60mg/l、120mg/l和180mg/l的铜纳米团簇溶液，取4支相同的香烟，在常温下分别将0.2ml上述三个不同浓度的铜纳米团簇水溶液加入香烟滤嘴中，静置30min后，点燃香烟并通过空气泵向香烟滤嘴中鼓气，使烟气通过香烟滤嘴，控制香烟滤嘴中烟气的流速为每分钟100ml，将半分钟内产生的烟气通入含有指示剂int溶液中，其中，int的浓度为1.5mmol/l，int溶液的量为15ml，再轻轻震荡通入烟气后的int溶液，并检测其在505nm处的紫外光谱吸收强度，得到如图6所示的结果。由图6可以看出，单纯的int在505nm处几乎没有紫外吸收，但是将香烟烟雾通入碘硝基四唑紫溶液后，其在505nm左右吸收强度明显增高，该结果表明香烟烟雾中含有的超氧阴离子自由基与铜纳米团簇发生相互作用，此外，随着滤嘴中铜纳米团簇浓度升高，其紫外光谱在505nm处出现明显的降低趋势，表明了铜纳米团簇浓度越高，对烟雾中的超氧阴离子自由基的清除效果越好。

试验例3：

取实施例4中制得固态铜纳米团簇进行细胞毒性试验，具体采用如下方法：

以pc12细胞作为研究对象，通过cck8标准比色法测定本发明铜纳米团簇(gsh-cuncs)的细胞毒性。将100μl的细胞悬浮液滴加到96孔板中，其中细胞密度为每个孔10000个细胞；将细胞放进已经达到37℃的5％的co2饱和湿度的细胞培养箱中进行贴壁生长，孵育时间为24小时，然后将生长好的孔板中的液体取出，并向孔中加入不同浓度的gsh-cuncs(浓度依次为1、10、20、60、120mg·l^-1)以及未加gsh-cuncs的作为空白对照组，并继续在培养箱中孵育24小时，最后向孔中加入10μl的cck8溶液然后继续孵育4小时，通过酶标仪测试其在450nm处的吸光度。该实验所使用的操作台以及工具需预先灭菌，实验操作过程需在酒精灯火焰附近操作。得到如图7所示的结果。

由图7可以看出，随着所加入gsh-cuncs的浓度的不断升高，pc12细胞的存活率在逐渐下降。在较低浓度的gsh-cuncs(1、10mg·l^-1)下，细胞存活率要略大于空白组的细胞存活率，但随着加入铜纳米团簇浓度的提高，细胞表现出比空白组略低的存活力但是并没有产生较大影响，即使所用的gsh-cuncs浓度达到120mg·l^-1，细胞存活率依然在85％以上。由以上结果可以看出，本发明中制得的铜纳米团簇对细胞的毒副作用很小，其可以用于香烟滤嘴中。

以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。