一种Au@Ag纳米核壳材料的Ag壳厚度控制方法及其应用与流程

一种au@ag纳米核壳材料的ag壳厚度控制方法及其应用
技术领域
1.本发明涉及环境材料研究领域，特别是一种au@ag纳米核壳材料的ag壳厚度控制方法及其应用。


背景技术：

2.纳米银(ag nanoparticles,ag nps)由于具有独特的光学、催化、传感和抗菌性能引起了世界范围内的关注。ag nps的等离子体共振效应使得其在生物传感、表面增强拉曼散射光谱、等离子纳米激光技术、太阳能收集等领域有广泛的应用前景。然而，由于ag nps的化学稳定性和生物相容性较差，易被氧化，会降低等离子体性能，进而促进银离子(ag ion,ag )的释放，可能会产生较大的生物毒性。但是，ag nps因为具有很好的抗真菌和抗菌性能，被广泛应用于各种商业产品中，包括手机、牙刷、化妆品、纺织品等。随着ag nps在消费产品中的广泛使用，人们越来越重视他们可能对健康造成的影响以及他们释放到环境中对生态系统造成的潜在影响。然而ag nps的生物命运评估是非常有挑战性的，因为ag nps在生物体中的生物积累、转运非常复杂，氧化溶出和再还原过程同时存在，无法得到统一的结论。
3.随着研究的深入，au@ag核壳纳米材料(au@ag nanoparticles,au@ag nps)被发现比单独的ag nps和au/ag纳米结构表现出更有前景的等离子体性质，这引起了人们对如何提高ag壳安全性的关注。而且au核标记的ag nps，使用常规的金属分析仪器，即可区分颗粒态和离子态的ag，同时，处于纳米材料内部的au标记相比于荧光标记等外部标记，不会改变ag nps的表面，因此au核标记技术是一种非常有前途的生物追踪技术，但是关于au@ag nps能否替代ag nps进行生物追踪，au核是否会影响ag nps的生物积累和毒性，还缺乏系统的研究。而且，从之前的研究来看，在au-ag纳米结构(如au-ag核壳结构和合金)中发现从au到ag的电子补偿现象，这有利于ag侧的电子富集和防止ag氧化，进而减少ag 的释放，但是，纳米au核粒径一定的情况下，增加ag壳的厚度会减弱电子补偿效应，使得au-ag纳米结构在生物体内的应用变的不再安全。由于au@ag核壳纳米材料的ag壳厚度不能实现定量控制，故而其对生物积累和生物毒性的影响和影响程度不能得到有效评估，这严重影响了au@ag核壳纳米材料的应用范围。


技术实现要素：

4.本发明提供一种au@ag纳米核壳材料的ag壳厚度控制方法及其应用，利用抗坏血酸还原硝酸银溶液中的ag ，同时采用逐步滴加和氨水络合的方式减缓ag 的还原速率，通过硝酸银溶液与纳米金核粒径和au@ag纳米核壳材料粒径之间的关系公式进行计算，通过控制加入硝酸银溶液的体积来合成一系列ag壳厚度可控的au@ag nps，可以在生物医学和生物追踪方面有广泛的应用。本发明还公开了au@ag nps中不同ag壳厚度与生物积累和毒性的关系评估。
5.本发明技术方案如下：
6.一种au@ag纳米核壳材料的ag壳厚度控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
7.s1，将平均粒径已知的纳米金核用超纯水重悬得到纳米金溶液；
8.s2，将所述纳米金溶液与抗坏血酸和浓氨水混合得到生长混合溶液；
9.s3，在搅拌条件下，避光并逐滴向所述生长混合溶液中加入硝酸银溶液，得到指定粒径的au@ag纳米核壳材料，所述硝酸银溶液与纳米金核粒径和au@ag纳米核壳材料粒径之间的关系公式如下：
[0010][0011]
其中，为硝酸银溶液的体积，v
au
为生长混合溶液的体积，c
au
为生长混合溶液中纳米金的浓度，ρ
ag
为银原子的密度，d
au@ag
为欲得到的au@ag纳米核壳材料的平均粒径，d
au core
为纳米金核的平均粒径，为硝酸银溶液的浓度，ρ
au
为金原子的密度。
[0012]
作为优选，所述抗坏血酸的浓度为0.1mol-0.12mol，所述浓氨水的浓度为5％。
[0013]
作为优选，所述硝酸银溶液的的浓度为1mmol/l-10mmol/l，滴加速度为0.1ml/min-1ml/min。
[0014]
作为优选，所述au@ag纳米核壳材料为金核表面包覆有银纳米壳层的纳米球。
[0015]
作为优选，所述纳米金核的制备步骤如下，
[0016]
s1.1，在转速为600rpm的磁力搅拌条件下，取新鲜溶解的0.1mol的硼氢化钠加入到0.25mmol的氯金酸和0.25mmol柠檬酸钠混合溶液中，持续搅拌4h之后，得到金晶种溶液；其中，所述硼氢化钠与所述氯金酸和柠檬酸钠混合溶液的体积比为3:100；
[0017]
s1.2，在转速为600rpm的磁力搅拌条件下，将获得的金晶种溶液加入到生长溶液中，搅拌10min后，进行离心收集，得到所述纳米金核；其中，所述生长溶液为1.66g/l的聚乙烯比咯烷酮、2.67mmol碘化钾、1.67mmol抗坏血酸和1mmol氯金酸的混合溶液；所述金晶种溶液与所述生长溶液的体积比根据需制备的纳米金核的粒径大小进行确定。
[0018]
一种au@ag纳米核壳材料在生物追踪技术研究的应用，根据上述au@ag纳米核壳材料的ag壳厚度控制方法合成不同ag壳厚度的au@ag纳米核壳材料，研究不同ag壳厚度对生物追踪技术的影响。
[0019]
作为优选，用于生物追踪技术的au@ag纳米核壳材料的ag壳厚度不小于20nm。
[0020]
一种au@ag纳米核壳材料在生物医学研究上的应用，根据上述au@ag纳米核壳材料的ag壳厚度控制方法合成不同ag壳厚度的au@ag纳米核壳材料，研究不同ag壳厚度对生物积累的影响，具体方法包括：在室温条件下，取不同壳层厚度的au@ag纳米核壳材料稀释至相同质量浓度，加入原生动物嗜热四膜虫sb210株系，暴露结束后，通过离心清洗的方式收集细胞，检测四膜虫细胞对不同au@ag纳米核壳材料的摄入情况，并与相同颗粒浓度下ag nps的生物摄入做对比，评估au@ag纳米核壳材料壳层厚度与生物积累的关系。
[0021]
一种au@ag纳米核壳材料在生物医学研究上的应用，根据上述au@ag纳米核壳材料的ag壳厚度控制方法合成不同ag壳厚度的au@ag纳米核壳材料，研究不同ag壳厚度对生物毒性的影响，具体方法包括：在室温条件下，取不同壳层厚度的au@ag纳米核壳材料稀释至相同质量浓度，加入原生动物嗜热四膜虫sb210株系，暴露结束后，用血球计数法测定不同暴露溶液中的四膜虫数目，并与相同颗粒浓度下ag nps暴露后的细胞数目做对比，评估au@
ag纳米核壳材料壳层厚度与生物存活率的关系。
[0022]
一种au@ag纳米核壳材料在化学稳定性研究上的应用，根据上述au@ag纳米核壳材料的ag壳厚度控制方法合成不同ag壳厚度的au@ag纳米核壳材料，研究不同ag壳厚度对其化学稳定性研究的影响；具体方法包括：在室温条件下，取不同壳层厚度的纳米核壳材料稀释至相同质量浓度，匀速振荡，不同时间间隔取样，用荧光探针测定溶液中溶出ag 的浓度，并与相同颗粒浓度下ag nps的溶出做对比，评估au@ag nps壳层厚度与化学稳定性的关系。
[0023]
本发明相对于现有技术优势在于：本发明所述au@ag纳米核壳材料的ag壳厚度控制方法及其应用，利用抗坏血酸还原硝酸银溶液中的ag ，同时采用逐步滴加和氨水络合的方式减缓ag 的还原速率，且添加ag 量能够通过硝酸银溶液与纳米金核粒径和au@ag纳米核壳材料粒径之间的关系公式进行计算，通过控制加入硝酸银溶液的体积来合成一系列ag壳厚度可控的au@ag nps，该控制方法易于重复，成本低，能够合成粒径及ag壳厚度均一的au@ag纳米核壳材料，效果好。通过控制ag壳厚度改变au核电子补偿效应的强弱，进而得到适合应用到生物医学领域和生物追踪领域的ag壳厚度。如果追求好的化学稳定性和生物兼容性，可以调控ag壳变薄，如果想要模拟研究agnps进行生物追踪，可以调控ag壳加厚。且对于其他领域，也具有广泛的应用价值。
附图说明
[0024]
图1是利用本发明所述au@ag纳米核壳材料的ag壳厚度控制方法制备的au@ag nps的透射电镜图；
[0025]
图2是利用本发明所述au@ag纳米核壳材料的ag壳厚度控制方法制备的au@ag nps的形貌图。
[0026]
图3是利用本发明所述au@ag纳米核壳材料的ag壳厚度控制方法制备的不同ag壳厚度的au@ag nps在环境中的化学稳定性评估比对图。
[0027]
图4是利用本发明所述au@ag纳米核壳材料的ag壳厚度控制方法制备的不同ag壳厚度的au@ag nps和同等外径的ag nps对生物摄入产生影响的比对图。
[0028]
图5是利用本发明所述au@ag纳米核壳材料的ag壳厚度控制方法制备的不同ag壳厚度的au@ag nps和同等外径的ag nps对生物毒性影响的比对图。
具体实施方式
[0029]
为了便于理解本发明，下面结合具体实施例和对比例，对本发明进行更详细的说明。
[0030]
实施例1
[0031]
一种au@ag纳米核壳材料的ag壳厚度控制方法，包括以下步骤：
[0032]
s1，取3mg平均粒径已知的纳米金核用超纯水重悬至15ml，并用超声波清洗器在250w功率下超声20min，得到纳米金溶液；
[0033]
其中，所述平均粒径已知的纳米金核的制备步骤如下：
[0034]
s1.1，在转速为600rpm的磁力搅拌条件下，取新鲜溶解的0.1mol的硼氢化钠加入到0.25mmol的氯金酸和0.25mmol柠檬酸钠混合溶液中，持续搅拌4h之后，得到金晶种溶液；其中，所述硼氢化钠与所述氯金酸和柠檬酸钠混合溶液的体积比为3:100；
[0035]
s1.2，欲制备粒径为20nm左右的纳米金核时，在转速为600rpm的磁力搅拌条件下，将获得的金晶种溶液以体积比为1:25加入到生长溶液中，搅拌10min后，进行离心收集，得到所述纳米金核；其中，所述生长溶液为1.66g/l的聚乙烯比咯烷酮、2.67mmol碘化钾、1.67mmol抗坏血酸和1mmol氯金酸的混合溶液。
[0036]
经过检测得出，上述步骤s1.1-s1.2制备的纳米金核的平均粒径为20.7nm。
[0037]
s2，将纳米金溶液置于锥形瓶中，与1.5ml抗坏血酸、3ml浓氨水和和10.5ml超纯水混合得到生长混合溶液；其中，所述抗坏血酸的浓度为0.1mol，所述浓氨水的浓度为5％；所述生长混合溶液中纳米金的浓度为100mg/l；
[0038]
s3，在600rpm转速的磁力搅拌条件下，避光并逐滴向所述生长混合溶液中加入定量的浓度为5mmol/l硝酸银溶液，滴加速度为0.5ml/min，得到指定粒径的au@ag纳米核壳材料，所述定量的硝酸银溶液与纳米金核粒径和au@ag纳米核壳材料粒径之间的关系如下：
[0039][0040]
其中，为硝酸银溶液的体积，v
au
为生长混合溶液的体积，c
au
为生长混合溶液中纳米金的浓度，ρ
ag
为银原子的密度，d
au@ag
为欲得到的au@ag纳米核壳材料的粒径，d
au core
为纳米金核的粒径，为硝酸银溶液中的银离子的浓度，ρ
au
为金原子的密度。
[0041]
所述s3中，生长混合溶液的体积v
au
为30ml，生长混合溶液中纳米金的浓度c
au
为100mg/l，所述硝酸银溶液的浓度为5mmol/l，则硝酸银溶液中的银离子的浓度为0.54g/l，欲得到au@ag纳米核壳材料的粒径为25nm时，理论上应当加入的硝酸银溶液的体积经计算为2.31ml。欲得到au@ag纳米核壳材料的粒径为40nm时，理论上应当加入的硝酸银溶液的体积经计算为18.8ml。欲得到au@ag纳米核壳材料的粒径为60nm时，理论上应当加入的硝酸银溶液的体积经计算为70.7ml。欲得到au@ag纳米核壳材料的粒径为80nm时，理论上应当加入的硝酸银溶液的体积经计算为17108ml。
[0042]
实际分别加入2.31ml，18.8ml，70.7ml，171.8ml的硝酸银总体积时，反应后合成的au@ag nps通过转速为6000-9000g、离心时间为10min的离心收集后，得到的au@ag纳米核壳材料用超纯水离心清洗两次，每次离心后重悬后，用超声波清洗器在250w功率下超声20min后，使用透射电镜扫描得到四种au@ag纳米核壳材料(au@ag nps)的透射电镜图，见图1(a)；使用扫描透射电镜扫描得到四种au@ag纳米核壳材料的扫描透射电镜图，见图1(b)；使用x-射线能谱分析得到四种au@ag nps的能量色散x射线图像，见图1(c)。透射电镜图的结果显示，已经实现了核壳纳米结构。而扫描透射电镜图的结果清楚地表明，一个非常明亮的中心区域被一个不太明亮的外围区域包围，说明au核被不同厚度的ag核覆盖。图1c结果表明，au@ag nps中存在au(深色)和ag(浅色)，au局限于粒子的核心区域，而ag围绕在au核心周围，ag壳厚度不同。根据图2能够得出，au核的粒径为20.7nm，au@ag nps的粒径分别为25.4
±
0.3nm，47.2
±
1.4nm，64.3
±
0.4nm，76.6
±
1.4nm，纳米颗粒均匀分散，粒径均匀，粒子无团聚行为。且，au@ag nps的ag壳厚度分别为2.5nm，13.3nm，21.8nm，28.0nm。au@ag nps的ag壳厚度的计算方法为(d
au@ag-d
aucore
)
÷
2。
[0043]
本发明制备的一系列不同粒径的au@ag nps(也即为不同ag壳厚度的au@ag nps)，利用抗坏血酸还原ag ，同时采用逐步滴加和氨水络合的方式减缓ag 的还原速率。最终合成au@ag nps的粒径与添加ag 量相关，且添加ag 量能够通过硝酸银溶液与纳米金核粒径和au@ag纳米核壳材料粒径之间的关系公式进行计算。
[0044]
实施例2
[0045]
一种au@ag纳米核壳材料在生物追踪技术研究的应用，根据上述au@ag纳米核壳材料的ag壳厚度控制方法合成不同ag壳厚度的au@ag纳米核壳材料，研究不同ag壳厚度对生物追踪技术的影响。用于生物追踪技术的au@ag纳米核壳材料的ag壳厚度不小于20nm。
[0046]
实施例3
[0047]
一种au@ag纳米核壳材料在化学稳定性研究上的应用，使用上述au@ag纳米核壳材料的ag壳厚度控制方法合成不同ag壳厚度的au@ag纳米核壳材料，研究不同ag壳厚度对其化学稳定性研究的影响；具体方法包括：在室温条件下，取不同壳层厚度的au@ag纳米核壳材料稀释至5mg/l(以ag计)，加入原生动物嗜热四膜虫sb210株系，溶液匀速振荡，转速为120rpm，暴露结束后，在0,1,2,5,7,18,28,48和67h时取样，并以离心清洗的方式收集细胞，加入ag 测定荧光探针tez-tpe-1，使得最终的探针浓度为30μm，检测四膜虫细胞对不同au@ag纳米核壳材料的摄入情况。为了进行对比，将与au@ag nps纳米颗粒粒径相同的ag nps同时进行暴露，条件与之前保持一致。
[0048]
图3是不同ag壳厚度的au@ag nps在水环境中的化学稳定性评估图。结果表明，au@ag nps的溶出量显著的低于同粒径的ag nps，但是随着ag壳厚的增加，这种溶出的差异逐渐降低，值得注意的是，即使壳厚增加至28nm时，ag nps和同粒径au@ag nps的溶出仍有显著性差异，这表明au核会降低ag nps的在水环境中的溶出行为。相比于ag nps，au@ag nps的化学稳定性更强，也暗示着au@ag nps具有更低的生物毒性。
[0049]
实施例4
[0050]
一种au@ag纳米核壳材料在生物医学研究上的应用，使用上述au@ag纳米核壳材料的ag壳厚度控制方法合成不同ag壳厚度的au@ag纳米核壳材料，研究不同ag壳厚度对生物积累的影响，具体方法包括：在室温25℃条件下，取不同壳层厚度的au@ag nps稀释至10mg/l(以ag计)，加入对数生长期的原生动物嗜热四膜虫sb210株系，按照1:1的体积比混合，au@ag nps的最终浓度为5mg/l，四膜虫的浓度为50万个/ml，对生物暴露液匀速振荡，转速为120rpm，避光暴露6h，暴露结束后，将样品离心，离心转速为600g，离心时间为5min，沉淀清洗2次，使用电感耦合等离子体质谱仪测定细胞积累的ag含量。为了进行对比，将与au@ag nps纳米颗粒粒径相同的ag nps同时进行暴露，条件与之前保持一致。
[0051]
图4是不同ag壳厚度的au@ag nps和同等外径的ag nps对生物摄入产生影响的比对图。结果表明，同粒径的au@ag nps和ag nps的生物积累量一致，表明au核对四膜虫细胞摄入纳米材料无显著影响。这一结果证实了au@ag nps可以替代ag nps进行生物追踪，是一种理想的生物标记手段。
[0052]
实施例5
[0053]
一种au@ag纳米核壳材料在生物医学研究上的应用，使用上述au@ag纳米核壳材料的ag壳厚度控制方法合成不同ag壳厚度的au@ag纳米核壳材料，研究不同ag壳厚度对生物积累的影响，具体方法包括：在室温25℃条件下，取不同壳层厚度的au@ag nps稀释至40mg/
l(以ag计)，加入对数生长期的原生动物嗜热四膜虫sb210株系，按照1:1的体积比混合，au@ag nps的最终浓度为20mg/l，四膜虫的浓度为50万个/ml，生物暴露液匀速振荡，转速为120rpm，避光暴露6h，暴露结束后，生物样品用血球计数法计数存活细胞。为了进行对比，将与au@ag nps纳米颗粒粒径相同的ag nps同时进行暴露，条件与之前保持一致。
[0054]
图5是不同ag壳厚度的au@ag nps和同等外径的ag nps对生物毒性影响的比对图。结果表明，au@ag nps对细胞的毒性显著低于同粒径的ag nps，且随着壳厚的增加，au@ag nps的生物毒性与ag nps的毒性影响逐渐趋于一致，这与图3的化学稳定性结果是一致的。这一结果证实了au@ag nps在生物医学和生物追踪领域巨大的应用场景。
[0055]
应当指出，以上所述具体实施方式可以使本领域的技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。因此，尽管本说明书参照附图和实施例对本发明已进行了详细的说明，但是，本领域技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或者等同替换，总之，一切不脱离本发明的精神和范围的技术方案及其改变，其均应涵盖在本发明专利的保护范围当中。