银纳米簇(Ag NCs)是由2~100个Ag原子构成的粒径小于2 nm的纳米粒子。由于Ag NCs表现出特殊的光学、电学、化学性质[1]、低毒和生物相容性[2]等特性，Ag NCs在生物传感[3]、环境监测[4]和细胞成像[5]等领域具有非常广阔的应用前景。当前报道的Ag NCs的合成方法主要包括化学还原法[6]、微波[7]、声波辅助法[8]、模板法[9]和光还原法[10]等。由于纳米团簇(NCs)容易发生团聚，通常在制备Ag NCs的过程中需添加某些物质作为稳定剂，以提高Ag NCs的稳定性。目前常用的稳定剂有：硫醇[11]、聚合物[12]、DNA[13]、多肽[14]和蛋白质[15]等。
铬黑T[16](Chromium Black T，EBT)是一种染料，主要用于蚕丝、锦纶、羊毛纺织物和毛皮的染色和印花，也用作测定Ca2+、Mg2+和Ba2+等离子的指示剂。将EBT用于制备Ag NCs稳定剂，防止制备的Ag NCs发生团聚，使Ag NCs能够稳定保存较长时间。本文尝试以EBT作为稳定剂，NaBH4作为还原剂，常温碱性环境下利用外力搅拌，在硫脲(Thiourea，简写为THU)的协同稳定下，发展了一种快速制备Ag NCs的方法。运用该方法在室温下，能够快速制备出粒径小、强荧光的Ag NCs。
RF-5301PC型荧光分光光度计(FS, 日本岛津有限公司)；TU-1810型紫外可见分光光度计(UV-Vis，北京普析通用仪器有限责任公司)；TECNAIG20型透射电子显微镜(TEM，美国FEI公司)；AB204-N型光学读数分析天平(MeTTler ToleDO公司)；DF-101S型集热式恒温加热磁力搅拌器(巩义市予华仪器有限公司)；石英比色皿(1 cm×1 cm，江苏晶禾光学仪器有限公司)；ZF-7型暗箱三用紫外线分析仪(上海嘉鹏科技有限公司)。
硝酸银(AgNO3，汕头市西陇化工厂)，硼氢化钠(NaBH4，国药集团化学试剂有限公司)，铬黑T(EBT，上海化工有限公司)，氢氧化钠(NaOH，天津市永大化学试剂有限公司)，硫脲(THU，北京化工厂)，硫酸奎宁(阿拉丁试剂有限公司)，以上试剂均为分析纯。实验中所用的水均为二次蒸馏水。
EBT溶液的配制 准确称取固体EBT 0.018 g，加水溶解于50 mL烧杯中，用50 mL容量瓶将EBT配制成1.0×10-4 mol/L的溶液，以此为母液，使用时再将该溶液稀释到需要浓度。
AgNO3溶液的配制 准确称取AgNO3固体0.0849 g，配制成浓度为0.01 mol/L的AgNO3溶液50 mL，将1.0×10-2 mol/L稀释成50 mL 1.0×10-3 mol/L的溶液，再将1.0×10-3 mol/L稀释成50 mL 1.0×10-4 mol/L的溶液，最后将1.0×10-4 mol/L稀释成250 mL 5.0×10-5 mol/L的AgNO3储备液，以此为母液，使用时再将该溶液稀释到需要浓度。
NaBH4溶液的配制 准确称取0.142 g的NaBH4固体于50 mL烧杯中，加水溶解，用50 mL容量瓶将NaBH4配制成7.5×10-2 mol/L的溶液，以此为母液，使用时再将该溶液稀释到需要浓度。
NaOH溶液的配制 准确称取2.0 g NaOH固体于250 mL烧杯中，加水溶解，用250 mL容量瓶将NaOH配制成0.2 mol/L的储备液。
THU溶液的配制 准确称取0.038g硫脲固体配制成0.01 mol/L的THU溶液，将0.01 mol/L稀释成50 mL 1.0×10-3 mol/L的溶液，再将1.0×10-3 mol/L稀释成50 mL 5.0×10-4 mol/L的溶液，最后将5.0×10-4 mol/L的溶液稀释成100 mL 5.0×10-5 mol/L的THU储备液。
硫酸奎宁溶液的配制 准确称取0.0078 g硫酸奎宁固体，用0.05 mol/L的硫酸溶液配成10 mL 1.00×10-3 mol/L的标准溶液[17]。使用时再用0.05 mol/L的H2SO4溶液稀释到需要浓度。
BR缓冲溶液的配制 准确称取0.6183 g硼酸于烧杯中，用二次水充分溶解，依次取0.57 mL乙酸和0.685 mL磷酸于另一烧杯中，加适量水混合均匀，将两个烧杯中的溶液转移至250 mL容量瓶中定容，即配得0.04 mol/L的三酸溶液[18]。分别取一定体积的上述三酸溶液于容量瓶中，然后按BR缓冲溶液配制比例往容量瓶中加入不同体积NaOH水溶液(c=0.2 mol/L)，配制得所需pH值的BR缓冲溶液。
Ag NCs的制备分4步：1)在最优条件下，取5 mL离心试管，向其中依次加入1.34 mL二次蒸馏水，0.2 mL 1.0×10-3 mol/L的EBT溶液，0.2 mL 5.0×10-5 mol/L的AgNO3溶液，常温充分搅拌，溶液呈紫色；2)取0.2 mL 7.5×10-2 mol/L现配制的NaBH4溶液加入上述混合溶液中，常温搅拌，待混合溶液呈浅紫色；3)取0.06 mL 0.2 mol/L的NaOH溶液加入上述混合溶液中，常温充分搅拌，溶液会先褪色至无色后又逐渐变深至浅黄色；4)最后取0.1 mL 1.0×10-5 mol/L的THU溶液加入上述混合溶液中，常温充分搅拌，混合溶液颜色呈浅黄色，在暗箱三用紫外线分析仪中可观察到较强蓝绿光荧光。
为了有效制备出粒径小、分布均匀、稳定存在且具有强荧光发射的Ag NCs，本文运用单一变量法，对制备条件进行一系列优化实验。对比不同条件下反应体系的荧光强度，探索最佳制备条件。
为获得性能优异的Ag NCs，首先考察EBT浓度对制备Ag NCs的影响，结果如图 1所示。从图 1A和1B可知，体系荧光强度随EBT浓度的增大而增强，当体系中EBT浓度为1.0×10-4 mol/L时，体系荧光强度达到最大值，而后随EBT浓度的逐渐增大，体系的荧光强度却快速减弱当体系中EBT浓度大于1.0×10-4 mol/L时，可能是体系中Ag NCs的荧光转移给过量的EBT，从而使体系荧光最终猝灭；也可能是体系中产生了一些紫外可见吸收的物质，通过内滤效应猝灭荧光或者通过能量共振转移猝灭荧光。当体系中EBT浓度为1.0×10-4 mol/L时，荧光强度最强，最终优选体系中EBT浓度为1.0×10-4 mol/L。
保持其它条件不变，考察体系中NaBH4浓度对制备Ag NCs的影响，结果如图 2所示。从图 2A和2B可知：当体系中NaBH4浓度为7.5×10-3 mol/L时，体系荧光强度最强。因此，体系中NaBH4的最佳浓度为7.5×10-3 mol/L。
保持其它条件不变，改变AgNO3浓度，测定制备的Ag NCs的荧光强度，结果如图 3所示。从图 3A和3B可知，当体系中AgNO3浓度小于5.0×10-6 mol/L时，Ag NCs的荧光强度随AgNO3浓度的增大而增强；当体系中AgNO3浓度大于5.0×10-6 mol/L时，Ag NCs的荧光强度随AgNO3浓度的增大而减弱，可能由于体系中过量的Ag+对Ag NCs荧光的淬灭作用；也可能是体系中过量的Ag+诱导Ag NCs聚集，从而出现荧光淬灭。体系中AgNO3的最佳浓度为5.0×10-6 mol/L。
为探究体系pH值条件对制备Ag NCs的影响，进行如下实验。保持其它条件不变，向体系中加入不同pH值的BR缓冲溶液，以调节体系的pH值，检测发现用不同pH值的BR缓冲溶液调节的体系制备的Ag NCs的荧光强度随着BR缓冲溶液pH值的增大而逐渐增强；保持其它条件不变，向体系中加入pH=13.3的NaOH溶液(c(initial)=0.2 mol/L)代替BR缓冲溶液，此时体系为纯碱性环境，上述实验结果如图 4A所示。从图 4A可知：用pH=13.3的NaOH溶液调节的纯碱性体系中制备的Ag NCs的荧光强度比用BR缓冲溶液调节的体系中制备的Ag NCs的荧光强度均要强。
为进一步探究制备Ag NCs的纯碱性体系所需最优NaOH浓度，进行如下实验。保持其它条件不变，测定不同NaOH浓度的体系的荧光强度，结果如图 4B所示。从图 4B可知：当往体系中加入0.006 mL(c(initial)=0.2 mol/L)的NaOH溶液，体系中NaOH的浓度为6.0×10-3 mol/L时，荧光强度最强。制备Ag NCs的体系中所需NaOH的最优浓度为6.0×10-3 mol/L。
保持其它条件不变，体系分别置于不同温度的水浴锅中，结果如图 5所示。在10~20 ℃范围，Ag NCs的荧光强度随着温度升高而增强；在20~30 ℃，Ag NCs荧光强度最强，在30~40 ℃、Ag NCs的荧光强度会随着温度的升高而减弱。当体系温度为20~30 ℃时，Ag NCs的荧光强度最强，因此制备Ag NCs的最佳温度为室温。
保持其它条件不变，测定体系在不同反应时刻的荧光强度，结果如图 6所示。反应开始后30 min，体系的荧光强度达到峰值，且在第30~90 min内荧光强度保持相对稳定，在第90 min以后荧光强度开始减弱。Ag NCs合成需要30 min，但稳定时间只有60 min，单纯用铬黑T作为稳定剂制备的Ag NCs的稳定性较差。因此，需要往制备Ag NCs的体系中加入另一种物质作为Ag NCs的协调稳定剂，增强Ag NCs的稳定性。
为了延长Ag NCs的稳定时间，尝试向反应后的体系中添加THU作为协调稳定剂。在其它条件(温度、体系中物质浓度和酸碱性)不变的情况下，测定体系中不同THU浓度时的荧光强度，结果如图 7所示。体系中THU浓度为4.76×10-7 mol/L时荧光强度最强，且能够稳定保存3 d时间，因此THU用于协调稳定Ag NCs的最佳浓度为4.76×10-7 mol/L。
为了探究制备的Ag NCs的量子产率，在相同条件下分别测量Ag NCs和参比物硫酸奎宁的荧光强度(激发为360 nm处)、吸光度(360 nm处)。Ag NCs的量子产率根据式(1)计算：
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(1) |
上述计算公式中下标X和R分别表示Ag NCs溶液和硫酸奎宁标准溶液，Φ为荧光量子产率，I为荧光强度，A为吸光度，η为溶剂的折射率(水为溶剂，折射率均看作为1.33)，ΦR=54%[19]。经计算，制备的Ag NCs的荧光量子产率为1.64%。
为了探究制备的Ag NCs的特征，分别用UV-Vis、FS、TEM等仪器对该Ag NCs进行了表征。
用FS对所制备的Ag NCs进行表征，结果如图 8A所示，制备的Ag NCs具有强荧光特性，Ag NCs的最大激发波长为380 nm，最大发射波长为463 nm，最大激发波长和发射波长均增大[20]。用UV-Vis表征结果如图 8B所示，Ag NCs在376 nm处有强吸光度。用暗箱三用紫外线分析仪表征结果如图 8C所示，Ag NCs发射蓝绿色荧光。
为了探究制备的Ag NCs的粒径分布等特性，对Ag NCs进了TEM表征，结果如图 9所示。从图 9A中可以看到，Ag NCs的分散性良好，粒子的大小较均匀；从图 9B可知，本实验中制备得到的Ag NCs的粒径主要分布[21]在0.74~3.33 nm之间，平均粒径为1.67 nm[21]；从图 9C可知，本实验制备的Ag NCs的晶格间距为0.2157 nm, 由JCPDS(87-0598)可推知该Ag NCs的晶格类型为102型。
本文探究了一种以THU和EBT作为协调稳定剂，在碱性环境中制备Ag NCs的方法。在最优条件下，运用该方法制备得到Ag NCs的最大发射波长为463 nm，最大激发波长为380 nm，平均粒径为1.67 nm，粒径主要分布在0.74~3.33 nm。通过计算可知该Ag NCs的量子产率为1.64%。该合成方法具有操作简单、反应迅速、合成的银纳米簇稳定性好，荧光强度强，且有望实现大规模制备Ag NCs等特点。
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图 1 不同浓度EBT下制备的Ag NCs的荧光光谱图(A)及荧光强度变化(B)
Figure 1 The fluorescence spectra(A) and peak intensity change(B) of silver nanoparticles prepared under different concentrations of EBT
图 2 不同浓度NaBH4下制备的Ag NCs的荧光光谱图(A)及荧光强度变化(B)
Figure 2 The fluorescence spectra(A) and peak intensity change(B) of silver nanoparticles prepared under different concentrations of NaBH4
图 3 不同浓度的AgNO3下制备的Ag NCs的荧光光谱图(A)及荧光强度变化(B)
Figure 3 The fluorescence spectra(A) and peak intensity change(B) of silver nanoparticles prepared under different concentrations of AgNO3
图 4 (A) 不同pH条件下制备的Ag NCs的荧光强度变化；(B)不同浓度NaOH调节的碱性体系中制备的Ag NC的荧光强度变化
Figure 4 (A)The fluorescence intensity change of silver nanoclusters prepared under different pH conditions; (B)The fluorescence intensity change of silver nanoclusters prepared by NaOH with different concentrations in alkaline system
图 5 不同温度下制备的Ag NCs的荧光强度变化
Figure 5 The fluorescence intensity change of silver nanoclusters prepared under different temperature conditions
图 6 不同时刻下Ag NCs的荧光强度变化
Figure 6 The fluorescence intensity of silver nanoclusters changed at different times
图 7 加入不同浓度THU后混合体系第2天(a)和第3天(b)荧光强度值
Figure 7 The fluorescence intensity of the mixed system on the second day (a) and the third day (b) after the addition of different concentration of THU
图 8 (A) Ag NCs的激发光谱(a)和发射光谱(b); (B)紫外可见吸收光谱; (C)蓝绿色荧光
Figure 8 (A)The excitation spectrum (a) and the emission spectrum(b) of silver nanoclusters; (B)Ultraviolet visible absorption spectrum; (C)Blue-green fluorescence
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