热点应用丨紫外-可见光谱法表征金纳米颗粒的光学性质（上）

2023-08-02 19:49:10, 天美

简介

金纳米颗粒（AuNPs）的使用可以追溯至科学革命之前，已知最早的使用是在莱克格斯杯的彩色玻璃上（公元4世纪保存下来的）。它们也经常用于彩色玻璃窗，如图1。当光线透过玻璃时，分散在玻璃中的金颗粒使我们可以观察到深红色。纳米粒子（NP）被定义为尺寸在1~100nm之间的粒子。金属纳米粒子在科学研究中应用非常广泛，与大块金属相比，它们拥有更多的、可调整的物理、光学和化学性质。金纳米颗粒尤其如此，它具有易于调整的光学性质，光学性质与物理状态、化学环境有关。金纳米颗粒可以精确地设计用于各种不同的应用。

图1 金纳米颗粒使彩色玻璃窗和艺术品呈现红色

现在，金纳米颗粒胶体在比色和光学检测应用广泛，因为它们可以有效地吸收和散射光，并且可以根据它们的物理和化学特性进行调整，在不同的波长范围展现光学活性。具体地说，可以通过金的纳米颗粒有效地研究局域表面等离子体共振效应（LSPR）。在入射光激发下，金纳米颗粒表面上的传导电子以特定频率进行位移和相干振动，引起的LSPR效应。LSPR对于光学传感的研究是一个非常有用的参数，它的频率很大程度上取决于几个因素，如NP大小、NP形态、粒子间距离和周围电介质的折射率。调整这些因素，可以检测外部变量变化带来的影响。金纳米颗粒的光学特性，传统上是用紫外-可见分光光度计来检测的。紫外-可见光谱可以表征样品在较宽的波长范围内对光信号的响应，是一种较好的检测技术；并且LSPR效应在金纳米颗粒的吸收光谱上作为一个特征峰出现。

本篇应用中，使用紫外-可见光谱研究AuNPs的光学性质。首先，研究了球形胶体AuNPs的LSPR效应随粒径的变化规律。然后，在诱导聚集实验中，通过跟踪LSPR特征峰来表明AuNPs的化学传感潜力。

设备与方法

爱丁堡DS5实时双光束紫外-可见分光光度计；

不同尺寸的金纳米颗粒胶体溶液（BBI试剂公司）；

氯化钠（Sigma Aldrich）；

为了诱导AuNPs聚集，将氯化钠溶解在蒸馏水中，等分后加入到AuNPs溶液中。

进行吸收测量时，将1.5mL样品置于1cm的比色皿中，将蒸馏水置于参比光路的比色皿中。在400~1000nm的波长范围内进行分析，扫描速度为800nm/min，读取间隔为1nm。

结果与讨论

为了研究粒径与LSPR之间的关系，我们利用紫外-可见分光光度计对粒径在10~80nm之间的各种球形AuNP样品进行了表征，如图2所示。溶液中稳定的金纳米球形颗粒在紫外-可见光谱中很容易识别，它们具有明显的吸收峰，λ_max通常位于500nm~600nm之间。数据表明，随着纳米球形颗粒体积的增加，归一化吸收光谱中λ_max值的LSPR波长发生红移。LSPR波长变长是由于电子在更大的面积上振动，频率更低。随着颗粒尺寸的增大，LSPR红移现象可用于设计生物光学纳米传感器，此类应用需要近红外（NIR）激发光源。随着颗粒尺寸的增大，颜色也会发生变化，这可以用相应的吸收光谱来解释。较小的纳米球形颗粒强烈吸收可见光谱的绿色部分，产生丰富的红宝石色，是比色分析的理想选择，如横向流动测试装置。随着纳米球形颗粒尺寸的增大和LSPR红移，更多的红光被吸收，胶体溶液呈现紫色色调。

图2 球形AuNPs粒径的增大对LSPR的影响

通过UV-Vis光谱观测LSPR，也可用于跟踪胶体AuNPs稳定性的变化，稳定性的丧失会导致单个NPs聚集成簇，从而改变它们的大小、形状和粒子间距离。采用一种可控的方式诱导聚集，用于比色法和LSPR分析，设计用于近红外生物纳米传感器；如果不加以控制，也会造成NPs的不可逆溶解。

（未完待续）

DS5实时双光束紫外-可见分光光度计

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