金奈米團簇利用多爪嵌段共聚物的製備與其螢光性質的研究

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(1)國立臺灣師範大學化學系碩士論文. Department of Chemistry National Taiwan Normal University Master Thesis. 金奈米團簇利用多爪嵌段共聚物的製備與其螢光性質的研究 Preparation of Gold Nanoclusters Encapsulated with Multi-Arm Block-Copolymers and Study of Their Fluorescence Properties. 楊啟盤 Chi-Pan Yang. 指導教授：陳家俊教授 Advisor:Chia-Chun Chen,Ph.D. 中華民國 108 年 7 月.

(2) 謝誌本篇論文可以順利的完成，首先要感謝指導教授陳家俊老師，讓我加入您的實驗室，在兩年的碩士生涯裡，提供完備的實驗室設備及良好安全的實驗環境，讓我安心且無憂慮地完成碩士論文，也感謝口試委員郭聰榮老師及王迪彥老師百忙之中抽空蒞臨指導，給予建言使我有更精闢的見解與啟發，也使的論文更加的完善。研究期間特別感謝顏宏吉學長，在實驗及學習上給予我建議，在實驗方面給予我寶貴的經驗，遇到困難的問題都可以游刃有餘的解決。還要感謝杜玲嫻實驗室的同學們，借給我實驗設備以及幫我解決實驗上遇到的麻煩，也感謝我同學福利、御宸、洧正、祐丞、敏慧、逸修、珮瑜，以及學弟妹立中、思穎、慧穎、祐廷、智盈、詠寧，在實驗及課業上的幫助及陪伴與鼓勵。最後我要感謝我的家人，因為他們無怨無悔的教養、支持與鼓勵，在求學的路途中給予我動力，讓我無顧慮的完成碩士學位。還有許多要感謝的人沒有被提及，我保持著感激的心，謝謝你們。. I.

(3) 摘要金奈米團簇(Gold Nanoclusters, Au NCs)具有可發光的性質、低毒性且有極小的尺寸，容易在表面進行修飾，使其可應用於離子檢測、生物標記及生物顯影等。利用不同的高分子聚合物合成金奈米團簇，可調控其螢光放光波長和量子效率，並可更進一步修飾表面的配位基團。金奈米團簇的發光的性質主要是由於配體到金属的電荷轉移 (LMCT, ligand-to-metal charge transfer)，利用波長範圍在 300 nm - 400 nm 光源的激發條件下，可發出不同顏色的光，因此具有在影像及感測方面應用的潛力。本研究首先將多爪數的聚乙二醇聚合合成 PEG-p(Glu)，並在各爪數的支鏈修飾上硫醇，將修飾後高分子做為配位基團利用化學還原的方式合成金奈米團簇。實驗發現用 NaBH4 合成出來的金奈米團簇隨著 PEG-p(Glu)爪數的改變，會出現兩種放光波長，分別約在 460 nm 及 650 nm，更進一步地利用水浴法加熱合成的金奈米團簇，其放光波長會再次產生變化。金奈米團簇的大小可能受到不同配位基團的化學結構和合成條件的影響，導致螢光出現變化。結果顯示出利用不同爪數的嵌段共聚物合成的金奈米團簇具有控制金奈米團簇放光波長的潛力。. 關鍵字: 金奈米團簇、螢光、多爪數聚乙二醇、化學還原法、再加熱 II.

(4) Abstract Gold Nanoclusters (Au NCs) have luminescent properties, low toxicity, extremely small size, and easy engineered surface modification, which make the gold nanoclusters can be applied in ion detection, biomarking and biological development. Using different functionalized polymers, gold nanoclusters can be synthesized to control the fluorescence emission wavelength, quantum efficiency, and further surface modification. The photoluminescence properties of the Au NCs are originated from ligand-to-metal charge transfer (LMCT), leading to the different emission wavelength under the excitation ranging from 300 nm - 400 nm. The unique luminescent properties of Au NCs possess the potential in the fields of imaging and sensing. In this study, the multi-arm PEG-p(Glu) with different number of arms were synthesized by a ring-opening polymerization method, and further modified with cystamine on the side chain. The thiolated polymers were used as the ligand to synthesize the Au NCs. With the usage of NaBH4 as the reducing agent, the photoluminescence spectra of Au NCs showed two emission wavelengths at 460 nm and 650 nm. Further, the emission wavelength changed again, when the Au NCs were annealed with water bath method. The size of the Au NCs may be affected by the synthesis conditions and the usage of different ligands, resulting in the change of photoluminescence wavelength. The results show that the Au NCs synthesized using multi-arm PEG-p(Glu) have the potential to control the cluster size and emission wavelength.. Key words: Gold Nanocluster, Photoluminescence, Multi-arm polyethylene glycol, Chemical reduction, Reheating. III.

(5) 目錄謝誌 ............................................................................................................................................ I 摘要 ........................................................................................................................................... II Abstract ................................................................................................................................... III 目錄 ......................................................................................................................................... IV 圖表附錄 ................................................................................................................................. VI 第一章. 緒論.......................................................................................................................... 1. 1-1 奈米材料的簡介 ............................................................................................................. 1 1-2 金奈米材料 ..................................................................................................................... 6 1-3 金屬奈米材料的製備 ................................................................................................... 10 1-4 金奈米團簇 ................................................................................................................... 13 1-4-1 合成金奈米團簇 ................................................................................................... 15 1-4-2 金奈米團簇的放光機制 ....................................................................................... 17 第二章文獻回顧與研究動機 ............................................................................................... 18 2-1 以聚乙二醇模板作為配位基團合成的金奈米團簇 .................................................. 18 2-2 調整金奈米團簇的放光 .............................................................................................. 20 2-2-1 不同配位基團的金奈米團簇 ............................................................................... 20 2-2-2 表面配位基團影響金奈米團簇放光波長............................................................ 23 2-2-3 影響金奈米團簇放光強度 ................................................................................... 27 2-3 用二次的步驟合成金奈米團簇 .................................................................................. 29 2-4 研究動機 ....................................................................................................................... 30 第三章實驗藥品及儀器 ....................................................................................................... 31 3-1 實驗藥品 ....................................................................................................................... 31 3-2 儀器設備及其基本原理 .............................................................................................. 32 3-2-1 紫外光-可見光吸收光譜儀( UV-Vis Spectrophotomer ) .................................... 32 3-2-2 光致發光光譜儀(Photoluminescence Spectrometer, PL) ..................................... 33 3-2-3 穿透式電子顯微鏡(Transmission Electron Microscope,TEM)............................ 34 IV.

(6) 3-2-4 動態光散射儀( Dynamic Light Scattering,DLS ) ................................................. 35 3-2-5 X-射線光電子光譜儀(X-ray photoelectron spectroscopy, XPS) ......................... 36 3-2-6 核磁共振光譜(Nuclear Magnetic Resonance spectroscopy，NMR) ................... 37 3-2-7 超濾離心管(Vivaspin) .......................................................................................... 38 3-3 實驗步驟與方法 .......................................................................................................... 39 3-3-1 合成多爪 poly(BLG) (γ-benzyl-L-glutamate)....................................................... 39 3-3-2 多爪嵌段共聚物的水解 ....................................................................................... 40 3-3-3 將 Cystamie 修飾在多爪嵌段共聚物的支鏈上................................................... 40 3-3-4 用 Dithiothreitol 將 Cystamie 的雙硫鍵還原 ....................................................... 41 3-3-5 合成金奈米團簇 ................................................................................................... 42 第四章結果與討論 ............................................................................................................... 43 4-1 多爪嵌段共聚物的合成與鑑定 ................................................................................... 43 4-1-1 Multi-arm-PEG-p(Glu)的合成 .............................................................................. 43 4-1-2 多爪嵌段共聚物的分析 ...................................................................................... 45 4-2 金奈米團簇的鑑定 ....................................................................................................... 48 4-2-1 金奈米團簇的光學鑑定 ....................................................................................... 48 4-2-2 金奈米團簇形狀及大小的鑑定............................................................................ 53 4-2-3 XPS 分析 ............................................................................................................... 59 4-3 ESI-MS 質譜鑑定......................................................................................................... 65 第五章結論 ............................................................................................................................. 67 附錄 ......................................................................................................................................... 68 參考資料 ................................................................................................................................. 76. V.

(7) 圖表附錄圖 1-1 不同維度的奈米材料之能階密度與能量的關係圖 1 ...................... 2 圖 1-2 不同尺寸大小的奈米材料之能隙與顏色關係圖 1 .......................... 3 圖 1-3 金奈米粒子的尺寸與熔點的關係圖 2 .............................................. 4 圖 1-4 金奈米粒子溶液顏色隨著粒徑大小有所改變 4 .............................. 6 圖 1-5 金奈米粒子的應用 12........................................................................ 9 圖 1-6 金奈米材料的製程 .......................................................................... 11 圖 1- 7 Ovalbumin 配位基團之金奈米團簇 TEM 影像圖 18 .................... 13 圖 1-8 放出不同顏色的金奈米團簇 19...................................................... 14 圖 2-1 聚乙二醇修飾不同官能基之金奈米團簇示意圖 25....................... 19 圖 2- 2 不同配位基團的金奈米團簇與其放光 19...................................... 20 圖 2-3 不同碳數的硫醇分子之螢光變化 31............................................... 24 圖 2-4 GSH 保護的金奈米團簇因為酸鹼環境的不同導致兩種放光 32.. 25 圖 2-5 利用 hPEI 的構型控制金奈米團簇的放光 33................................. 26 圖 2-6 金奈米團簇隨著環境酸鹼變化而螢光改變 28............................... 27 圖 2- 7 金奈米團簇隨著溶劑濃度的改變螢光強度也跟著改變 23.......... 28 圖 2-8 GSH-Au+加入 MUA 後，使得金奈米團簇放出橘色螢光 35 ....... 29 圖 3-1 紫外光-可見光吸收光譜儀 ............................................................. 32 圖 3-2 光致發光光譜儀 .............................................................................. 33 圖 3-3 穿透式電子顯微鏡 .......................................................................... 34 圖 3-4 動態光散射儀 .................................................................................. 35 圖 3-5 X-射線光電子光譜儀(Thermo Fisher) ......................................... 36 圖 3-6 左圖為 15 mL，右圖為 0.5 mL 超濾離心管 ................................. 38 圖 4-1 合成 p(Glu)的簡易概念.................................................................. 43 圖 4-2 合成 p(Glu)-SH 的簡易流程 .......................................................... 44 圖 4-3 1-arm - poly(BLG)之 NMR 光譜 ................................................. 46 圖 4-4 1-arm - p(Glu)-SH 之 NMR 光譜 ................................................. 47 圖 4-5 NaBH4 還原合成各爪數金奈米團簇之吸收光譜圖 ...................... 49 圖 4-6 NaBH4 還原+熱水浴合成各爪數金奈米團簇之吸收光譜圖 ........ 49 圖 4-7 NaBH4 還原合成各爪數金奈米團簇之 PL 光譜圖 ....................... 50 圖 4-8 再熱水浴合成各爪數金奈米團簇之 PL 光譜圖............................ 51 圖 4- 9 利用化學還原法合成的不同爪數金奈米團簇之水合及金核平均大小...................................................................................................... 54 VI.

(8) 圖 4- 10 利用化學還原法合成的金奈米團簇之 TEM 圖 ......................... 55 圖 4- 11 利用熱水浴增強還原的不同爪數金奈米團簇之水合及金核平均大小.................................................................................................. 57 圖 4- 12 利用熱水浴增強原合成的金奈米團簇之 TEM 圖 .................... 58 圖 4- 13 2-arm-p(Glu)-SH 上硫醇狀態 ................................................... 60 圖 4- 14 6-arm-p(Glu)-SH 上硫醇狀態 ................................................... 61 圖 4- 15 2-arm 金與硫醇鍵結後硫的狀態 .............................................. 61 圖 4- 16 6-arm 金與硫醇鍵結後硫的狀態 .............................................. 62 圖 4- 17 2-arm 金與硫醇鍵結後金的狀態 .............................................. 62 圖 4- 18 2-arm NaBH4 還原法合成的金奈米團簇上金的狀態 ............. 63 圖 4- 19 2-arm 再熱水浴後金奈米團簇上金的狀態 .............................. 63 圖 4- 20 圖 4- 21 圖 4- 22. 6-arm 金與硫醇鍵結後金的狀態 .............................................. 63 6-arm NaBH4 還原法合成的金奈米團簇上金的狀態 ............. 64 6-arm 再熱水浴後金奈米團簇上金的狀態 .............................. 64. 圖 4-23 NaBH4 還原合成 6-arm-PEG 金奈米團簇的 ESI-MS 圖 ............ 66 圖 4-24 再熱水浴後合成 6-arm-PEG 金奈米團簇的 ESI-MS 圖 ............. 66 表 1 不同大小的金奈米團簇的放光波長 30 .............................................. 23 表 2 各爪數 poly(BLG)的聚合度 ............................................................... 45 表 3 各爪數 p(Glu)-SH 修飾上硫醇的數目 .............................................. 46 表 4 化學還原法及再熱水浴法測得各爪數金奈米團簇的螢光量子產率 .............................................................................................................. 52. VII.

(9) 第一章. 緒論. 1-1 奈米材料的簡介奈米材料的定義為將物質尺寸大小控制在 1~100 nm 的範圍，因為奈米材料具有獨特的性質及現象，成為現今研究者相當重視的一環，然而於 1959 年底美國諾貝爾物理獎得主理察 ·菲利普斯 ·費曼 (Richard Phillips Feynman)在一次著名的演講《底部還有大量空間》 "There's Plenty of Room at the Bottom"中提出奈米技術的想法，往後的研究也得到證實，也因此他被譽為現代奈米技術之父。近年來隨著奈米技術的進步，也逐漸了解奈米材料的結構以及其特性，然而奈米材料依維度可以分為零維、一維及二維奈米材料。零維奈米材料定義為長、寬、高都在奈米尺寸內，例如奈米粒子、量子點；一維奈米材料定義為奈米材料的高和寬在奈米尺寸且形狀為長條狀的結構，例如奈米棒、奈米線；最後為二維奈米材料，定義奈米材料為只有高是奈米尺寸，形狀為平面結構，例如奈米薄膜 (圖 1-1)1。而且當材料的尺寸到達奈米等級時，它的物理及化學性質都會與塊材狀態下不同，會出現表面效應(surface effect)、量子侷限效應 (quantum confinement effect)、小尺寸效應(small size effect)與量子穿隧效應(quantum tunnelling effect)等，以上原因使得奈米材料本身出現明 1.

(10) 顯不同於塊材材料的性質。. 圖 1-1 不同維度的奈米材料之能階密度與能量的關係圖 1. 2.

(11) 1. 量子侷限效應(quantum confinement effect): 當材料的大小下降到奈米尺度時，材料的尺寸接近電子的波長，使的電子在材料中沒有空間可以移動，電子便被侷限在材料當中，稱為量子侷限效應 (圖 1-2)1。. 圖 1-2 不同尺寸大小的奈米材料之能隙與顏色關係圖 1. 3.

(12) 2. 表面效應(surface effect): 當材料的體積縮減時，其表面積的比例會變大，而表面的原子與總原子的比值會變大，表面的原子數的比例增加，使的表面原子的配位數不足造成很多的不飽和鍵，因此表面產生很高的表面能導致有很高的表面活性，改變表面活性使的材料會產生不同的物理性質，例如當金的大小縮減，熔點也會逐漸下降 (圖 1-3)2。. 圖 1-3 金奈米粒子的尺寸與熔點的關係圖 2. 3. 小尺寸效應(small size effect): 當材料尺寸縮小時，會導致材料的物理性質的改變與塊材不同，例如力學、光學、熱學、磁性等等會有所差異。 4.

(13) 4. 量子穿隧效應(quantum tunnelling effect): 以微觀來看，粒子具有貫穿有限位能障(Potential barrier)的能力，稱為穿隧效應(Tunnelling effect)，人們發現以巨觀的角度也發現此現象，像是微小粒子的磁化度、量子相干元件的磁通量等也發現有穿隧效應 (Tunnelling effect)，它們可以穿過巨觀的體系的能障而產生變化，故稱為巨觀的量子穿隧效應(Macroscopic quantum tunneling, MQT)。因為上述為奈米材料獨特的特性，使的在應用發展上更加的靈活，被大量作用於化學、物理、生物學、醫學以及生活中的日常用品上，應用在很廣泛的領域中。. 5.

(14) 1-2 金奈米材料. 現今奈米金材料的研究最早可以追朔至 1857 年，由英國的物理及化學家麥可 · 法拉第(Michael Faraday)用磷將三氯化金溶液給還原，得到膠態的奈米金粒子，他稱此奈米金粒子為活性金(Activated Gold)，隨後他發現當金的奈米粒子溶液的顏色，會隨著金奈米粒子的尺寸大小不同而有所變化 (圖 1-4)3。. 圖 1-4 金奈米粒子溶液顏色隨著粒徑大小有所改變 4. 6.

(15) 直到 1898 年，奧地利的諾貝爾化學獎得主里夏德·阿道夫·席格蒙迪(Richard Adolf Zsigmondy)，首位成功利用稀釋過溶液合成出膠態金奈米粒子。之後吸引更多的科學家去投入金奈米材料的研究，至今奈米金的應用在各個領域的應用已蓬勃發展 5。上個小章節提到當塊材轉為奈米材料時產生獨有的特性，使的金屬奈米材料擁有多元的應用。一般金屬可以做為化學反應的催化劑，若當金屬的尺寸縮小至奈米等級時，因為表面效應(surface effect)，表面積大幅度的增加，使材料擁有更強的催化能力，例如金奈米粒子用來做為化學反應的催化劑且金奈米材料容易在表面進行小分子的修飾 6, 7. ，通常在金表面修飾上含硫醇基的分子，硫醇與金會產生弱的共價. 鍵，鍵的能量約為 50 kJ/mol - 100 kJ/mol8, 9；同時奈米材料也擁有良好的吸光能力，利用鐵、銀奈米粒子等金屬做出來的材料可以做為隱蔽的塗料，以躲避光線的偵測。金屬奈米粒子具有與金屬塊材不同特別的光學特性，當電磁波(光波)射入金屬奈米粒子相互作用時，材料表面的自由電子受到電磁波的電磁場影響，因為頻率共振使的集體振盪，這種現象稱為表面電漿共振(Surface plasmon resonance, SPR)10，若材料的尺寸只縮小到小於可見光的波長時，而表面電漿共振只被侷限在微小的區域，此時被稱為局域性表面電漿共振(Localized surface plasmon resonance, LSPR)11， 7.

(16) 而當電磁波(光波)的頻率與金屬奈米材料的表面電漿共振的頻率接近時，會使材料有相當大光的吸收。因為這樣特別的光學特性使的金屬奈米材料有良好的發展空間，像是應用在表面增強拉曼散射 (Surface-enchanced raman scattering, SERS)，使的拉曼訊號增強，又或者是應用在螢光分子或量子點(Quantum dot)等半導體材料，因為表面電漿共振對光有強的吸收，使之螢光增強。金屬奈米材料的用途廣泛，以不同的製成方式做出不同形狀、表面型態或是粒徑大小不同的奈米材料，以不同的特性做相對的應用。金有許多良好的特點，像是擁有好的延性及展性以及低的極性，這些原因使的人們會想以金元素作為奈米材料的原料，因此奈米金材料的應用廣泛 12，像是利用金奈米粒子進行藥物的傳遞，將胺基酸、蛋白質、核酸等藥物的傳送，因為金奈米粒子的尺寸極小及毒性低的優勢，將藥物運送至生物體內難以到達的部分，例如大腦內部、細胞的胞器又或是腫瘤細胞等等；又或者可以將金奈米粒子作為抗原的指標，與抗體、核酸或是受體等結合作為生物探針，在電子顯微鏡下可以更容易找到抗原與抗體結合的位置 13。也可以依照不同的合成方法，合成出不同形狀及大小的金奈米材料，像是奈米金棒，因為它的長短軸的比值較大，而表面電漿共振波長會從可見光區紅移到近紅外光區，然而近紅外光區的光線較容易進入生 8.

(17) 物體內，可以進行光熱的治療，將光熱產生的高能及高溫殺死癌細胞。 14. 圖 1-5 金奈米粒子的應用 12. 9.

(18) 1-3 金屬奈米材料的製備合成奈米材料的概念主要分成兩種，一種是由大而小(top down approach)的方式，另一種為由小而大(bottom up approach)，由大而小 top down approach)的方式是將尺度大的塊材慢慢研磨成奈米尺度，而另一種由大而小(bottom up approach)的合成方式，是將原子及分子慢慢成核聚集或是長晶的方法，長成奈米的尺度 (圖 1-6)。最常見的由大而小(top down approach)的合成方式有兩種，一種是研磨法，另一種是微影照射蝕刻，研磨法是將粉體加入在含有許多研磨珠的筒狀研磨壺中，以剪切、撞擊方式研磨，以得到奈米所需的奈米材料，而微影照射蝕刻是利用特定的波長的光源照出所需要的圖像，接著以蝕刻的方式清洗出所需要的奈米圖像，現今的半導體面板大多以這種方式處理晶圓片。由小而大(bottom up approach)合成的法則主要分成兩類，一類是化學合成另一類是物理合成；物理合成常見的有物理氣相沉積法 (Physical vapor deposition, PVD)及雷射濺鍍法(Pulse Laser Deposition， PLD) ；而化學合成常見的有化學氣相沉積法 (Chemical vapor deposition，CVD)、溶膠凝膠法(Sol-gel)、水熱合成法(Hydrothermal)、沉澱法(Precipitation)以及化學還原法(Chemical reduction )等。. 10.

(19) top down approach. bottom up approach. (由大而小). (由小而大). 削除. 金奈米材料的製程長晶、聚合. 削除. 圖 1-6 金奈米材料的製程. 11.

(20) 在實驗中較常見且簡易的方法為溶膠凝膠法(Sol-gel)、水熱合成法 (Hydrothermal)及化學還原法(Chemical reduction)。 1. 溶膠凝膠法(Sol-gel): 將高活性的化合物進行水解縮合反應後會形成溶膠，然後再持續的反應下進行會慢慢的聚合成凝膠，最後再經過乾燥或是燒結後便可以得到奈米粒子 15。 2. 水熱合成法(Hydrothermal): 環境需在高壓高溫下，使的原本難溶的物質溶解，在水溶液中發生反應，得到的產物透過溫度差使飽和的樣品析出，並且再結晶的長晶，而製成出來的奈米材料較為的均勻 16。 3. 化學還原法(Chemical reduction): 利用氧化還原的原理，在溶液中加入化學還原劑將溶液中的金屬離子還原成金屬化合物，例如利用硼氫化納(NaBH4)做為還原劑，將四氯金酸(HAuCl4)的金三價還原成金一價或是金原子，接著金原子或是金離子聚合，形成金奈米粒子 17。. 12.

(21) 1-4 金奈米團簇團簇(Cluster)一詞的意思顧名思義就是一個群集的概念，而奈米團簇(Nanocluster)意思為由數個或是數百千個原子或是分子組合而成的群集，最常見的例子為巴克明斯特富勒(Buckminsterfullerene, C60)，然而首次在實驗室完成的奈米團簇可以追朔到 20 世紀的 50 及 60 年代，直到 80 年代奈米團簇已經大量運用在半導體的元件上。奈米團簇主要是由原子之間的作用力聚集而成的，而金奈米團簇是因為金原子及金原子之間產生的金屬鍵聚集而成的，尺寸的大小會比奈米金粒子小，大小介於 1~10 nm 左右，它的物理及化學性質也與金奈米粒子不同，像是金奈米粒子有強的表面電漿共振，然而金奈米團簇卻沒有此現象。. 圖 1- 7 Ovalbumin 配位基團之金奈米團簇 TEM 影像圖 18. 13.

(22) 當尺寸從塊材縮小至奈米材料時，因為先前章節提到的量子侷限效應(quantum confinement effect)的關係，使原本的電子能階從連續狀態轉變成不連續的狀態，且電子因為材料尺寸移動受到限制，導致原本不可能會發光的材料轉變成可以發光的物質，意即原本不會發光的金奈米粒子因為粒徑縮小至奈米團簇尺寸時，金奈米材料便有了光致發光(Photoluminescence)的發光性質。. 圖 1-8 放出不同顏色的金奈米團簇 19. 14.

(23) 1-4-1 合成金奈米團簇金奈米團簇的合成方式最主要也是兩種，由大而小(top down approach)與由小而大(bottom up approach)的方式 20；先說明由大而小的(top down approach)合成方式，通常是先合成尺寸較大的金奈米粒子或其他的金奈米材料，通常是加入過量的硫醇(Thiol)將金奈米粒子蝕刻變成尺寸較小的金奈米團簇，這種方式的概念是將金奈米粒子表面的配體(Ligand)由過量的硫醇給置換，使的原本金奈米粒子表面的金原子減少，導致形成 Au(I)-硫醇的錯合物，強 Au(I)- Au(I)鍵結形成金奈米團簇，但這種方法受到配體的限制，有可能欲修飾的配體無法置換過去，所以此方法較不盛行。另一種由小而大(bottom up approach)的方法，最常見的是使用單層保護法 (Monolayer-Protected) 合成出單層保護的金奈米團簇 (Monolayer-Protected Gold Nanocluster, AuMPC)，這種方法是直接將團簇表面修飾配體做為配位基團，這樣不旦不會有配位基團無法置換的問題，可以很輕鬆的改變配體上的官能基來達到所需要的應用；然而一般常用配體上的官能基主要是含硫醇(Thiol)、胺基(Amine)以及磷(Phosphine)等官能基，這些官能基能與金團簇表面上的金能形成穩定的共價鍵，因為強的共價鍵使的金奈米團簇非常穩定。. 15.

(24) 圖 1-9 合成金奈米團簇的兩種方法 20. 1994 年時，英國利物浦大學的 Mathias Brust 及 David J.Schiffrin 的團隊中，利用硼氫化鈉做為還原劑，在兩相(水-甲苯)的十二烷基硫醇溶液，成功的合成出大小 1 到 3 nm 的金奈米團簇，然而這種方法簡單且產物也穩定. 21. ；隔一年後，1995 年 Mathias Brust 及 David. J.Schiffrin 的團隊以單相(水相)合成的方式用 2-巰基乙醇作為配位基團合成出奈米金團簇 22，表示他們可以用單相的合成方式，應用在合成配位基團上有不同官能基的金奈米團簇，使往後的研究大多以 Brust 及 J.Schiffrin 的方式去合成奈米金團簇。 16.

(25) 1-4-2 金奈米團簇的放光機制金奈米團簇的放光原理，主要是以量子侷限效應 (Quantum confinement effect)為基礎，但是目前實際的放光機制並沒有一個很肯定的答案，現今普遍的猜測是與表面的配位基團有關，以含有硫醇官能基的配基的奈米金團簇為例，表面的硫醇基屬於π受體配位子 (π-acceptor)，而硫醇的 sp 軌域的能階高於金一價的 d 軌域，當奈米金團簇吸收光後，電子會從基態 d 軌域躍遷到激發態 sp 軌域，使的這兩個軌域會形成混成軌域，導致金與硫醇之間發生電子轉移，電子會從硫醇基轉移到金(Ligand to metal charge transfer)或是電子從從硫醇基轉移到金殼層(Au+)再轉移到金核(Au0)(Ligand to metal metal charge transfer, LMMCT)23 ，接著電子又會鬆弛到費米能階(Fermi level)，最後再回到基態與電洞結合，這樣釋出的能量會以放光的形式釋出，便產生螢光 (圖 1-10)17。. 圖 1-10 金奈米團簇的放光機制示意圖 17. 17.

(26) 第二章文獻回顧與研究動機 2-1 以聚乙二醇模板作為配位基團合成的金奈米團簇前面小節的介紹金奈米團簇因為不同的用途，使的其表面修飾的配位基團也不同，因為金奈米團簇獨特的螢光特性經常被做為用在生物顯影上，因此期望金奈米團簇擁有良好的生物相容性，然而以聚乙二醇模板合成的金奈米團簇擁有良好的生物相容性，且以高分子作為配位基團合成的金奈米團簇具有穩定的螢光性質。於 2012 年 Fadi Aldeek 團隊利用聚乙二醇模板成功合成出高亮度 (量子產率: ~10~14% )的金奈米團簇，而且他們合成的金奈米團簇擁有高的穩定性，能在不同的酸鹼環境能保持其特性，其放光波長為 750 nm 於 UV 光下呈現紅光 24。然而他們的團隊於 2016 年利用照光的方式及修飾聚乙二醇改變末端官能基，成功合成出不同放光波長的金奈米團簇，他們團隊表示改變末端官能基，修飾為含胺基、醛基及胺基與醛基混和，此修飾完三種合成出的金奈米團簇放光波長皆不同，個別對應顏色為胺基是放光波長約為 670 nm 於 UV 光下呈現紅色，醛基的放光波長約為 430 nm 於 UV 光下呈現藍色，最後胺基與醛基混合的約為 580 nm 於 UV 光下呈現黃色，且他們應證三種的水合大小也會依照放光波長較長者大小會較大 (圖 2-1)25。 18.

(27) 圖 2-1 聚乙二醇修飾不同官能基之金奈米團簇示意圖 25. 19.

(28) 2-2 調整金奈米團簇的放光 2-2-1 不同配位基團的金奈米團簇依據不同的要求及應用，在奈米金團簇表面修飾不同的配位基團，常見的配位基團有以高分子聚合物、生物分子以及有機分子三種。. 圖 2- 2 不同配位基團的金奈米團簇與其放光 19. 以高分子聚合物為配位基團的有以樹枝狀的高分子(Dendrimer)及支鏈的高分子，以樹枝狀高分子(Dendrimer)為例，2003 年 Jie Zheng 的團隊利用(Poly(amidoamine),. PAMAM)作為配位基團，合成出穩定. 的奈米金團簇，放光位置在 450 nm 且在 UV 燈下會放出藍色螢光 26；另外以長鏈狀高分子為配位基團合成的金奈米團簇的例子，於 2013 年印度的 Fadi Aldeek 團隊，利用硫辛酸(Lipoic acid, LA)為基底與聚乙二醇(Polyethylene Glycol,PEG)聚合而成的高分子為配位基團，也合出穩定的奈米金團簇，而放光的位置約 510 nm 且在 UV 燈下會放出紅色螢光 24。 20.

(29) 接著介紹以生物分子作為配位基團的奈米金團簇，於 2009 年 Jianping Xie 的團隊，利用牛血清白蛋白(Bovine Serum Albumin, BSA)作為配位基團以及還原劑與四氯金酸於 37℃下反應，形成能放出螢光的奈米金團簇，放光波長為 640nm，於 UV 燈的照射下呈現紅色 27；生物分子除了蛋白質外，還有以去氧核糖核酸(Deoxyribonucleic acid,DNA)為配位基團，例如於 2012 年 Guiying Liu 與他的團隊成功利用 DNA 的片段作為模板合成出奈米金團簇，他們的做法是先將 DNA 的片段與四氯金酸水溶液混合，之後加入二甲胺硼烷 (Dimethylamine borane,. DMAB)作為還原劑反應 36 小時候，便可以. 得到以 DNA 為配位基團的奈米金團簇，放光波長於 725 nm，在 UV 燈的照射下會放出紅光螢光 28。最後介紹以有機分子作為配位基團的奈米金團簇，其中最常見是以硫醇(Thiol)為官能基的有機分子作為配位基團，舉 2014 年 Cecil V. Conroy 與他的團隊用 Mercaptosuccinic acid(MSA)作為配位基團，成功合成出主要放光位置在 830 nm 的金奈米團簇，在 UV 燈的照射下也是會放出紅色螢光 29。總結以上的文獻，利用不同的配位基團合成的奈米金團簇，放出來的波長也不一樣，來自於合成出來的金核大小不同以及表面修飾的配位基團的關係，因此若可以改變表面的配位基團，亦可以得到不同放 21.

(30) 光波長的奈米金團簇。. 22.

(31) 2-2-2 表面配位基團影響金奈米團簇放光波長前一小節提到的利用不同配位基團合成出的金奈米團簇，螢光的顏色皆不太一樣，如圖 19，由此可以知道不同配位基團合成出的奈米金團簇的金核大小也都相同，而且若金奈米團簇的金核較小，它的放光波長比較短呈現藍紫色，相反的若金核較大的金團簇，它的放光波長比較長呈現橘色、紅色，(表 1)30。表 1 不同大小的金奈米團簇的放光波長 30. 上述說明的配位基團都是來自於不同的物質，例如高分子、單分子硫醇、蛋白質、DNA 等；若配位基團皆為單分子硫醇，因為硫醇分子上碳鏈長不一樣，也會改變金奈米團簇的螢光；當硫醇的碳鏈越長，從碳三至碳十六時金奈米團簇的螢光會逐漸的紅移，也是因為合成出的金奈米團簇的金核尺寸依碳數越高而逐漸變大的關係，而且當碳數來到十六個碳時，它的螢光強度也是較強的 (圖 2-3)31。 23.

(32) 圖 2-3 不同碳數的硫醇分子之螢光變化 31. 將配位基團改為有良好生物相容性的分子 Glutathione (GSH)合成金奈米團簇，也可以利用溶液酸鹼值的改變導致螢光產生變化，於 2016 年 Jinbin Liu 的團隊利用控制溶液酸鹼值來控制金奈米團簇的螢光，此金奈米團簇表面 GSH 上的硫醇會因為較酸性的環境而導致裂解，而使的 GSH 上的胺基與金作用，若是全接上硫醇則放光波長為 600 nm，若是接上一些的胺基則放光波長為 810 nm，由於酸鹼環境會改變 GSH 上官能基接上金的比例，因此 pH 值逐漸提升，而放光波長逐漸傾向 600 nm，反之當 pH 值逐漸下降，放光波長逐漸傾向 810 nm，而且不管在放出多少波長的螢光金核大小都沒有太大的改變 (圖 2-4)32。. 24.

(33) 圖 2-4 GSH 保護的金奈米團簇因為酸鹼環境的不同導致兩種放光 32. 25.

(34) 於2017年Zhiqin Yuan的團隊利用兩步驟的合成出擁有兩種金核大小及放光波長的金奈米團簇，首先將超支化聚乙烯亞胺 (hyperbranched Polyethyleneimine, hPEI)與四氯金酸做反應，形成金的錯合物，接著再用11-mercaptoundecanoic acid(MUA)反應形成金奈米團簇33，因為hPEI的結構的關係，使的合成出來的金奈米團簇產生兩種大小的形狀因此導致兩種放光，在UV光的激發下，激發光在365 nm 時肉眼看到呈現藍色，而激發光在254 nm時肉眼看到呈現橘紅色(圖 2-5) 33。. 圖2-5利用hPEI的構型控制金奈米團簇的放光33. 整理上述的文獻，得知金屬核的尺寸會改變合成出來的金屬團簇所放出的螢光，當金屬核的尺寸越小，所放出的螢光會越藍移，反之若金屬核的尺寸較大則放出的螢光會較紅移。. 26.

(35) 2-2-3 影響金奈米團簇放光強度. 除了團簇的螢光波長會改變外，螢光的強度也會因為外在的因素而改變，像是改變合成金奈米團簇的酸鹼環境，例如 2012 年有文獻表示，利用 DNA 作為配位基團在不同的酸鹼環境，螢光值的強度會有變化，隨著 pH 值降低所合成出的金奈米團簇螢光值上升，主要是因為當 pH 值上升，較容易形成粒徑較大的金奈米粒子，而相較之下原本的金奈米團簇的數量減少，導致螢光值下降 (圖 2-6)28。. 圖 2-6 金奈米團簇隨著環境酸鹼變化而螢光改變 28. 除了用酸鹼環境改變金奈米團簇的螢光強度外，亦可以用溶劑改變金奈米團簇的螢光強度，例如 2012 年發表在 JACS 的文獻表示，當在溶液中加入的乙醇到達 95%時，會使的金奈米團簇的螢光值大幅提升，主要原因是加入乙醇後會形成更多的 Au(Ⅰ)-硫醇的錯合物，使的合成出的金奈米團簇因為表面的金錯合物變多了，導致螢光值大 27.

(36) 幅提升 (圖 2-7)23。. 圖 2- 7 金奈米團簇隨著溶劑濃度的改變螢光強度也跟著改變 23. 28.

(37) 2-3 用二次的步驟合成金奈米團簇為了要合成不同放光波長及增強放光強度的金奈米團簇，先前的文獻利用二次的步驟合成，例如於 2017 年 Julie P. Vanegas 團隊成功用二次的步驟合成出放出不同螢光的金奈米團簇，此作法為先合成出表面沒有任何配位基團的裸露金奈米團簇，接著再將不同硫醇分子加入，因為加入不同的分子使得金奈米團簇的表面價數的改變，以合成出不同放光波長的金奈米團簇 34，此外也可以利用加入硫醇蝕刻的方式使得金奈米團簇的放光強度增強，於 2015 年 Xiurong Yang 的團隊成功利用 GSH 的金奈米錯合物再加入第二種硫醇分子 MUA 也使得金奈米團簇價數的改變，使得金奈米團簇的螢光增強 (圖 2-8)35。. 圖 2-8 GSH-Au+加入 MUA 後，使得金奈米團簇放出橘色螢光 35. 29.

(38) 2-4 研究動機金奈米團簇因為本身具有獨特的發光性質，尺寸小且表面也容易進行修飾，再加上有良好的光穩定性及擁有良好的生物相容性，因此使的金奈米團簇可作為離子檢測、生物顯影及生物感測器等。現今的研究已知，表面修飾不同的配位基團，因為 Ligand to metal charge transfer (LMCT)導致金奈米團簇的放光會有所改變，若能用相同且單一的激發光源，能放出五顏六色的螢光，對於金奈米團簇的應用上是有潛力的。至今要合成不同顏色螢光的金奈米團簇的方法很多元，目前研究中最常見的是改變表面的配位基團，然而這導致合成出來的金核尺寸大小不一樣，金核尺寸較大者放光波長會偏紅移，反之則放光波長偏藍移，因此若能控制金奈米團簇的金核大小間接可以控制其螢光。在本研究中，我們利用多爪數的聚乙二醇，在其支鏈上修飾硫醇形成多爪數的 PEG-p(Glu)，再利用此作為配位基團合成金奈米團簇；因為不同爪數的嵌段共聚物有立體構型的因素，利用這種簡單的構型因素想要探討合成的奈米金團簇螢光的變化，基於上述的理由我們期待嘗試只利用同種的配位基團合成出不同放光波長的金奈米團簇以及增強金奈米團簇的螢光值。. 30.

(39) 第三章實驗藥品及儀器 3-1 實驗藥品實驗藥品. 藥品廠商. Tetrachloroauric acid, HAuCl4. ACROS. Sodium borohydride, NaBH4. ACROS. N,N-Dimethylformamide, DMF. Fisher. N-(3-Dimethylamioprppyl)-N’-ethylcarbodiimide. SIGMA-ALDRICH. hydrochloride, EDC γ-benzyl-glutamate N-carboxyanhydride,. QM. BLG-NCA Cystamine dihydrochloride. SIGMA-ALDRICH. N-Hydroxysuccinimide, NHS. ALDRICH. N,N-Diisopropylethylamine, DIPEA. ACROS. Sodium hydroxide, NaOH. Fisher. Dithiothreitol, DTT. Fisher. 1arm-PEG Amine. JenKem Technology. 2arm-PEG Amine. JenKem Technology. 4arm-PEG Amine. JenKem Technology. 6arm-PEG Amine. JenKem Technology. 8arm-PEG Amine. JenKem Technology. 31.

(40) 3-2 儀器設備及其基本原理. 3-2-1 紫外光-可見光吸收光譜儀( UV-Vis Spectrophotomer ) 型號 : Hewlett-Packard Agilent 8453 UV-Vis Spectrophotomer 原理 : 是一種可以快速且簡單分析材料透光的儀器，當機器的光源照射到樣品時，材料中的電子吸收特定的能量產生電子躍遷，造成在光譜上不同波長的吸收現象。. 圖 3-1 紫外光-可見光吸收光譜儀. 32.

(41) 3-2-2 光致發光光譜儀(Photoluminescence Spectrometer, PL) 型號 : HITACHI F-7000 Fluoresence Spectrophotometer 原理 : 樣品中的原子及分子吸收光能後，產生電子躍遷，電子從基態躍遷至激發態，接著從激發態鬆弛回到較低能態的過程，會釋放出比原本激發波長還要長的光線，可以得知光強度及波長；依照光衰退時間的不同，可以分成螢光及磷光。. 圖 3-2 光致發光光譜儀. 33.

(42) 3-2-3 穿透式電子顯微鏡(Transmission Electron Microscope,TEM) 型號： HITACHI H-7100 原理 : 於高度真空的環境下，利用可以射出高能量的電子槍發射出高能電子束，再經過透鏡系統將電子束聚焦在樣品上，之後再經由透鏡將影像放大並且成像在螢光屏幕上，最後將繞射圖轉為可見光圖影；而電子打到樣品時，因為與原子碰撞而改變方向，產生散射，而散射的角度與原子的厚度及密度相關，因此會產生明暗的影像。. 圖 3-3 穿透式電子顯微鏡. 34.

(43) 3-2-4 動態光散射儀( Dynamic Light Scattering,DLS ) 型號 : Otsuka ELSZ-2000 原理 : 利用雷射照射到含有粒子溶液的樣品中，造成待測物粒子的散射，利用 correlation function 處理布朗運動所造成的變化之散射光強度，進一步的推出擴散係數，最後依據 Stohes-Einstein 公式測得粒子粒徑大小。. 圖 3-4 動態光散射儀. 35.

(44) 3-2-5 X- 射線光電子光譜儀 (X-ray photoelectron spectroscopy, XPS) 型號 : Thermo Scientific ,Theta Probe 原理 : 其原理是依照光電效應，當 X 光照射至樣品內部時，原子內層的電子將被激發產生光電子，而只有靠近材料表面的光電子才能逃離被儀器測得。藉由分析此光電子，可得知表面元素組成種類，進而判斷化學鏈結。. 圖 3-5. X-射線光電子光譜儀(Thermo Fisher). 36.

(45) 3-2-6 核磁共振光譜(Nuclear Magnetic Resonance spectroscopy，NMR) 型號 : Bruker Avance III HD-600 MHz NMR 原理 : 利用原子具有自旋角動量的特性，當原子核受到外加磁場且與磁矩的方向不同時，就會產生像是陀螺旋轉的現象稱為進動 (Precession)，它具有能量且有固定的頻率；再施予外加射頻後，會產生共振，最後再透過線圈偵測原子核自旋進動的頻率，便可以分析出樣品的原子核構成，並進一步推出分子結構。. 37.

(46) 3-2-7 超濾離心管(Vivaspin) 型號 : Merck Millipore,UFC900308,15mL,3kDa Merck Millipore,UFC503008,0.5mL,30kDa Merck Millipore,UFC510096,0.5mL,100kDa. 圖 3-6 左圖為 15 mL，右圖為 0.5 mL 超濾離心管. 38.

(47) 3-3 實驗步驟與方法. 3-3-1 合成多爪 poly(BLG) (γ-benzyl-L-glutamate) 在低水氧的環境下，取 100 mg 各爪數的聚乙二醇(1arm,分子量 5000 g/mol)(2arm,分子量 5000g/mol)(4arm,分子量 20000g/mol)(6arm,分子量 30000g/mol)(8arm,分子量 40000g/mol)溶於 5mL 的無水 DMF；將對應不同爪數的聚乙二醇以 65 當量 BLG-NCA 的量溶在 DMF；再將各爪數的聚乙二醇溶液加到 BLG-NCA 的溶液中，攪拌反應 2 天，接著對水透析(以 2 小時,2 小時,3 小時,5 小時,5 小時換水)，最後凍乾，得到不同爪數的 poly(BLG)粉末。. 39.

(48) 3-3-2 多爪嵌段共聚物的水解取 50 mg 不同爪數的 poly(BLG)粉末，溶於 124 當量 1M 的 NaOH，攪拌反應約 2 天，溶液顏色會從乳白色至透明，接著對水透析(以 2 小時,2 小時,3 小時,5 小時,5 小時換水)，最後凍乾，得到白色的粉末。. 3-3-3 將 Cystamie 修飾在多爪嵌段共聚物的支鏈上取 40 mg 已水解的多爪嵌段共聚物及 5 當量的 EDC 及 NHS 溶在 11 mL 的 DMF；取 5 倍當量的 Cystamine 先溶於 200 μL 的純水中，再取 5 倍當量的 DIPEA 滴入溶液裡，均勻混和後最後溶於 3 mL 的 DMF；接著將共聚物的溶液慢慢滴入 Cystamine 的溶液，攪拌反應 24 小時，接著對水透析(以 2 小時,2 小時,3 小時,5 小時,5 小時換水)，最後凍乾。. 40.

(49) 3-3-4 用 Dithiothreitol 將 Cystamie 的雙硫鍵還原取 30 mg 已修飾 Cystamie 的多爪嵌段共聚物溶在純水中(以每 1.308*10-4 莫爾的硫醇量溶於 5 mL)，取 3 倍當量的 Dithiothreitol(DTT) 溶於水(以每 65 mg 溶於 2 mL 純水)，將 DTT 溶液加到已修飾 Cystamie 的多爪嵌段共聚物的溶液中，反應攪拌 2 小時，溶液會呈現微混濁，接著加入 1M 的 NaOH(100~200 μL)，反應 10 分鐘溶液會逐漸變透明清澈，馬上將溶液裝入超濾離心管(15 mL,3 kDa)離心(7000 rpm,10 分鐘)離心 4 次，取上層液。. 41.

(50) 3-3-5 合成金奈米團簇將不同爪數的多爪嵌段共聚物溶液作為金奈米團簇的配位基團，用兩種還原的方式合成，一種是加入 NaBH4 還原，另一種是熱水浴還原法。 NaBH4 化學還原法合成奈米金團簇. 硫醇及金還有 NaBH4 的莫爾數比例為 10:1:2；將 5mM 的四氯金酸加到離心後的多爪嵌段共聚物溶液，反應 1 天使溶液呈現澄清，確保金與硫醇形成穩定的錯合物，接著加入 10mM 的 NaBH4 反應 1 天，最後得到以多爪嵌段共聚物保護的奈米金團簇。. 再用利用熱水浴合成奈米金團簇. 硫醇及金還有 NaBH4 的莫爾數比例為 10:1:2；將 5mM 的四氯金酸加到離心後的多爪嵌段共聚物溶液，反應 1 天使溶液呈現澄清，確保金與硫醇形成穩定的錯合物，接著加入 10mM 的 NaBH4 反應 1 天，接著將裝其溶液的樣品瓶以鋁箔紙包覆，放入水浴盆裡，溫度調至 90℃反應 2 天，最後得到以多爪嵌段共聚物保護的奈米金團簇。. 42.

(51) 第四章結果與討論 4-1 多爪嵌段共聚物的合成與鑑定 4-1-1 Multi-arm-PEG-p(Glu)的合成合成多爪的嵌段共聚物，是以陰離子加成聚合(Anionic addition polymerization)的形式合成，以各爪數的 PEG-amine 作為反應起始物，接著將 γ-benzyl-glutamate N-carboxyanhydride (BLG-NCA)導入反應聚合成直鏈型的聚合物分子 poly(BLG)36；將支鏈上做修飾，利用氫氧化鈉做水解，將支鏈上的苯環置換成氫形成 p(Glu) (圖 4-1)，接著我們利用 EDC/NHS coupling37 的方式將 Cystamine 修飾在支鏈上，使的共聚物上的支鏈都帶有雙硫分。最後再利用 Dithiothreitol (DTT)將雙硫分子之間的鍵結切斷 38，讓共聚物上的支鏈都只留下硫醇分子 p(Glu)-SH(圖 4-2) O. O. O NH O. n. 開環聚合 O O. O. H N. n. 水解. O. O. 圖 4-1 合成 p(Glu)的簡易概念 43. H N. HO. O.

(52) O. H N. O O m. N H. H n. O. HO. NH2. EDC/NHS. S. S. H2N. O O O m. O. H N. N H. H N H k. n. HO. O. HN. O. S S. NH2. DTT. O O O m. O. H N. N H. H k. n. HN. O. SH. 圖 4-2 合成 p(Glu)-SH 的簡易流程. 44. H N. HO. O.

(53) 4-1-2 多爪嵌段共聚物的分析將聚合物分子 poly(BLG)與 p(Glu)-SH 以 NMR 光譜作鑑定，使用 d-DMSO 為溶劑測量 1H-NMR。聚合物分子 poly(BLG). 39. ，位於圖譜上 δ7.4-7.8 的訊號為苯環上的. 氫的訊號，而位於 δ3.6-3.8 的訊號來自於聚乙二醇碳上的氫(圖 4-3)，然而已知 PEG 的氫的數目，根據積分值計算結果推得出苯環上氫的數目，最後再將此數目除以 5 即可推得此聚合物分子的聚合度(Degree of polymerization,DP)約為 60 左右。(表 2) 表 2 各爪數 poly(BLG)的聚合度. 聚合度 DP. 1-arm. 2-arm. 4-arm. 6-arm. 8-arm. 63.6. 64.5. 60.4. 86.7. 56.5. 45.

(54) O. a. b. O. m. N H. H N. c. O. d. e. H n. O. O. f. g. b. g f a c. 圖 4-3. ed. 1-arm - poly(BLG)之 NMR 光譜. 聚合物分子 p(Glu)-SH 位於圖譜上 δ3.6-3.8 的訊號來自於聚乙二醇上的氫，位於圖譜上 δ3.4-3.1 及 δ2.9-2.6 的訊號皆來自於雙硫旁碳上的氫(圖 4-4)40，然而也是已知 PEG 的氫的數目，根據積分值計算結果推得出雙硫旁碳上氫的數目，最後再將此數目除以 8 即可推得此聚合物分子的修飾上硫醇的數目約為 3 個至 17 個左右。(表 3) 表 3 各爪數 p(Glu)-SH 修飾上硫醇的數目. 修飾硫醇數目. 1-arm. 2-arm. 4-arm. 6-arm. 8-arm. 5.8. 5.8. 2.6. 13.3. 17.4. 46.

(55) a. O. m. O. H N. O. O. N H. H N k. n. H. HO O. HN O b c. b. S S d. e. a. NH2. e. 圖 4-4. c+d. 1-arm - p(Glu)-SH 之 NMR 光譜. 47.

(56) 4-2 金奈米團簇的鑑定 4-2-1 金奈米團簇的光學鑑定將用 NaBH4 還原法及熱水浴合成後的各爪數共聚物的金奈米團簇溶液放在日光燈下觀察，皆呈現透明及淡黃色的。而若使用 UV 燈照射下(激發光源 365 nm)呈現紅色的螢光，兩種方法的圖由左而右分別為 1-、2-、4-、6-及 8-arm，然而在肉眼的觀察下，熱水浴中的 1-arm-PEG 的金奈米團簇螢光的強度明顯比其他爪數還要亮，而化學還原法中 6-arm 共聚物的金奈米團簇的螢光會比其他爪數來的強。將材料做 UV 吸收光譜的檢測，得到 UV 圖 (圖 4-5,4-6)，此兩種合成方法的 UV 的光譜圖有明顯變化，NaBH4 還原法的 4-arm 及 8-arm p(Glu)-SH 的金奈米團簇與 1-arm、2-arm 及 6-arm 相比有不一樣的變化，4-arm p(Glu)-SH 在圖上約 540 nm 的位置有個吸收峰，此吸收峰為金奈米粒子的吸收峰，表示在合成的時候有產生出尺寸較大的金奈米粒子，8-arm 的金奈米團簇也出現尺寸較大的金奈米團簇，然而 1-arm、2-arm 及 6-arm p(Glu)-SH 的金奈米團簇吸收值較低，表示溶液中可能內含有金的錯合物；而我們從 UV 圖譜得知，經過熱水浴後，原本含尺寸較大的團簇及粒子消失，各爪數的金奈米團簇皆形成金奈米團簇。 48.

(57) 1.0. 1arm 2arm 4arm 6arm 8arm. Absorbance (a.u.). 0.8. 0.6. 0.4. 0.2. 0.0 300. 400. 500. 600. 700. 800. Wavelength (nm). 圖 4-5 NaBH4 還原合成各爪數金奈米團簇之吸收光譜圖. 1.0. 1arm 2arm 4arm 6arm 8arm. Absorbance (a.u.). 0.8. 0.6. 0.4. 0.2. 0.0 300. 400. 500. 600. 700. 800. Wavelength (nm). 圖 4-6 NaBH4 還原+熱水浴合成各爪數金奈米團簇之吸收光譜圖. 接著將金奈米團簇利用螢光放光光譜檢測，利用激發光源 400 nm 測量其螢光強度與放光位置。若是利用 NaBH4 還原合成出的奈米金團簇 (圖 4-7)，從螢光圖譜可以看出各爪數的金奈米團簇的約在 446 奈米皆有明顯的放光位置，4-arm 則約在 656 nm 出現明顯且較寬的 49.

(58) 放光峰，6-arm 及 8-arm 約在 645 nm 也出現明顯的放光峰，由此可知此方法合成出於 446 nm 的小尺寸金奈米團簇及約 650nm 的大尺寸的. Intensity (a.u.). 金奈米團簇。 1arm 2arm 4arm 6arm 8arm. 320 300 280 260 240 220 200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0 450. 500. 550. 600. 650. 700. 750. Wavelength (nm). 圖 4-7 NaBH4 還原合成各爪數金奈米團簇之 PL 光譜圖. 若是再利用熱水浴合成出的金奈米團簇 (圖 4-8)，一樣各爪數皆在 466 nm 有明顯的放光位置，然而 1-arm 及 2-arm 的金奈米團簇約在 650 nm 有明顯的放光，4-arm 及 6-arm 約在 623 nm 有明顯的放光位置，8-arm 的金奈米團簇在 500 nm 以後沒有出現明顯的放光峰，其中 1-arm 金奈米團簇在 650 nm 位置的螢光訊號最強，可以看出再利用熱水浴合成的金奈米團簇，隨著爪數的減少會較傾向合成出放光位置約 650 nm 左右大尺寸的金奈米團簇，反之隨著爪數的增加，則傾向合成放光位置在 466 nm 小尺寸的金奈米團簇。. 50.

(59) 1arm 2500. 2arm 4arm 6arm 8arm. Intensity (a.u.). 2000. 1500. 1000. 500. 0 450. 500. 550. 600. 650. 700. 750. Wavelength (nm). 圖 4-8 再熱水浴合成各爪數金奈米團簇之 PL 光譜圖. 我們認為此不同爪數金奈米團簇造成的螢光變化主要在於配未基團化學結構及合成條件，從 NaBH4 還原合成法當中可以看出每個爪數皆有 446 nm 的峰值，我們推斷出各爪數 p(Glu)-SH 的分子會與金形成較小尺寸的金奈米團簇以及金的錯合物，而高爪數 p(Glu)-SH 的金奈米團簇約於 650 nm 有明顯的峰值，我們認為表示高爪數 p(Glu)-SH 在化學結構上的因素，使的再此環境下容易形成尺寸較大的金奈米團簇；經過再熱水浴的加熱後，我們推測出低爪數的金奈米團簇會由多個低爪數 p(Glu)-SH 組成，而形成尺寸較大的金奈米團簇，然而高爪數的金奈米團簇我們推斷是由單一爪數 p(Glu)-SH 包覆金使之形成尺寸較小的金奈米團簇。最後將金奈米團簇利用積分球測量子產率 (表 4-3)，從表中我們可以知道利用熱水浴增強還原法中 1-arm 的金奈米團簇的量子產率到達 51.

(60) 1.6%比其他的爪數金奈米團簇的量子產率高許多將近四倍左右，而利用化學還原法中 4-arm 共聚物的金奈米團簇的量子產率到達 1.2%比其他爪數的金奈米團簇的量子產率來的高。. 表 4 化學還原法及再熱水浴法測得各爪數金奈米團簇的螢光量子產率. 1-arm. 2-arm. 4-arm. 6-arm. 8-arm. NaBH4. 0.3%. 0.4%. 1.2%. 0.4%. 0.4%. Heat. 1.6%. 0.4%. 0.3%. 0.2%. 0.3%. 52.

(61) 4-2-2 金奈米團簇形狀及大小的鑑定將材料點在銅網上並利用 TEM 進行觀察，可以看出 NaBH4 還原法合成的金奈米團簇金核的大小(圖 4-9,圖 4-10)，尺寸大約在 2 到 4 nm 之間，團簇及團簇之間分散性良好，可以看出每種團簇的形狀及尺寸大小分布不均，金奈米團簇金核尺寸的大小，從 1-、2-、4-、6- 及 8-arm 排序分別為 2.3 ± 0.4 nm、2.3±0.4 nm、3.1±0.5 nm、2.7±0.4 nm 及 2.9±0.5 nm，然而 4-arm 的從圖中可以看出含有一些尺寸較大的金奈米粒子的存在；利用光動態散射儀可以看出金奈米團簇在水溶液中包含各爪數嵌段共聚物的水合大小 (圖 4-9)，而尺寸大小範圍約從 17 至 31 nm，而從 1-、2-、4-、6-及 8-arm 排序分別為 24.4±6.4 nm、17.9 ±4.5 nm、25±6.6 nm、31.5±8.2 nm 以及 25.8±4.4 nm。. 53.

(62) NaBH4 reduced. Diameter (nm). 50 40 30 20 10 0 1arm. 2arm. 4arm. 6arm. 8arm. Diameter (nm). NaBH4 reduced 4 3.5 3 2.5 2 1.5 1 0.5 0 1arm. 2arm. 4arm. 6arm. 8arm. 圖 4- 9 利用化學還原法合成的不同爪數金奈米團簇之水合及金核平均大小上為 DLS 分佈圖. 下為 TEM 分佈圖. (b) 54.

(63) (a). (b). (c). (d). (e). 圖 4- 10 利用化學還原法合成的金奈米團簇之 TEM 圖 (a) 1arm (b) 2arm (c) 4arm (d) 6arm (e) 8arm. 55.

(64) 而由熱水浴增強還原合成的金奈米團簇金核尺寸的大小(圖 4-11,圖 4-12)，從 1-、2-、4-、6-及 8-arm 排序分別為 3.1±0.5 nm、2.6±0.4 nm、 2.6±0.43 nm、2.5±0.4 nm 以及 2.5±0.3 nm；利用光動態散射儀測得水合尺寸大小 (圖 4-11)，範圍約從 17 至 31 nm，從 1-arm、2-arm、4-arm、 6-arm 及 8-arm 排序分別為 24.7±5.3 nm、28.7±6.2 nm、22.5±6.1 nm、 25.2±6.9 nm 以及 25.1±2.7 nm。. 56.

(65) Diameter (nm). After Heating 40 35 30 25 20 15 10 5 0 1arm. 2arm. 4arm. 6arm. 8arm. 6arm. 8arm. Diameter (nm). After Heating 4 3.5 3 2.5 2 1.5 1 0.5 0 1arm. 2arm. 4arm. 圖 4- 11 利用熱水浴增強還原的不同爪數金奈米團簇之水合及金核平均大小上為 DLS 分佈圖下為 TEM 分佈圖. 57.

(66) (a). (b). (c). (d). (e). 圖 4- 12 利用熱水浴增強原合成的金奈米團簇之 TEM 圖 (a)1-arm (b) 2-arm (c) 4-arm (d) 6-arm (e) 8-arm. 58.

(67) 4-2-3 XPS 分析我們利用 XPS 圖譜想探討合成金奈米團簇的過程及變化，我們利用 2-arm 的金奈米團簇代表低爪數的狀況，以及利用 6-arm 的金奈米團簇代表較高爪數的狀況，測硫及金的 Binding energy (BE)，從此可以推得出硫與金的氧化還原的狀態，其中的狀況我們分成四種，分別為 p(Glu)-SH 硫上的狀態、金與硫醇鍵結後硫及金的狀態、利用 NaBH4 還原法合成的金奈米團簇上金的狀態以及再水浴後金奈米團簇上金的狀態。 2-arm 及 6-arm-p(Glu)-SH 上硫醇的狀態 (圖 4-13,圖 4-14)，從圖中可以看出測得 S2p3/2 分別在 163.35 eV 及 162.28 eV 上有高且強的峰值，然而當金與硫醇鍵結後硫及金的狀態 (圖 4-15,圖 4-16)，從圖中測得 S2p3/2 分別為 161.6 eV 及 161.3 eV 上有高且強的峰值。測得 2-arm 及 6-arm 金的狀態，然而金與硫醇鍵結後及金的狀態，從圖中測得 2-arm Au4f7/2 及 Au4f5/2 分別為 84.5 eV 及 88.5 eV (圖 4-17) 上有高及強的峰值，而 6-arm Au4f7/2 及 Au4f5/2 分別為 83.8 eV 及 87.5 eV (圖 4-20)上有高及強的峰值；利用 NaBH4 還原法合成的金奈米團簇上金的狀態(，從圖中測得 2-arm Au4f7/2 及 Au4f5/2 分別為 86.3 eV 及 90.5 eV (圖 4-18)，而 6-arm Au4f7/2 及 Au4f5/2 分別為 84.1 eV 及 87.7 eV 上有高及強的峰值 (圖 4-21)；再水浴後金奈米團簇上金的狀態，從圖中 59.

(68) 測得 2-arm Au4f7/2 及 Au4f5/2 分別為 85.3 eV 及 89 eV (圖 4-19)，而 6-arm Au4f7/2 及 Au4f5/2 分別為 84.35 eV 及 87.95 eV (圖 4-22)。由圖譜比對可知 p(Glu)-SH 與金相接後硫的 S2p3/2 的峰值會往低能量方向位移，表示硫有成功的與金相接，而在約 166~169 Ev 的位置也出現很強的峰值，表示可能在硫與金反應後，殘留的硫醇形成硫的氧化物。然而從金與硫鍵結後以及兩種合成方式，測得 Au4f7/2 及 Au4f5/2 在經過還原反應，從圖上比對得知有產生往高能量方向位移，我們推論是因為 p(Glu)-SH 上含有大量的羧酸基團，而導致產生此方向的位移。. 2arm- polymer S 2p. 120. Intensity (a.u.). 100 80 60 40 20 170. 168. 166. 164. 162. 160. 158. 156. Binding Energy (eV). 圖 4- 13. 2-arm-p(Glu)-SH 上硫醇狀態. 60.

(69) 6arm polymer S 2p. 80 70. Intensity (a.u.). 60 50 40 30 20 10 170. 168. 166. 164. 162. 160. 158. 156. Binding Energy (eV). 圖 4- 14. 6-arm-p(Glu)-SH 上硫醇狀態. 2arm- Au-complex S2p. Intensity (a.u.). 260 240 220 200 180 170. 168. 166. 164. 162. 160. 158. 156. Binding Energy (eV). 圖 4- 15. 2-arm 金與硫醇鍵結後硫的狀態. 61.

(70) 6arm- Au-complex S 2p. 105. Intensity (a.u.). 100 95 90 85 80 75 70 170. 168. 166. 164. 162. 160. 158. 156. Binding Energy (eV). 圖 4- 16. 6-arm 金與硫醇鍵結後硫的狀態. 2arm- Au-complex Au 4f. 1000. Intensity (a.u.). 800. 600. 400. 200. 0 98. 96. 94. 92. 90. 88. 86. 84. 82. 80. Binding Energy (eV). 圖 4- 17. 2-arm 金與硫醇鍵結後金的狀態. 62.

(71) 150. Intensity (a.u.). 2arm- Au-nabh4 Au 4f. 100. 50. 0 98. 96. 94. 92. 90. 88. 86. 84. 82. 80. Binding Energy (eV). 圖 4- 18. 2-arm NaBH4 還原法合成的金奈米團簇上金的狀態 400. Intensity (a.u.). 2arm- Au-heat Au 4f. 200. 0 98. 96. 94. 92. 90. 88. 86. 84. 82. 80. Binding Energy (eV). 圖 4- 19. 2-arm 再熱水浴後金奈米團簇上金的狀態. 250 6arm- Au-complex Au 4f. Intensity (a.u.). 200. 150. 100. 50. 0 98. 96. 94. 92. 90. 88. 86. 84. 82. 80. Binding Energy (eV). 圖 4- 20. 6-arm 金與硫醇鍵結後金的狀態. 63.

(72) 160 6arm- Au-nabh4 Au 4f 140. Intensity (a.u.). 120 100 80 60 40 20 0 98. 96. 94. 92. 90. 88. 86. 84. 82. 80. Binding Energy (eV). 圖 4- 21. 6-arm NaBH4 還原法合成的金奈米團簇上金的狀態 500 6arm- Au-heat Au 4f. Intensity (a.u.). 400. 300. 200. 100. 0 98. 96. 94. 92. 90. 88. 86. 84. 82. 80. Binding Energy (eV). 圖 4- 22. 6-arm 再熱水浴後金奈米團簇上金的狀態. 64.

(73) 4-3 ESI-MS 質譜鑑定我們利用 ESI-MS 的質譜中推算出金奈米團簇的分子式，在 NaBH4 的還原後 6-arm-PEG 合成的金奈米團簇(圖 4-23)，於 360.52、610.21 以及 684.22 m/z 有特殊的峰值，我們推斷此峰數值對應的分子式為 [Au9(SR)8]9+、[Au18(SR)10]9+以及[Au18(SR)10]8+，而在再經過熱水浴反應後，6-arm-PEG 合成的金奈米團簇(圖 4-24)，於 360.69、443.38 以及 701.26 m/z 出現特殊的峰值，推斷此數值對應到的分子式為 [Au9(SR)8]9+、[Au8(SR)6]6+以及[Au16(SR)10]7+，其餘爪數的質譜放於附錄。. 65.

(74) 圖 4-23 NaBH4 還原合成 6-arm-PEG 金奈米團簇的 ESI-MS 圖. 圖 4-24 再熱水浴後合成 6-arm-PEG 金奈米團簇的 ESI-MS 圖. 66.

(75) 第五章結論我們合成 Multi-arm-PEG-p(Glu)，在此高分子支鏈上修飾上硫醇，並利用修飾硫醇後的高分子作為金奈米團簇的配位基團，我們實驗的結果發現 NaBH4 還原後合成的金奈米團簇與再熱水浴合成的金奈米團簇的放光波長會與 PEG-p(Glu)爪數不同而有變化，NaBH4 還原後合成的金奈米團簇會由於爪數變多而形成尺寸較大的金奈米團簇，然而再經過熱水浴合成後，反而使的原本高爪數的金奈米團簇尺寸大小減小，且原本低爪數的金奈米團簇尺寸大小變大，而可通過 XPS 的分析推論出此現象的變化，以及利用 ESI-MS 能推算出金奈米團簇的分子式，尺寸小的金奈米團簇約為 8 至 9 個金原子合成其結構，然而尺寸大的金原子約為 16 至 18 個金原子合成其結構；然而再修飾共聚物方面，過程並不穩定，再將雙硫鍵切斷後做純化的步驟較無法控制，可能因為純化時間長使的切斷後的硫分子又相接，以及要更確認金奈米團簇的行成原因還需要更多的證據。然而我們成功合成出可放出兩種放光的金奈米團簇，利用 Multi-arm-PEG 去調控放光，也可以依此找出增強螢光強度的方法。而期望可以利用此方式可以調控金奈米團簇的放光波長。. 67.

(76) 附錄. O O. a. N H. m. b. H N. c. O. d. H n. e O. O. f. g. b. g. f c. e d. 2-arm - poly(BLG)之 NMR 光譜. O. a. O. m. b. N H. H N. c. O. d. e. H n. O. O. f. g b g f c. 4-arm - poly(BLG)之 NMR 光譜 68. e. d.

(77) O O. a. N H. m. b. H N. c. O. d. H n. e O. O. f b g. g f. e d. c. 6-arm - poly(BLG)之 NMR 光譜. O. a. O. N H. m. b. H N. c. O. d. H n. e O. O. f. g b. g f c. 8-arm - poly(BLG)之 NMR 光譜. 69. ed.

(78) O. O a. O. m. O. H N. N H. H N kH. n. O. HN b. HO. O. c S S. b. d. e. a. NH2. c+d e. 2-arm - p(Glu)-SH 之 NMR 光譜. a. O. m. O. H N. O. O. N H. H N kH. n. HN b. HO. O. O. c S S d. b e NH2. a. e. c+d. 4-arm - p(Glu)-SH 之 NMR 光譜. 70.

(79) O. a. N H. m. O. H N. O. O. H N kH. n. HO. O. HN b. O. c S S d. b. e NH2. a. e. c+d. 6-arm - p(Glu)-SH 之 NMR 光譜. O. O a. O. m. O. H N. N H. H N kH. n. HN b. O. HO. O. c S S d. b. e. a. NH2. e. c+d. 8-arm - p(Glu)-SH 之 NMR 光譜. 71.

(80) 圖 NaBH4 還原合成 1-arm-PEG 金奈米團簇的 ESI-MS. 圖再熱水浴後合成 1-arm-PEG 金奈米團簇的 ESI-MS. 72.




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