GUO Yongyan, ZENG Weiwei, YANG Ping, et al. Synthesis of Silver Nanoclusters Stabilized by pH-Regulated Chromotropic Acid 2R[J]. Chinese Journal of Applied Chemistry, 37(1): 54-60
银纳米簇(Ag NCs)具有特殊的物理和化学性质,其具有广泛的应用前景和研究价值。 本文探索了以变色酸2R为稳定剂,经过两次pH调节构建一种快速制备具有强荧光特性、稳定存在且粒径小的Ag NCs的方法。 在最优实验条件下,运用该方法制备得到的Ag NCs的最大发射波长为450 nm,最大激发波长为336 nm,平均粒径为1.74 nm,主要粒经分布在0.68~2.99 nm区域内,该Ag NCs的晶格间距为0.223 nm,晶格类型为(102)。 该Ag NCs可作为探针应用于溶液中微量重金属离子和非金属离子的测定,小分子、弱酸溶液浓度等方面的检测,也可以用于细胞成像等方面。
Silver nanoclusters have special physical and chemical properties and wide potential applications. In this paper, a method of rapid preparation of stable silver nanoclusters with strong fluorescence characteristics and small particle size was developed by using chromotropic acid 2R as the stabilizer and pH regulation twice. Under the optimal experimental conditions, the maximum emission wavelength of silver nanoclusters prepared is 450 nm, the maximum excitation wavelength is 336 nm, and the average particle size is 1.74 nm. The main particles are distributed in the region of 0.682.99 nm, the lattice spacing of the silver nanocluster is 0.223 nm, and the lattice type is (102). The silver nanoclusters can be used as probes for the determination of trace heavy metal ions, non-metallic ions in solutions and small molecules, the detection of weak acid concentration, and cell imaging.
银纳米材料作为金属纳米材料的一员,其不仅具有常规金属纳米材料的特性,还具有其他金属纳米材料所不具备的物理性质和化学性质,如抗氧化性、高塑性、催化性、抗菌性、高表面活性等。 银纳米材料的这些特性已被成功应用于化学催化技术[1]、传感器的研制[2,3]等领域[4]。
银纳米簇(Ag NCs)是贵金属纳米簇的重要一员,通常由20~200个不等、粒径小于2 nm的银原子构成。 Ag NCs具有毒性低、荧光强度大、光学稳定性好以及良好的生物相容性等特性,因此其在很多领域均具有很好的应用前景和研究的价值。 为了制备得到Ag NCs,研究人员尝试了多种制备方法,截止目前,成功用于制备Ag NCs的方法有:化学还原法[5]、微波[6]、声波辅助法[7]、模板法[8]和光还原法[9]等。 银原子容易发生团聚现象,在实验过程中需要添加某些物质作为稳定剂,才能制备出理想粒径且能够稳定存在的Ag NCs。 本文尝试用变色酸2R作为稳定剂,NaBH4作为还原剂,常温环境下利用外力搅拌,并通过两次pH调节构建一种快速制备具有强荧光特性的、稳定存在的Ag NCs的方法。 运用该方法,在实验室成功制备得到荧光强度大、粒径小且能够稳定保存的Ag NCs。 在实验中还发现该方法有望能够实现大规模制备Ag NCs的目标。
在最优实验条件下, 合成得到的Ag NCs,具有粒径小、强而稳定的荧光等特性,因此该Ag NCs有望作为探针应用于水溶液中微量重金属或者非金属离子浓度的测定,蛋白质、生物小分子和DNA的定量检测,弱酸溶液浓度的测定,也可应用与生物细胞成像和环境监测等方面。
硝酸银购自汕头市西陇化工厂;变色酸2R(chromotropic acid 2R,C16H10N2Na2O8S2)、硼氢化钠、硼酸、乙酸、磷酸和氢氧化钠均购自国药集团化学试剂有限公司,以上均为分析纯试剂。 实验用水均为二次蒸馏水。
RF-5301PC型荧光分光光度计(FS,日本岛津有限公司);Lambda35型紫外-可见分光光度计(UV-Vis,美国铂金埃尔默仪器有限公司);KQ2200DE型超声波清洗器(昆山市超声仪器有限公司);AE100型电子天平(梅特勒-托利多(上海)有限公司);DF-101B型集热式恒温加热磁力搅拌器(巩义市予华仪器有限公司);TECNAI G20型透射电子显微镜(TEM,美国FEI公司)。
1.2.1 标准溶液的配置
变色酸2R溶液的配制 准确称取0.2342 g(5×10-4 mol)的变色酸2R固体于50 mL烧杯中,加水溶解,转移至50 mL容量瓶中,二次水定容至刻度线,得到1.0×10-2 mol/L的变色酸2R溶液;以此为母液,使用的时候再稀释到需要的浓度。
AgNO3标准溶液的配制 准确称取0.0042 g(2.5×10-5 mol)的硝酸银固体于50 mL烧杯中,加水溶解,转移至50 mL容量瓶中,二次水定容至刻度线,得到5.0×10-4 mol/L的硝酸银溶液;以此为母液,使用的时候再稀释到需要的浓度。
NaBH4溶液的配制 准确称取0.3785 g(1.0×10-2 mol)的NaBH4固体于50 mL烧杯中,加水溶解,转移至50 mL容量瓶中,二次水定容至刻度线,得到0.2 mol/L的NaBH4溶液;以此为母液,使用的时候再稀释到需要的浓度。
BR缓冲溶液的配制 称取0.6183 g(1.0×10-2 mol)硼酸于烧杯中,加入二次水充分溶解,依次取0.57 mL乙酸和0.685 mL磷酸于另一烧杯中,加适量水混合均匀,将两个烧杯中的溶液转移至250 mL容量瓶中定容,即配得三酸溶液;准确配制50 mL 0.20 mol/L的氢氧化钠标准溶液。 按表1加入不同体积的NaOH溶液(0.2 mol/L)配制所需pH值的BR缓冲溶液。
 | 表1 pH值缓冲溶液的配制 Table 1 pH Buffer solution configuration |
1.2.2 Ag NCs的合成步骤
本实验中合成Ag NCs的过程分为以下4个步骤。 第一步:在最优条件下取5.0 mL的离心管,向其中加入1.3 mL二次水,200 μL变色酸2R,然后向离心管中加入200 μL,5.0×10-5 mol/L的AgNO3溶液;第二步:随后取100 μL,5.0×10-3 mol/L的NaBH4溶液加入上述混合溶液中;第三步:接着取200 μL,pH=9.62的BR缓冲溶液加入到上述混合溶液中,使整个反应体系的体积保持2.0 mL,并在常温下搅拌15 min;第四步:最后向上述混合溶液中加入100 μL,0.2 mol/L的NaOH。 在整个合成Ag NCs的实验过程中,溶液的颜色由洋红色逐渐变成淡黄色,最后变成浅棕黄色。
为了在实验室中能够制备得到粒径小、分布均匀、在水溶液中能够稳定存在且具有强荧光发射的Ag NCs,利用单一变量法,进行了一系列合成条件的优化探究实验。 通过对比不同条件下得到的Ag NCs溶液的荧光强度,探究出了最佳合成实验条件。
2.1.1 变色酸2R溶液浓度的优化
在探究实验中发现变色酸2R对制备出的Ag NCs的荧光强度有较大的影响,因此进行了变色酸2R浓度的优化探究实验,结果如图1所示。 在保持其他条件不变的环境中,向体系中加入不同浓度的变色酸2R溶液,实验所选用的变色酸2R溶液的浓度分别为5.0×10-4、3.0×10-4、1.0×10-4、9.0×10-5、7.5×10-5、6.0×10-5、4.5×10-5、3.0×10-5 和1.5×10-5 mol/L。 从图1A和1B可知,随着变色酸2R溶液浓度的增加,Ag NCs的荧光强度也增强,当变色酸2R溶液的浓度为7.5×10-5 mol/L时,荧光强度达到最大值,而后随着变色酸2R溶度继续增加,合成得到的Ag NCs的荧光强度反而降低,由此说明并不是变色酸2R浓度越高合成得到的Ag NCs的荧光强度越强,只有在适量浓度的变色酸2R溶液存在的条件下才能合成得到强荧光发射的Ag NCs。 因此,变色酸2R的最佳浓度为7.5×10-5 mol/L。
 | 图1 不同浓度的变色酸2R下合成的Ag NCs的荧光光谱图(A)及其荧光强度变化(B)Fig.1 The fluorescence spectra(A) and peak intensity change(B) in the synthesis of silver nanoclusters under the different concentrations of chromotropic acid 2R |
2.1.2 硼氢化钠浓度的优化
在探究实验中发现NaBH4的浓度对制备出的Ag NCs的荧光强度有较大的影响,因此进行了NaBH4浓度的优化实验,结果如图2所示。 在其它因素不变的条件下,向体系中加入不同浓度的NaBH4溶液,选择NaBH4的浓度分别为1.0×10-2、7.5×10-3、5.0×10-3、3.75×10-3、2.5×10-3、1.25×10-3和2.5×10-4 mol/L,通过比较Ag NCs的荧光强度来确定本实验中NaBH4的最佳浓度。 从图2A和2B可知:当NaBH4的浓度不大于5.0×10-3 mol/L时,Ag NCs的荧光强度随NaBH4浓度的增高而增强,当NaBH4的浓度大于5.0×10-3 mol/L时,Ag NCs的荧光强度随NaBH4浓度的增高而减弱。 因此,NaBH4的最佳浓度为5.0×10-3 mol/L。
 | 图2 不同浓度的NaBH4下合成的Ag NCs的荧光光谱图(A)及其荧光强度变化(B)Fig.2 The fluorescence spectra(A) and peak intensity change(B) of silver nanoparticles synthesized under different concentrations of NaBH4 |
2.1.3 AgNO3的浓度优化
通过探究实验发现AgNO3的浓度对制备出的Ag NCs的荧光强度有较大的影响,因此进行了AgNO3浓度的优化实验,结果如图3所示。 在其它因素不变的条件下,向体系中加入不同浓度的AgNO3溶液,选择AgNO3的浓度分别为1.0×10-4、7.5×10-5、5.0×10-5、2.5×10-5、1.0×10-5、7.5×10-6、7.5×10-7和7.5×10-8 mol/L,通过比较Ag NCs的荧光强度来确定本实验的最佳AgNO3浓度。 从图3A和3B可知,当AgNO3的浓度不大于5.0×10-5 mol/L时,Ag NCs的荧光强度随AgNO3的浓度的增高而增强,当AgNO3的浓度大于5.0×10-5 mol/L时,Ag NCs的荧光强度随AgNO3浓度的增高而减弱,这可能是由于Ag+ 浓度过高形成了颗粒较大的Ag NCs使荧光强度降低,因此AgNO3的最佳浓度为5.0×10-5 mol/L。
 | 图3 不同浓度的AgNO3下合成的Ag NCs的荧光光谱图(A)及其荧光强度变化(B)Fig.3 The fluorescence spectra(A) and peak intensity change(B) of silver nanoparticles synthesized at different concentrations of AgNO3 |
2.1.4 酸碱度的优化
在探究实验中发现溶液的酸碱度对制备出的Ag NCs的荧光强度有较大的影响,因此又进行了酸碱度的优化实验,结果如图4所示。 在其它因素不变的条件下,向体系中加入不同pH值的BR缓冲溶液,选择的BR缓冲溶液的pH值分别为6.59、7.96、8.69、9.62、10.88和11.82,通过比较Ag NCs的荧光强度来确定本实验的最佳pH值。 在pH探究过程中,随着加入BR缓冲溶液pH值的增大,Ag NCs的荧光强度先增强后减弱,从图4A和4B可知当加入BR缓冲溶液的pH=9.62时,体系的荧光强度最强,因此反应体系所需BR缓冲溶液的最佳pH=9.62。 在此条件下反应一段时间后,可以合成具有强荧光性质的Ag NCs,但是此时Ag NCs不稳定,不能长时间保留,需要再往体系中加入一定量、一定浓度的NaOH水溶液调节溶液的酸碱度来稳定合成的Ag NCs。 因此又探究了加入NaOH溶液的体积对Ag NCs的影响。 往体系中加入浓度为0.2 mol/L的NaOH溶液的体积分别为0、0.03、0.1、0.2、0.3和0.35 mL,在此范围内,Ag NCs的荧光强度先增强后减弱,从图4C可知加入NaOH溶液体积为0.1 mL时,Ag NCs的荧光强度最大,且在此条件下反应一段时间后,溶液的颜色会由最初的浅黄色逐渐变深,最终变成棕黄色,因此加入NaOH溶液的最佳体积为0.1 mL。 往体系中加入NaOH溶液调节pH值以后,该Ag NCs的荧光强度在常温下能够保持60 d不发生改变。
 | 图4 (A)不同BR缓冲溶液下合成的Ag NCs的荧光强度变化;(B)Ag NCs的荧光光谱图;(C)不同体积的NaOH存在下Ag NCs的荧光强度变化Fig.4 (A)The fluorescence intensity of silver nanoclusters synthesized under different BR buffer; (B)the fluorescence spectra of silver nanoclusters; (C)the fluorescence intensity of the silver nanoparticles with different volume of NaOH |
2.1.5 反应温度的优化
在探究实验中发现温度对Ag NCs的合成有较大的影响,因此对反应温度做了一系列的优化探究实验。 如图5所示,在其他条件不变的情况下,将样品分别置于10、20、30、40和50 ℃的水浴锅中,在不同的温度下反应相同的时间,通过比较Ag NCs的荧光强度来确定本实验的最佳反应温度。 实验结果表明,当温度在10~30 ℃范围内变化的时候,Ag NCs的荧光强度随着温度升高而增强,当温度在30~50 ℃的范围内变化的时候,Ag NCs的荧光强度会随着温度的升高而减弱,当温度达到30 ℃时,Ag NCs的荧光强度最强,因此最佳反应温度为30℃。
 | 图5 不同温度下合成的Ag NCs的荧光强度变化Fig.5 Changes of fluorescence intensity of silver nanoclusters synthesized at different temperatures |
2.1.6 反应时间的优化
在探究实验中发现反应时间对Ag NCs的合成也有一定的影响,因此对反应时间进行了一系列优化实验。在保持其他条件不变的前提下,对不同反应时间下的样品进行荧光强度的检测,结果如图6所示。 该反应速率比较快,反应开始15 min后,溶液的荧光强度达到最大值,随着时间的推移,溶液的荧光强度会保持相对稳定。 由此可见,该Ag NCs的最佳合成时间为15 min。
 | 图6 不同反应时间下合成的Ag NCs的荧光强度变化Fig.6 The fluorescence intensity of silver nanoclusters synthesized at different reaction times |
采用UV-Vis、FS、TEM等对所制备的Ag NCs进行了表征。
2.2.1 光谱表征
为了探究制备得到Ag NCs的光谱特征,对所制备的Ag NCs分别用UV-Vis和FS进行了表征,表征结果如图7所示,荧光光谱表明合成的Ag NCs具有荧光特性,Ag NCs的最大激发波长为336 nm,最大发射波长为450 nm。
 | 图7 Ag NCs的激发(A)、发射(B)和紫外可见吸收光谱(C)Fig.7 The excitation spectrum(A), emission spectrum(B) and ultraviolet visible absorption spectrum(C) of silver nanoclusters |
为了探究制备得到的Ag NCs的粒径分布等特性,对Ag NCs进行了TEM表征,结果如图8所示。 从图8A中可以看到Ag NCs的分散性良好,体积比较均匀;从图8B可知,本实验中合成得到的Ag NCs的粒径主要分布在0.682.99 nm之间,平均粒径为1.74 nm;从图C可知,以变色酸2R为稳定剂合成得到的Ag NCs的晶格间距为0.223 nm,根据该银纳米簇JCPDS卡片(87-0598)最终推算得到该Ag NCs的晶格类型为(102)。
 | 图8 Ag NCs的TEM(A)、粒径分布图(B)和HRTEM(C)Fig.8 TEM image(A), grain size distribution(B), and HRTEM image(C) of silver nanoclusters |
本文探究了一种以变色酸2R为稳定剂的Ag NCs的合成方法,为了制备得到荧光强度强、能够在水溶中稳定存在的Ag NCs,进行了一系条件优化实验。 运用该方法,在最优条件下制备得到的Ag NCs的最大发射波长为450 nm,最大激发波长为336 nm,平均粒径为1.74 nm,主要粒径分布在0.68~2.99 nm区域内,该Ag NCs的晶格间距为0.223 nm,晶格类型为(102)。
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