一种金纳米棒自组装的简易方法及其在汞离子检测中的应用与流程

本发明属于生物技术领域，具体涉及一种金纳米棒自组装的简易方法及其在汞离子检测中的应用。

背景技术：

作为一种贵金属材料，各向异性的金纳米棒(AuNRs)由于其独特的物理化学性质、独特光学性质以及良好的生物相容性，尤其是其具有两种不同的表面等离体子共振(Surface Plasmon Resonance,SPR)吸收峰：横向表面等离子共振(Transverse Plasma Resonance,TSP)吸收峰和纵向表面等离子共振(Longitudinal Plasma Resonance,LSP)吸收峰引起的可调控光学特性，使其成为目前最为广泛、最具应用潜力的贵金属纳米材料之一。

金纳米棒经过组装以后，形成多个金纳米棒的复合体，它不仅具有各个单体的相关性质，又由于复合过程而产生了新的光化学特性，因而将会表现出比单独金纳米棒更加优异的整体的协同性质。

目前已有的还原性谷胱甘肽(GSH)介导金纳米棒自组装过程繁琐，要经过对制备好的金纳米棒进行冰浴，过滤，离心等过程进行预处理；在修饰时，需要在冰浴条件下经过较长时间的磁力搅拌才可以实现，而且由于修饰前后吸收光谱变化极不明显，是否修饰成功难以通过紫外-可见吸收光谱进行表征；修饰之后，通过调节pH值等多步条件才能实现金纳米棒的自组装。

环境中的存在的汞，即使在很低浓度时，对有机体也有巨大的毒性，因此实现环境中极低浓度汞的检测这一目标刻不容缓。已有的研究对汞离子的检测限较高，或是检测范围较小。因此，亟需一种检测范围广、灵敏度高的汞离子检测方法。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种金纳米棒自组装的简易方法及其在汞离子检测中的应用，该自组装方法工艺简单，反应时间短，对设备要求低；经该方法组装得到的金纳米棒自组装体系能够有效应用于汞离子的检测中，提高其检测范围。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种金纳米棒自组装的简易方法，包括以下步骤：

1)金纳米棒的制备

采用硼氢化钠还原氯金酸法制备金纳米棒种子液，再制成金纳米棒溶液，备用；

2)金纳米棒的自组装

取金纳米棒溶液，加入GSH和HCl，将溶液在45℃下水浴处理2h后，得到金纳米棒自组装体系；其中，金纳米棒溶液、GSH与HCl的体积比为400：(2～14)：3。

GSH的浓度为0.1mol/L，HCl的质量分数为1％。

步骤1)中，采用硼氢化钠还原氯金酸法制备金纳米棒种子液的具体操作为：取0.1mol/L的十六烷基三甲基溴化铵、0.1mol/L的氯金酸及硼氢化钠，充分混匀后，置于27℃中水浴2小时后，制得金纳米棒种子液；其中，十六烷基三甲基溴化铵、氯金酸及硼氢化钠的体积比为20：1：2.4。

步骤1)中，制成金纳米棒溶液的具体操作为：取0.1mol/L的HAuCl₄、0.1mol/L的AgNO₃、0.1mol/L的CTAB、1％的HCl及0.1mol/L的抗坏血酸，充分混匀后，加入金纳米棒种子液，然后置于27℃中水浴5小时后，离心处理，制得金纳米棒溶液；其中，0.1mol/L的HAuCl₄、0.1mol/L的AgNO₃、0.1mol/L的CTAB、1％的HCl、0.1mol/L的抗坏血酸及金纳米棒种子液的体积比为8:(0.4～1.4)：190:5:1.28:4。

离心处理2次，每次均是在15000rpm下，离心10min。

本发明还公开了采用上述方法制得的金纳米棒自组装体系在汞离子检测中的应用。

汞离子的检测范围为1nM-100μM。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明公开的金纳米棒自组装的简易方法，改良了已有的还原性谷胱甘肽(GSH)介导金纳米棒自组装的实验方案，仅通过离心步骤实现金纳米棒的简单纯化后，将修饰和自组装在一步中实现，省去了冰浴，过滤，磁力搅拌等繁琐步骤。这种自组装方法具有用时短，工艺简单，设备要求低的优点，且制备的自组装体系稳定性较高。

本发明首次将GSH介导的金纳米棒自组装体应用于水环境中汞离子的检测，GSH具有巯基，氨基和羧基三大官能团，其巯基可以与金纳米棒形成键能较高的Au-S键，而相邻两个GSH分子通过氨基和羧基之间的氢键结合，从而形成金纳米棒的自组装。当加入汞离子后，由于Hg与谷胱甘肽中的S形成的Hg-S键强于之前Au与S形成的Au-S键，所以汞离子可以迅速取代金纳米棒而与巯基结合，这时，金纳米棒则重新处于分散状态，汞离子的浓度越大，金纳米棒的分散性越好。本发明通过有力的试验结果表明，这一方法可以实现对水溶液中汞离子灵敏度更高，检测范围更大的检测(能够在1nM-100μM之间变化)，在未来的水污染检测中有可观的应用前景。

附图说明

图1为纵向吸收峰在712nm的金纳米棒及其自组装的UV-Vis光谱图；

图2为纵向吸收峰在712nm的金纳米棒自组装的透射电镜图；其中，(a)、(b)为不同视野下的结果；

图3为纵向吸收峰约为760nm的金纳米棒的自组装对不同浓度汞离子的检测的UV-Vis光谱图；

图4为汞离子浓度不同时，自组装体系第二峰吸收强度的变化曲线；

图5为纵向吸收峰约为660nm的金纳米棒的自组装对不同浓度汞离子的检测的UV-Vis光谱图；

图6为汞离子浓度在0-50μM时，自组装体系第三峰蓝移程度的变化曲线；

图7为汞离子浓度在40-100μM时，自组装体系第二峰吸收强度的变化曲线；

图8为金纳米棒为探针检测汞离子的原理图。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

本发明改良了已有的还原性谷胱甘肽(GSH)介导金纳米棒自组装的实验方案，使自组装工艺更简便，对设备要求更低。GSH具有巯基，氨基和羧基三大官能团，其巯基可以与金纳米棒形成键能较高的Au-S键，而相邻两个GSH分子通过氨基和羧基之间的氢键结合，从而形成金纳米棒的自组装。当加入汞离子后，由于Hg与谷胱甘肽中的S形成的Hg-S键强于之前Au与S形成的Au-S键，所以汞离子可以迅速取代金纳米棒而与巯基结合。这时，金纳米棒则重新处于分散状态(过程的原理如图8所示)。依据此原理，汞离子的浓度越大，金纳米棒的分散性越好。

本发明公开的金纳米棒自组装的简易方法，具体步骤如下：

(1)试剂准备

CTAB的制备：称取一定量的CTAB与超纯水(18.2MΩ)混合，加热同时用玻璃棒搅拌至无色透明，制得0.1M CTAB备用。

NaBH₄的制备：称取一定量的NaBH₄置于超纯水(18.2MΩ)中冰浴10min后，制得0.01M的NaBH₄溶液备用。

AgNO₃：称取一定量的AgNO₃于超纯水(18.2MΩ)中搅拌至完全溶解，得到0.01M的AgNO₃溶液备用。

HAuCl₄的制备：首先称量带瓶氯金酸的质量m₁，然后将装有氯金酸的玻璃瓶敲碎，将氯金酸倒入预先准备好的赶紧烧杯中，称量玻璃瓶的质量m₂，m₁-m₂即为氯金酸的质量，再向烧杯中加入一定量的超纯水(18.2MΩ)，搅拌至氯金酸粉末完全溶解，制得0.05M HAuCl₄母液备用。使用时稀释至0.01M。

AA的制备：称取一定量的AA于超纯水(18.2MΩ)中搅拌至完全溶解，得到0.1M的AgNO₃溶液备用。

GSH的制备：称取一定量的GSH于超纯水(18.2MΩ)中搅拌至完全溶解，得到1M的GSH溶液备用。使用时将溶液稀释10倍至GSH的浓度为0.1M。

1％(M/M)HCl的制备：将浓盐酸稀释一定倍数得到1％的HCl溶液备用。

(2)金纳米棒的制备

取干净试管依次加入5ml十六烷基三甲基溴化铵(CTAB，0.1M)，250μl氯金酸(HAuCl₄，0.01M)，600μl硼氢化钠(NaBH₄)，充分混匀后置于27℃中水浴2小时后得到种子溶液。另取一干净锥形瓶，依次加入8ml 0.01M HAuCl₄，0.4ml-1.4ml AgNO₃，190ml 0.1M CTAB，5ml 1％的HCl，1.28ml抗坏血酸(AA，0.1M)，每次加入后需充分混匀，AA的加入使得溶液迅速从亮黄棕色变为无色。最后加入0.4ml种子溶液，置于27℃5小时后，得到金纳米棒溶液。所得金纳米棒15000rpm，10min离心2次后于4℃条件下保存备用。

(3)金纳米棒的自组装

取4ml金纳米棒溶液于干净试管中，依次加入的20ul-140ul 0.1M GSH和30ul HCl，将终溶液置于45℃水浴锅中，2小时后，可得到不同程度的金纳米棒自组装体系。

(4)UV-Vis光谱测量

用微量移液枪取1mL已制取的金纳米棒溶液置于盛有2mL超纯水中，搅匀待无气泡后，用UV-Vis光谱仪绘制光谱曲线，如图1所示。从图1中可以看出，随着GSH的量不断增加，金纳米棒的自组装程度逐渐加大，最终当GSH的量达到240μL，第二峰基本消失，第三峰吸光值最高，表示金纳米棒自组装程度最大。而继续增加GSH的量时，自组装程度过大，会引起聚沉，胶体中会有明显颗粒，呈不均一状态。

(5)透射电子显微镜表征

样品准备：将准备好的待测样品用20μl的移液枪吸取20μl，小心滴于铜网上，15min后，用滤纸吸去多余的样品。

测量：将吸附有待测样品的铜网置于透射电子显微镜的样品室进行测量，如图2所示。

实施例1

取6支干净试管，每支试管中分别依次加入：4ml纵向吸收峰约760nm的金纳米棒溶液，30μl浓度为0.1mM的GSH，30μl质量浓度为0.1％的HCl，1ml HgCl₂溶液(浓度分别为0nM，1nM，10nM，100nM，1μM，10μM)。置于45℃水浴锅中反应2小时后测UV-Vis光谱，如图3所示。从图3中可以看出，本实验采用的金纳米棒的纵向吸收峰约为760nm，测量的汞离子浓度为1nM-10μM，图3表示当汞离子浓度从1nM增加至10μM时，随着汞离子浓度的增加，金纳米棒逐渐由自组装状态解散成分散状态，当汞离子浓度为10μM时，体系中金纳米棒的分散程度最大。

实施例2

取8支干净试管，每支试管中分别依次加入：4ml纵向吸收峰约660nm的金纳米棒溶液，100μl浓度为1mM的GSH，30μl质量浓度为0.1％的HCl，1ml HgCl₂溶液(浓度分别为10μM，20μM，40μM，60μM，80μM，100μM)。置于45℃水浴锅中反应2小时后测UV-Vis光谱，如图5所示。从图5中可以看出，本实验采用的金纳米棒的纵向吸收峰约为660nm，测量的汞离子浓度为10μM-100μM，图5表示当汞离子浓度从10μM增加至100μM时，随着溶液中汞离子浓度的增加，金纳米棒逐渐由自组装状态解散到分散状态，当汞离子浓度为100μM时，第三峰基本消失，胶体溶液的吸收光谱恢复到分散的金纳米棒的光谱，体系中金纳米棒几乎全部成分散状态。

此外，图4中，横坐标取浓度对数，纵坐标用金纳米棒吸收光谱的纵向吸收峰的吸光强度表示金纳米棒的分散情况，纵向吸收峰吸光强度越大，表示体系中分散的金纳米棒比例越高。从图4的折线图直观表明，随着待检测汞离子浓度的增加，金纳米棒的分散程度越大。

图6中，横坐标表示汞离子的浓度，纵坐标用第三峰(由于金纳米棒End-to-End自组装而出现)峰位表示金纳米棒的自组装程度。图6用折线图直观表明，随着溶液中汞离子浓度的增加，第三峰峰位基本呈现不断蓝移的趋势，表明金纳米棒的End-to-End自组装链逐渐变短，即自组装程度逐渐减小。

图7中，横坐标表示汞离子浓度，纵坐标用胶体溶液吸收光谱的第二峰(即金纳米棒的纵向吸收峰)吸光强度表示金纳米棒的分散状态。图7用折线图直观表明，随着汞离子浓度的逐渐增加，第二峰吸光强度逐渐增加，最终增加趋势微弱，表明金纳米棒分散程度随着汞离子浓度的增加而逐渐增大，最终几乎全部处于分散状态。

综上所述，纵向吸收峰不同的金纳米棒可以检测不同浓度范围的汞离子，随着汞离子浓度的增加，体系中金纳米棒的自组装逐渐减少，金纳米棒的分散程度越大，因而可以实现对汞离子的检测。本发明采用纵向吸收峰约为760nm和660nm的两种金纳米棒，最终实现了对汞离子浓度从1nM-100μM的较大范围的检测。其中760nm的金纳米棒检测范围为1nM-10μM，660nm的金纳米棒检测范围为10μM-100μM。

本发明公开了一种简易的一步法实现还原性谷胱甘肽(GSH)诱导金纳米棒的自组装，并且利用该自组装光学特性实现了对水溶液中汞离子的检测。本发明叙述的过程仅通过离心步骤实现金纳米棒的简单纯化后，将修饰和自组装在一步中实现，省去了冰浴，过滤，磁力搅拌等繁琐步骤。这种自组装方法具有用时短，工艺简单，设备要求低的优点，且制备的自组装稳定性较高，并首次将这种GSH介导的金纳米棒自组装体应用于水环境中汞离子的检测。这种自组装在重金属离子的检测方面的应用有很好的前景。