柠檬酸包覆的金纳米球制备及应用

柠檬酸封端的金纳米颗粒

2025-11-05 17:33 集臻生物-小颜

1. 制备

1.1 历史发展

柠檬酸盐法合成胶体金（Citrate synthesis of colloidal gold）在文献中通常被称为Turkevich法、Frens法或Turkevich-Frens法，但实际上这种方法最早是由Borowskaja在1934年提出的。Borowskaja首次将柠檬酸钠作为还原剂用于胶体金的制备，比Turkevich等人1951年的研究和Frens 1973年的工作都要早。柠檬酸盐还原法至今仍是制备水溶性金纳米颗粒最简单、可靠且通用的方法。该方法合成的颗粒表面柠檬酸配位作用较弱，便于后续功能化修饰，但仅能获得12-16纳米尺寸范围的准球形颗粒，且细微尺寸差异受反应液沸腾状态等条件影响。

图1 柠檬酸盐封端的金纳米球示意图（左）、20nm粒径的TEM图

1973年Frens通过调节柠檬酸钠与氯金酸摩尔比（Rc/a）将颗粒尺寸扩展至16-147纳米（Frens法），但超过40纳米的颗粒尺寸分布显著变宽且形貌不规则。

柠檬酸钠体积(mL)	金纳米粒子平均直径(nm)
1.0	16
0.75	24.5
0.5	41
0.3	71.5
0.21	97.5
0.16	147

表1 柠檬酸盐体积与金纳米球粒径间的关系

1.2 反应机理

Polte等通过SAXS/XANES测量提出晶种介导生长机制，该机制包含四个步骤：第一步是金前驱体的部分还原及金单体形成小簇；第二步中，这些簇聚集成半径>1.5 nm的籽晶颗粒；剩余金离子作为共离子被吸附于籽晶颗粒的双电层（EDL）中；第三、四步涉及金离子的还原（先慢后快），生成的金单体仅在籽晶表面生长直至前驱体耗尽，故后续阶段无新颗粒形成。

图2 Turkevich合成通用生长机制

1.3 关键控制参数

1.3.1 pH值的影响

研究发现在pH>6.2时，反应由活性较低的[AuCl₂(OH)₂]⁻和[AuCl(OH)₃]⁻离子控制，形成尺寸分布窄的溶胶；而在pH 5.0-6.2范围内，反应由高活性的[AuCl₃(OH)]⁻离子控制，形成形状不规则且尺寸分布宽的颗粒。

1.3.2 温度影响

Turkevich等发现反应温度显著影响粒子大小，在100°C、80°C和70°C下得到的平均粒径分别为20 nm、16.5 nm和18 nm。温度还影响成核时间，23°C时为40分钟，而58.5°C时仅为4分钟。

1.3.3 反应物添加顺序

研究发现先加柠檬酸钠再加HAuCl₄的反向添加顺序可以制备更均匀的细分散溶胶(8-10 nm)。

1.3.4 柠檬酸钠添加速率

柠檬酸钠添加速率越快，所得金颗粒的平均直径越小，尺寸分布越窄。

柠檬酸盐法合成胶体金是制备10-150 nm金纳米球最常用的方法。通过精确控制反应参数(柠檬酸盐与HAuCl₄的比例、pH、温度、反应时间和反应物添加顺序等)，可以实现对金纳米粒子尺寸和形貌的精确调控。虽然该方法已有近90年历史，但通过不断优化和改进，仍然是科学研究和技术应用中制备金纳米粒子的重要方法。

2. 应用

金纳米粒子因其卓越的化学稳定性、催化活性、加工性能及金属特性，展现出独特的尺寸依赖性光学与电子性质，至今仍是极具研究价值的纳米材料。该材料在催化、纳米电子学和生物医学（传感、诊断、成像及标记）等领域具有广泛应用。相较于十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）、聚乙烯吡咯烷酮（PVP）及硫醇分子等其他配体，柠檬酸盐在常温下与金属表面的弱结合特性不会阻碍颗粒后续功能化修饰，且作为封端配体具有低毒性优势，在细胞研究及免疫层析方面具有重要的应用。