种子生长法制备金纳米粒子（AuNPs）的实验方法

种子生长法制备金纳米粒子（AuNPs） 实验室经典方法，粒径 / 形貌可控

  种子生长法是制备单分散、粒径均一、形貌可控金纳米粒子（AuNPs）的核心主流方法，也是最易上手、重复性好的制备手段，核心原理是：先合成小粒径金种子（5~10 nm），再以种子为晶核，通过弱还原剂缓慢还原金前驱体，让金原子定向沉积在种子表面生长，避免自发成核，从而精准控制 AuNPs 的最终粒径（10~100 nm）和形貌（球形 / 棒状 / 星状 / 片状）。

  该方法分为2 个核心步骤：✅金种子制备 + ✅种子生长，其中球形 AuNPs是基础款（无表面活性剂，操作简单），棒状 / 星状 AuNPs是进阶款（加表面活性剂调控各向异性生长），以下分基础标准法（球形）、关键调控、进阶形貌、注意事项详细讲解，直接可用于实验室操作。

一、核心优势（为什么选种子生长法）

✅ 粒径均一度高：粒径变异系数 CV＜10%，远优于直接还原法；✅ 粒径可控：5~100 nm 任意调控，仅需改变种子 / 金前驱体比例；✅ 形貌可控：球形 / 棒状 / 星状 / 三角片状 / 立方状均可制备；✅ 操作简单：常温 / 低温即可，无需高压、高温设备，实验室常规玻璃器皿即可完成；✅ 产物稳定：无杂质，易分散，可直接进行后续表面修饰（柠檬酸 / PEG / 巯基修饰）。

二、试剂与仪器准备（实验室通用，优先选分析纯）

✅ 核心试剂（必须现配现用，避免氧化 / 分解）

氯金酸溶液（HAuCl₄・3H₂O）：0.01% (w/v)、0.1% (w/v) 两种浓度，金前驱体，避光冷藏保存；

柠檬酸三钠溶液（Na₃C₆H₅O₇・2H₂O）：1% (w/v)，强还原剂，用于制备金种子，中和 Au³+ 电荷，同时作为种子表面稳定剂；

抗坏血酸溶液（AA，VC）：0.1% (w/v)，弱还原剂（核心！），仅还原生长液中的 Au³+，不在溶液中自发成核，只在种子表面生长，现配现用；

超纯水（18.2 MΩ・cm）：避免杂质（Cl⁻/Na⁺）导致 AuNPs 团聚；

（进阶用）十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）：0.1 M，阳离子表面活性剂，调控各向异性生长（制备棒状 / 星状 AuNPs）；

（进阶用）硝酸银溶液（AgNO₃）：0.01 M，形貌诱导剂，辅助调控棒状 AuNPs 长径比。

✅ 仪器（实验室基础款）

三口烧瓶 / 锥形瓶（100 mL/250 mL，提前酸洗烘干，无油污）；

恒温水浴锅（室温～100℃）；

磁力搅拌器 + 搅拌子；

移液枪（1 mL/5 mL/10 mL）、移液管；

棕色试剂瓶（储存氯金酸、柠檬酸溶液）；

洗瓶（超纯水）、烧杯、漏斗；

紫外 - 可见分光光度计（表征 AuNPs 等离子体共振峰，可选）。

✅ 关键预处理：玻璃器皿酸洗

种子生长法对玻璃器皿洁净度要求高（杂质会催化自发成核，导致团聚），必须酸洗：

玻璃器皿用王水（浓盐酸：浓硝酸 = 3:1） 浸泡 12 h，或用 50% 硝酸浸泡 6 h；

超纯水反复冲洗至中性，烘干备用，全程避免手直接接触内壁。

三、标准操作：种子生长法制备球形金纳米粒子（常用，10~50 nm）

步骤 1：制备金种子液（5~8 nm，核心晶核，关键！）

金种子是生长的基础，种子的单分散性直接决定最终 AuNPs 的质量，必须沸水浴、快速搅拌、逐滴加还原剂。

取 100 mL 0.01% HAuCl₄溶液 加入 250 mL 三口烧瓶，放入磁力搅拌子，沸水浴加热 + 剧烈搅拌（转速 800~1000 rpm），保持溶液沸腾；

快速一次性加入 10 mL 1% 柠檬酸三钠溶液，继续沸水浴搅拌，溶液颜色会快速变化：无色→淡黄色→酒红色→深红色，持续搅拌15 min；

关闭水浴锅，自然冷却至室温，继续搅拌10 min，得到5~8 nm 金种子液（深红色，单分散，避光冷藏保存，7 天内可用）；

✅ 种子液表征：紫外 - 可见吸收峰在518~520 nm，无杂峰，说明种子合格。

步骤 2：种子生长制备大粒径球形 AuNPs（10~50 nm，可控）

生长过程用弱还原剂抗坏血酸，仅在种子表面还原 Au³+，无新核生成，种子加入量决定最终粒径（种子越多，粒径越小；种子越少，粒径越大），全程室温搅拌，无需加热。

以制备 30 nm 球形 AuNPs 为例（经典配方，可直接复刻）：

取 100 mL 0.1% HAuCl₄溶液 加入 250 mL 锥形瓶，室温磁力搅拌（转速 300~500 rpm）；

缓慢加入 5 mL 0.1% 抗坏血酸溶液，搅拌 30 s，溶液由黄色变为无色（Au³+ 被还原为 Au⁺，无金属光泽，未成核）；

快速加入 0.5 mL 金种子液，继续室温搅拌30 min，溶液逐渐变为亮红色→深红色，无沉淀、无团聚，即得到30 nm 单分散球形 AuNPs；

停止搅拌，产物避光静置，可直接使用，或 4℃冷藏保存（1 个月稳定）。

四、关键调控：粒径 / 形貌精准控制（核心技巧）

种子生长法的核心优势是可控，通过调整试剂比例、表面活性剂、pH 值，可精准调控 AuNPs 的粒径和形貌，以下是实验室常用的调控规律：

✅ 1. 球形 AuNPs粒径精准调控（5~100 nm）

仅改变金种子液的加入量，其他试剂不变，粒径与种子量成反比，经典配比参考（生长液均为 100 mL 0.1% HAuCl₄+5 mL AA）：

种子液加0.2 mL → 粒径≈50 nm（紫红色，紫外峰≈530 nm）；

种子液加0.5 mL → 粒径≈30 nm（亮红色，紫外峰≈525 nm）；

种子液加1.0 mL → 粒径≈20 nm（鲜红色，紫外峰≈522 nm）；

种子液加2.0 mL → 粒径≈10 nm（酒红色，紫外峰≈519 nm）。

✅ 2. 各向异性 AuNPs形貌调控（棒状 / 星状 / 片状，进阶）

球形 AuNPs 是无表面活性剂生长，加入CTAB（阳离子表面活性剂） 后，CTAB 会吸附在 Au 种子的特定晶面（如 晶面），抑制该晶面生长，从而诱导各向异性生长，制备特殊形貌 AuNPs。

✔️ 制备金纳米棒（AuNRs，长径比 2~10）：

种子液制备同前（5 nm）；

生长液：100 mL 0.1% HAuCl₄ + 10 mL 0.1 M CTAB + 5 mL AA，搅拌至无色；

加入0.5 mL 种子液 + 0.2 mL 0.01 M AgNO₃（形貌诱导剂），室温搅拌 60 min；

溶液由无色→浅棕色→蓝色 / 绿色，即得到金纳米棒（紫外峰有两个：横向≈520 nm，纵向≈600~900 nm，长径比越大，纵向峰越红移）。

✔️ 制备金纳米星（AuNSs，多尖角）：

种子液用1% NaBH₄ 替代柠檬酸还原，制备更小的 3 nm 种子；

生长液：100 mL 0.05% HAuCl₄ + 3 mL AA + 2 mL CTAB，加入 0.3 mL 种子液；

室温搅拌 30 min，溶液变为紫色 / 蓝紫色，即得到金纳米星（尖角处等离子体共振，光学活性强，适合 SERS 传感）。

✅ 3. 其他关键调控因素

还原剂浓度：AA 浓度过低→生长不全，有黄色 Au³+ 残留；AA 浓度过高→轻微团聚，粒径不均；

pH 值：柠檬酸修饰 AuNPs 呈弱酸性（pH 3~5），pH＞7 易团聚，pH＜2 生长缓慢；

搅拌速度：生长阶段搅拌过慢→局部金原子沉积过快，粒径不均；搅拌过快→种子分散过匀，粒径偏小。

五、产物表征（快速判断 AuNPs 质量，实验室必做）

无需复杂仪器，通过肉眼观察 + 紫外 - 可见分光光度计即可判断产物是否合格，核心指标：

颜色判断（最直观）：

5~10 nm：酒红色；20~30 nm：鲜红色；50 nm：深红色 / 紫红色；

金纳米棒：蓝色 / 绿色；金纳米星：紫色 / 蓝紫色；

❌ 出现灰色 / 黑色沉淀→团聚 / 氧化，实验失败；

❌ 溶液仍为黄色→Au³+ 未还原，还原剂不足。

紫外 - 可见吸收峰：

球形 AuNPs：仅 1 个特征峰，518~530 nm，峰形对称，无杂峰→单分散合格；

金纳米棒：2 个特征峰→横向峰（520 nm）+ 纵向峰（600~900 nm）；

粒径表征（可选）：透射电镜（TEM）直接观测粒径和形貌，均一度＞90% 即为合格。

六、常见问题及解决办法（实验室避坑核心，90% 的失败原因）

种子生长法制备 AuNPs 的失败多为团聚、粒径不均、无生长，均由操作细节或试剂问题导致，对应解决办法：

❌ 问题 1：产物团聚，出现黑色沉淀（常见）

✅ 原因 + 解决：

玻璃器皿不干净→重新酸洗烘干，全程超纯水冲洗；

种子液失活→种子液冷藏不超过 7 天，现配现用；

抗坏血酸氧化→AA 溶液现配现用，避光保存；

种子加入量过少→金原子沉积过快，增加种子液用量。

❌ 问题 2：粒径不均，峰形不对称

✅ 原因 + 解决：

还原剂滴加速度过快→AA 和种子液均逐滴 / 缓慢加入，搅拌均匀；

水浴温度波动→种子制备时保持沸水浴恒温，生长阶段室温恒定；

氯金酸浓度不均→氯金酸溶液超声溶解后再使用。

❌ 问题 3：溶液无色 / 黄色，无金纳米粒子生成

✅ 原因 + 解决：

抗坏血酸用量不足→增加 AA 溶液体积，确保 Au³+ 还原为 Au⁺；

种子液无活性→重新制备种子液，确保种子液为酒红色，紫外峰 520 nm；

氯金酸变质→氯金酸避光冷藏，保质期不超过 3 个月，结块即失效。

❌ 问题 4：产物易沉降，分散性差

✅ 原因 + 解决：

柠檬酸三钠用量不足→种子制备时增加柠檬酸用量，提升表面负电荷；

溶液离子强度过高→全程用超纯水，避免加入盐溶液，后续修饰可加 PEG 提升分散性。