一种多孔金纳米线及其制备方法和应用.pdf

本发明公开了一种多孔金纳米线及其制备方法和应用。所述多孔金纳米线的长度为10-100μm，直径为20-500nm，均匀分布有孔径大小为5-100nm的孔状结构，且孔径尺寸小于直径。所述制备方法以聚碳酸酯(PC)核径迹膜为模板，利用电化学沉积的方法制备金银合金纳米线，将其从模板中分离出来，得到分散的纳米线；利用硝酸去除合金中的银元素，形成多孔金纳米线。与无孔金纳米线相比，多孔金纳米线具有更显著的荧光增强作用，后者增强倍数最高可达约72倍，而前者的增强倍数只有约2.9倍。本发明的制备方法首次得到了具有显著均匀荧光增强作用的一维纳米材料。本发明还制备了具有分节结构的金纳米线，其多孔部分具有显著的荧光强度。

权利要求书
1.  一种多孔金纳米线，其特征在于，所述多孔金纳米线的长度为10-50μm，直径为200-300nm，均匀分布有孔径大小为5-100nm的孔状结构，且孔径尺寸小于直径。

2.  根据权利要求1所述的一种多孔金纳米线，其特征在于，所述多孔金纳米线的长度为10μm，直径为250nm。

3.  根据权利要求1所述的一种多孔金纳米线，其特征在于，所述多孔金纳米线的孔径尺寸为5-50nm。

4.  根据权利要求1所述的一种多孔金纳米线，其特征在于，在同一根多孔金纳米线上的孔径尺寸差值为2-8nm。

5.  根据权利要求1所述的一种多孔金纳米线的制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：使用核径迹膜为模板，电化学沉积金银合金纳米线，然后通过硝酸腐蚀不同时间，得到具有不同孔径的多孔金纳米线。

6.  根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：
(1)制备厚度为20μm，孔密度为3*108孔/cm2的聚碳酸酯核径迹膜模板；
(2)电化学沉积法制备金银合金纳米线：首先利用真空电子束蒸镀的方法在核径迹膜模板的一侧依次蒸镀5nm厚的钛粘附层、60nm厚的金镀层；再利用电化学沉积法，在金镀层的表面继续电镀3μm厚的金层；封闭模板一侧的孔道并作为下一步电化学沉积的导电基底；用电化学沉积法将金银合金纳米线沉积在模板的孔道中；将金银合金纳米线分离出来；
电化学沉积法电镀3μm厚的金层时，电镀温度为55℃，参比电极为Ag/AgCl电极，对电极为锥形铂片电极，沉积电流密度为1mA/cm2；所用电镀液含有0.42M无水亚硫酸钠、0.42M五水合硫代硫酸钠和10M氯金酸；
电化学沉积金银合金纳米线时，电沉积温度为55℃，沉积电压为-320mV；所用电镀液含有0.42M无水亚硫酸钠、0.42M五水合硫代硫酸钠、5M氯金酸和5M溴化银；
(3)制备多孔金纳米线：将得到的金银合金纳米线浸入浓硝酸中进行腐蚀，腐蚀时间为5-1500min，形成三维连续的纳米孔道和金骨架结构；浓硝酸处理完毕后，加入过量的稀氨水；过滤分离多孔金纳米线，用去离子水洗涤、分散在水中，即制备得到所述多孔金纳米线。

7.  根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)制备得到的金银合金纳米线中，金与银的摩尔比为9:16。

8.  权利要求1-4中任一项所述的多孔金纳米线的用途，其特征在于，所述多孔金纳米线应用于荧光增强、荧光传感或荧光成像领域。

9.  一种具有分节结构的金纳米线，其特征在于，所述具有分节结构的金纳米线由至少一节无孔金纳米线和至少一节权利要求1所述的多孔金纳米线组成，其中无孔金纳米线与多孔金纳米线交替排列；所述多孔金纳米线的直径为20-500nm，均匀分布有孔径大小为5-100nm的孔状结构，且孔径尺寸小于直径。

10.  根据权利要求9所述的具有分节结构的金纳米线的用途，其特征在于，所述具有分节结构的金纳米线应用于荧光增强、荧光传感、荧光成像或生物计算领域。

说明书一种多孔金纳米线及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于金属纳米材料技术领域，具体涉及一种用于荧光增强的多孔金纳米线及其制备方法和应用。
背景技术
目前研究一维纳米材料的荧光增强的报道较少，主要限于银纳米线。单根银纳米线的荧光增强强度较低，且只有在两端具有增强效果(中间段很弱几乎为0)，荧光增强的分布不均匀。此外，实现荧光增强的关键是纳米材料的局部表面等离子体共振(LSPR)波长范围与荧光分子的激发光或者荧光光谱匹配，而对于简单的纳米线，在保持尺寸、长径比不变的情况下，难以实现LSPR波长范围的调节。
目前用于金属荧光增强的金属纳米材料主要包括：金/银纳米颗粒、金/银纳米棒、金/银蝴蝶结结构等0维的荧光增强结构和金/银岛膜、多孔金/银膜等2维的荧光增强结构。对于前者，每个纳米结构上荧光增强位点少，不能进行单独的操纵；后者可以操纵，但尺寸较大，无法实现对微小区域的检测和荧光成像。如果在长度微米量级、直径纳米至亚微米量级的一维纳米线上实现荧光增强，则其独特的优势可以扩大荧光检测的应用范围。
发明内容
为解决现有荧光增强结构的不足，扩大荧光检测的应用领域，本发明开发了一维金属纳米材料，实现了纳米材料的荧光增强。
本发明采用聚碳酸酯(PC)核径迹膜为模板，利用电化学沉积的方法制备金银合金纳米线，将其从模板中分离出来，得到分散的纳米线；利用硝酸去除合金中的银元素，剩下的金原子发生重排和聚集，形成多孔金纳米线。然后利用巯基将标记有Cy5荧光分子的ssDNA(22-mer)修饰在多孔金纳米线的表面，从而实现荧光增强。
本发明的技术方案如下：
一种多孔金纳米线，所述多孔金纳米线的长度为10-50μm，直径为200-300nm，均匀分布有孔径大小为5-100nm的孔状结构，且孔径尺寸小于直径。
进一步地，所述多孔金纳米线的长度为10μm，直径为250nm。
进一步地，所述多孔金纳米线的孔径尺寸为5-50nm。
进一步地，在同一根多孔金纳米线上的孔径尺寸差值为2-8nm。
一种多孔金纳米线的制备方法，所述方法包括如下步骤：使用核径迹膜为模板，电化学 沉积金银合金纳米线，然后通过硝酸腐蚀不同时间，得到具有不同孔径的多孔金纳米线。
多孔金纳米线的具体制备步骤如下：
(1)制备厚度为20μm，孔密度为3*108孔/cm2的聚碳酸酯核径迹膜模板；
(2)电化学沉积法制备金银合金纳米线：首先利用真空电子束蒸镀的方法在核径迹膜模板的一侧依次蒸镀5nm厚的钛粘附层、60nm厚的金镀层；再利用电化学沉积法，在金镀层的表面继续电镀3μm厚的金层；封闭模板一侧的孔道并作为下一步电化学沉积的导电基底；用电化学沉积法将金银合金纳米线沉积在模板的孔道中；将金银合金纳米线分离出来；
电化学沉积法电镀3μm厚的金层时，电镀温度为55℃，参比电极为Ag/AgCl电极，对电极为锥形铂片电极，沉积电流密度为1mA/cm2；所用电镀液含有0.42M无水亚硫酸钠、0.42M五水合硫代硫酸钠和10M氯金酸；
电化学沉积金银合金纳米线时，电沉积温度为55℃，沉积电压为-320mV；所用电镀液含有0.42M无水亚硫酸钠、0.42M五水合硫代硫酸钠、5M氯金酸和5M溴化银；
(3)制备多孔金纳米线：将得到的金银合金纳米线浸入浓硝酸中进行腐蚀，腐蚀时间为5-1500min，形成三维连续的纳米孔道和金骨架结构；浓硝酸处理完毕后，加入过量的稀氨水；过滤分离多孔金纳米线，用去离子水洗涤、分散在水中，即制备得到所述多孔金纳米线。
进一步地，步骤(2)制备得到的金银合金纳米线中，金与银的摩尔比为9:16。
所述多孔金纳米线应用于荧光增强、荧光传感或荧光成像领域。
一种具有分节结构的金纳米线，所述具有分节结构的金纳米线由至少一节无孔金纳米线和至少一节上述多孔金纳米线组成，其中无孔金纳米线与多孔金纳米线交替排列；所述多孔金纳米线的直径为20-500nm，均匀分布有孔径大小为5-100nm的孔状结构，且孔径尺寸小于直径。
所述具有分节结构的金纳米线应用于荧光增强、荧光传感、荧光成像或生物计算领域。
本发明的有益效果为：
(1)在整根纳米线上实现了均匀的荧光增强，避免了仅两端有显著荧光增强的问题；
(2)大大提高了荧光增强的倍数，达到9倍以上，最高可到72倍，而现有技术只能达到2倍左右；
(3)在单根纳米线上孔径分布范围窄，通过调节孔径的大小可以实现对等离子体共振波长的调节；
(4)这种尺度的一维纳米线可以在光学显微镜下观察到，且多孔金纳米线的机械强度及 柔韧性可以操控，并实现高分辨的光学成像及微观区域检测；
(5)多孔金纳米线可以在一定距离上实现光波导，进行远距离的检测并降低激发光的背景干扰；
(6)单独的一维纳米线或者一系列的纳米线可以与其他元器件组成检测装置，实施在线检测等。
此外，模板法制备多孔金纳米线的同时，还可以制备具有分节结构的金纳米线，拓宽了应用领域。
附图说明
图1电镀液组成一定时，纳米线中金银含量与电压关系图。
图2沉积电压一定时，纳米线中金银含量与电镀液中金银离子浓度关系图。
图3电镀液的组成为5mmol/L Au离子和5mmol/L Ag离子，沉积电压为-320mV所得金银合金纳米棒用SEM分析得到的元素分布图。
图4为实施例1得到的多孔金纳米线的SEM表征图。
图5孔道和骨架等效尺寸与硝酸腐蚀时间的关系图。
图6多孔金纳米线的荧光增强效果：a-c依次为典型的多孔金纳米线的光学显微镜照片、荧光显微照片、SEM照片；d-f依次为无孔金纳米线的光学显微镜照片、荧光显微照片、SEM照片；g为不同尺寸多孔金纳米线与无孔金纳米线的Cy5荧光光谱图；h为不同尺寸多孔金纳米线和无孔金纳米线相对于玻璃片的荧光增强倍数图。
图7 a-c依次为分节结构的金纳米线的光学显微镜照片、荧光显微照片和SEM照片。
具体实施方式
(1)制备聚碳酸酯(PC)核径迹膜模板 
①对聚碳酸酯薄膜进行辐照
在线型离子加速器上，利用能量为10MeV的Kr84离子对厚度20μm的聚碳酸酯(PC)薄膜进行照射，照射密度为3*108离子/cm2。
②紫外敏化 
利用波长范围为320～390nm的紫外线对高能粒子辐照之后的PC薄膜进行紫外敏化，紫外线照射功率90mW/cm2，两面各敏化1h。紫外敏化之后，在空气中放置7天左右。
③PC核径迹膜刻蚀
利用6.25M氢氧化钠溶液，在50℃条件下，对紫外敏化过的PC膜进行蚀刻。不同的蚀 刻时间可以得到不同直径的圆柱形孔道。蚀刻9min，得到的孔道尺寸约为250nm。利用约50℃的去离子水浸泡三次，每次约10min；然后利用超声清洗约10min。最后在空气中自然晾干，即可得到孔密度为3*108孔/cm2的PC核径迹膜，作为下一步实验的模板。
(2)电化学沉积法制备金银合金纳米线
①电子束蒸镀金导电层
利用电子束蒸镀的方法，在核径迹膜模板的一侧依次蒸镀5nm厚的钛粘附层、60nm厚的金镀层。
②电化学沉积法封闭孔道
利用电化学沉积法，在金镀层的表面继续电镀约3μm厚的金层，封闭模板膜一侧孔道并作为下一步纳米线沉积的导电基底。电镀液的配方包括：0.42M无水亚硫酸钠+0.42M五水合硫代硫酸钠+10mM氯金酸。电镀温度为55℃，参比电极为Ag/AgCl电极(饱和KCl)，对电极为锥形铂片电极，沉积电流密度为1mA/cm2。
③电化学沉积金银合金纳米线
利用电化学沉积法，在核径迹膜模板中沉积金银合金纳米线。沉积金银合金纳米线的电镀液配方包括：0.42M无水亚硫酸钠+0.42M五水合硫代硫酸钠+5mM氯金酸+5mM溴化银。电沉积温度为55℃，沉积电压为-320mV，对电极为锥形铂片电极，参比电极为Ag/AgCl电极(饱和KCl)。当纳米线生长到需要的长度时，停止电沉积。
沉积金纳米线的方法类似，区别在于：电镀液中仅含有金离子无银离子，其浓度为10mmol/L；沉积电压为-570mV，参比电极为Ag/AgCl。
④分离金银合金纳米线
上述步骤③中生长得到的金银合金纳米线镶嵌在PC核径迹膜孔道中。
首先利用电解的方法去除金基底，电解液的组成为：0.5w％硫酸+2w％硫脲，电解电压为4V，室温下进行。电解完成之后，利用二氯甲烷溶解PC核径迹膜模板，得到分散的金银合金纳米线AuxAg1-x。
对于金银合金纳米线AuxAg1-x，其组成与电镀液的组成和沉积电压有关：
当电镀液的组成一定时(5mM Au离子和5mM Ag离子)，纳米线中金银含量与电压的关系如图1所示。
当沉积电压一定时(-320mV)，纳米线中金银含量与电镀液中Au+浓度(电镀液中Au+和Ag+的总浓度固定为10mM)关系如图2所示。
本实验中采用的电镀液的组成为5mM Au++5mM Ag+，沉积电压为-320mV，参比电极为Ag/AgCl。对所得金银合金纳米棒用SEM分析得到的元素分布图如图3所示，可见金银元素均匀分布，以合金的形式混合，金银合金纳米线中，金与银的摩尔比为9:16。
(3)金银合金纳米线脱合金制备多孔金纳米线
将得到的金银合金纳米线浸入浓硝酸中进行腐蚀，腐蚀时间为5-1500min，形成三维连续的纳米孔道和金骨架结构；浓硝酸处理完毕后，向其中加入过量的稀氨水，停止腐蚀；过滤分离多孔金纳米线，用去离子水洗涤、分散在水中，即制备得到所述多孔金纳米线。
实施例1
将得到的Au0.36Ag0.64纳米线浸入65-68w％的浓硝酸中腐蚀6h，硝酸将银元素腐蚀掉，剩下的金原子重新聚合排布，形成三维连续的纳米孔道和金骨架结构；浓硝酸处理完毕后，向其中加入过量的稀氨水；过滤分离多孔金纳米线，用去离子水洗涤、分散在水中，备用。制备得到的多孔金纳米线的SEM表征图如图4所示，其孔径大小如表1所示。
实施例2-6
按照与实施例1相同的方法进行硝酸腐蚀，腐蚀时间分别改为5min、15min、1h、3h、11h，制备得到具有不同孔径的多孔金纳米线，孔径大小如表1所示：
表1
编号 腐蚀时间 孔径(nm) 实施例1 6h 37-45 实施例2 5min 9-11 实施例3 15min 15-19 实施例4 1h 22-26 实施例5 3h 32-40 实施例6 11h 42-49
由表1中可见，随着硝酸处理时间的延长，孔道和骨架结构的等效尺寸也逐渐变大，孔道和骨架等效尺寸与硝酸腐蚀时间的关系如图5所示。
另外，实施例1中多孔金纳米线的长度为10μm，直径为250nm；实施例2中多孔金纳米线的长度为12μm，直径为250nm；实施例3中多孔金纳米线的长度为15μm，直径为250nm；实施例4中多孔金纳米线的长度为13μm，直径为250nm；实施例5中多孔金纳米线的长度为20μm，直径为200nm；实施例6中多孔金纳米线的长度为16μm，直径为300nm。
孔道的平均宽度(dp/nm)、骨架结构的平均宽度(dL/nm)与硝酸处理时间(t/h)的关系如下所示：
dP(t)＝22.0463t0.2546(R2＝0.9838)
dL(t)＝26.7592t0.2358(R2＝0.9660)
(4)Cy5标记的ssDNA修饰
①将多孔金纳米线或无孔金纳米线固定于玻璃片上
依次利用丙酮、乙醇和水对玻璃片进行超声清洗，各15min；烘干后，用piranha溶液(98％浓硫酸与30％双氧水以3：1的体积比混合)在80℃下浸泡2.5～3h以进行羟基化，之后去离子水冲洗、干燥；把羟基化后的玻璃片浸泡在含有50mmol/L巯基丙基三甲氧基硅烷的甲醇溶液中进行巯基化，持续约2h；然后利用甲醇冲洗玻片；将前面步骤得到的分散于水中的多孔金纳米线或无孔金纳米线滴加在巯基化的玻璃片上，室温下静置2h，然后真空干燥。
②ssDNA修饰
将5uM Cy5荧光分子标记的ssDNA(22-mer)溶解于含有1M NaCl、0.1M MgCl2、1mM TCEP、10mM Tris-HCl和1mM EDTA的缓冲溶液(pH 7.8)中，室温放置1h；将固定有多孔金纳米线或无孔金纳米线的玻璃片浸泡在上述缓冲溶液中，持续24h，冲洗干净；利用含有1mM 6-巯基-1-己醇、10mM Tris-HCl和1mM EDTA的缓冲溶液浸泡5min，冲洗干净；保存在含有10mM Tris-HCl和1mM EDTA的缓冲溶液中(pH 7.8)。
(5)荧光表征
利用激光共聚焦显微镜观察修饰有ssDNA的多孔金纳米线或无孔金纳米线，采用的激发光波长635nm。典型的多孔金纳米线与无孔金纳米线的荧光显微照片如图6b,6e所示。不同尺寸的多孔金纳米线与无孔金纳米线的Cy5荧光光谱如图6g所示。以玻璃片上的Cy5为标准，不同尺寸的多孔金纳米线和无孔金纳米线的荧光增强倍数如图6h所示。由此可见，硝酸处理6h、11h的多孔金纳米线具有最强的荧光增强倍数，达到约72倍。
实施例1-6以及对比实施例的荧光增强效果如表2所示：
表2
编号 纳米线 孔径(nm) 荧光增强倍数 实施例1 多孔金纳米线 37-45 72 实施例2 多孔金纳米线 9-11 9 实施例3 多孔金纳米线 15-19 17
实施例4 多孔金纳米线 22-26 26 实施例5 多孔金纳米线 32-40 36 实施例6 多孔金纳米线 42-49 72 对比实施例 无孔金纳米线 - 2.9
(6)利用上述模板法制备纳米线，除了可以制备单一结构的纳米线，还可以制备分节结构的纳米线，如图7所示。在PC核径迹膜模板的孔道中生长金纳米线之后，可以继续生长约2um的Au0.36Ag0.64纳米线，利用浓硝酸去除银得到金-多孔金分节的纳米线，然后利用前文所述的方法修饰Cy5标记的ssDNA，典型的荧光显微照片如图7所示。