光化学还原制备IgG包裹的银纳米颗粒

第28卷　第4期

2010年12月 广西师范大学学报:自然科学版Jour nal of Guangx i N or mal U niv ersity :N atur al Science Editio n V ol.28　N o.4

Dec.2010

收稿日期:2010-05-20

基金项目:国家自然科学基金资助项目(20927007)通讯联系人:肖丹(1961—),男,广西桂林人,四川大学教授,博士。E-mail:x ia odan@https://www.360docs.net/doc/011092951.html,

光化学还原制备IgG 包裹的银纳米颗粒

庄贞静1,2,肖　丹1

(1.四川大学化工学院,四川成都610064;2.华侨大学分子药物研究所,福建泉州362021)

摘　要:采用光化学还原方法合成人免疫球蛋白(Ig G)包裹的银纳米颗粒胶体溶液,用X 射线衍射仪(XR D)

和透射电子显微镜(T EM )等技术对合成的Ig G 包裹的银纳米颗粒组分和形态进行表征。结果表明,采用光化

学还原方法合成IgG 包裹的银纳米颗粒,粒径在10nm 左右。得到的胶体溶液为黄色混浊液体,通过白光观

察时,该胶体溶液呈透明状,其颜色随着制备条件的不同而发生变化。本文对产生这种特殊光学透光现象的

原因进行了初步分析。

关键词:银纳米颗粒;人免疫球蛋白;光化学还原

中图分类号:T B 321 文献标识码:A 文章编号:1001-6600(2010)04-0081-05

银纳米颗粒以其易于合成,具有极高的电导率、热导率、强烈的表面等离子体激发特性和拉曼增强特性引起科研工作者的关注。目前有多种方法用来制备银纳米颗粒,主要可分为化学方法和物理方法2种类型。化学方法主要有化学氧化还原法[1-3]、电化学方法[4-5]和微乳液法[6-7]等。然而这些方法大多是在水相完成制备过程,制备的银纳米颗粒表面能大、反应活性高,因此必须采取保护措施避免银纳米颗粒的团聚。物理方法主要有气相蒸发凝聚法和激光蒸发法[8]等。物理方法制备银纳米颗粒的缺点在于所用设备昂贵、制备成本高而产率低。本文采用光化学还原方法在人免疫球蛋白(IgG)的水溶液中,还原银离子制备银纳米颗粒。

光化学还原法制备银纳米颗粒时,整个反应在均相中进行,先产生较少的银作为晶核,后续还原的银沉积到银晶核上而使银晶核不断长大形成银纳米颗粒。用该方法制备的纳米颗粒具有高度的分散性,可以获得不同粒径、颜色各异、稳定性好的银胶体溶液[9]。该方法克服了加热法制备银纳米颗粒的不稳定以及出现黑色大颗粒沉淀物的缺陷,并且所获得的纳米粒子纯净,无过量还原剂或还原产物的污染。邹凯等人用光化学还原的方法在聚乙烯吡咯烷酮存在下合成了银纳米线,并讨论了银纳米线在该体系的形成机理,认为聚乙烯吡咯烷酮在形成银纳米线的过程中主要是作为一维线状模板促进纳米颗粒在一维方向上聚集[10]。此外,聚乙烯吡咯烷酮可在银纳米颗粒的制备中作保护剂,然而在只含有聚乙烯吡咯烷酮的水溶液

体系中银的还原反应缓慢[11],若加入光引发剂或光敏剂则可以加快银纳米颗粒的形成[12]。Khanna 等人在

银离子与苯胺的溶液中用光还原的方法制备了银/聚苯胺的纳米复合颗粒[13]。最近,各种二氧化硅、碳纳米管及二氧化钛纳米材料也被作载体用于光还原制备各种基于银纳米颗粒的纳米复合材料[14-16]。

采用环境友好的生物材料作为介质制备金属纳米颗粒已引起人们的关注。例如,利用DNA 与银离子之间强烈的相互作用,Petty 等人以DNA 为介质,用化学还原方法合成了DNA 包裹的银纳米簇[17]。Slocik 等人用化学还原方法还原组装在氨基功能化多肽上的金属离子(如金离子或银离子等),得到了多肽包裹的金属纳米颗粒[18]。Shankar 等人用天竺葵叶汁快速还原银离子而形成稳定且具有很好晶形的银纳米颗粒,粒径在16～40nm,并且认为用天竺葵叶汁可以快速还原银离子形成银纳米颗粒,可能是由于天竺葵叶汁内的某种蛋白对银离子的还原作用[19],该蛋白具有类似于氨基酸及蚕丝蛋白所具有的还原金离子为金的功能[20]。此外,牛血清白蛋白[21]和氨基酸[22]也被用于生物辅助组装纳米材料,以使得这些纳米材料具有生物兼容性,并提高材料的稳定性。

本文以Ig G 水溶液为介质,用光化学还原法在IgG 水溶液中还原银离子形成IgG 包裹的银纳米颗粒,用该方法制备的银胶体溶液具有特殊的光学透光现象,并对产生此种特殊光学透光现象的原因进行初步分析。

1　实验部分

1.1　实验试剂

硝酸银(分析纯,购自成都化学试剂厂);牛血清白蛋白(BSA )、人血清白蛋白(HSA )、葡萄糖氧化酶(GO)、人肝炎B 免疫球蛋白(HBIG)及人免疫球蛋白(Ig G)均购自成都荣升医药有限公司。以上试剂均未经进一步纯化处理而直接使用。实验所用水为二次蒸馏水。

1.2　实验仪器

Tecnai 20高分辨透射电子显微镜(T EM )(飞利浦公司,荷兰);U V1000紫外可见分光光度计(上海天美科学仪器有限公司);DX-1000X 射线粉末衍射仪(XRD)(丹东方圆仪器公司);Zetasizer Nano ZS90激光粒度分析仪/zeta 电位仪(Malv ern 仪器公司,英国);SONY DSC -S 75数码相机(索尼公司,日本);O -LYMPUS BHF -7高压汞灯(奥林巴斯光学仪器有限公司,日本)。市售日光灯(台灯)作为白光光源。

1.3　实验过程

将4m L 3.75m mol/L 的硝酸银溶液与4mL 0.2或2.0g/L 的Ig G 水溶液均匀混合后,在200W 高压汞灯下照射7min ,即可制得Ig G 包裹的银纳米颗粒胶体溶液。

2　结果与讨论

2.1　样品的XRD 和TEM 表征

用XRD 对所制得Ig G 包裹银纳米颗粒胶体样品的成份进行表征,实验结果如图1所示。图中除了1号衍射峰外(该峰可能是由于沉积在玻璃上的样品厚度太薄,而出现玻璃的非晶衍射峰),其余衍射峰分别与立方晶系银(JCPDS.4-0783)的(111),(200),(220)和(311)晶面所产生的衍射峰一致,表明在IgG 水溶液中银离子可以在高压汞灯的照射下,被还原形成银纳米颗粒。在该样品中银颗粒所产生的衍射峰相对较宽,表明样品中所形成的银颗粒粒径较小,该结果与样品的TEM 表征结果一致。图2为该样品的T EM 图,从该图可以看出通过简单的光化学还原方法即可大量制得IgG 包裹的银纳米颗粒,颗粒直径大概10nm,并且该颗粒易团聚形成粒径更大的微粒。为了考察Ig G 在光化学还原银离子中的作用,实验将不含IgG 的硝酸银溶液直接在高压汞灯照射下进行光化学还原反应。结果表明没有Ig G 存在时,

硝酸银溶液经 图1　Ig G 包裹的银纳米颗粒的XR D 图 图2　Ig G 包裹银纳米颗粒的T EM 图

F ig.1　XRD patt ern of t he I g

G -encapsula ted A g Fig.2　T ypical T EM ima ges of I gG -encapsula ted A g nano par ticles nanopar ticles

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光照后,其溶液颜色并没有发生明显的变化。因此,可以认为Ig G 在该体系中,可能是作为电子给予体和传递体,参与光化学还原银离子形成银纳米颗粒。

2.2　IgG 包裹银纳米颗粒样品的光学透光现象及其成因的初步探讨

硝酸银与Ig G 的混合溶液在高压汞灯下照射7min 后,得到黄色混浊溶液,然而透过白光观察该混浊溶液时,溶液却是澄清透明的,且其颜色根据制备条件的不同而发生变化。当IgG 浓度为0.2g /L 时,得到的溶液为黄色混浊液。但是当透过白光观察该溶液时,该溶液为澄清透明的紫色溶液。当Ig G 浓度为2.0g /L 时,经过同样的光化学还原步骤后,所得胶体溶液仍是黄色的混浊液,透过白光观察时,该液体为澄清透明的酒红色溶液。产生这种现象的原因可能是由于溶液中胶体颗粒具有类似胶体晶体阵列的有序排列,使得白光在透过该溶液时部分光被屏蔽掉[23-24]。用紫外可见光谱法对这2种溶液的吸收光谱进行表征,结果如图3所示。从图3可以看出溶液的吸收光谱随着IgG 浓度的增大其最大吸收峰从470nm 红移到512nm,与白光下观察到的颜色以及变化趋势一致,而所得到的吸收光谱峰形都较宽,这可能是由于IgG 包裹

的银纳米颗粒在溶液中聚集形成尺寸分布较宽且粒径较大的颗粒所导致的。

图3　Ig G 包裹银纳米颗粒溶液的紫外-可见吸收光谱图 图4　I gG 包裹的银胶溶液的粒径分布图

　Fig.3　A bsor pt ion spect ra o f IgG -encapsulated Ag F ig.4　Size distr ibutio n o f the Ig G-encapsulated A g

nanopar ticles

co lloidal solutio n a . IgG =0.2g /L ;b . IgG =2g /L a . IgG =0.2g /L ;b . IgG =2g /L

此外,通过离心手段,将该胶体溶液离心后去掉部分上清液,振荡,重新将被离心分离的颗粒分散在该溶液中,结果发现这种光学透光现象仍然存在,即重新分散的胶体颗粒仍是黄色的混浊液,而当透过白光观察时,该溶液仍是澄清透明的且保留未离心前溶液在白光下具有的颜色。因此可以认为,该胶体溶液所具有的这种特殊光学透光现象并不是已发生团聚的银胶体颗粒在溶液中的特殊排列产生的,而可能是由于所合成的Ig G 包裹的银纳米颗粒在团聚过程中形成了具有某种特殊排列的结构而引起的,并且随着IgG 浓度的不同,IgG 包裹的银纳米颗粒的大小不同导致颗粒间距不同,引起合成的胶体溶液对光具有不同的屏蔽能力。

图4是在2种不同IgG 浓度下所制备样品的粒径分布图。从图可以看出,胶体颗粒的尺寸随着Ig G 浓度的降低而减小。这个结果可以作如下解释:当硝酸银溶液与IgG 溶液混合后,Ig G 对银离子具有很好的亲和力[17],使得部分银离子首先被吸附到Ig G 分子内部,并在光照条件下首先形成银纳米簇作为银核以供银纳米颗粒的生长。由于在实验中银离子的量是固定的,在相同的光照时间下被光化学还原的银离子数量基本不变,因此当IgG 浓度较低时,所生成的IgG 包裹的银纳米颗粒粒径较大,表面电荷密度较小,颗粒间的聚集能力增强,而使得IgG 包裹的银纳米颗粒在团聚后体积收缩,因此在较低浓度的Ig G 溶液中制得的胶体颗粒粒径较小。并且正是由于粒径不同,表面电荷不同,导致IgG 包裹的银纳米颗粒在相互团聚形成具有某种特殊排列结构的大颗粒过程中,颗粒间的间距不同,使得整个胶体溶液对光的屏蔽能力不同,因此透过白光观察时呈现不同颜色。在图4中,曲线a 还表明当IgG 浓度较低时在胶体溶液中存在尺寸较小的银纳米粒子,这可能是由于IgG 包裹的银纳米颗粒团聚形成粒径较小的颗粒引起的。

此外,实验中用牛血清白蛋白、人血清白蛋白、葡萄糖氧化酶、人肝炎B 免疫球蛋白替代Ig G ,用相同83第4期 庄贞静等:光化学还原制备Ig G 包裹的银纳米颗粒

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的方法制备银胶体溶液。结果表明,只有葡萄糖氧化酶和人肝炎B免疫球蛋白能够在光化学还原银离子后形成类似的光学现象。

3　小结

本文采用简单的光化学还原方法,制备了具有特殊光学透光现象的银胶体溶液,并对该胶体颗粒进行XRD、TEM、紫外可见吸收光谱和粒径分布的表征,得出如下结论:(1)以Ig G的水溶液为介质,通过光化学还原方法可以快速大量合成银纳米颗粒;(2)以IgG的水溶液为介质用光化学还原法制备的银胶体颗粒为黄色的混浊溶液,然而当透过白光观察该溶液时,该溶液变得透明并且溶液的颜色随着合成条件的不同而发生变化,该光学现象的产生可能是由于IgG包裹的银纳米颗粒在相互团聚过程中形成具有某种特殊排列的结构而引起的;用同样的制备方法,并非所有的蛋白质都能形成这种具有特殊光学透光现象的银胶体溶液,因此,该现象的研究将为探索银纳米颗粒与蛋白质的结合提供有用的信息。

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Preparat ion of Ig G-Encapsulated Silver N anoparticles by Photoreduct ion

ZHUANG Zhen -jing 1,2,XIAO Dan 1

(1.College o f Chemist ry ,Sichuan U niver sity ,Chengdu Sichuan 610064,China;

2.I nstitute of M olecular M edicine ,Huaqiao U niv ersity ,Q uanzho u Fujian 362021,China )

Abstract :IgG -encapsulated Ag nanopar ticles w ere obtained by a simple photor eductio n m ethod .The pr epared samples w ere characterized by T EM and XRD.T he results show ed that A g nanoparticles w ith diameter s about 20nm were fabricated w ithin Ig G.The solutions obtained are opaque and yellow -brow n in colors ,but became tr ansparent and ex hibited different co lors w hen view ed thro ug h w hite light .A tentative mechanism w as proposed fo r the formation of the special o ptical pheno menon.

Key words :Ag nanoparticles;IgG;pho to reduction

(责任编辑　王龙杰)

美国衣阿华州立大学杨小冰教授访问我校

10月10日下午,植物病害防御技术交流指导座谈会在我校育才校区校办楼三楼会议室举行。我校副校长李传起,美国衣阿华州立大学教授、世界植物病害流行学权威杨小冰先生与我校科研处、研究生院、生命科学学院、环境与资源学院负责人及教师代表出席座谈会。

杨教授主要研究植物病理学,对全球气候改变对植物病害的影响也有多年研究。座谈会上,杨教授不仅谈及了美国气候、环境对植物病害的影响,还针对广西的气候特点对广西主要作物水稻、甘蔗等的种植做出了分析指导。

(马殷华　摘编)85

第4期 庄贞静等:光化学还原制备Ig G 包裹的银纳米颗粒