摘要近年來，金納米材料因為其本身所具有的獨特的光學、電磁學以及力學特性而被人們廣泛關注。而對金納米顆粒的局部等離子共振特性（LSPR）的研究更是成為在很多研究領域中的重中之重。本論文主要研究了金納米顆粒的制作、組裝、修飾以及檢測。在此基礎上，對金納米顆粒的局部表面等離子共振（LSPR）特性進行了分析。本論文的具體工作主要包括以下幾個方面：（1）總結了金納米顆粒特性以及LSPR的基本原理；通過閱讀大量的文獻，總結和概括了現有的制備金納米顆粒的方法，分析了各自的特點。（2）我們采用了檸檬酸鈉還原法制備了球形的金納米顆粒溶液，并在玻璃片上進行組裝，通過紫外-可見分光光度計，TEM和AFM的測量來比較金納米顆粒的各項性能指標，以此來研究金納米顆粒的特性。（3）我們通過對金納米顆粒進行蛋白修飾來研究金納米顆粒表面覆蓋多層膜的光譜特性，以及蛋白修飾后的金納米顆粒對周圍環境折射率變化的靈敏度。在這篇論文中我們通過調節檸檬酸鈉與氯金酸的摩爾比可以控制金納米顆粒的尺寸大小，制備了多種尺寸的金納米顆粒；同時根據我們對金納米顆粒的消光光譜分析以及對周圍環境折射率變化產生的光譜變化的研究發現，當金納米顆粒尺寸大約為33nm時，對周圍環境折射率的變化靈敏度是最高的；同時我們實現了對金納米顆粒的蛋白修飾，并測量得出其對周圍環境折射率變化的靈敏度為103nm，相關結論對LSPR生物傳感器的進一步研究具有參考意義。關鍵詞：金納米顆粒局部表面等離子共振檸檬酸鈉還原法消光光譜蛋白修飾AbstractDuetoitsownuniqueoptical,electromagneticandmechanicalproperties，goldnanomaterialhasdrawnextensiveattentioninrecentyears.Thestudyofgoldnanoparticlesonlocalizedsurfaceplasmonresonance（LSPR）isthepriorityamongprioritiesinmanyresearchfields.Inthispaper,mostresearchisputontheproducing,assembly,modificationandtestingofgoldnanoparticles.Onthatbasis,wemakeafurtherstudyofLSPR.Specificworkofthispaperincludesthefollowingaspects:(1)SummaryofthecharacteristicsofgoldnanoparticlesandthebasicprinciplesoftheLSPR;Byreadingalargenumberofreferences,thispapersummarizestheexistingmethodsofproducinggoldnanoparticles,andgivesananalysisoftheirowncharacteristics.(2)Weproducethesolutionofsphericalgoldnanoparticles,usingsodiumcitratereductionmethodandassembleitonglass.UV-visiblespectrophotometer,measurementsofTEMandAFMareusedtocompareitsperformancesinordertostudythecharacteristicsofgoldnanoparticles(3)Throughtheproteinmodificationofgoldnanoparticles,westudythespectralpropertiesofmultilayerfilmsontheirsurfaces,aswellasthesensitivityofproteinsmodifiedgoldnanoparticlestotherefractiveindexchangesofthesurroundingenvironmentsInthispaperwecancontrolthesizeofgoldnanoparticlesandproduceavarietyofsizesofgoldnanoparticlesbyadjustingthemolarratioofSodiumcitrateandchloroauricacid.BasingonourextinctionspectrumanalysisofgoldnanoparticlesandtheSpectralchangesaccordingtorefractiveindexchangesofthesurroundingenvironment,wefindthatwhenthegoldparticlesizeisabout33nm,ithasthehighestsensitivitytothechangesoftherefractiveindextothesurroundingenvironment;Atthesametimewerealizetheproteinmodificationofgoldnanoparticlesandobtainedfromthemeasurementthatitssensitivitytochangesoftherefractiveindextosurroundingenvironmentis103nm.TheseresultsofferreferencesforadvancedresearchonLSPRbiosensor.Keywords:Goldnanoparticles,Localizedsurfaceplasmonresonance,Citratereduction,Extinctionspectra,Proteinmodification目錄TOC\o"1-4"\h\z\u第一章緒論 1第一節金納米材料 11.1.1金納米材料的歷史 11.1.2金納米的定義 31.1.3金納米顆粒的特性 4第二節局部表面等離子共振(LSPR) 71.2.1LSPR的原理 81.2.2LSPR理論模型 91.2.3LSPR與SPR的比較 10第三節本論文的主要研究目的及內容 11第二章金納米顆粒的制備 12第一節物理方法 122.1.1真空蒸鍍法 122.1.2軟著陸法 122.1.3激光消融法 132.1.4光刻技術 142.1.4.1電子束刻飾技術 142.1.4.2納米球光刻技術 142.1.4.3納米壓印光刻技術 152.1.4.4膠體光刻技術 16第二節化學方法 172.2.1檸檬酸鈉還原法 172.2.2晶種法 172.2.3相轉移法 182.2.4膠束與反膠束法 20第三節物理輔助方法 20第三章檸檬酸鈉還原法制備金納米顆粒 22第一節檸檬酸鈉還原法制備金納米顆粒 223.1.1試劑和儀器 223.1.2制備過程 23第二節對金納米顆粒溶液的研究 243.2.1對金納米顆粒溶液的TEM圖的研究 253.2.2對金納米顆粒溶液消光光譜的研究 27第三節金納米顆粒在玻璃片上的組裝 29第四節對組裝在玻璃片上的金納米顆粒的研究 303.4.1對同一尺寸、不同濃度的金納米顆粒進行組裝的研究 303.4.2對不同尺寸的金納米顆粒進行組裝的研究 323.4.3金納米顆粒組裝后在不同溶液中的研究 34第五節本章小結 40第四章金納米顆粒表面進行蛋白修飾 41第一節金納米顆粒與巰基丙酸的結合 414.1.1實驗過程 414.1.2測試與結果 434.1.3硼氫化鈉還原法 47第二節金納米顆粒的蛋白修飾 484.2.1金納米顆粒蛋白修飾的實驗過程 484.2.2實驗檢測與結論 50第三節本章小結 53第五章總結與展望 54第一節總結 54第二節展望 55參考文獻 56致謝 59個人簡歷 60第一章緒論近年來，納米材料[1-3]因為它們所具有的獨特的光學、電磁學以及力學特性而被廣泛關注。而在納米材料中，貴金屬納米顆粒在紫外-可見光區域產生一個很強的吸收帶，這在絕大多數的金屬納米材料中是不會發生的。科學研究表明，貴金屬納米顆粒的這些特有性質取決于光的強烈程度，而對納米顆粒光學領域的研究又使得我們對于材料的成分、尺寸、形狀以及周圍環境等等之間的關系有了更深層次的理解。對貴金屬納米顆粒的特有性質的研究在理論和實踐上都具有非常重要的意義。從理論上講，它對于系統研究納米量級結構和引起光學性質變化的局部環境因素，以及預測結構的變化等等方面都十分重要；從實踐上講，納米結構的光學性質如果可調試，則可以應用于表面增強光譜、光學濾波器、等離子體設備和傳感器等領域。目前作為貴金屬納米顆粒的研究對象我們主要采用兩種材料，那就是金和銀。這兩種貴金屬納米顆粒材料的光學特性在各方面都對我們的研究具有很大的吸引力。我們知道貴金屬納米顆粒，譬如說金和銀，在可見光區域內都有很強的消光效果，通常被認定為局部表面等離子體共振（LSPR）現象。這種LSPR現象發生時，入射光子的頻率與貴金屬納米顆粒或者傳導電子的整體振動頻率是基本上一致的。納米量級的金和銀顆粒在紫外可見光區域也同樣表現出獨特的光學響應，同時它們的消光效率也會隨著光子能量的減少而呈指數衰減。在我們的研究過程中，因為金納米顆粒是最穩定的貴金屬溶膠之一，具有很多獨特的與形貌尺寸特性相關的性質。近年來關于通過對金納米顆粒進行功能團修飾來進行生物檢測標記物的研究也是層出不窮，人們對金納米顆粒在生物、醫學等領域的應用的研究非常關注。因此在我們這篇論文中，我們選擇貴金屬金作為納米材料研究對象來進行一系列的研究。第一節金納米材料1.1.1金納米材料的歷史金的提取開始于公元前五千年的時候[4]，在大約公元前1200-1300年，當時埃及人在建造Touthankamon雕像時，提取量就已經達到了10噸每年，而且“可溶性”金的出現是在埃及和中國。在古代，金被賦予了審美以及醫療目的這樣的社會生態意義。膠體金曾經被用于制造紅寶石玻璃以及用于陶瓷著色，這些應用到現在也仍在繼續。最著名的例子就是公元前五世紀到四世紀建造的Lycurgus杯，它在傳輸光時顏色是寶石紅，而在放射光時顏色則是綠色，這些都是因為金溶膠的緣故。直到中世紀，由于對各種疾病，如心臟病、性病、痢疾、癲癇、腫瘤以及對梅毒的診斷等都有著驚人的藥效，可溶性金引起了人們的廣泛關注，變得名聲大振。這是在一本由哲學家和醫學博士FrancisciAntonii于1618年發行的著作里有詳細描述，該書被認為是關于膠體金的第一著作。這本書在關于膠體金溶液的形成及其在醫學上應用方面包括了可觀的信息量，其中還包括成功的實例。1676年德國化學家JohannKunckels出版了另一本書，這本書的第七章是關于“含有金屬金的中性、淡紫色溶液中的可服用金對幾種疾病有驚人的醫療效果”。他總結“金必須以肉眼看不到的形式存在”，這在MichaelFaraday前就已經描述的很充分了。在十七世紀流行的一種叫“PurpleofCassius”的玻璃著色劑就是由金顆粒和二氧化錫混雜凝聚制備的膠體。而關于膠體金的完整論述的著作則是在1718年由HansHeinrichHelcher出版。在這篇論述中，這位哲學家和博士表明在可服用金的制備過程中加入煮過的淀粉會明顯增加金顆粒的穩定性，此觀點在18世紀已經形成共識，這在1769年的法國詞典中就有指出。在“或者可飲用”的前面標明了“可服用金必須是以元素形式存在的，而不是以極端亞分離的形式懸浮在溶劑中”。1794年，Fuhlame女士在一本書中報道她用膠體金給絲綢染色。1818年，JeremiasBenjaminRichters給出了一個為什么在可服用金的制備過程中會有不同顏色的解釋：粉色或紫紅溶液所含的金是分散的、不團聚的最好尺寸，而黃色溶液則是顆粒已經聚集了的結果。在1857年，Farada報道了用磷在二硫化碳（CS2）中還原一種氯金酸鹽的水成溶液得到深紅色的膠體金溶液，這個實驗非常的著名。他通過干燥膠體金溶液制備金薄膜并研究其光學特性，而且研究觀察它的顏色變化。盡管在中世紀膠體金在醫學上的主要應用是來診斷梅毒，這種方法一直用到二十世紀，但是這種方法并不是完全可靠的。在二十世紀，各種不同的制備金膠體的方法被報道和使用。尤其是在Schmid[5,6]和Brust[7]取得突破性進展之后，由于膠體金的基本原理和應用方面都與量子效應有關系，這一點在二十一世紀的文獻中多半才被提到，因此膠體金這個課題更多地被集中研究。1.1.2金納米的定義在上一節中我們所提到的可服用的金就是指的金納米顆粒，它是保存在溶液中的金納米顆粒。金納米顆粒是指直徑在1-100nm之間的金材料。金納米顆粒在溶液中并不是溶解在溶液中的，而是呈現出透明的懸浮狀態，因此我們把金納米溶液也稱之為金納米膠體。所謂膠體我們可以用以下實驗來定義：如果將一把泥土放在水中，大顆粒的泥沙很快沉淀下去，渾濁的細小顆粒的泥土因受重力的影響最后也沉淀到容器底部，而泥土中的鹽類物質則溶液成真溶液，但是混雜在真溶液中的還有一些極為微小的土壤顆粒，它們既不會沉淀，也不會溶解，人們就把這些即使在顯微鏡下也觀察不到的微小顆粒稱之為膠體顆粒。由于金納米的尺寸、形狀各不相同，折射和吸收峰不同，因此金納米顆粒在溶液中的顏色也各不相同。根據金納米顆粒的結構形態不同，我們可以把它分為以下幾種類型：（1）零維材料就是納米顆粒的三維尺寸都在我們所規定的納米尺寸內。包括球形（nanosphere）、三角形（nanotriangle）、納米立方體(nanocube)以及納米環(nanoring)等等。如圖1.1所示：圖1.1幾種零維納米材料的形狀（2）一維材料就是納米顆粒的三維尺寸有一個不在所規定的納米范圍內。比如說納米棒（nanorods）和納米線（nanowires）。當他們的長度大于100nm時就是一維的金納米材料。如圖1.2所示：圖1.2一維納米材料示意圖，左邊是納米棒，右邊是納米線（3）二維材料就是納米顆粒的三維尺寸中有兩個不在所規定的納米尺寸范圍內。比如納米盤（nanoplate）。除了這些結構之外，再加上其他的空心結構以及核殼結構，綜合起來，納米顆粒的結構有以下這些種，如圖1.3所示圖1.3各種納米顆粒結構的示意圖1.1.3金納米顆粒的特性金納米顆粒有很多非常獨特的性質，例如說局部等離子共振特性、表面增強拉曼散射特性、熒光特性、電化學特性和超分子與分子識別特性等等，下面我們就一一介紹下這幾種特性。1.局部表面等離子共振特性（LSPR）局部表面等離子共振是由于入射光的電磁場引起的金納米顆粒表面電子云的集體振動，當入射光的電磁場頻率和金納米顆粒表面電子云振動頻率二者相一致的時侯，就會在波長520nm附近產生一個很寬的消光峰。這一特性的結果就是使得金納米顆粒呈現不同的顏色，這一性質對我們將來的研究非常的重要。局部表面等離子共振特性是金納米顆粒最重要的特性之一，對于此特性的研究無論對于科學研究，還是對于應用發展都有著極其重要的意義。局部表面等離子共振的原理在1908年被Mie理論[8]所解釋。根據Mie理論和Maxwell-Garnett理論[9],金納米顆粒隨著粒徑的變化以及形狀大小的變化，消光峰的位置和帶寬都會相應的發生變化，基本上是隨著尺寸的不斷增大，消光峰會發生紅移。當金納米顆粒表面被修飾，其消光峰也會發生移動和峰形的變化，我們根據這些性質，就可以利用金納米顆粒來檢測一些生物指標，這個我們在接下來的論文中會做詳細的介紹。2.表面增強拉曼散射[10,11]（SERS）金納米顆粒除了可以產生局部表面等離子體共振（LSPR）之外，還能發生表面增強拉曼散射效應（SERS），兩者是同時發生的，如圖1.4所示：圖1.4受到光激發的時候，（a）LSPR和（b）SERS同時發生的示意圖從圖1.4中我們可以看到，當有入射光照射金納米顆粒時，就會同時發生LSPR現象與SERS現象，我們需要用特殊的儀器來檢測出SERS現象所產生的拉曼光譜。拉曼光譜(Ramanspectroscopy)是用來表征分子振動能級的指紋光譜,它在很多領域的應用都是非常廣泛的。拉曼光譜的優點很突出，譬如說我們已經知道的它有很高的光譜靈敏度以及非常好的空間分辨率。但是除此之外，拉曼光譜也有著很明顯的缺陷就是它的散射截面極小，這樣就很容易導致背景熒光經常會把它直接淹沒。因此，利用一般的拉曼散射就無法去探測那些容易產生熒光和低濃度的生物樣品。但是金納米材料的拉曼散射非常強，比傳統的拉曼散射要提高了大約1010個數量級，這就使得信噪比得到了很好的提高。下圖就是一個表面增強拉曼的散射示意圖，如圖1.5所示：圖1.5表面增強拉曼的散射示意圖目前，科學界公認SERS主要是由兩種因素的共同作用形成的，一種是電磁場增強（EM機理），另一種是化學增強（CT機理）。EM機理的作用受到很多因素的影響，主要有納米材料的種類、形狀和尺寸等等。CT機理的作用受材料種類以及表面吸附的分子影響，而且在目前的研究領域中，我們一般可以忽略CT機理的作用；從另一方面我們也可以說EM機理對SERS的貢獻遠遠超過CT機理的貢獻。其實等離子共振可以產生電磁場增強效應，但這并不是唯一一種方法，根據金屬橢球模型的計算，還有一種叫做避雷針的效應，它可以在一定范圍內使的拉曼信號得到最大增強。這兩者如果共同作用就會產生非常強大的電磁場增強效應。我們可以簡單地理解，吸光后，首先產生LSPR，電子云震蕩開始，相當于表面粗糙了，表面積增大，因此拉曼散射提高了很多倍。SERS的過程可以用圖1.6來表示：圖1.6SERS過程圖1.6SERS過程如下：（1）激光入射在金屬基底上；（2）產生LSPR現象；（3）散射開始；（4）一部分拉曼散射回到里面重新振蕩，一部分散射到空氣中；（5）得到拉曼散射信號。3.熒光特性目前對于金納米顆粒熒光特性的研究在很多方面都已經展開了[4,12,13]。例如如果芘基、聚辛基苯硫基等探測體覆蓋在金納米顆粒周圍時，當入射光照射時就會產生共振能量轉移，從而引起熒光特性，這方面的研究目前深受人們的重視并引起了生物光子學和材料科學的廣泛興趣。金納米的熒光特性與金納米顆粒的尺寸和形狀，以及跟金納米顆粒自組裝修飾的分子都有很大的關系，在很多研究領域人們已經利用這些關系設計了很多與現實生活相關的產品，例如光控開關等。4.其他特性除了以上我們所說的幾種比較重要的特性之外，金納米顆粒還包括很多其他特性[4,14-17]，比如說超分子和分子識別特性、電化學特性以及其他應用于很多方面的電子特性等等。這些特性之中對我們實驗檢測比較有幫助的就是超分子與分子識別特性，這一特性對現在的生物傳感器以及醫學檢測領域都有著非常重要的意義。上面介紹了很多金納米顆粒的特性，在我的論文中主要研究的就是金納米顆粒的局部表面等離子共振特性（LSPR），這個性質作為金納米顆粒最重要的特性之一，在很多方面有著廣泛的應用。我們主要用LSPR來檢測生化量，未來我們可能更多的會去研究和發展表面增強拉曼散射特性（SERS）和熒光特性。第二節局部表面等離子共振(LSPR)LSPR現象[18-21]是貴金屬納米顆粒特性中最重要的特性之一，它主要發生在金屬納米顆粒表面。LSPR現象隨著金屬納米顆粒的種類、形狀以及大小等很多因素的不同會表現出非常獨特的光學性質，而這些性質在傳感器領域都具有得天獨厚的優勢，備受關注。下面我們就重點介紹一下貴金屬納米顆粒的局部表面等離子共振特性。1.2.1LSPR的原理在介紹LSPR的原理之前，我們不得不先簡單的介紹一下表面等離子共振（SPR）現象。SPR[22]是一種物理光學現象，我們知道當一束光從高折射率的介質中入射到低折射率的介質的界面時，如果入射角高于一個臨界角時，就會產生全反射，入射光能量幾乎全部發射回高折射率介質中。根據這一理論，當入射光以臨界角入射到兩種不同折射率的介質表面（比如玻璃表面的金屬鍍層）時，金屬表面的自由電子就會產生表面等離子振蕩，這樣就使得自由電子消耗了一部分入射光能量，從而使反射光強度在一定角度內大大減弱。我們稱這種現象是表面等離子共振現象（SPR）。SPR隨著表面折射率的變化而變化，而折射率的變化和結合在金屬表面的生物分子質量成正比，這樣我們就可以利用這個關系來檢測生物分子。而局部表面等離子共振（LSPR）則與之有些不同。由于納米顆粒具有大的比表面積，自由電子的運動往往受到顆粒邊界的強烈影響，因而光學性質主要由表面自由電子的性質來決定。許多金屬表面的自由電子都可以形象地看作電子云，電子云的集體激發稱作等離子體，如果激發只局限在表面區域，就叫做局部表面等離子體。圖1.7為球形金屬納米顆粒的局域表面等離子體共振示意圖。當一束光照射在球形金屬納米顆粒上時，金屬納米顆粒里的傳導自由電子就會在振蕩電場的影響下產生移動，當電子云偏離原來的位置時，因為電子云帶負電，原子核帶正電，它們之間就會產生一個靜電回復力，把電子云往回拉，這樣就使得電子云相對于原子核做來回的振蕩。當入射光的頻率和金屬內這個來回振蕩頻率相同時，就會產生共振，這種共振在宏觀上就表現為金屬納米顆粒對光的吸收。這種現象我們就稱之為局部表面等離子體共振，簡稱LSPR[23]。其共振頻率與電子密度、電子有效質量、電子分布形狀和大小等密切相關。圖1.7LSPR原理示意圖從原理上我們可以看出，LSPR現象相當于離散的SPR現象，相當于SPR的現象不再是連續的了，而只是集中在單個的納米顆粒上，因此LSPR的靈敏度不如SPR。1.2.2LSPR理論模型最簡單的納米顆粒光學響應模型是Mie理論[24-27]，這是由G.Mie在1908年的時候提出來的，這也開辟了微粒對光散射和吸收作用的新方向，也描述了球形金屬納米顆粒的消光情況。具體形式如式1.1所示：（1.1）其中，E(λ)為消光量，即吸收和散射的總和；NA是納米顆粒的局部密度；a是金屬納米球體的半徑；εm是金屬納米球體周圍介質的介電常數（假設為正實數，且與波長不相關）；λ是入射光波長，εi是金屬納米球體介電常數的虛部；εr是金屬納米球體介電常數的實部。容易看出，當分母中的共振項(εr+2εm)2接近零時，這就是發生LSPR共振的條件所在。從Mie理論的模型中可以看出，金屬納米球體顆粒的LSPR光譜特性與納米顆粒的半徑a、納米顆粒材料（εi和εr）以及納米顆粒周圍介質的介電常數εm這四個參數有關。更深一步的進行研究表明，如果納米顆粒不是球體時（通常為實際情況），消光光譜將取決于納米顆粒的直徑、高度和形狀。在這種情況下，分母中的共振項應寫作ε其中χ是形狀因子項，用來描述納米顆粒形貌比例。5:1的納米顆粒形貌比率所對應的χ的值隨著二者（對于球體來說）同17的差值而增加。此外，很多樣品為沉積在襯底表面的納米顆粒集合。因此，LSPR還取決于顆粒間距和表面絕緣常數。從式(1.1)中還可以看出，貴金屬納米顆粒的最大消光位置高度取決于周圍環境的電介質性質，并且納米顆粒最大消光波長的移動能夠被用于檢測納米顆粒周圍由分子引起的變化。1.2.3LSPR與SPR的比較經過很多的研究表明，現在基于LSPR的納米生物傳感器是SPR生物傳感器的拓展和延伸[28,29]。而且現在因為在LSPR傳感技術中采用了具有特殊光學性質的納米顆粒，因此這種技術相對于SPR傳感器技術，有著其獨特的優勢：1.由于LSPR的共振條件對溫度不敏感，不需要額外添加溫度控制系統，所以較以往的SPR傳感器簡單。2.不同形狀的納米顆粒所表現出來的敏感度不同，可以通過選用不同的納米顆粒形狀來配合檢測系統中激發光源的波長，以此提高檢測敏感度。3.幾種納米顆粒可以通過統一的光譜響應來檢測，這樣就可以將多種顆粒集成在一個芯片上，以達到對多種生化分子同時完成快速、實時檢測。4..LSPR可以采用更簡單的光路設計，更容易實現大規模的陣列式檢測，大大提高了檢測的效率；而且容易實現設備的小型化和低成本化。5.樣品擴散至納米顆粒表面會比擴散至連續膜層表面更快，可以加快分子之間的反應速率。由于LSPR中的消光現象是由于納米顆粒對光的吸收作用和瑞利散射作用共同作用引起的，我們對LSPR的效果的實驗就不需要像我們實現SPR（表面等離子體共振）那樣，必須要有很多很復雜的實驗裝置。因此我們利用LSPR生物傳感技術能夠制作出體積小、系統設置簡單和操作便捷的生物傳感器，與傳統的SPR生物傳感器有很大的差別。我們通過總結和比較，總結出LSPR與SPR之間的區別和共同點。首先SPR與LSPR檢測系統的檢測方法就不同，SPR是根據共振角的偏移來測量最后的實驗結果，而LSPR是根據消光光譜的消光峰的偏移來檢測實驗的結果。其次它們都是基于金屬表面的等離子體共振對外界環境的影響來探測生物分子的特異性結合的，所以具有靈敏度高，無標記檢測，實時性強等優點。相比于SPR的折射率靈敏度2×106nm/RIU，LSPR的折射率靈敏度低，為2×102nm/RIU。因為SPR的折射率靈敏度高，對溫度的影響也不能忽略，所以一般需要溫控的設備，增加了SPR檢測系統的設計成本。再次SPR檢測系統已經成熟，可規模化生產，其成本大約為$150,000-$300,000，而LSPR檢測系統的成本為$5,000（多顆粒），$50,000（單顆粒），由于成本更低，而且不需要溫控等設備，所以當研發條件成熟以后，可規模化生產，也有著很高的商業價值。最后由于LSPR是在單個納米顆粒或者多個納米顆粒的表面引起的共振反應，而SPR是在整個金屬表面的共振反應，所以LSPR傳感器的空間分辨率高，有更好的小分子靈敏性。第三節本論文的主要研究目的及內容對于金納米顆粒LSPR現象的研究現在已經在生物學、醫學、分子學等很多領域引起了足夠的重視，我們的主要研究目的是研究金納米顆粒的制作方法，通過不同的制作方法（包括物理方法和化學方法）制作不同尺寸、形狀的金納米顆粒，通過測量比較各種金納米顆粒的優缺點，尋求最佳的尺寸形狀，用于在生物醫學傳感器上的使用。本論文的主要內容安排如下：第一章緒論就如前所述，主要講金納米顆粒以及LSPR現象的基礎知識，為之后的研究做個鋪墊。第二章通過閱讀大量文獻，總結了目前比較被關注的各種金納米顆粒的制備方法，分析它們各自的特點，選擇合適的方法進行我們的實驗。第三章是我們的重點，主要是用檸檬酸鈉法還原法進行制備金納米顆粒，并在玻璃上進行組裝，通過紫外-可見分光光度計，TEM和AFM的測量來比較金納米顆粒的各項性能指標，以此來研究金納米顆粒的特性。第四章研究對金納米顆粒進行蛋白修飾的方法，并研究修飾蛋白后的光譜特性，以及蛋白修飾后的金納米顆粒對周圍環境折射率變化的靈敏度。第二章金納米顆粒的制備金納米顆粒作為最好的貴金屬納米顆粒之一，具有很多獨特的性質，譬如說極其穩定、還有光學和電學特性，在現在的生物醫學檢測領域、材料領域以及物理化學領域都有著至關重要的作用，為了能夠更好的研究金納米顆粒的這些特殊性質，金納米顆粒的制備就顯得尤其重要。金納米顆粒的制備在納米科技開始發展的上世紀八十年代末九十年代初就有很多的課題組在進行探索了。比如說Turkevich[30]和Frens[31]等在很早之前就做了很多早期的工作。到目前為止，金納米顆粒的制備方法有很多種，根據我們的總結和歸納，主要包括以下三個大方面：一是物理方法，二是化學方法，最后是物理輔助方法。接下來就從這三個大方面分別介紹金納米顆粒的制備方法。第一節物理方法2.1.1真空蒸鍍法真空蒸鍍法是一種比較簡單、常見的金納米顆粒的制備方法，就是在在真空環境下對金進行高溫加熱或者電子束轟擊使得金原子蒸發，并使其在冷的石英襯底上冷凝，這樣就可以制備出粗糙的金納米顆粒。雖然這種方法比較簡單，但是通過這種方法制備的金納米顆粒形狀和尺寸都不均一，這種方法不好控制。這種方法的缺點非常明顯，一般很少采用。2.1.2軟著陸法軟著陸法其實類似于真空蒸鍍法，但是由于在真空蒸鍍法的過程中很難對金納米顆粒的尺寸和形狀進行精確控制，因此我們對此方法進行了改進。軟著陸法就是在真空蒸鍍法的基礎上，在金原子蒸發的過程中不斷地吹入氬氣流，使得金納米顆粒在輕輕地沉積在固體基底上之前，固體基底已經被一層冷冷的氬氣覆蓋，金納米顆粒沉積在被氬氣覆蓋的基底上。這種方法制備的金納米顆粒的形態完全不同于簡單的真空蒸鍍法制備的金納米顆粒，它們更加趨于球形，而且尺寸分布比較均一，但是尺寸大小不太容易控制。這種方法用的也比較的少。2.1.3激光消融法Henglein，Cotton和他們的同事發現了在液體下用激光消融法可以制備金屬納米顆粒[32]。最近Yeh和他的團隊也用激光消融法制備了銅納米顆粒。在最近的研究中，發現通過SDS（十二烷基磺酸鈉）的水溶液中用激光消融金盤可以制備金納米顆粒[33]。通過調節SDS的濃度和激光的波長可以控制金納米顆粒的尺寸。激光消融法的具體結構圖如圖2.1所示：圖2.1激光消融法結構示意圖從圖2.1中可以看出，金盤（純度大于99.99%）放置在玻璃容器的最底部，容器中裝入10ml的SDS水溶液。金盤被波長為532nm的激光通過透鏡會聚后進行照射，透鏡的焦距為250mm，調節透鏡和金盤表面的距離，使得金盤表面的光斑直徑在1-3mm范圍內。控制激光的輸出能量最大在90mJ每一個脈沖。在激光束的照射下，溶液逐漸變成酒紅色，這就制備出了金納米顆粒，在整個制備過程中要使用表面活性劑來阻止金納米顆粒的團聚。隨著SDS濃度的不斷提高，納米顆粒的尺寸單分散性就越好。不過這種方法制備的金納米顆粒尺寸一般在1-5nm之間，不太適合大尺寸納米顆粒的制作，但是一個優點就是這種方法可以適用于很多種類金屬納米顆粒的制備，重復性高，操作比較簡單。2.1.4光刻技術在目前的研究成果中，納米光刻技術發展的很快，有很多種不同的方法，早期比較常用的有電子束刻飾技術（EBL）和納米球光刻技術（NSL），后來又發展了很多新的、方便實用的技術，比如說納米壓印光刻技術[34,35]（NanoimprintLithography）和膠體光刻技術[36,37](ColloidialLithography)等等。下面就分別進行簡單介紹。2.1.4.1電子束刻飾電子束刻飾技術是比較早被人使用的光刻技術，它是一種在襯底上制備規則排列納米結構的方法，主要是通過用高能量的電子對一層薄薄的光刻膠膜進行沖擊，隨后進行化學處理，沉積貴金屬，目前很多課題組對二維排列納米顆粒的光學特性研究，以便利用這些納米顆粒組裝成表面增強的光譜基底。雖然電子束刻飾在納米范圍內提供了精確地控制，但是它是一種十分昂貴，而且耗時長的技術，這種方法產量也比較少，因此不適合大面積的生產。2.1.4納米球光刻技術是一種方便操作、便宜而且高產出的一種光刻技術，人們主要運用這種技術制備納米三角形顆粒。這種方法適合很多金屬或者非金屬的納米三角形顆粒的制備。我們就以納米金三角形顆粒的制作過程為例，來簡單介紹一下納米球光刻技術。首先清洗基片；然后將單一溶劑的聚苯乙烯納米球懸涂覆蓋在基片上；之后通過加熱烘干，使得聚苯乙烯納米球緊密排列，形成納米球掩膜，之后蒸發金使之沉積在上面，在乙醇中通過超聲波作用去除掉聚苯乙烯納米球掩膜，最后就留下了金納米微粒樣品。這種方法由于聚苯乙烯納米球尺寸的多分散性，導致了有很多的不可彌補的缺點，比如說大小尺寸的不均勻性、位置比較隨機等問題。但是這種方法整體上操作比較簡單，比較廉價，產量大，輸出高，適合大面積的制備金納米顆粒，這種方法主要是用來制備納米三角形顆粒。2.1.4納米壓印光刻技術是一個高產出率，可重復性強的非常有發展前景的光刻技術。這種方法對于制備尺寸大小可控的金納米環和納米盤都非常的有指導意義。操作過程如下所說：首先用電子束蒸發器在玻璃基片上鍍2nm厚的鉻層，用來增加金和玻璃基底的粘附性，然后鍍上40nm的金膜。然后配制不同濃度的聚苯乙烯（ps）溶液，然后懸涂在薄的金膜上，在高于玻璃轉換溫度的一個溫度下進行退火，壓印一個按照規范流程制作的PDMS模板。這個壓印過程要在150攝氏度的溫度和不高于1.6kpa的真空中進行30分鐘到一個小時。圖2.2納米壓印光刻技術示意圖在圖2.2A中是高濃度的ps溶液，ps膜足夠厚可以填充整個PDMS模板和基底之間的圓柱形空洞。同時當ps濃度低于0.8wt%時，ps膜厚度很薄，部分填充在圓柱形空洞，就像圖2.2B所示。在這種低濃度的情況下，ps是在毛細作用力的作用下沿著PDMS膜填充，這樣就形成環的形狀。之后用CF4/O2離子刻蝕作用去掉多余的沒用的ps膜，離子刻蝕會細微的改變一點ps圖形的尺寸。在冷卻到室溫以后，以ps圖形為模具進行氬離子刻蝕兩分鐘。這樣就可以只留下ps模具下的金的排列，其余的都被去掉。氬離子刻蝕需要400v的直流電，氬氣壓保持在5*10-4我們可以通過控制ps濃度來控制納米環和納米盤的形成，金膜的厚度據定了納米環和納米盤的高度，PDMS模具的孔徑決定了納米環和納米盤的外徑，ps的濃度決定了納米環的厚度，ps濃度越高，納米環的厚度就越大，越向納米盤靠近；反之，則納米環的厚度就越小，研究表明，納米環的厚度越小，吸收峰的位置就越靠外，對于環境改變所引起的改變就越大，靈敏性越高。這種方法比較適合于要求排列整齊，精度要求比較高，產量比較大的制備。但是制備納米級別尺寸的PDMS模板是非常不容易的，而且利用這種方法制備的納米環的外部由于刻蝕會產生比較嚴重的毛疵，會給實驗結果帶來一定的影響。2.1.4膠體光刻技術最早是J.Aizpurua等人在論文“納米環的光學特性”（OpticalPropertiesofGoldNanorings）中提出來的。這種方法是一種非常簡單，同時效果也非常不錯的制備納米環和納米盤的途徑。整個過程如下：第一步，用靜電自組裝的方法在玻璃（堿石灰）基底上沉積聚苯乙烯膠體球（硫酸鹽修飾的）。第二步，然后在上面垂直蒸發形成一層15-40nm的金膜，金膜的厚度控制金納米環的厚度，聚苯乙烯球的直徑決定納米環的內徑。第三步，進行氬離子束刻蝕，除去金膜，同時在這個過程中產生二次濺射，在聚苯乙烯膠體球的底部形成一種環狀包圍。最后，用紫外臭氧處理出去聚苯乙烯球，然后進行水洗，形成金納米環。如果要制備納米盤，只需要將第一步和第二步進行順序顛倒，同時通過加熱處理改變聚苯乙烯球的形狀即可。這種方法的關鍵是聚苯乙烯球和基底之間的靜電自組裝。而靜電自組裝又是一種非常常用的技術，已經非常成熟，因此用膠體光刻技術制備納米顆粒是行之有效的，做出來的納米環和納米盤形狀比較規則，排列分布也比較好。第二節化學方法2.2.1檸檬酸鈉還原法在眾多的金納米顆粒的制備方法中，檸檬酸鈉還原法是最早，也是最常被使用的方法。1951年，Turkevitchtl[30]就發現了可以使用檸檬酸鈉把三價的金離子還原成金原子，形成金納米顆粒。之后在1973年，Frens[31]同樣利用這種方法制備了金納米顆粒，但不僅僅是如此，他還發現通過改變檸檬酸鈉和三價金離子之間的比例可以控制制備的金納米顆粒的尺寸大小，并通過這種方法制備出直徑為16-147nm的金納米顆粒。檸檬酸鈉還原法的具體過程如下：首先要徹底清洗所有將要使用的玻璃容器，以避免因容器不干凈引起制備的金納米顆粒的團聚和變質；其次配制質量體積比為1%的氯金酸溶液和檸檬酸鈉溶液；接著取100ml去離子水放進三口燒瓶中，在電磁攪拌器的油浴中進行加熱，油浴溫度設置在高于100℃的溫度，一般選擇120℃。加入一定量配制好的氯金酸溶液加熱至沸騰，然后迅速加入一定量準備好的檸檬酸鈉溶液，加熱十五分鐘。在加熱三到五分鐘之后，溶液就開始變色，從黃色變成酒紅色；最后關閉電磁攪拌器，把燒瓶取出冷卻到室溫，把制備的金納米溶液在4℃的溫度下遮光保存。這種方法操作簡單，比較容易控制金納米顆粒的形狀和尺寸。制備金納米顆粒的尺寸范圍也比較大，但是檸檬酸鈉還原法制備金納米顆粒隨著尺寸的增加，單一性逐漸變差，形狀越來越不接近球形，尺寸分布也越來越不均勻，我們將在下一章重點對檸檬酸鈉還原法進行研究討論，在此就不過多的介紹了。2.2.2晶種法上面提到的檸檬酸鈉還原法隨著顆粒尺寸的增大，單分散性就會越來越差，在50nm以內時單分散性還行，但是當尺寸超過了50nm，則出現一下兩種情況，一是多分散性，尺寸不均勻；二是有很多納米顆粒是非球形的，形狀不規則。而晶種法其實就是對于檸檬酸鈉還原法的一個完善和補充，它可以利用檸檬酸鈉法制備的小尺寸的納米顆粒，通過不斷地生長，制備單分散性好，形狀規則的大尺寸的納米顆粒。因此晶種法是一種實現單分散性和形狀規則的大尺寸金納米顆粒制備的好方法。晶種法制備金納米顆粒主要分兩步，第一步就是采用強還原劑（如檸檬酸鈉等）使得三價金顆粒還原成金原子，形成小尺寸的金納米顆粒；第二步就是把制得的小尺寸的金納米顆粒作為晶種，通過加入弱的還原劑，在氯金酸溶液中使晶種不斷長大，通過控制還原劑量的多少來控制納米顆粒的尺寸。為什么要加入弱的還原劑呢？因為如果我們還用強的還原劑，那加入晶種不僅使晶種不斷成長，同時也會產生新的、小的納米顆粒，這樣就存在一個二次成核的問題，結果使得制備的金納米顆粒單分散性不好，這就與我們的目標背道而馳，而選擇弱的還原劑，如對苯二酚、抗壞血酸等弱還原劑，它們本身是不能直接把氯金酸中的三價金離子還原成金原子的，只能還原成一價金離子，而在加入晶種之后，由于金納米顆粒的表面活性，使得可以在晶種上把一價金離子還原成金原子，吸附在晶種表面，這樣金納米顆粒就會不斷的增大。一系列的實驗證明，在不存在晶種的前提下，弱的還原劑是不會還原出金納米顆粒的；同時有晶種，沒有弱還原劑也不會完成實驗。隨著晶種的不斷減少，氯金酸和還原劑不變的情況下，顆粒的尺寸越來越大。晶種的增長都是通過在晶種溶液中增加或者減少氯金酸中三價金離子和晶種金原子的比例來調節。如果選擇抗壞血酸作為還原劑，它本身是不能把金離子還原成金原子的，只有當晶種存在的情況下，抗壞血酸才能把金離子在晶種表面還原成金原子，從而使得晶種不斷的增長。這樣就避免了金納米顆粒二次成核的問題。通過研究和歸納總結，可以用下面方程（2.1）來計算金納米顆粒的直徑。Dfinal=Dseed｛（[Au(0)]+[Au(Ⅲ)]）/[Au(0)]｝1/3（2.1）其中D代表顆粒的直徑。2.2.3相轉移法在雙相體系下制備膠體金最早是由Faraday發明的，他是在二硫化碳中用磷還原了一種水相的金鹽并得到了一種紅寶石顏色的分散的金納米顆粒的水溶液。如果我們把這種雙相方法和最新的顆粒萃取和烷烴硫醇單層自聚合技術結合起來，就會得到我們現在所要介紹的想轉移法。這種方法是1994年，Brust最早發現并使用的。這種方法包括通過即時聯結自聚合的硫醇單層到一個增長的單核上從而讓金屬簇不斷變大。為了讓表面反應能夠在金屬成核并增長的過程中發生，顆粒需要在兩相中培養。兩相的氧化還原反應能通過選擇一種合適的氧化還原反應及在兩相相接的部分起作用。在這種情況下，氯金酸根在相轉移試劑四辛基溴化銨的作用下由水相轉移到苯里，并在十二硫醇參與下由水相的硼氫化鈉來還原。在還原劑作用的時候，有機相幾秒鐘內從橙色變成深棕色。整個反應過程我們可以用下面的方程式（2.2）和（2.3）來表示：AuCl4-(aq)+N(C8H17)4+(C6H5Me)→N(C8H17)4+AuCl4-(C6H5Me)(2.2)mAuCl4-(C6H5Me)+nC12H25SH(C6H5Me)+3me-→4mCl-(aq)+(Aum)(C12H25SH)n(C6H5Me)(2.3)其中電子來源是BH4-，反應條件決定了由硫醇到金的比率。整個制備的過程如下面所講。把30ml30mmol/L的氯金酸水溶液與80ml50mmol/L四辛基溴化銨苯溶液混合，不停地攪拌雙相混合物直到所有的氯金酸轉移到有機層中，然后把170mg十二硫醇加入到有機相中，把剛剛制備的25ml0.4mol/L的硼氫化鈉水溶液在不斷攪拌下慢慢加入進去。在繼續攪拌3小時分離有機層，在旋轉蒸發儀中蒸發至10ml并加入400ml乙醇出去多余的硫醇。混合物在-18℃下保存4個小時，把析出的深棕色沉淀過濾出來并且用乙醇沖洗。得到的產品用10ml苯溶解后再用400ml乙醇析出，這樣我們就可以得到我們所想要的被硫醇修飾的金納米顆粒。我們通過研究發現，這種方法制備的金納米顆粒，尺寸分布一般在2-5nm之間，顆粒分散性好，尺寸分布均勻。我們從顆粒和十二硫醇的紅外光譜相似可以證明硫醇確實是金納米顆粒的一部分。它的存在使得金納米顆粒之間不會發生聚合，形成很好的分散性。在后來，李亞棟[38]等人利用亞油酸鈉-亞油酸-乙醇水溶液體系也制備了金納米顆粒。這種方法制備的金納米顆粒同樣是不僅分散性好，而且尺寸均一。但是這種方法制備的金納米顆粒尺寸范圍比較小，對于我們用于傳感器的很多方面都不符合。雖然有很多優點，但是操作也相對復雜，一般我們不作為首要選擇。2.2.4膠束與反膠束法膠束與反膠束法，又被稱之為微乳液法，是用微乳液、共聚物膠束、反膠束、表面活性劑、隔膜以及其他親水脂分子來研究制備金納米顆粒的方法，這在整個金納米顆粒制備的研究領域都是具有非常重要的意義。這種方法在有或者沒有硫醇配合基的情況下都可以合成穩定的金納米顆粒。膠束是表面活性劑溶解于有機溶劑達到一定濃度時，表面活性劑分子或者離子組合成膠體，當膠體和溶液的離子之間處于平衡狀態時，在溶液中形成的聚合體。反膠束是當表面活性劑濃度超過臨界膠束濃度（CMC）時，在非極性有機溶劑中形成的親水極性投朝內，疏水極性頭朝外的膠束。反膠束的顆粒大小一般都小于10nm。當顆粒大于10nm但是小于100nm時，我們就稱之為微乳液。利用膠束與反膠束法制備金納米顆粒可以使金納米顆粒表面形成一層表面活性劑，防止團聚，這樣可以保證制得的金納米顆粒分散性好。在反應過程中我們可以通過改變表面活性劑與反應物的濃度比來控制金納米顆粒的大小。在之前的研究中很多人都已經通過不同的表面活性劑和反應物制備了穩定的金納米顆粒。譬如Lin[39]等通過選用CTAB/辛烷和1-丁醇/水的反膠束中用硼氫化鈉還原氯金酸制備了金納米顆粒。這種方法制備的金納米顆粒穩定性好，尺寸分布比較均勻，但是尺寸比較小，一般都在10nm以下，方法操作起來也比較復雜，但是對于10nm以內金納米顆粒的制備還是可以參考選用的。第三節物理輔助方法除了我們上面所介紹的物理方法和化學方法外，金納米顆粒制備方法中還有一種叫做物理輔助方法，它主要包括光化學法和超聲化學法兩種。經過實驗證明，在制備金納米顆粒的過程中如果引入光波或者是超聲波，往往會有一些意想不到的效果，對納米顆粒的尺寸和形狀都有很好的改善作用。例如我們可以用一個殺菌燈作為一個UV（紫外）放射源，對裝有適量的氯金酸和TX100（中文名字是辛基苯基聚氧乙烯醚）的封閉的石英試管進行光照射。照射條件是試管在距離光源3厘米的地方照射25分鐘，這樣就可以得到粉紅色的金納米顆粒。這種方法制備的金納米顆粒尺寸非常的均勻，形狀也非常的接近球形。在這里面TX100既是還原劑，又是穩定劑。在氯金酸一定量的情況下，TX100越多，形成的金納米顆粒就越小，反之，則越大。這種方法制備的金納米顆粒可以作為晶種，然后再用晶種法進行繼續增長，光化學法與晶種法的結合使用在金納米顆粒的制備上很有前景。而在超聲化學法中，我們能夠通過調整超聲的功率以及溶液溫度高低等參數的方式，來調整和控制所制備的金納米顆粒的尺寸大小[40]。現在我們對于物理輔助方法的研究和探索工作做的還不是很多，但是這種方法已經顯示出它在很多方面的優勢和獨特性，我們在今后的實驗和研究中會越來越多的投入更多的精力在此類方法中。第三章檸檬酸鈉還原法制備金納米顆粒金納米顆粒是最穩定的貴金屬溶膠之一，具有很多獨特的與形貌和尺寸相關的光學和電學性質。近年來，關于對金納米顆粒進行功能團修飾來進行生物檢測標記物的研究層出不窮，其中利用金納米顆粒發展起來的金標免疫層析檢測技術備受人們關注。但是這些技術的首要核心技術就是金納米顆粒的制備。目前制備金納米顆粒的方法有很多種，就像我們在之前所講述到的，有水相的檸檬酸鈉還原法，相轉移法，晶種法，還有很多物理輔助方法，譬如說光化學法，超聲化學法等等。這幾種方法中，相轉移法雖然可以制備出分散性好，尺寸均一得金納米顆粒，但是一般適用于5nm一下的金納米顆粒的制備。晶種法是檸檬酸鈉還原法的延伸和拓展，晶種法的第一步就是用檸檬酸鈉法獲得小粒徑，單分散性好的金納米，然后再在其基礎上生長單分散性不錯的大的金納米顆粒。另外物理輔助方法需要引入光波或者超聲波來控制金納米顆粒的尺寸，要合成尺寸大小均一的金納米顆粒需要控制很多的參數，操作復雜，不利于實驗的重復性。檸檬酸鈉還原法可以通過改變檸檬酸鈉和氯金酸的比率還控制形成金納米顆粒的形狀和大小。在適當的比例下可以形成單分散性好，尺寸均一的金納米顆粒，而且操作方便，過程簡單，可重復性高。因此我們最終選擇用檸檬酸鈉還原法來制備金納米顆粒。第一節檸檬酸鈉還原法制備金納米顆粒3.1.1試劑和儀器我們在實驗中所需要的試劑和儀器主要有：檸檬酸鈉（AuCl3·HCl·4H2OAR）：買自Alfa公司，純度是99%；氯金酸（HAuCl4·3H2OAR）：買自Alfa公司；APTMS：3-氨丙基三甲氧基硅氧烷，買自上海西域公司；所用的水均為高純水：電阻率為18.2M歐；紫外-可見分光光度計；透射電子顯微鏡（TEM）：待測樣品滴在Formvar膜覆蓋的250mesh銅網上，然后經自然干燥后成為待測物；恒溫加熱磁力攪拌器：購買于鞏義市予華儀器有限責任公司；原子力顯微鏡（AFM）和電子天枰。3.1.2制備過程檸檬酸鈉還原法制備金納米顆粒我們主要依據1973年Frens提出來的方法，通過不斷的實驗去調整和改善，整個過程如下：首先要徹底清洗所有將要使用的玻璃容器，以避免容器不干凈引起制備的金納米顆粒的團聚和變質；這一步是至關重要的，我們目前主要是先用體積比7:3的98%的濃硫酸和30%的雙氧水溶液浸泡清洗一個小時，然后用去離子水反復超聲清洗，每次20分鐘，最后在烘箱中進行干燥數個小時后方可使用。其次配制質量體積比為1%的氯金酸溶液和檸檬酸鈉溶液；接著取100ml去離子水放進三口燒瓶中，在電磁攪拌器的油浴中進行加熱，油浴溫度設置在高于100℃的溫度，一般選擇120℃。加入一定量配制好的氯金酸溶液加熱至沸騰，然后迅速加入一定量準備好的檸檬酸鈉溶液，加熱十五分鐘。在加熱三到五分鐘之后，溶液就開始變色，從黃色變成酒紅色；最后關閉電磁攪拌器，把燒瓶取出冷卻到室溫，把制備的金納米溶液在4℃的溫度下遮光保存。整個制備過程我們可以用圖3.1進行表示：圖3.1檸檬酸鈉還原法實驗過程從上面的操作過程來看，檸檬酸鈉還原法還是非常的簡單、易操作的。在整個反應過程中，反應原理如反應圖3.2所示：圖3.2檸檬酸鈉還原法反應原理在整個反應過程中，檸檬酸鈉起到了一個雙重作用，檸檬酸鈉既是還原劑，同時它也是穩定劑。首先檸檬酸根將氯金酸根AuCl4-還原成金原子（Au0），金原子首先吸附性質與其相似的氯金酸根AuCl4-，而帶正電，但由于表面電位差較小，很不穩定，所以之間很容易聚集。隨著氯金酸根濃度的不斷減小，金團簇表面（因為吸附氯金酸根而帶正電）開始吸附檸檬酸根（負電），這是因為靜電吸引所導致的。隨著檸檬酸根的不斷增多，金表面電勢為負，互相排斥，隨著顆粒的逐步增大，顆粒之間的靜電斥力也隨之增大，直至產生穩定的金納米顆粒。盡管與其他金屬膠體相比，金納米顆粒溶液的穩定性是很好的，但是當金納米顆粒溶液被稀釋或者遇到電解質以及溫度的急劇變化或者長時間光照等都會引起金納米顆粒的團聚和變性。為了提高金納米顆粒的穩定性，我們可以在金納米顆粒表面修飾其他分子，譬如學習相轉移法，修飾硫醇就比較穩定。第二節對金納米顆粒溶液的研究根據我們上面提到的實驗過程我們通過改變檸檬酸鈉和氯金酸之間的摩爾比，我們采用固定氯金酸的量，通過改變檸檬酸鈉的量來改變二者之間的摩爾比，制備三種不同的金納米顆粒溶液。第一種我們用1ml的氯金酸溶液和2.5ml的檸檬酸鈉溶液，通過計算檸檬酸鈉和氯金酸的摩爾比是3.5:1。第二種我們用1ml的氯金酸溶液和3.28ml的檸檬酸鈉溶液，通過計算檸檬酸鈉和氯金酸的摩爾比是4.6:1。第三種我們選用1ml的氯金酸溶液和1ml的檸檬酸鈉溶液，通過計算檸檬酸鈉和氯金酸的摩爾比是1.4:1。下面我們就對這三種不同的金納米顆粒溶液就行研究。3.2.1對金納米顆粒溶液的TEM圖的研究我們對這三種金納米顆粒溶液分別做了TEM圖，下面的圖3.3是對第一種溶液做的不同比例下的TEM圖：ABC圖3.3A從圖3.3中我們可以看出我們所合成的金納米顆粒形狀還是比較規則的，通過測量我們可以測得金納米顆粒的尺寸大約在20nm左右，在20nm比例下的圖3.3A中可以看出金納米顆粒分布還是比較分散的，沒有團聚現象，而在圖3.3B和圖3.3C中我們發現所得到的金納米顆粒好像有團聚現象，其實不是這樣的，這是因為在制作TEM測量樣本時，我們需要把樣液沾在一個很小的銅網上，并且是干燥之后才會進行測量，干燥之后由于面積太小，就會在圖中顯示出類似于團聚的現象。接下來我們來研究不同摩爾比的檸檬酸鈉和氯金酸制備的不同金納米溶液的TEM圖，檸檬酸鈉和氯金酸的摩爾比分別是4.6:1，3.5:1和1.4:1。如圖ABC圖3.4A是摩爾比為4.6:1時的金納米顆粒溶液;B是摩爾比為3.5:1時的金納米顆粒溶液;C是摩爾比為1.4:1時的金納米顆粒從該圖中我們通過測量，可以很輕松地得到當檸檬酸鈉和氯金酸摩爾比為4.6:1時，金納米顆粒的直徑大概為15nm左右，當它們二者之間的摩爾比為3.5：1時，金納米顆粒的直徑大概為20nm左右，當它們二者之間的摩爾比為1.4:1的時，金納米顆粒的直徑平均為33nm左右。從這些數據中我們可以很清楚的看到，隨著檸檬酸鈉和氯金酸的摩爾比的增加，金納米顆粒的形狀由稍顯不規則的橢球形逐漸向各向同性的圓球形顆粒轉變，形狀越來越規則。并且隨著檸檬酸鈉和氯金酸的摩爾比的不斷增加，金納米顆粒的尺寸越來越小，這與我們之前在反應原理中提到的檸檬酸鈉既是還原劑，同時又是穩定劑相符合，因為穩定劑越多，金納米簇就會在更快的時間內吸附了更多的穩定劑而互相排斥，這個過程時間越短，顆粒的尺寸就會越小。同時不僅是尺寸越來越小，而且隨著它們摩爾比的增加，金納米顆粒的尺寸分布也越來越小，大小也趨于均一，單分散性越來越好，這些結論都與Frens的結論相一致。因此我們可以推斷出，在利用檸檬酸鈉作為還原劑制備金納米顆粒的反應過程中，檸檬酸鈉作為穩定劑，對于金納米顆粒的尺寸均一性以及形狀規則性上起到了非常重要的作用。從前面的TEM圖中我們可以粗略的看到檸檬酸鈉和氯金酸的摩爾比與金納米顆粒尺寸的大小有著一定的關系，從之前的計算我們得知，當摩爾比為4.6:1時，尺寸約為15nm；當摩爾比為3.5:1時，尺寸約為20nm；當摩爾比為1.4：1時，尺寸約為33nm。經過我們進一步的實驗和測量，當摩爾比為1.3:1時，尺寸大概在40nm。摩爾比為7:1時，尺寸大概在12nm。根據這些實驗數據我們在Origin中進行擬合繪圖，得到圖3.5：圖3.5摩爾比與納米顆粒尺寸的擬合關系圖從圖3.5中我們可以看到金納米顆粒尺寸與檸檬酸鈉和氯金酸的摩爾比基本上成反比，摩爾比越高，檸檬酸鈉越多，每個金納米顆粒分到的檸檬酸鈉就越多，尺寸就會越來越小，這跟Frens的結論是相一致的。同時我們還可以根據這條曲線的規律，有目的、有選擇的選擇合適量的檸檬酸鈉去制備我們所想要制備的尺寸的金納米顆粒，雖然有誤差，但是不會太大，這樣就會有的放矢，很大的節約了時間，提高了效率。3.2.2對金納米顆粒溶液消光光譜的研究我們對三種不同檸檬酸鈉/氯金酸摩爾比制備的金納米顆粒溶液都用紫外-可見分光光度計進行測量了它們的消光光譜，方法是我們首先選擇在比色皿中放入純水進行測量，這個測量結果作為我們對其他三種溶液測量的基準，然后分別放入裝有三種金納米顆粒溶液的比色皿進行測量，測量結果通過Origin繪圖，可以得到圖3.6：圖3.6三種不同摩爾比金納米顆粒溶液的消光光譜為了方便比較我們這三條曲線的消光峰值，我們分別從這三條曲線的原始數據中截取消光光譜峰值附近的一段來進行對比，制作成表格3.1：表3.1三種金納米溶液在消光峰附近的數據摩爾比4.6:1（15nm）摩爾比3.5:1（20nm）摩爾比1.4:1（33nm）波長（nm）消光量波長（nm）消光量波長（nm）消光量5160.3059705160.3093805260.3736205170.3069305170.3101605270.3744205180.3076705180.3107205280.3750405190.3081005190.3109305290.3753905200.3081905200.3108205300.3756405210.3080905210.3104705310.3755805220.3075305220.3097605320.3753905230.3067305230.3086605330.3750105240.3056505240.3073405340.3744205250.3041605250.3056105350.373730從表格3.1中我們可以很清楚地看到，在金納米顆粒尺寸為15nm左右時，溶液的消光峰波長為520nm，最大消光量為0.308190；在金納米顆粒尺寸為20nm左右時，溶液的消光峰波長為519nm，最大消光量為0.310930；在金納米顆粒尺寸為33nm左右時，溶液的消光峰波長為530nm，最大消光量為0.375640。根據Frens的結論應該是隨著金納米顆粒尺寸的增大，消光峰會逐漸地紅移，而在我們的實驗結果中，在金納米顆粒尺寸為15nm和20nm的時候，從表格的數據看出現了1nm的藍移，根據我們的分析這個結果可能是由于當時實驗環境，以及20nm的金納米顆粒溶液的尺寸分布不均勻性引起的，還有另外一種原因就是因為我們實驗儀器的精度引起的，因為我們所用的紫外分光光度計是以一個納米為單位進行掃描的，如果這兩個尺寸的消光峰都在519nm和520nm之間，相差不多，就可能出現我們表格里所顯示的實驗結果。經過我們的討論分析，這次實驗結果出現藍移的原因大多是因為金納米顆粒溶液中的顆粒尺寸分布不均勻引起的，存在很大的偶然性，因為我們在之后的多次測量中發現，20nm的金納米顆粒溶液的消光峰大約在523nm左右，是相對于15nm的金納米顆粒溶液發生了紅移。從這一點上更進一步的印證了我們之前結論就是檸檬酸鈉還原法制備的金納米顆粒尺寸越小，單分散性就越好，單次的實驗結果就越可靠。但是從總體上我們還是可以看出，隨著金納米顆粒尺寸的增大，消光峰產生紅移的趨勢是顯而易見的，而且消光強度也在逐漸地變大。第三節金納米顆粒在玻璃片上的組裝為了更好的對金納米顆粒進行研究，以便把金納米顆粒的這些獨特性質應用到很多實際的領域中，把金納米顆粒組裝到玻璃片上就顯得尤為重要。在組裝之前，我們還是要把要組裝的玻璃片以及要用到的所有玻璃儀器進行一次全面的清洗，以保證上面沒有任何雜質，這一步非常重要，因為一旦有雜質，金納米顆粒就會發生團聚，對其的組裝就會以失敗而告終。我們依然選擇用98%的濃硫酸和30%的雙氧水，二者按照體積比為7:3的比例進行混合之后對所用的所有玻璃儀器和玻璃片進行清洗一個小時，然后用去離子水進行反復的超聲清洗，每次二十分鐘，然后放入防塵裝置內在烘箱中干燥若干小時后方可使用。整個組裝過程如下：首先將清洗后的玻璃基片浸泡在體積比為8%-10%的APTMS（或者APTES,兩者的區別只是碳鏈的長度不同）和乙醇的混合溶液中，進行自組裝十五分鐘，這樣可以實現對玻璃基片的硅烷化處理；其次我們用無水乙醇超聲清洗五次，之后將玻璃片放在120℃的烘箱中干燥三個小時，這一步非常的重要，因為只有足夠長時間的干燥才可以避免玻璃表面形成多層硅烷化物，引起金納米顆粒的團聚；最后將硅烷化后的玻璃基片放置在我們之前制備的金納米顆粒溶液中，進行自組裝二十四小時，這樣就可以實現金納米顆粒在玻璃基片上的組裝。這個時間是經過反復的實驗才得到的結果，因為我們發現在自組裝二十四小時之后玻璃片的消光峰不再變化，而不到二十四小時的時候它會一直變化，因此金納米顆粒組裝二十四小時可以達到穩定狀態，實現組裝完畢。整個組裝過程我們可以用圖3.7進行簡單表示:圖3.7金納米顆粒在玻璃基片上的自組裝過程圖第四節對組裝在玻璃片上的金納米顆粒的研究3.4.1對同一尺寸、不同濃度的金納米顆粒進行組裝的研究對于同一尺寸、不同濃度的金納米顆粒組裝的研究，我們選擇檸檬酸鈉和氯金酸摩爾比為3.5:1時制備的20nm的金納米顆粒溶液為研究對象。我們把實驗制備的原溶液定義為濃度為1的原液，取3ml的原液放在離心管里作為濃度為1的金納米顆粒溶液；接著我們取三次2ml的原液，分別放在三個離心管里進行離心十分鐘，轉速超過1000轉/min，然后在每個離心管里去掉1ml的水，再混合得到3ml的濃度為2的金納米顆粒溶液；取1.5ml的原液再加入1.5ml的去離子水，混合均勻后作為濃度為0.5的金納米顆粒溶液。我們把硅烷化后并且干燥處理后的玻璃基片，分別放入三種不同濃度的金納米顆粒溶液中，在遮光的環境下進行自組裝二十四小時，我們會發現組裝后的玻璃片會有些許的紅色，這就說明金納米顆粒已經在玻璃片上完成了組裝。如果玻璃片上顏色發藍，則說明金納米顆粒已經發生團聚，自組裝失敗，需要重新操作進行組裝。我們通過紫外-可見分光光度計來測量不同濃度組裝后的金納米顆粒的消光光譜，首先在比色皿中裝入去離子水進行測量，測量結果作為之后測量的基準，然后把三種不同濃度的金納米顆粒組裝后的玻璃片放入裝有去離子水的比色皿中進行測量，測量結果用Origin繪制圖形如圖3.8：圖3.8為對20nm金納米顆粒不同濃度溶液進行組裝后的消光光譜圖，三種濃度分別是Low為0.5；Middle為1；High為2從圖3.8中我們可以很清楚的看到隨著金納米顆粒溶液濃度的不斷增加，消光強度會不斷地增大，更加詳細的實驗結果我們可以從原始數據中得到，當濃度為0.5時，峰值波長為524nm，最大消光強度是0.118470；當濃度為1時，峰值波長為526nm，最大消光強度為0.137260；當濃度為2時，峰值波長為528nm，最大消光強度為0.154620。從這些數據中我們發現，隨著金納米顆粒溶液濃度的不斷增加，不僅是最大消光強度隨之增大，而且組裝后的金納米顆粒的消光光譜還發生了微小的紅移。消光強度的增加我們比較好理解就是因為組裝后的金納米顆粒緊密有序的排列，顆粒間的相互作用就會引起消光強度的增加。對于隨著金納米顆粒溶液濃度的不斷增加，消光光譜發生紅移，我們知道被吸附的金納米顆粒之間由于等離子耦合會導致吸收峰的紅移，這其中金納米顆粒的團聚就是一個最直接的例子，當金納米顆粒發生團聚后我們會發現在600nm到700nm之間會出現一個很強的消光峰。根據研究表明金納米顆粒之間的相互作用對消光峰紅移的影響是隨著金納米顆粒之間的相互距離的拉大成指數衰減，所以隨著濃度的增加，組裝在玻璃基片上的金納米顆粒之間的距離就會越來越小，這樣就會引起更多的紅移，這跟我們得到的結論是相符合的。從上面的數據我們知道最大消光強度隨著濃度的不斷增加而增大，但是這個趨勢并不是一直延續下去的，隨著我們實驗的不斷繼續，我們發現，當濃度增大到一定值之后，消光光譜的最大消光強度就會達到一種飽和狀態，不會再繼續增大。3.4.2對不同尺寸的金納米顆粒進行組裝的研究對于不同尺寸的金納米顆粒在玻璃基底上進行組裝的研究，我們還是選擇檸檬酸鈉與氯金酸摩爾比為4.6:1,3.5:1以及1.4:1所制備的尺寸分別為15nm，20nm和33nm的金納米顆粒溶液為研究對象。同樣的方法我們依然分別取3ml這三種金納米顆粒溶液放在三個離心管中，把硅烷化并且已經干燥處理后的玻璃基片分別放在裝有三種金納米顆粒溶液的離心管中，在遮光環境下自組裝二十四個小時。我們用紫外分光光度計對組裝有不同尺寸金納米顆粒的三個玻璃片進行消光光譜測量。方法還是一樣，以去離子水的測量結果為基準，然后分別測三個組裝后的玻璃片的消光光譜。測量結果用Origin繪制圖形，如圖3.9：圖3.9不同尺寸金納米顆粒組裝后的消光光譜圖，三種尺寸分別為15nm，20nm，33nm具體的信息我們可以從原始數據中得到，當金納米顆粒尺寸為15nm時，消光光譜峰值波長為529nm，最大消光強度為0.145910；當金納米顆粒尺寸為20nm時，消光光譜峰值波長為526m，最大消光強度為0.137260；當金納米顆粒尺寸為33nm時，消光光譜峰值波長為529nm，最大消光強度為0.408140。從這些個原始數據中我們依據發現，在15nm到20nm的轉變過程中，消光光譜發生了藍移，藍移量為3nm，而且最大消光強度也降低了0.008650，這與我們的理論結果是不相一致的，按照Frens方法的結論，應該是隨著金納米顆粒尺寸的不斷增大，組裝后的消光光譜會發生紅移，最大消光強度也會逐漸增大。這一點的原因我們現在還只能用因為金納米顆粒尺寸的單分散性不是非常好，而且我們通過紫外分光光度計測量玻璃片上的金納米顆粒的消光光譜也只能測得它的局部，而不是整體，這就會引起誤差的存在。才會造成目前的這種結果。這個仍需要我們再繼續進行更多次的驗證。我們把這三種不同尺寸在玻璃基底上組裝后的金納米顆粒的消光光譜與之間三種金納米顆粒溶液的消光光譜進行比較可以看出，15nm和20nm的金納米顆粒都發生了紅移，這是與理論相符合的，而33nm的金納米顆粒卻發生了藍移，藍移量為1nm。我們用比33nm還大尺寸的金納米顆粒做對比，結果還是會發生藍移。我們認為這種不合情理的波長移動可能是由另外的因素（除了顆粒間的耦合）的相互作用引起的。這些因素可以影響組裝后的單層波的光學特性。其中一種可能是因為玻璃基底的存在，使得納米顆粒周圍環境折射率各向異性的增加；另外金納米顆粒上吸附的分子也有可能改變金納米顆粒的電子特性，從而影響消光光譜。如果電子轉移是從金納米顆粒到吸附物上，這樣會引起紅移，這是我們所期望看到的，但是如果電子轉移是從吸附物質到金納米顆粒上，那將會產生藍移。相似的，組裝在胺基上的金納米顆粒之間的電子相互作用同樣可以影響消光光譜的移動；最后就是入射光的偏振作用也會對消光光譜的移動產生相應的影響。這些因素都是我們以后研究的方向。3.4.3金納米顆粒組裝后在不同溶液中的研究對金納米顆粒組裝后在不同溶液中消光光譜的研究，我們首先研究一種尺寸的金納米顆粒，我們選擇檸檬酸鈉和氯金酸摩爾比為3.5:1的尺寸為20nm的金納米顆粒溶液為研究對象，還是以在裝有去離子水的比色皿放入一片空的玻璃基底的測量結果為基準，把組裝好金納米顆粒的玻璃基底分別在去離子水、乙醇、甲苯以及乙醇和甲苯1:1體積比混合的溶液中用紫外分光光度計進行測量金納米顆粒的消光光譜。測量結果用Origin繪圖，如圖3.10所示：圖3.1020nm的金納米顆粒組裝后在四中不同溶液中測得的吸收光譜1是去離子水，2是乙醇，