不同溶剂极性的化学还原法合成各种尺寸的金纳米粒子

介绍

金纳米粒子 (GNP) 被公认为许多科学和工程应用领域的潜在候选者，包括医学治疗 [1]、药物递送 [2]、化学传感 [3, 4]、催化 [5] 和电子 [6]由于尺寸和形状相关的表面等离子体共振 (SPR) [7]、与有机物种的亲和力和 GNP 的高导电性 [8]，因此应用广泛。考虑到对 GNP 的需求呈指数增长，人们更加关注合成具有可控尺寸和形态的单分散纳米粒子。已经提出了许多设计原则，通过加入不同的反应物、稳定剂或配体 [9]、反应条件包括温度、pH 和浓度 [4] 以及分散介质（例如不同类型的溶剂）来控制 GNP 的性质。 [10].

在 GNP 的化学合成中，Turkevich 方法与其他方法相比是一种很有前途的方法。在 Turkevich 方法中，Au ³⁺ 离子在水性介质中被温和的还原剂还原，例如柠檬酸盐 [11]、抗坏血酸 [12] 和单宁酸 [13]。在这个过程中，产生了相对小尺寸和生物相容性的 GNP。然而，这种方法的主要缺点是高度可控的工艺协议（温度、浓度和 pH 值），必须严格遵守以生产具有所需尺寸的单分散颗粒。此外，在纯水性介质中，由于有机成分在水中的溶解度和疏水性较低，因此很难通过有机药物分子标记 GNP 并用不同的配体进行表面修饰 [14]。因此，应注意通过优化显着控制溶剂性质的反应介质来克服Turkevich方法的这些局限性。

溶剂在胶体合成过程中的纳米颗粒生长和组装中起着重要作用。纳米颗粒表面和溶剂分子之间的相互作用或溶剂分子和配体分子之间的相互作用显着影响最终的粒径和形态 [15, 16]。通常，在没有被动配体或封端剂的情况下，控制粒子生长的双电层强度主要受溶剂分子的性质支配。在高极性指数的分散介质中，大量带电离子被纳米颗粒表面吸附，从而在胶体颗粒周围形成强双电层[17]。结果，粒子的zeta电位增加，并且粒子通过相互排斥而防止聚集。然而，纳米颗粒周围的表面电荷可以通过溶剂极性来控制，并且在优化尺寸和形状之前控制颗粒之间的相互作用 [18]。例如，宋等人。 在不同极性的有机溶剂中产生了 1-6 nm 范围内的硫醇封端 GNP [19]。尽管很少有人提出优化不同极性溶剂中 GNPs 尺寸的工作，但最终颗粒的尺寸介于小范围（小于 20 nm）之间，不能完全满足 GNPs 的主要应用，例如治疗和药物递送.

另一方面，在反应介质中存在配体时，溶剂分子和配体之间的相互作用会显着影响纳米颗粒的生长和组装。类似的研究表明，胶体溶液中的非水介质溶剂化有机配体分子在很大程度上保护了纳米颗粒的进一步生长和聚集 [20, 21]。然而，在某些情况下，例如在较高浓度、较高分子量和较长的配体时，可能会导致胶体纳米粒子的聚集或高速生长。值得注意的是，在不同极性的溶剂中，配体分子的不同溶胀和伸长率很容易触发胶体合成中纳米颗粒的生长和组装[22]。然而，这种负面影响可以转化为生长可控尺寸纳米粒子的工具。除了溶剂直接参与纳米颗粒的生长之外，使用溶剂控制配体性质的概念可能允许合成具有广泛尺寸范围的 GNP。

考虑到上述命题，本研究提出了一种以反应介质的极性指数为工具通过控制配体或稳定剂和表面电荷来优化 GNP 尺寸和形态的方法。本研究以L-抗坏血酸为还原剂，PVP为稳定剂，通过化学还原法合成GNPs。与水分子相比，乙醇（本研究中选择的极性有机溶剂）的极性指数较小。因此，反应介质的极性指数是通过将乙醇以各种体积比加入水中来控制的。与传统的 Turkevich 方法不同，该方法有望在一个步骤中以最少的协议合成具有广泛优选尺寸 GNP 的 GNP。

方法

材料

HAuCl4∙3H2O（≥ 99% 微量金属）、结晶 L-抗坏血酸、聚乙烯吡咯烷酮 (PVP) K60 和氢氧化钠 (NaOH) 颗粒购自 Sigma-Aldrich（美国密苏里州）。乙醇（99.90%测定）购自J-Kollin Chemicals（英国），双蒸水（ddH2O）购自实验室（马来西亚UiTM化学工程学院）。

金纳米粒子 (GNP) 的制备

胶体 GNP 是使用掺入抗坏血酸的改良 Turkevich 方法制备的 [23]。在该方法中，L-抗坏血酸用作还原剂，而聚乙烯吡咯烷（PVP）用作稳定剂。还原剂溶液通过将 L-抗坏血酸溶解在无水乙醇或 20%、50% 和 80% 体积比的乙醇与水二元溶剂混合物中制备。加入到乙醇-水二元溶剂混合物中的水的总体积根据方程式确定。 (1).此外，在低分贝超声处理下，将 PVP 直接溶解到 L-抗坏血酸/乙醇/水溶剂混合物中，使其终浓度为 1% (w/v)。最后，逐滴加入2 M NaOH，将还原剂溶液的pH值从初始值调至10.5。

其中水的体积是 V W , 氯化金的体积为 V GC ，反应混合物的总体积为V R .

通过向还原剂溶液中快速注入 5 mM HAuCl4 水溶液来制备 GNP 形成反应混合物。反应混合物的总体积保持在 20 ml HAuCl4 和 L-抗坏血酸溶液。最终反应混合物中HAuCl4和L-抗坏血酸的初始浓度分别设置为0.15 mM和1.5 mM，HAuCl4与L-抗坏血酸的摩尔比为1:10。反应混合物在室温下以800 rpm剧烈搅拌30 min，得到的GNP胶体用Whatman实验室滤纸过滤，然后在4 °C保存以避免连续反应。

表征和检测

UV-vis 表征

使用 Agilent Cary 60 紫外-可见分光光度计在环境温度 (25 °C) 下测量每个 GNP 样品的紫外可见光消光光谱。根据获得的UV-Vis数据确定所得GNP的最大表面等离子体共振（SPR）波长以比较粒径。

粒径分布和zeta电位

使用 Malvern Zetasizer nanoZS 仪器测量 GNP 的平均粒径、尺寸分布、多分散指数 (PDI) 和 zeta 电位。 PDI 值是使用等式从动态光散射 (DLS) 测量的强度粒度分布 (PSD) 图计算的。 (2) [24]:

混合溶剂的极性指数分析

通过混合不同体积比的水和有机溶剂来优化反应介质的极性。此外，有机溶剂-水所得混合物的净极性指数 P ′，可以由方程给出。 (3) [25]。

其中，\( {p}_i^{\prime } \)是溶剂i的极性指数 , 和 ∅i 是溶剂i的体积分数 在混合物中。蒸馏水和无水乙醇的极性指数分别为9.0和5.2。

透射电子显微镜 (TEM) 和粒度分布

在 TEM 测量之前对 GNP 样品进行超声处理。然后将经超声处理的悬浮液/胶体液滴滴在 200 目 Formvar 铜网上。将网格放置在“单倾斜”样品架中，然后插入 200 kV FEI、Tecnai G2 20 双透射电子显微镜进行成像。此外，使用ImageJ图像处理软件对TEM图像中的粒径和粒径分布进行定量分析。

结果与讨论

图 1 描绘了在不同体积比的乙醇与水溶剂混合物中合成的胶体 GNP 的 UV-Vis 光谱。通常，GNP 的最大 SPR 吸收波长 (λm) 取决于尺寸和形状 [26, 27]。如图 1 所示，合成胶体 GNP 的最大 λm 向右移动，这意味着合成 GNP 的尺寸随着乙醇在水中体积比的增加而增加。在含有 20% 和 50% 体积百分比的乙醇的反应混合物中合成的胶体 GNP 的最大 λm 出现在较短的吸收波长区域（514 nm 和 520 nm），这意味着小尺寸的 GNP 是以低体积百分比产生的乙醇。此外，在体积百分比为 80% 的乙醇或无水乙醇中合成的 GNPs 的最大 λm 分别移动到 575 nm 和 561 nm 的较高波长区域。这些变化表明图形的更大尺寸和广泛趋势的形成，这意味着 GNP 的形状不均匀。

GNPs在20%、50%、80%和100%体积百分比的乙醇/水二元溶剂混合物中的紫外-可见光谱

使用DLS对不同体积百分比的具有不同极性指标的乙醇与水混合物中合成的GNPs进行定量，得到的GNPs粒径分布如图2所示。此外，GNPs的平均粒径、PDI值和极性生产的 GNP 的乙醇-水混合物的指标总结在表 1 中。图 2 显示 DLS 尺寸分布随着乙醇体积百分比的增加而增加。 GNP 在含有 80%、50% 和 20% 乙醇与水体积百分比的溶剂混合物中的平均流体动力学直径分别为 154 ± 56.7、219 ± 84.9、28 ± 10.5 和 22 ± 4.6 nm（参见表1）。这些DLS结果与本研究的UV-Vis结果相似，即在乙醇-水混合物的高极性指数中产生小颗粒，反之亦然。

GNPs颗粒在20%、50%、80%和100%体积百分比的乙醇/水二元溶剂混合物中的DLS粒径分布趋势

不同体积百分比的乙醇与水溶剂混合物的计算极性指数值如表1所示。二元溶剂混合物的极性指数随着溶剂混合物中乙醇（有机溶剂）体积百分比的增加而降低。在此，本研究的 UV-Vis 和 DLS 结果表明，在高极性指数的反应介质中产生较小尺寸的 GNP，而在低极性指数的反应介质中产生较大尺寸的 GNP。已经很好地研究了溶剂和配体在控制胶体纳米颗粒合成过程中纳米颗粒的生长和组装方面起着重要作用。在纳米颗粒形成过程中，溶剂分子和配体分子通过阻断表面结合位点来控制和减缓颗粒的生长。然而，在某些条件下，如溶剂混合物的极性不同，溶剂分子和配体分子也可能引发胶体溶液中纳米颗粒的生长和组装。与此声明一致，UV-Vis 和 DLS 结果表明 PVP 封端的 GNP 的生长和组装随着乙醇在二元溶剂混合物中体积百分比的增加而增加。为了验证这些发现，PVP 封端的 GNP 在乙醇-水二元溶剂混合物中生长的相应机制可以解释为两个阶段（如图 3 所示），即溶剂引起的生长和配体诱导的生长。

GNPs 在胶体溶液中在长聚合物链配体分子存在下的生长阶段，其中 GNPs 的生长受 (a ) 溶剂分子和 (b )配体分子

在第一阶段，单体成核后，GNP 的生长受溶剂分子的控制。在胶体溶液中，高极性溶剂分子在纳米粒子表面分布高表面电荷，并建立一个强大的双电层，阻止粒子进一步生长，而低极性溶剂分子在粒子周围形成一个弱双电层，导致更高的生长或聚合[28]。反应的表面电荷和极性指数之间的相关性可以使用方程中给出的泊松方程来解释。 (4) [29]。

其中 ρ 是电荷密度，ψ 是电势，ε 是真空的介电常数，ε o 是介电常数，x 是颗粒表面之间的距离。

根据方程。 (4)、纳米粒子表面的电荷密度(ρ ) 正比于介电常数 (ε o ) 由介质的极性指数控制的周围环境。本研究中，相应溶剂的极性指数值可以排序为水>乙醇。因此，由于高极性，具有更高体积百分比的水的分散介质可以为 GNP 表面提供更高的表面电荷。此外，抗坏血酸作为还原剂将电子提供给金属盐以形成金纳米颗粒。抗坏血酸在纯水中比无水乙醇具有更高的溶解度，从而与水分子形成更多的氢键。此外，较高的溶解度可以促进更多的自由电子转移，以实现 Au ⁰ 的快速成核 导致 GNP 缓慢增长的单体 [30]。由于这些事实，GNPs的增长速度与乙醇-水溶剂混合物的极性指数值成反比。

在第二阶段，假设 GNP 的生长和组装主要受配体分子 (PVP) 控制（参见图 3（b））。在胶体溶液中存在配体分子的情况下，配体被吸附或共价连接到纳米颗粒表面，通过控制颗粒表面与溶剂之间的界面能或在相似配体包覆的之间产生排斥力，阻止纳米颗粒进一步生长和组装。粒子[28]。然而，如果吸附的配体分子具有高浓度、长聚合物链或高分子量，它们会在胶体溶液中形成尾部、序列和环。如图 3 (b) 所示，配体链的这些突出的尾部、序列和环桥接纳米颗粒并诱导胶体絮凝[31]。纳米颗粒中的这种桥接絮凝可能会促进纳米颗粒中二次种子介导的生长，从而使颗粒可以很容易地生长。在这项研究中，1% (w/v) 的 PVP 用于稳定胶体溶液中的 GNP。 PVP 是一种两亲性分子，具有亲水头（由 C =O 和 N 物质组成）和高度疏水的烃背链。在极性有机溶剂中，有机分子与 PVP 的羧基和骨架烃尾都有很大的亲和力，如图 4（a）所示。然而，仅在水性介质中，水分子只能通过氢键与 PVP 的羧基头部结合，疏水尾部独立地保留在悬浮液中，如图 4（b）所示。因此，PVP 分子在有机溶剂中的溶剂化和溶胀程度高于纯水介质 [21]。作为证据，Guettari 等人。研究了 PVP 聚合物在不同体积百分比的乙醇与水溶剂混合物中的行为。这项工作的有效溶剂与聚合物相互作用 (ESIP) 模型的实验结果证实，PVP 分子的流体动力学半径和聚合物-聚合物相互作用随着乙醇摩尔分数的增加而增加 [32]。 PVP 分子在较高体积百分比的乙醇中球状尺寸的增加增强了 GNP 的桥接，从而导致高增长或组装。因此，得出的结论是，高度延伸的 1% (w/v) PVP 链使颗粒絮凝并形成不同形状的 GNP 组装或聚集，从而导致在高乙醇体积比下的高速增长 [33,34,35] .

(a ) 乙醇分子和 PVP 分子之间的相互作用和 (b ) H2O分子与PVP分子的相互作用

此外，通过所得 GNP 的 zeta 电位分析了配体分子对不同极性指数的乙醇-水溶剂混合物中纳米颗粒生长和组装的影响。以不同的乙醇与水的体积比合成的 GNP 的 zeta 电位值如图 5 所示。所得结果表明，PVP 稳定的 GNP 的 zeta 电位值随着乙醇体积百分比的增加而降低。通常，聚合物会取代颗粒的双电层的滑移面，这会改变 zeta 电位值。 zeta 电位值的变化取决于界面表面电荷和吸附聚合物的量 [22]。类似的研究发现，完全 PVP 封端的 GNP 的 zeta 电位值约为 - 6 mV [23, 36]。此外，这种负 zeta 电位值可能会随着 GNP 表面上 PVP 吸附量的减少而增加 [22]。因此，在无水乙醇中获得的最低 zeta 电位 (-5.53 mV) 表明合成的 GNP 完全被 PVP 分子包围。另一方面，zeta电位值随着乙醇体积比的增加而降低，表明PVP在高体积比的有机溶剂（乙醇）中的吸附程度较高。

PVP在20%、50%、80%和100%体积百分比的乙醇/水二元溶剂混合物中稳定GNP的Zeta电位值

合成的 GNPs 在不同极性指数的乙醇与水溶剂混合物中的 TEM 图像如图 6 所示。图 6(a) 和 (b) 显示在 20% 和 50 % 乙醇与水溶剂混合物的体积百分比。另一方面，图 6 (c) 显示了 80% 体积百分比的乙醇与水混合物中 GNP 的典型图像。 TEM 图像显示，在 80% 体积百分比的乙醇溶液中形成不规则形状 [37] 和更大尺寸（约 53.1 nm）的 GNP，并且这些颗粒在胶体溶液中聚集。同样，在无水乙醇中也产生了 37.2 nm 平均直径相对较大和不规则形状的 GNP。这些结果与本研究之前的 UV-Vis 和 DLS 结果一致，其中由于反应介质的极性指数值较低，从而导致颗粒的生长和由高度扩展的 PVP 引起的组装，形成了较大尺寸的颗粒低极性乙醇-溶剂混合物中的聚合物链。

在不同体积百分比的乙醇和水中生成的 GNP 悬浮液的颜色、TEM 图像和尺寸分布 (a ) 20%, (b ) 50%, (c ) 80% 和 (d ) 100% 乙醇

值得一提的是，80%体积百分比的乙醇与水的GNPs大小比无水乙醇中的GNPs大小要大。

图 7 (a) 和 (d) 分别比较了体积比为 80% 的乙醇与水和无水乙醇中 GNP 的 TEM 图像。 GNP 聚集为簇（图 7（a-c））并在 80% 体积比的乙醇中线性排列（图 7（a）和（b）），而无水乙醇中的 GNP 保持为离散颗粒，较少聚合（图 7d）。我们假设，由于水和乙醇分子与 PVP 聚合物链和纳米粒子表面的不对称相互作用，80% 乙醇与水的组成会迅速增加 GNP 初级粒子的表面能。因此，通过定向附着机制聚集的颗粒形成更大尺寸的纳米团簇，以最大限度地减少这种表面能 [38, 39]。此外，GNP 在 80% 乙醇中与水的线性排列归因于粒子的偶极-偶极相互作用，这是由水和乙醇分子与 PVP 聚合物链的不对称相互作用引起的 [40]。此外，观察到使用 DLS 获得的 GNP 的平均流体动力学直径高于从 TEM 图像计算的尺寸。在这项研究中，GNPs 是在过量的 PVP 聚合物溶液中合成的。因此，DLS 技术不仅测量粒子的直径，还测量具有细长聚合物尾部、序列和环的封端聚合物层。此外，DLS 可以测量絮凝体的大小，而不是单个颗粒（例如，80% 乙醇与水 GNP 样品）。因此，使用 DLS 测量的 GNP 平均尺寸高于使用 TEM。

GNP 的 TEM 图像 (a ), (b ) 和 (c ) 体积百分比为 80% 的乙醇中的聚集颗粒 (d ) 100% 乙醇中的离散颗粒

结论

在本研究中，讨论了以有机溶剂的极性为变量的尺寸选择性 GNP 的合成。通过在乙醇中合成 PVP 封端的 GNP 和在 L-抗坏血酸中的乙醇-水混合物，研究了溶剂极性对 GNP 生长的影响。 UV-vis 光谱和 DLS 测量证实粒径随着溶剂极性指数的降低而增加。基于这些结果，在化学还原过程中，GNP 的生长被控制在两个阶段。粒子生长最初由溶剂分子通过在纳米粒子周围形成强双层来控制。然后，GNP 的组装和稳定性由第二阶段的稳定剂或配体分子控制。然而，GNP 的增长随着反应介质极性指数在两个阶段的降低而增加。悬浮的 GNP 和 TEM 图像的最终颜色暗示了生成的 GNP 的形态。值得注意的是，溶剂混合物的高极性导致球形 GNP，而低极性指数环境导致 GNP 形状不规则。该研究提出了一种利用溶剂极性指数依赖性颗粒生长和组装的新方法，在一步中合成各种尺寸和形状的 GNP。

数据和材料的可用性

本研究中生成或分析的所有数据均包含在本研究中。实验工作中获得和分析的原始数据集可向相应作者索取。

缩写

GNP：

金纳米粒子

NP：

纳米粒子

PVP：

聚乙烯吡咯烷酮

TEM：

透射电子显微镜

DLS：

动态光散射

PDI：

多分散指数