一种Au@Ag@AgCl纳米粒子的制备方法及其在氨气比色检测中的应用

本发明涉及一种具有三层核-壳结构的au@ag@agcl纳米粒子，尤其是涉及一种适用于氨气比色检测的au@ag@agcl纳米粒子探针。

背景技术：

氨气是一种无色而具有强烈刺激性气味的毒害气体，其主要来源包括自然界和人工制造两个方面。空气中的氮气可以在微生物植物的固定作用下转换成氨气进入土壤，参与生态循环；而化学工业、冶金行业、汽车制造、制冷工业、煤矿燃烧等行业也会人为制造出大量氨气。近几十年来，随着工业化与城市化的迅速发展，全球的氨气排放量逐年递增。而作为一种对人体具有极大危害性的气体，即使是在较低浓度下，氨气也会对人体口腔、皮肤黏膜、上呼吸道等带来严重的刺激作用。美国职业安全与健康管理局(osha)规定空气中氨气浓度的上限为25ppm，但是人类对于氨气的嗅觉极限为55ppm，无法简单的通过嗅觉判别空气中氨气的含量，从而在工业及日常生活中带来潜在的安全隐患。因此，对氨气实现实时、准确、快速的检测不仅有助于环境污染问题的有力监管，而且对于保障生产安全和公共健康有着十分重要的意义。

传统的检测氨气浓度的方法包括气相色谱法、电化学法和荧光法等等。这些检测方法具有较为理想的检出灵敏度，并且已经被时间证实其实用性，但同时缺点也很明显。一方面，这些方法需要昂贵的大型仪器和专业的操作人员，难以实现快速、实时检测；另一方面，这些方法的检测条件较为苛刻，如半导体类电化学传感器往往需要较高的工作温度，同时还伴随着易受潮、恢复时间较长等固有缺陷。除了上述方法，比色法因其成本低，操作简便且易于半定量检测，也被广泛应用于分析检测领域。传统的比色法检测氨气主要使用有机染料作为探针，包括nessler试剂、吲哚酚蓝、ph敏感染料等等，它们在与氨气结合后使得有机分子发生结构改变从而产生肉眼可见的颜色变化，这些比色法易于实施，但灵敏度始终不足用于现场气态氨气的测定(t.f.hartley,annalsofclinicalbiochemistry,11(1974)137-140；a.aminot,marinechemistry,56(1997)59-75；j.geltmeyer,advancedfunctionalmaterials,26(2016)5987-5996；y.zhang,sensorsandactuatorsb:chemical,255(2018)3216-3226)。最近，部分科学家提出利用贵金属纳米材料的局域表面等离子体共振效应来检测氨气。例如，利用银纳米颗粒作为探针，通过与氨气反应形成ag(nh3)2⁺配合物来调控银纳米颗粒的表面等离激元带，从而实现对氨气的比色检测(s.pandey,internationaljournalofbiologicalmacromolecules,51(2012)583-589；a.amirjani,talanta,176(2018)242-246)。然而，此类贵金属纳米材料探针针对氨气的灵敏度仍然有待提高，同时，银纳米颗粒还存在易被氧化而稳定性不足的问题，也在一定程度上降低了其在实际场所氨气含量检测领域的实际应用。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对现有的氨气比色检测方法中所存在的探针灵敏度有待提高、稳定性较差等不足，以一种具有三层核壳结构的au@ag@agcl纳米粒子作为特异性探针，提供一种具有反应灵敏、特异性强、稳定性高等优点的比色检测氨气浓度的au@ag@agcl纳米粒子及其制备方法。

本发明的另一目的在于提供所述au@ag@agcl纳米粒子探针在比色检测实际空气样品中氨气浓度的应用。

所述au@ag@agcl纳米粒子探针是具有三层核-壳结构的球形纳米粒子，其中au纳米颗粒为核，直径为12.9～13.5nm；ag为内层壳，壳层厚度为1.6～4.6nm；agcl为外层壳，壳层厚度为0.7～2.3nm。

所述au@ag@agcl纳米粒子探针的制备方法，包括以下步骤：

1)制备au纳米颗粒：往三口烧瓶中依次加入haucl4溶液和水，回流加热并搅拌。然后加入柠檬酸钠溶液，继续加热一段时间。溶液从最初的淡黄色，迅速变紫黑，最终稳定为酒红色，即得au纳米颗粒；

2)制备au@ag纳米粒子：往三口烧瓶依次加入：步骤1)得到的au纳米颗粒溶液、水，搅拌溶液。然后一次性快速加入抗坏血酸溶液、agno3溶液和naoh溶液。搅拌混合物继续反应一段时间后，以一定速率和时间进行离心，弃去上清液并分散到水中，即得au@ag纳米粒子；

3)制备au@ag@agcl纳米粒子探针：往玻璃瓶依次加入：步骤2)得到的au@ag纳米粒子溶液和fecl3溶液，混合溶液最终呈橙黄色，即得au@ag@agcl核壳纳米粒子探针。

在步骤1)中，所述haucl4溶液、水、柠檬酸钠溶液的体积比可为5ml：95ml：10ml；所述haucl4溶液采用摩尔浓度为0.02428mol/l的haucl4溶液；所述水可采用超纯水；所述柠檬酸钠溶液采用质量浓度为11.46mg/ml的柠檬酸钠溶液；所述回流加热温度为100℃；所述加热时间为15min。

在步骤2)中，所述au纳米颗粒溶液、水、抗坏血酸溶液、agno3溶液、naoh溶液的体积比可为10ml：40ml：120μl：(60～90)μl：(225～450)μl，优选10ml：40ml：120μl：75μl：225μl；所述水可采用超纯水；所述抗坏血酸溶液采用摩尔浓度为100mm的抗坏血酸溶液；所述agno3溶液采用摩尔浓度为100mm的agno3溶液；所述naoh溶液采用摩尔浓度为100mm的naoh溶液；所述反应时间为30min；所述离心速率可为6000～10000rpm，优选8000rpm；所述离心时间可为10～30min，优选20min；所述用于分散的水的体积可为50ml。

在步骤3)中，所述au@ag纳米粒子溶液、fecl3溶液的体积比可为1ml：(6～18)μl，优选1ml：12μl；所述fecl3溶液的摩尔浓度为10mm。

所述au@ag@agcl纳米粒子探针可在氨气比色检测中应用。应用的方法如下：

取100μl已知浓度的nh3·h2o标准溶液(0、50、100、300、600、900、1000、1200、1400、1600μm)，加入900μl的au@ag@agcl纳米粒子探针溶液并充分混合，室温下反应10min后，用数码相机拍摄溶液的颜色，制作标准比色卡；同时，利用分光光度计扫描上述混合溶液的紫外-可见吸收光谱，以510nm处的吸光度变化值为纵坐标，氨水标准溶液的浓度为横坐标，绘制工作曲线，得到线性方程。用20ml的医用注射器吸取含有氨气的被污染的气体样品，并在注射器中预先引入5ml的au@ag@agcl纳米粒子探针溶液，在环境温度下孵育10分钟，用数码相机拍摄溶液的颜色，将该照片中溶液的颜色与标准比色卡对比，即可对被测污染气体样品中的氨气浓度进行半定量检测；同时，扫描混合溶液的紫外-可见吸收光谱获取510nm波长处的吸光度变化值，代入上述线性方程，即可求得污染气体样品中氨气的浓度。

本发明给出一种新的检测氨气的方法，即使用一种具有三层核壳结构的au@ag@agcl纳米粒子作为比色探针，快速检测空气中的氨气浓度。首先用柠檬酸钠溶液作为还原剂,将haucl4溶液在水相中进行还原，制得au纳米球。接着通过外延生长法，弱碱性条件下以抗坏血酸还原agno3溶液，将一层银壳沉积到预制的au纳米球上。然后，通过fecl3对ag壳的氧化刻蚀作用，将一层薄薄的agcl沉积在au@ag纳米粒子上，以构建具有三层核壳结构的au@ag@agcl纳米粒子。该au@ag@agcl纳米粒子探针对于氨气的感测机理，是基于氨气对agcl和ag壳层的连续蚀刻，使得纳米探针的成分和壳层成分发生变化，使得内部具有局域表面等离子共振效应的ag和au暴露出来，从而引起材料吸光度的改变，使得探针溶液颜色发生由橙色到粉红色再到红色的变化。在本发明中所合成的au@ag@agcl纳米粒子探针中，通过引入agcl作为最外层的壳，不仅起到保护ag层的作用，增强了探针对氧气的稳定性，而且还使得色彩层次更为丰富，提高了探针对氨气的灵敏度。以这种au@ag@agcl纳米粒子探针作为比色检测氨气浓度的方法，具有特异性强、灵敏度高、性能稳定、方便快捷的优点，利用肉眼即可实现对氨气的定性和半定量分析，显示了在实时监测空气中氨气含量方面的巨大应用潜力。

附图说明

图1为本发明具有三层核-壳结构的au@ag@agcl纳米粒子比色检测氨气的原理示意图。

图2为本发明中au纳米颗粒的透射电镜图和紫外-可见吸收光谱图。在图2中，(a)为au纳米颗粒的透射电镜图；(b)为au纳米颗粒的紫外-可见吸收光谱图。

图3为本发明中au@ag纳米粒子的透射电镜图和紫外-可见吸收光谱图。在图3中，(a)为au@ag纳米粒子的透射电镜图；(b)为au@ag纳米粒子的紫外-可见吸收光谱图。

图4为本发明au@ag@agcl纳米粒子探针的透射电镜图和粒径分布图。在图4中，大图为au@ag@agcl纳米粒子探针的透射电镜图；内部小图为au@ag@agcl纳米粒子探针的粒径分布图。

图5为本发明au@ag@agcl纳米粒子探针的高分辨率透射电镜图和选区电子衍射图。在图5中，大图为au@ag@agcl纳米粒子探针的高分辨率透射电镜图；内部小图为au@ag@agcl纳米粒子探针的选区电子衍射图。

图6为本发明au@ag@agcl纳米粒子探针的透射电镜图和元素分布成像图。在图6中，(a)为au@ag@agcl纳米粒子探针的透射电镜图；(b)～(d)分别为au@ag@agcl纳米粒子探针中元素au、ag、cl的分布成像图；(e)为元素au、ag、cl合并后的成像示意图。

图7为本发明au@ag@agcl纳米粒子探针在添加一定量氨水前/后的紫外-可见吸收光谱图。

图8为本发明au@ag@agcl纳米粒子探针在添加一定量氨水后的透射电镜图和粒径分布图。在图8中，大图为au@ag@agcl纳米粒子探针在添加一定量氨水后的透射电镜图；内部小图为au@ag@agcl纳米粒子探针在添加一定量氨水后的粒径分布图。

图9为本发明au@ag@agcl纳米粒子探针在检测氨气过程中，反应时间与紫外-可见吸收光谱中特征峰吸光度的变化关系图。

图10为本发明au@ag@agcl纳米粒子探针在检测不同浓度氨气过程中，溶液ph值对紫外-可见吸收光谱中特征峰吸光度的变化关系图。

图11为本发明au@ag@agcl纳米粒子探针实施例检测浓度范围为0～1600μm氨水的紫外-可见吸收光谱图和510nm处吸光度变化值与氨水浓度的线性关系曲线图。在图11中，(a)为au@ag@agcl纳米粒子探针实施例检测浓度范围为0～1600μm氨水的紫外-可见吸收光谱图；(b)为au@ag@agcl纳米粒子探针实施例检测浓度范围为0～1600μm氨水的510nm处吸光度变化值与氨水浓度的线性关系曲线图。

图12为本发明au@ag@agcl纳米粒子探针实施例检测浓度范围为1800～5000μm氨水的紫外-可见吸收光谱图和510nm处吸光度变化值与氨水浓度的线性关系曲线图。在图12中，(a)为au@ag@agcl纳米粒子探针实施例检测浓度范围为1800～5000μm氨水的紫外-可见吸收光谱图；(b)为au@ag@agcl纳米粒子探针实施例检测浓度范围为1800～5000μm氨水的510nm处吸光度变化值与氨水浓度的线性关系曲线图。

图13为本发明au@ag@agcl纳米粒子探针实施例检测氨气与其它10种干扰试剂/气体的响应效果比较图。

图14为本发明au@ag@agcl纳米粒子探针实施例检测实际受污染空气样品中不同氨气浓度的紫外-可见吸收光谱图。

具体实施方式

以下实施例将结合附图对本发明作进一步的说明。

图1给出本发明所述的具有三层核-壳结构的au@ag@agcl纳米粒子探针比色检测氨气的原理示意图。通过外延生长得到au@ag核壳纳米材料，进一步用fecl3氧化刻蚀ag壳，使最外层形成agcl壳层。当该au@ag@agcl纳米粒子探针暴露在氨气环境中时，氨气会与外部的agcl壳层发生如下反应：agcl+2nh3·h2o═[ag(nh3)2]⁺+cl^-+2h2o，从而刻蚀agcl壳层，暴露内部au@ag的吸光度特性；当氨气浓度继续加大时，氨气会继续刻蚀ag壳层，发生ag+8nh3·h2o+o2═4[ag(nh3)2]⁺+4oh^-+6h2o的反应，从而暴露内部的au的吸光特性。由此可根据探针溶液颜色与吸光度的变化，实现对氨气浓度的定量检测。

图2给出本发明所述的au纳米颗粒的透射电镜图和紫外-可见吸收光谱图。如图2(a)所示，au纳米颗粒的形貌呈现均匀的球形，分散度较好无明显的团聚现象，颗粒的尺寸范围为12.9～13.5nm。图2(b)显示了au纳米颗粒的紫外-可见吸收光谱图，在510nm处出现了一个明显的吸收峰，对应为纳米金的特征吸收峰。

图3给出本发明所述的au@ag纳米颗粒的透射电镜图和紫外-可见吸收光谱图。如图3(a)所示，au@ag纳米颗粒的形貌呈现均匀的球形，分散度较好无明显的团聚现象，颗粒的尺寸范围为13.8～16.2nm。图2(b)显示了au@ag纳米颗粒的紫外-可见吸收光谱图，在390nm和510nm处出现了两个明显的吸收峰，分别对应为纳米银和纳米金的特征吸收峰。

图4给出本发明所述的au@ag@agcl纳米粒子探针的透射电镜图和粒径分布图。如图4的透射电镜图所示，au@ag@agcl纳米粒子探针的形貌呈现均匀的球形，分散度较好无明显的团聚现象。由小图呈现的粒径分布图所示，au@ag@agcl纳米粒子探针的尺寸分布较为集中，范围为15.7～17.3nm。

图5给出本发明所述的au@ag@agcl纳米粒子探针的高分辨率透射电镜图和选区电子衍射图。如图5所示，高分辨率透射电镜图清晰的呈现了单个纳米粒子的形貌，由颗粒的晶格衍射条纹所示，尺寸为的晶格条纹对应着(111)晶面的au，尺寸为的晶格条纹对应着(200)晶面的agcl，证实了纳米探针的组成。同时，小图呈现的选取电子衍射图也证实了同样的晶体性质。

图6给出本发明au@ag@agcl纳米粒子探针的透射电镜图和元素分布成像图。根据元素分布成像图可以发现，au位于材料的内部，且尺寸小于ag和cl；ag与au呈现同心圆的形貌结构且尺寸略大于au；cl与au、ag呈现同心圆的形貌结构且尺寸略大于au，与ag基本相同，证实了au为内核，ag为内层壳，agcl为外层壳的结构特征。以上表征结果说明了本发明所提供的方法成功合成了具有三层核壳结构的au@ag@agcl纳米粒子。

图7给出本发明au@ag@agcl纳米粒子探针在添加一定量氨水前/后的紫外-可见吸收光谱图。如图所示，在将外层氧化刻蚀成为agcl壳层后，由于agcl的掩蔽作用，位于390nm处纳米ag的特征吸收峰降低。而当向au@ag@agcl纳米粒子探针中添加250μm的氨水后，由于氨水对与agcl发生agcl+2nh3·h2o═[ag(nh3)2]⁺+cl^-+2h2o的反应，agcl壳层被刻蚀消耗，屏蔽作用减弱，内部的au核与ag壳得以暴露从而使得390nm处纳米ag的特征吸收峰与510nm处纳米au的特征吸收峰强度均发生增大，证实了发明的au@ag@agcl纳米粒子探针对氨的良好响应。

图8给出本发明au@ag@agcl纳米粒子探针在添加一定量氨水后的透射电镜图和粒径分布图。如图所示，添加250μm的氨水后，纳米粒子依旧保持良好的分散性和较为完整的球形形貌，尺寸则发生了一定的减小。由小图中的粒径分布图所示，与氨反应之后的纳米粒子尺寸范围为12.3～15.9nm，较反应之前减小了1.4～3.4nm，证实了氨对于agcl壳层的成功刻蚀。

图9给出本发明au@ag@agcl纳米粒子探针在检测氨气过程中，反应时间与紫外-可见吸收光谱中特征峰吸光度的变化关系图。如图所示，在三种氨气浓度下(200μm、1000μm、2000μm)，au@ag@agcl纳米粒子探针的特征峰吸光度的变化值均在10min左右达到最大，且之后不再改变。由此，本发明au@ag@agcl纳米粒子探针用以检测氨气的反应时间设置为10min。

图10给出本发明au@ag@agcl纳米粒子探针在检测氨气过程中，溶液ph值对紫外-可见吸收光谱中特征峰吸光度的变化关系图。如图所示，在0～2000μm的氨气浓度范围内，au@ag@agcl纳米粒子探针的特征峰吸光度的变化值受ph的影响随氨气浓度增大而逐渐明显，ph＝8的条件下的吸光度变化值更为明显。由此，本发明au@ag@agcl纳米粒子探针用以检测氨气的ph值设置为ph＝8。

以下结合具体实施例对本方法的性能进行详细的考察。

实施例1：以下给出本发明所制备的au@ag@agcl纳米粒子探针实施例对系列浓度氨水溶液的检测效果。配置一系列浓度的氨水溶液(0～5000μm)，加入au@ag@agcl纳米粒子探针溶液，室温下(25℃±2℃)反应10min后进行拍照和扫描紫外-可见吸收光谱。图11(a)表明，当氨水在0～1600μm范围内时，随着氨水浓度的增加，au@ag@agcl纳米粒子探针溶液在510nm处特征吸收峰的吸光度值逐渐增大，并且吸光度的变化值与氨水浓度呈现良好的线性关系(图11(b))，线性相关系数达到0.997，根据线性方程计算得到最低检测浓度为6.4μm；图12(a)表明，当氨水在1800～5000μm范围内时，随着氨水浓度的增加，au@ag@agcl纳米粒子探针溶液在510nm处特征吸收峰的吸光度值逐渐减小，吸收峰发生微弱的红移，吸光度的变化值与氨水浓度呈现良好的线性关系(图12(b))，线性相关系数达到0.991.说明本方法可用于氨水的定量检测。

实施例2：以下给出本发明所述的au@ag@agcl纳米粒子探针实施例对氨气与其他10种干扰试剂/气体的响应效果比较。图13表明，本发明所述的au@ag@agcl纳米粒子探针对氨气的响应信号是其它所有10种干扰试剂/气体的8.12～139倍，说明本方法对氨气具有很高的特异性。

实施例3：以下给出本发明所述的au@ag@agcl纳米粒子探针实施例检测实际气体样品。为了检验本方法在实际样品中氨气含量检测的可行性，将其应用于模拟污染气体中氨气含量的检测。将氨水溶液(9mm，10ml)注入到恒定体积(20l)的气体采样袋中，然后通过气泵充满空气以制备被污染的气体。之后将其分成4个气体采样袋(5升)使用。再用四个气体采样袋(5升)收集新鲜空气。将各种量的氨水水溶液标准溶液(0.17、0.34、0.51、0.68、1.02mg/l)分别注入气体采样袋中。在分析之前，将空气采样袋加热到50℃，以确保氨气得以均匀扩散。将不同浓度的气体样品吸入20ml医用注射器中，其中预先引入了5mlau@ag@agcl纳米粒子探针溶液。在室温下(25±2℃)孵育10分钟，反应后，使用分光光度计获得紫外-可见吸收光谱(如图14)，并计算各自的回收率。如表1所示，对洁净空气和模拟受污染空气样品的加标回收率介于108.3％～122.2％之间，标准偏差介于3.4％～5.2％之间，说明建立的方法能满足气体样品中氨气检测要求。

表1本发明方法对含不同浓度氨气的气体样品加标回收测试

本发明所提出的基于au@ag@agcl纳米粒子探针为探针的氨气比色检测方法主要有以下特点：

1)合成的au@ag@agcl纳米粒子具有形貌均一、尺寸可控、稳定性强等优点。

2)基于au@ag@agcl纳米粒子比色检测氨气的方法与其他比色法相比，灵敏度高、选择性好、响应速度快，通过肉眼即可实现对氨气浓度的实时、快速半定量检测。

3)基于au@ag@agcl纳米粒子比色检测氨气的方法抗干扰能力强、操作简单、实际应用价值高，对环境空气、污染气体等复杂气体样品可以实现准确的定量检出。