中国科学院大学 化学科学学院, 北京 100049
2017年12月18日 收稿; 2018年3月6日 收修改稿
基金项目: 国家自然科学基金（21271184）、973项目（2014CB931900）和中国科学院科学仪器发展项目（ZDKYYQ20170001）资助
通信作者: 姚鑫, E-mail:yaox@ucas.ac.cn
摘要: 以水热法制备的CeO2纳米棒为载体，分别采用溶胶法和沉积法对其进行纳米金修饰，得到两种不同纳米金修饰方法制备的Au/CeO2复合物。在MV-Fenton体系中用紫外分光光度法对两种Au/CeO2复合物的抗氧化性能进行研究。结果表明：溶胶法制备的Au/CeO2（S-Au/CeO2）比沉积法制备的Au/CeO2（D-Au/CeO2）展现出更好的抗氧化性能。进一步研究表明：沉积法制备过程可能破坏了CeO2的表面结构，导致其抗氧化性能降低；另外，溶胶法负载的AuNPs和CeO2之间的电子传递也使其抗氧化性能增强。
关键词: Au/CeO2复合物溶胶法沉积法抗氧化性能表面结构
Antioxidant properties of Au/CeO2 prepared by two different modification methods
FA Mengmei, YAO Xin
School of Chemical Sciences, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
Abstract: The application of Au nanoparticles (AuNPs) modified CeO2(Au/CeO2) as an antioxidant has great potential in the field of life health, and exploring the antioxidant activities of Au/CeO2 prepared by different methods is helpful for optimizing the property of Au/CeO2. In this work, two different Au-modified CeO2 were synthesized by modifying AuNPs on the surface of CeO2 nanorods using sol-immobilized and deposition methods, respectively. The antioxidant activities of two different Au/CeO2 were studied by UV method in the MV-Fenton system, and the results showed that the antioxidant activity of Au/CeO2 by sol-immobilized method (S-Au/CeO2) was higher than that of Au/CeO2 by deposition method (D-Au/CeO2). The affecting factors on the differences between the antioxidant properties of the two Au/CeO2 were further investigated. We suppose that the surface structure of CeO2 may be damaged in the process of preparation by deposited method, which resulted in the lower antioxidant activity of D-Au/CeO2. In addition, the electron transfer between sol-immobilized AuNPs and CeO2 contributed to the higher antioxidant activity of S-Au/CeO2. These results have great significance for the functional preparation and antioxidant property regulation of Au/CeO2.
Keywords: Au/CeO2sol-immobilizeddeposition methodantioxidant activitysurface structure
近年来，Au/CeO2已经被广泛应用到电化学、催化等各个领域，并展现出优异的性能[1-3]。纳米Au和CeO2的结合使二者各自的优势相互补充，能够在一种复合物上得到充分发挥。纳米Au的稳定性、生物相容性和尺寸可选择性以及CeO2独有的氧化还原特性，使Au/CeO2作为抗氧化剂在生命健康领域具有相当大的潜力，现已有许多研究发现，Au/CeO2复合物在具备良好生物相容性的同时，能够展现出比未经修饰的CeO2更强的抗氧化性能[4-6]。
目前用于研究的Au/CeO2中，通常是由经典的简单沉积法来完成Au的负载，但是沉积法制备过程需要高温，这个过程形成的Au颗粒不稳定，尺寸难以控制，可能会在制备和反应过程中产生聚集或脱落，导致材料的活性下降。溶胶法作为一种更为可控的方法，在制备金属及金属复合物领域也引起人们的关注。此法是将金属预先制备成金属溶胶，再将预制好的金属颗粒固定在载体上。其优点是广泛适用于不同性质的载体，并且所制备金属的尺寸和粒径分布可调控，能够实现高分散的金属负载复合物的制备[7]。这种方法也被提出用于制备需要负载的纳米Au的复合物，其中，PVA作为一种廉价易得、无毒可溶的稳定剂被用于金溶胶的制备，从而调整AuNPs的尺寸和粒径分布[8-9]。不同制备方法得到的材料在性能方面必然会发生改变，通过比较不同制备方法得到的Au/CeO2的抗氧化性能，能够有针对性地对现有方法进行调整和改进，进而优化Au/CeO2的性能，这将对Au/CeO2在生物医学领域的应用起到巨大的推动作用。
本文中，我们以水热法制备的CeO2纳米棒为载体，分别采用溶胶法和沉积法对CeO2进行纳米金修饰，得到两种不同方法制备的Au/CeO2。在MV-Fenton体系中用紫外分光光度法对两种Au/CeO2的抗氧化性能进行研究，并结合TEM、HRTEM、XPS、XRD和Raman等表征方式，探索造成二者抗氧化性能差异的原因。研究结果表明：溶胶法制备的Au/CeO2上Au的粒径分布更均匀，并且比沉积法制备的Au/CeO2展现出更好的抗氧化性能。
1 实验部分1.1 材料和仪器硝酸亚铈(Ce(NO3)3·6H2O)，甲基紫(MV)，盐酸(HCl)，聚乙烯醇(PVA)，四水·氯金酸(HAuCl4·4H2O)，六亚甲基四铵(HMT)，国药集团试剂有限公司；氢氧化钠(NaOH)，七水硫酸亚铁(FeSO4·7H2O)，过氧化氢(H2O2, 35%)，三羟甲基氨基甲烷(Tris)，美国西格玛奥德里奇试剂公司；超纯水(18.25 MΩ·cm)。
透射电子显微镜(TEM)：FEI TECNAI G2F20，美国FEI公司；X射线光电子能谱分析仪(XPS)：ESCALAB 250XI，赛默飞世尔科技有限公司；X射线衍射仪(XRD)：Bruker D8 Advance，德国布鲁克公司；显微拉曼光谱仪(Raman)：inVia Reflex，英国雷尼绍公司；双光束紫外可见分光光度计(UV)：AOE-A560，翱艺仪器(上海)有限公司。
1.2 两种Au/CeO2的合成与表征1.2.1 CeO2纳米棒的合成首先，用水热法合成CeO2纳米棒，方法[10]如下：将20 mL 0.175 mol/L Ce(NO3)3·6H2O迅速加入20 mL 4 mol/L NaOH溶液，剧烈搅拌30 min，待混合液冷却至室温，将混合液转入50 mL反应釜中，100 ℃下反应14 h，反应后的混合液离心去除上清液，用超纯水反复洗涤沉淀后，在50 ℃下干燥10 h，得到CeO2纳米棒粉末。
1.2.2 溶胶法制备Au/CeO2金溶胶的合成方法[11]如下：将适量的PVA溶液加入到HAuCl4溶液中(Au:PVA=1.5:1 mg·mg-1)，剧烈搅拌10 min，然后快速加入一定浓度的NaBH4溶液(Au:NaBH4=1:5 mol·mol-1)，此时，溶液的颜色变为深棕色，表明金溶胶成功合成。取0.1 g CeO2粉末分散在超纯水中，与制备好的金溶胶按比例混合(使Au的质量分数为4.6%)，持续搅拌10 h后，离心洗涤，在50 ℃下干燥10 h，得到溶胶法制备的Au/CeO2粉末。
1.2.3 沉积法制备Au/CeO2取0.1 g CeO2粉末分散在超纯水中，然后逐滴加入10 mL 2.4 mmol/L HAuCl4溶液(使Au的质量分数为4.6%)，在100 ℃加热状态下持续搅拌至完全干燥。将得到的金黄色粉末用超纯水重新分散，随后加入1 mL 10.0 mmol/L NaBH4，继续搅拌10 min后，离心洗涤，在50 ℃下干燥10 h，得到沉积法制备的Au/CeO2粉末。
1.2.4 材料的表征材料合成后，分别用TEM、HRTEM、XPS、XRD和Raman等方式对材料的形貌、尺寸、晶面、价态等表面状态进行表征，并结合表征结果对不同负载方式制备的Au/CeO2复合物进行抗氧化性能的探究。
1.3 抗氧化性能的测定将合成好的两种材料分散在超纯水中，制备成1.6 mmol/L Au/CeO2母液，充分超声后备用。用于紫外测定的样品中各组分按以下顺序依次加入到pH 4.7 0.1 mol/L Tris-HCl缓冲液中，并且使得各组分最终浓度分别为MV (1.2×10-5 mol/L)，FeSO4 (0.18、0.45 mmol/L)，Au/CeO2 (4~80 μmol/L)，H2O2 (0.1 mol/L)。最终样品的总体积为5 mL。将各组分混合后震荡5 min立即用紫外-可见分光光度计进行测定。
2 结果与讨论2.1 材料的表征图 1为载体CeO2纳米棒和两种不同修饰方法制备的Au/CeO2的TEM图和HRTEM图。如图所示，我们成功合成了长度约为50~130 nm，直径约为8~12 nm的CeO2纳米棒(图 1(a))，HRTEM图像显示其主要暴露(111)和(110)两种晶面(图 1(d))。在CeO2纳米棒表面分别用溶胶法(图 1(b))和沉积法(图 1(c))修饰纳米金后，CeO2表面附着许多深色颗粒，并且附着在CeO2表面的颗粒暴露Au最常见的(111)晶面(图 1(e, f))，这表明纳米金成功修饰在CeO2上。另外，比较两种负载方式制备的Au/CeO2中Au的粒径，可以看出：在S-Au/CeO2上，Au的粒径分布比较均匀，为4 nm左右(图 1(e))；而在D-Au/CeO2上，Au颗粒的大小不一，粒径分布不均匀，大约为2~8 nm，能明显地看到较大Au颗粒的出现(图 1(f))。这说明与沉积法相比，溶胶法制备过程中Au的粒径能被很好地控制分布均匀，这与文献报道[12]一致。造成这种差异是由于在溶胶法制备过程中加入了PVA，其带有羟基的长碳链骨架通过范德华力和Au作用而起到空间稳定的作用，使Au的尺寸能够均匀分布[13]。
Fig. 1
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| 图 1 CeO2、S-Au/CeO2和D-Au/CeO2纳米棒的TEM (a-c)和HRTEM (d-f)图 Fig. 1 TEM (a-c) and HRTEM (d-f) images of CeO2, S-Au/CeO2, and D-Au/CeO2 nanorods 图 1 CeO2、S-Au/CeO2和D-Au/CeO2纳米棒的TEM (a-c)和HRTEM (d-f)图 Fig. 1 TEM (a-c) and HRTEM (d-f) images of CeO2, S-Au/CeO2, and D-Au/CeO2 nanorods --> | |
2.2 抗氧化性能的测定材料成功合成后，用紫外分光光度法在MV-Fenton体系中对不同负载方法制备的两种Au/CeO2的抗氧化性能进行测定。紫外测定原理如图 2所示：MV在582 nm处有最大吸收波长(曲线A)，当体系中存在·OH时，MV的吸收峰值下降(曲线C, E)，其间的差值用ΔA表示，并且ΔA的值与体系中·OH的浓度成正比。当含有自由基的体系中加入抗氧化剂，·OH部分被清除，吸收峰值回升(曲线B, D)，回升值用Δa表示，并且Δa与清除自由基的数量成正比。为使实验结果看起来更直观，用Δa/ΔA表示材料的抗氧化活性：Δa/ΔA小于1时，材料显示抗氧化性，且数值越小，抗氧化活性越强[14]。
Fig. 2
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| 各曲线对应体系中的组成分别为：(A) MV，(B) MV+ Fenton (低)+Au/CeO2，(C) MV+Fenton (低)/ 0.1 mol/L H2O2+0.18 mmol/L FeSO4，(D) MV+Fenton (高)+Au/CeO2，(E) MV+Fenton (高)/0.1 mol/L H2O2+0.45 mmol/L FeSO4。 图 2 MV-Fenton体系中抗氧化性能示意图 Fig. 2 Diagram of antioxidant activity in MV-Fenton reagent system2，(C) MV+Fenton (低)/ 0.1 mol/L H2O2+0.18 mmol/L FeSO4，(D) MV+Fenton (高)+Au/CeO2，(E) MV+Fenton (高)/0.1 mol/L H2O2+0.45 mmol/L FeSO4。 图 2 MV-Fenton体系中抗氧化性能示意图 Fig. 2 Diagram of antioxidant activity in MV-Fenton reagent system --> | |
两种Au/CeO2抗氧化活性的测定结果如图 3所示。从图 3(a)可以看出，低自由基浓度体系下，两种Au/CeO2在所取浓度范围内Δa/ΔA均小于1，表明两种材料在此区间均显示抗氧化性能；并且，随着体系中材料浓度的升高，二者展现出的抗氧化活性也随之增强，这与之前报道的结果[6]相符。比较两种材料的Δa/ΔA数值可以得出，溶胶法制备Au/CeO2的Δa/ΔA数值总是比沉积法制备Au/CeO2的小，这说明S-Au/CeO2总是展现出比D-Au/CeO2更强的抗氧化活性。在高自由基浓度体系中，能够得出与在低浓度体系中相同的结论：两种材料的抗氧化性能随材料浓度的升高而增强，并且S-Au/CeO2展现比D-Au/CeO2更好的抗氧化活性(图 3(b))。
Fig. 3
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| 图 3 D-Au/CeO2和S-Au/CeO2在高/低自由基浓度体系中的抗氧化性能 Fig. 3 Antioxidant activities of D-Au/CeO2 and S-Au/CeO2 in the systems with high and low free radical concentrations 图 3 D-Au/CeO2和S-Au/CeO2在高/低自由基浓度体系中的抗氧化性能 Fig. 3 Antioxidant activities of D-Au/CeO2 and S-Au/CeO2 in the systems with high and low free radical concentrations --> | |
另外，比较高、低自由基浓度体系中材料的抗氧化性可以看出，两种材料在不同自由基浓度下都展现抗氧化性能，但是高自由基体系中材料的抗氧化性比低自由基体系中差，这是由于体系中自由基含量太多引起的。从图 2中可以看出，增加体系中FeSO4的浓度，紫外吸收曲线的峰值明显下降(曲线E)，表明体系中自由基含量显著增加，故ΔA值增加，但是材料清除自由基的能力有限，使得高自由基体系中Δa/ΔA值减小，材料的抗氧化性较低自由基体系中有所减弱。但无论体系中自由基浓度和材料本身浓度多少，溶胶法制备的Au/CeO2均展现更高的抗氧化活性。
2.3 影响因素探究为探究S-Au/CeO2展现出比D-Au/CeO2更好的抗氧化活性的原因，对两种材料的性质进行更加深入的研究。首先，用XRD和Raman对未经修饰的CeO2、溶胶法制备的S-Au/CeO2和沉积法制备的D-Au/CeO2这3种材料进行表征，表征结果如图 4所示。XRD结果(图 4(a))显示，曲线A和曲线B的形状和高度没有显著的差异，这表示溶胶法制备的Au/CeO2(B)与未经修饰的CeO2(A)相比，CeO2的晶型没有发生明显的改变，说明溶胶法负载在表面的Au未对CeO2的表面结构产生太大影响；然而，从沉积法制备的Au/CeO2表征结果看出，与曲线A相比，曲线C的形态发生很大变化，意味着CeO2的晶型发生显著改变，这可能是沉积法负载Au的过程极大地破坏CeO2的表面结构。因此，这种对CeO2表面结构的改变可能是影响两种材料抗氧化性能显现的重要原因。
Fig. 4
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| (b)中插图为595 cm-1处的细节图；3条曲线分别表示：A：CeO2，B：S-Au/CeO2，C：D-Au/CeO2。 图 4 3种纳米材料的XRD和Raman光谱图 Fig. 4 XRD and Raman patterns of the three CeO2 nanomaterials-1处的细节图；3条曲线分别表示：A：CeO2，B：S-Au/CeO2，C：D-Au/CeO2。 图 4 3种纳米材料的XRD和Raman光谱图 Fig. 4 XRD and Raman patterns of the three CeO2 nanomaterials --> | |
以上结果从Raman表征结果(图 4(b))中可以得到印证：464 cm-1处高峰对应的是萤石立方结构CeO2的拉曼振动模式(曲线A)[15]。如图所示，溶胶法负载Au后，此处的峰值稍有下降(曲线B)，这可能是因为少量Au的附着使CeO2的表面发生轻微的变化；而从曲线C可以看出，沉积法负载Au后，D-Au/CeO2曲线的峰较未经修饰的CeO2有明显下降，说明CeO2的表面结构发生显著改变，这种改变可能是因为沉积法制备的加热过程对CeO2造成损害。另外，595 cm-1处矮峰的出现与CeO2表面的氧空位的存在有关[16]。从细节放大图中看到，与未经修饰的CeO2(曲线A)相比，溶胶法负载Au后CeO2在此处的峰值基本不变(曲线B)；而沉积法负载Au后，峰值却有所降低(曲线C)，这表明Au的沉积使CeO2表面氧空位的含量发生改变。产生这种现象的原因可能是：在沉积法制备过程中，Au最初以离子的形式与CeO2接触，而后以CeO2为依托被还原、生长、形成颗粒，这个过程有可能会导致Au与CeO2接触的表面积过大而覆盖CeO2的氧空位点；而相比溶胶法制备过程，Au与CeO2接触前已形成颗粒态，附着在CeO2表面时不会过多地遮蔽其表面的氧空位点。以上结果进一步证明溶胶法制备的Au/CeO2体现出更高的优越性，而沉积法制备过程会破坏CeO2的表面结构，进而降低材料的抗氧化性能。
已有文献报道，材料表面Ce3+的含量与其性能也有着密切的关系[17]。为了进一步探究造成两种材料抗氧化性能的差异影响因素，用XPS对材料的表面状态进行研究，表征结果如图 5所示。XPS计算结果显：CeO2、S-Au/CeO2和D-Au/CeO2表面Ce3+的含量分别为21.0%、25.5%和20.3%(图 5(a))，这说明溶胶法负载Au后，CeO2表面Ce3+含量上升，而沉积法负载Au后，CeO2表面Ce3+含量基本不变；另外，从Au/CeO2中Au的XPS结果(图 5(b))中可以看出，溶胶法负载的Au在CeO2表面有Au+的存在，而沉积法负载的Au以Au0的形式存在。从以上结果中可以推断，溶胶法负载的Au和CeO2之间可能存在一个Au-Ce电子传递过程，表面的Ce4+转变为Ce3+，从而使S-Au/CeO2表面Ce3+含量上升，同时Au以Au+的形式存在于CeO2表面；而表面Ce3+含量的增加有利于抗氧化活性的展现，这也是溶胶法比沉积法制备的Au/CeO2抗氧化活性更强的一个重要原因。
Fig. 5
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| 图 5 不同纳米金修饰方法制备的Au/CeO2的XPS图谱比较 Fig. 5 XPS spectra of Au/CeO2 prepared by different modification methods 图 5 不同纳米金修饰方法制备的Au/CeO2的XPS图谱比较 Fig. 5 XPS spectra of Au/CeO2 prepared by different modification methods --> | |
3 结论本文以CeO2纳米棒为载体，分别用溶胶法和沉积法制备两种不同的Au/CeO2复合物，并对两种Au/CeO2的抗氧化性能进行研究，进而探索造成二者性能差异的影响因素。实验结果表明，S-Au/CeO2展现出比D-Au/CeO2更强的抗氧化活性。我们认为，造成这种差异的原因有以下两点：第一，沉积法在加热过程中可能会对CeO2的表面结构造成损害，并且Au先接触后生长的方式可能会遮蔽CeO2表面的氧空位点，影响其表面结构，从而使抗氧化性能的展现受到阻碍；而溶胶法制备过程中不需要高温，纳米Au先形成后负载的方式也不会遮蔽CeO2的氧空位点。第二，溶胶法负载的Au和CeO2之间存在电子传递过程，使得材料表面的Ce3+含量上升，也有利于增强材料的抗氧化性。本研究为Au/CeO2复合物在抗氧化领域的应用提供了新的理论依据。
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