張百慧，周 全，卞 僮，余慧軍，樊 華，牛忠偉，吳驪珠，佟振合，張鐵銳＊

（1．中國科學院 理化技術研究所 光化學轉換與功能材料重點實驗室，北京100190；2．中國科學院 理化技術研究所 工程塑料國家工程研究中心，北京100190；3．中國科學院大學，北京100049）

金納米顆粒由于具有特殊的表面等離子共振效應而表現(xiàn)出獨特的光學性能。通過調(diào)控金納米顆粒的形狀，可以改變表面等離子共振效應的模式，從而獲得具有不同光響應行為的納米材料［1，2］。三角形金納米片在可見和近紅外光區(qū)間具有多偶極表面等離子共振吸收譜帶［3］，在感光成像［4］、生 物 檢 測［5］、催 化［6］和 表 面 增 強 拉 曼 散射［7］等領域具有很好的應用前景。

目前，金納米片的合成方法包括晶種法［8，9］、熱化學還原法［10，11］、微波加熱法［12］和生物質(zhì)還原法［13－18］等。其中，利用生物質(zhì)的還原性和結構導

向作用合成各種形貌的金納米片具有操作簡單和環(huán)境友好等特點，吸引了研究者的廣泛關注。目前已用于片狀金納米材料制備的生物質(zhì)包括多種植物［13－15］、果肉［16］、菌類［17］和蛋白質(zhì)［18］等。而利用病毒類生物質(zhì)制備片狀金納米材料還未見報道。野生型煙草花葉病毒（wt－TMV）是一種由2130個完全相同的殼蛋白沿RNA組裝而成的棒狀植物病毒。研究者發(fā)現(xiàn)，在不加入其它還原劑的情況下，直接使用wt－TMV即可還原氯化鈀并得到覆蓋在wt－TMV殼蛋白表面的多晶金屬鈀薄層［19］，說明wt－TMV的殼蛋白具有一定的生物還原性。wt－TMV殼蛋白的生物還原性可能來源于其豐富的可功能化的氨基酸殘基［20－23］，包括酪氨酸、賴氨酸、天冬氨酸和精氨酸等。文獻報道，上述幾種氨基酸可以取代經(jīng)典檸檬酸體系中的檸檬酸，充當還原劑制備金納米顆粒［24，25］。wt－TMV在堿性條件下（pH＞10），會解組裝釋放其殼蛋白［26］，暴露更多的活性位點，其生物還原性會進一步增強。此外，蛋白質(zhì)在貴金屬納米材料的制備中還可 表 現(xiàn) 出 結 構 導 向 作 用［18，27，28］，因 此 wt－TMV的殼蛋白可能也具有對金納米材料特定晶面的選擇性吸附作用。

本文發(fā)展了一種利用堿處理的wt－TMV同時作為生物還原劑和輔助結構導向劑，還原氯金酸制備三角形金納米片的新方法。在體系中加入十六烷基三甲基溴化銨（CTAB）作為共結構導向劑可以優(yōu)化所得金納米片的形狀并提高三角形金納米片的產(chǎn)率。并且對所得三角形金納米片的尺寸、形貌、結晶性和光學性質(zhì)等進行了全面的表征，研究了wt－TMV在其形成過程中的作用。

1 實驗部分

1．1 試劑

三水合氯金酸（99．99%），阿法埃莎（天津）化學有限公司；十六烷基三甲基溴化銨（CTAB），天津津科精細化工研究所；氫氧化鈉，北京化工廠；鹽酸（36%～38%），北京化工廠；硼氫化鈉，廣東光華化學廠有限公司；去離子水等。試劑均為分析純，直接使用。

wt－TMV依據(jù)文獻［29］報道的方法提取。

1．2 制備

將100μL 0．010mol／L氯金酸水溶液加到600μL 2．5mg／mL的 wt－TMV 中，攪拌30min使之充分混合。再向上述混合液中加入100μL 0．010mol／L的CTAB水溶液，得到橙黃色半透明液體。繼續(xù)攪拌10min后，滴入0．01mol／L的NaOH水溶液直至反應溶液pH變?yōu)?1，保持10 min，滴入0．01mol／L的鹽酸使反應液pH回到7。繼續(xù)攪拌6h至反應完全。

1．3 表征

采用日本電子公司的JEM－2100F場發(fā)射透射電鏡（TEM）分析樣品微觀形貌，操作電壓為200kV；采用日本日立公司的U－3900紫外可見分光光度計進行紫外－可見光譜表征（UV－Vis）。

2 結果與討論

反應溶液在攪拌過程中黃色褪去，先變?yōu)榘祷疑?，最終變?yōu)樽霞t色。這種溶液顏色的轉變通常標志著金屬價態(tài)的改變［18］。紫紅色為零價態(tài)金納米顆粒溶膠典型的顏色，據(jù)此判斷產(chǎn)生了金納米結構材料。

圖1（a）和（b）是所制備的金納米片的透射電鏡照片。由照片可見，三角形納米片的邊長為97±37nm。如圖1（b）的箭頭所示，部分納米片垂直于銅網(wǎng)表面，測得納米片的厚度為14．5±1．2 nm。另外，除了三角形金納米片，體系中同時還存在一些尺寸不均的金納米顆粒，這是所得分散液呈現(xiàn)紫紅色的原因。圖1（c）展示了典型金納米片頂角處的HRTEM照片，清晰可辨的晶格條紋表明該納米片為單晶，相鄰晶格條紋間距為0．249 nm，與面心立方點陣晶體金的｛422｝晶面簇的晶面間距的3倍相對應［18］。圖1（d）是將電子束垂直于該納米片得到的相應區(qū)域的選區(qū)電子衍射（SAED）花樣，衍射斑點呈六邊形分布，表現(xiàn)出六重對稱性，為典型的（111）取向的單晶三角形金納米片的衍射花樣［11，13，18］。

三維不對稱的金納米結構，如納米片、納米棒等，通常表現(xiàn)出獨特的光學性質(zhì)。我們對所得到的金納米顆粒分散液進行了紫外－可見光譜測試，結果如圖2所示。在可見光譜區(qū)域，該分散液表現(xiàn)出兩個表面等離子共振（SPR）吸收峰：在560 nm處出現(xiàn)一個較強的SPR吸收峰；在740nm處出現(xiàn)另一個相對較弱的SPR吸收峰，此吸收峰歸因于三角形金納米片的不對稱表面等離子共振吸收。該結果與TEM分析相互印證，證實了三角形金納米片的形成。

圖1 （a）（b）為所制備的三角形金納米片的典型TEM照片，（b）圖中箭頭指示部分為垂直于碳膜表面的金納米片；（c）（d）為三角形金納米片一角處的HRTEM照片（c）及與其對應的SAED花樣（d）

圖2 金納米片分散液的紫外－可見吸收光譜

圖3 （a）不加入wt－TMV條件下的紫外－可見吸收光譜；（b）不加入CTAB，（c）使用NaBH4還原得到的金納米結構的典型TEM照片

上述實驗結果表明，我們成功獲得了具有較高比例的三角形金納米片，而wt－TMV在其形成過程中起到了至關重要的作用，主要表現(xiàn)為兩個方面：首先，wt－TMV起到了生物還原劑的作用。在其它實驗條件不變的情況下，不加入wt－TMV，則溶液保持淺黃色不變，說明三價金不能被還原得到零價金（UV－Vis吸收光譜如圖3（a）所示）。在實驗中，我們創(chuàng)造了pH＞10的堿性環(huán)境，使得wt－TMV的殼蛋白從棒狀組裝體解組裝成為分散的殼蛋白，使得其生物還原性充分體現(xiàn)。

另一方面，wt－TMV解組裝的產(chǎn)物與CTAB共同起到了結構導向劑的作用。在金納米材料的制備中，CTAB是一種廣泛使用的結構導向試劑［30］。在本實驗中，保持其它實驗條件不變，若不加入CTAB，所得到的金納米結構的典型TEM照片如圖3（b）所示。由照片可見，在這種條件下得到的主要產(chǎn)物是直徑30nm以上的無規(guī)則金納米顆粒，另有少量不規(guī)則多邊形金納米片生成。所以，CTAB的加入提高了三角形金納米片的產(chǎn)率。而在其它實驗條件相同的情況下，不使用wt－TMV，用另一種制備金溶膠常用的還原劑NaBH4還原氯金酸，只能得到無規(guī)則形狀且嚴重聚集的金納米結構，仔細觀察可以發(fā)現(xiàn)極少量類三角形和六邊形的片狀結構，其典型的TEM照片如圖3（c）所示。這是由于NaBH4極強且快速的還原作用所導致的。wt－TMV溫和的還原性是三角形金納米片高產(chǎn)率形成的前提。通常認為納米顆粒的取向性生長源自于結構導向試劑與特定晶面的選擇性作用力［31］。因此我們推測，在本實驗條件下，CTAB和wt－TMV的殼蛋白選擇性地吸附在金納米顆粒的｛111｝晶面簇上，阻礙了金顆粒沿〈111〉晶向的生長，最終導致各向異性的三角面為｛111｝晶面簇的三角形金納米片的生成。

3 結論

利用堿處理wt－TMV介導產(chǎn)生的生物還原性以及其與CTAB共同的結構導向作用，在室溫下成功地制備出三角形金納米片結構。TEM和SAED的表征結果表明所得三角形金納米片為單晶結構，三角面為｛111｝晶面簇。通過TEM分析，三角形金納米片的邊長為97±37 nm，厚度為14．5±1．2nm。所得金納米結構在可見光范圍內(nèi)有兩個SPR吸收峰。該三角形金納米片在感光成像等眾多領域具有潛在的應用價值。反應過程中組成wt－TMV的生物質(zhì)所表現(xiàn)出的生物還原性、wt－TMV的殼蛋白與含金離子以及金納米結構表面的相互作用需進一步深入研究。這些研究能夠為進一步發(fā)展金納米結構材料的綠色化學合成方法提供理論和實驗依據(jù)。

［1］ Eustis S，El－Sayed M A．Why gold nanoparticles are more precious than pretty gold：noble metal surface plasmon resonance and its enhancement of the radiative and nonradiative properties of nanocrystals of different shapes［J］．Chemical Society Reviews，2006，35（3）：209－217．

［2］ Ghosh S K，Pal T．Interparticle coupling effect on the surface plasmon resonance of gold nanoparticles：from theory to applications［J］．Chemical Reviews，2007，107（11）：4797－4862．

［3］ Felidj N，Grand J，Laurent G，et al．Multipolar surface plasmon peaks on gold nanotriangles［J］．The Journal of Chemical Physics，2008，128（9）：094702．

［4］ Jiang Y，Horimoto N N，Imura K，et al．Bioimaging with two－photon－induced luminescence from triangular nanoplates and nanoparticle aggregates of gold［J］．Advanced Materials，2009，21（22）：2309－2313．

［5］ Li D，Zheng G，Ding X，et al．DNA functionalized gold nanorods／nanoplates assembly as sensitive LSPR－based sensor for label－free detection of mercury ions［J］．Colloids and Surfaces B：Biointerfaces，2013，110：485－488．

［6］ Huang J，Wang W，Lin L，et al．A general strategy for the biosynthesis of gold nanoparticles by traditional Chinese medicines and their potential application as catalysts［J］．Chemistry an Asian Journal，2009，4（7）：1050－1054．

［7］ Cao B，Liu B，Yang J．Facile synthesis of single crystalline gold nanoplates and SERS investigations of 4－aminothiophenol［J］．CrystEngComm，2013，15（28）：5735－5738．

［8］ Millstone J E，M traux G S，Mirkin C A．Controlling the edge length of gold nanoprisms via a seed－mediated approach［J］．Advanced Functional Materials，2006，16（9）：1209－1214．

［9］ Fan X，Guo Z R，Hong J M，et al．Size－controlled growth of colloidal gold nanoplates and their high－purity acquisition［J］．Nanotechnology，2010，21（10）：105602．

［10］ Sun X，Dong S，Wang E．Large－scale，solution－phase production of microsized，single－crystalline，hexagonal gold microplates by thermal reduction of HAuCl4with oxalic acid［J］．Chemistry Letters，2005，34（7）：968－969．

［11］ Chu H C，Kuo C H，Huang M H．Thermal aqueous solution approach for the synthesis of triangular and hexagonal gold nanoplates with three different size ranges［J］．Inorganic Chemistry，2006，45（2）：808－813．

［12］ Kundu S，Peng L，Liang H．A new route to obtain highyield multiple－shaped gold nanoparticles in aqueous solution using microwave irradiation［J］．Inorganic Chemistry，2008，47（14）：6344－6352．

［13］ Shankar S S，Rai A，Ankamwar B，et al．Biological synthesis of triangular gold nanoprisms［J］．Nature Materials，2004，3（7）：482－488．

［14］ Fayaz A M，Girilal M，Venkatesan R，et al．Biosynthesis of anisotropic gold nanoparticles using Maduca longifolia extract and their potential in infrared absorption［J］．Colloids and Surfaces B：Biointerfaces，2011，88（1）：287－291．

［15］ Jiang X，Sun D，Zhang G，et al．Investigation of active biomolecules involved in the nucleation and growth of gold nanoparticles by Artocarpus heterophyllus Lam leaf extract［J］．Journal of Nanoparticle Research，2013，15（6）：1－11．

［16］ Ghodake G S，Deshpande N G，Lee Y P，et al．Pear fruit extract－assisted room－temperature biosynthesis of gold nanoplates［J］．Colloids and Surfaces B：Biointerfaces，2010，75（2）：584－589．

［17］ Xie J，Lee J Y，Wang D I C，et al．High－yield synthesis of complex gold nanostructures in a fungal system［J］．Journal of Physical Chemistry C，2007，111（45）：16858－16865．

［18］ Xie J，Lee J Y，Wang D I C．Synthesis of single－crystalline gold nanoplates in aqueous solutions through biomineralization by serum albumin protein［J］．Journal of Physical Chemistry C，2007，111（28）：10226－10232．

［19］ Lim J S，Kim S M，Lee S Y，et al．Biotemplated aqueousphase palladium crystallization in the absence of external reducing agents［J］．Nano Letters，2010，10（10）：3863－3867．

［20］ Liu Z，Gu J，Wu M，et al．Nonionic block copolymers assemble on the surface of protein bionanoparticle［J］．Langmuir，2012，28（33）：11957－11961．

［21］ Fraenkel－Conrat H，Colloms M．Reactivity of tobacco mosaic virus and its protein toward acetic anhydride［J］．Biochemistry，1967，6（9）：2740－2745．

［22］ Shenton W，Douglas T，Young M，et al．Inorganic－organic nanotube composites from template mineralization of tobacco mosaic virus［J］．Advanced Materials，1999，11（3）：253－256．

［23］ Bruckman M A，Liu J，Koley G，et al．Tobacco mosaic virus based thin film sensor for detection of volatile organic compounds［J］．Journal of Materials Chemistry，2010，20（27）：5715－5719．

［24］ Shao Y，Jin Y，Dong S．Synthesis of gold nanoplates by aspartate reduction of gold chloride［J］．Chemical Communications，2004，（9）：1104－1105．

［25］ Bhargava S K，Booth J M，Agrawal S，et al．Gold nanoparticle formation during bromoaurate reduction by amino acids［J］．Langmuir，2005，21（13）：5949－5956．

［26］ Choi C W，Park S H，Choi J K，et al．Chemical degradation of tobacco mosaic virus followed by infectivity assay，reverse transcription－polymerase chain reaction and gel electrophoresis［J］．Acta Virologica，2000，44（3）：145－149．

［27］ Sanghi R，Verma P．Biomimetic synthesis and characterisation of protein capped silver nanoparticles［J］．Bioresource Technology，2009，100（1）：501－504．

［28］ Veeraapandian S，Sawant S N，Doble M．Antibacterial and antioxidant activity of protein capped silver and gold nanoparticles synthesized with escherichia coli［J］．Journal of Biomedical Nanotechnology，2012，8（1）：140－148．

［29］ Lin Y，Balizan E，Lee L A，et al．Self－assembly of rodlike bio－nanoparticles in capillary tubes ［J］． Angewandte Chemie International Edition，2010，49（5）：868－872．

［30］ Nikoobakht B，El－Sayed M A．Preparation and growth mechanism of gold nanorods （NRs）using seed－mediated growth method［J］．Chemistry of Materials，2003，15（10）：1957－1962．

［31］ Jin R，Cao Y，Mirkin C A，et al．Photoinduced conversion of silver nanospheres to nanoprisms［J］．Science，2001，294（5548）：1901－1903．