オルトカルボニルキャッピング剤による金ナノプレートの効率的合成と鉛イオン電気化学検出への応用

要旨

本研究では、植物由来分子（没食子酸）を用いて動力学制御モードで金ナノプレートを合成した。ナノプレートの成長は、キャッピング剤が特定の結晶面に特異的に吸着することに主因する。系統的なキャラクタリゼーションにより、オルトカルボニル化合物中の2つの酸素原子間距離が金（111）面の格子間隔とほぼ完全に一致することが判明し、これが双晶核の形成および板状金ナノ粒子の成長を促進することを明らかにした。ガラスカーボン電極上に修飾した金ナノプレートは、裸のガラスカーボン電極や球状金ナノ粒子修飾電極と比較して、鉛イオンに対する電気化学的検出感度が著しく向上した。この修飾電極は、重金属廃水中の鉛イオン濃度検出への応用が期待される。

はじめに

局在表面プラズモン共鳴（LSPR）特性[1-4]により、金ナノ粒子（GNP）はセンシング、ラマン分光、生体イメージング、触媒、生物医療など多くの光学的・電気化学的応用を見出している[5-10]。GNPのプラズモン特性は形状、サイズ、組成、誘電環境に依存し、特に異方性GNPの近接場増強はその鋭利な構造的特徴により高度に増幅されることが多い[11, 12]。様々な形態の中でも、二次元金ナノプレートは独自の光学特性、高い導電性、熱安定性、触媒活性により大きな注目を集めている[13-15]。過去数十年間で、光化学反応法、熱分解法、シードメディエート法、マイクロ波助勢法、超音波助勢法など、二次元金ナノプレート合成のための一連の手法が開発されてきた[16-20]。しかし、これらの合成法の多くは、多くの界面活性剤やキャッピング剤（セチルトリメチルアンモニウムブロミド、ドデシル硫酸ナトリウム）、化学還元剤（NaBH₄）などを使用するため、環境に優しくない[21-23]。

近年、グリーンケミストリーの発展により、生物学的手法による金ナノプレート調製が促進されている[24]。レモングラス、アロエベラ、海藻、アルファルファ、大腸菌、コノテガシワ抽出物などのバイオマスが、還元剤と保護剤の両方として金ナノプレート合成に用いられてきた[25, 26]。例えば、Shankarら[27]はシトロネラ葉抽出物により最大45%の金ナノプレート収率を得る生物学的手法を開発した。Montesら[28]はアルファルファ水抽出物でHAuCl₄を還元し、サイズ500–4000 nm、厚さ15–30 nmの異方性金ナノプレートを調製した。Zhanら[29]は、コノテガシワ抽出物によるHAuCl₄の生物学的還元を動力学制御装置を用いて行う、金ナノプレート合成の新手法を報告した。実験パラメータ（試薬の供給方法/速度、温度、pHなど）を調整することで金ナノプレート収率を制御できることも注目に値する。例えば、pH 2.81、温度60 ℃、供給速度60 mL·h⁻¹でコノテガシワ抽出物を金前駆体に注入した場合、収率は最大39%に達した。

植物抽出物中の真の活性分子を特定することが困難なため、生物合成におけるGNPの核生成と成長の正確なメカニズムを解明することは難しい[30]。先行研究では、ポリフェノールが金ナノプレート形成に重要な役割を果たすことが判明している[31]。本研究では、ポリフェノールの代表として没食子酸を用い、GNPの成長メカニズムを研究した。幅広い構造キャラクタリゼーションを通じて、オルトカルボニル化合物が金ナノクラスタから双晶核へ、さらに板状ナノ粒子への成長において果たす役割を特定し、これらの調製済み金ナノプレートを鉛イオンの電気化学的検出に応用した。

材料と方法

材料

クロロ金酸、没食子酸、シュウ酸ナトリウム、アスコルビン酸、フェリシアン化カリウム、塩化カドミウム、硫酸鉛はすべて試薬特級で、アラジン試薬株式会社から購入した。

金ナノプレートの調製

典型的な金ナノプレート合成では、10 mLのクロロ金酸（1.0 mM）を含む二口フラスコ（50 mL）を、磁気攪拌装置付きオイルバスで30 ℃で5分間予熱した。供給液（没食子酸、0.6 mM、10 mL）をシリンジポンプ（深圳医療機器技術開発有限公司、SK-500、中国）を用いて、それぞれ0.5、1.0、1.5、2.0、2.5 mL·min⁻¹の添加速度でフラスコへ同時注入した。供給完了後、反応混合物をさらに30分間攪拌維持した。

キャラクタリゼーション

GNPのUV-Visスペクトルは、UV-Vis分光光度計（TU-1900、北京パーキンジェネラル機器有限公司、中国）で水を基準として測定し、走査波長範囲330–1100 nm、ステップ1.0 nmとした。透過型電子顕微鏡（TEM）、高分解能TEM（HRTEM）、選択領域電子回折（SAED）、エネルギー分散型X線分光（EDS）は、フィリップス分析FEI Tecnai 30電子顕微鏡（300 kV）で実施した。フーリエ変換赤外分光（FTIR）分析は赤外分光計（Nicolet iS50、ニコレット社、米国）で行い、走査波数範囲は400–4000 cm⁻¹とした。熱重量（TG）分析は熱重量分析装置（TG209F1、ネッチュ、ドイツ）で行い、温度範囲30–800 ℃、昇温速度10 ℃·min⁻¹、気体流量20 mL·min⁻¹とした。金ナノプレートのXRD測定は、Cu Kα線（40 kV、30 mA）を用いたX線回折装置（Bruker D8 Advance、ドイツ）で実施した。XPS分析はQuantum 2000分光計でAl-Kα線を励起源として行った。クロマトグラフィー分離は、ウォーターズCortecs C18カラムを装備したAgilent 1290 LCシステムを用い、移動相としてギ酸水溶液（水と混合、10%）とメタノールを流量0.2 mL/minで用いた。注入量は20 μL。メタノール勾配は：0 minで10%、1 minで10%、8 minで90%、12 minで100%、13 minまで維持。MS検出は、加熱電気噴霧イオン化源を装備したAgilent 6550質量分析計で負イオンモードで全化合物を測定した。金ナノプレートの収率は、金ナノプレート数を総GNP数で割って算出した。データの正確性を確保するため、解析したナノ粒子数は1000個以上とした。

鉛イオンの電気化学的検出

ガラスカーボン電極（GCE、直径3 mm）を0.3および0.05 μmアルミナで研磨し、エタノールと超純水でそれぞれ15分間超音波洗浄した。調製済みGNPゾル（100 μL）をGCEに滴下し、空気中で乾燥させた。このGNPキャストを3回繰り返した。線形スイープボルタメトリー試験を、GNP修飾GCEを作業電極、白金線を対極、Ag-AgCl電極を基準電極として実施した。ボルタメトリー条件：最小電圧−2.0 V、最大電圧2.0 V、走査速度1 mV·s⁻¹。ボルタメトリー試験における鉛イオン濃度範囲は1000–1 mg·L⁻¹で、これは汚染水試料で通常見られる濃度範囲である[32, 33]。

結果と考察

供給速度の影響

GNPの激しい核生成と成長を避けるため、没食子酸の供給速度を注入ポンプで制御し、これにより還元プロセス中の金原子放出速度を調節した。供給速度が金ナノプレート収率に及ぼす影響を調査した。図1に示すように、供給速度が低下するにつれて、球状GNPの表面プラズモン共鳴ピークが徐々に減少し、長波長領域に新たな吸収ピークが出現する（図1の赤線）。

図2に、異なる条件で合成したGNPの透過型電子顕微鏡（TEM）像を示す。供給速度が低下するにつれ、ナノプレート収率は0からほぼ53%まで増加し、ナノプレートの一辺長は約500 nmであった。この結果は、原子の速やかな放出が、双晶核と適切な成長速度を必要とする不均一核生成に有利でないことを示している。

金ナノプレート形成メカニズム

没食子酸、球状GNP、板状GNPのFTIRスペクトルを図3に示す。没食子酸スペクトルの3496および1538 cm⁻¹のピークは、それぞれフェノール性水酸基とベンゼン環に対応し、これらは球状および板状両方のGNPスペクトルで消失している。これは没食子酸がナノ粒子上に吸着しないことを意味する。1722および1618 cm⁻¹のピークはカルボニル基に属し、炭素-炭素二重結合は球状および板状両方のGNPで観察される。違いは、板状ナノ粒子ではカルボニル基の吸収がはるかに強いことである。この結果は、フェノール性水酸基がエノール構造（球状ナノ粒子上に吸着）へ酸化され、さらにオルトカルボニル化合物（板状ナノ粒子上に吸着）へ酸化されることを示している。

反応生成物の上清液（5 mL/minおよび0.5 mL/min）をLC-MSで分析した。図4に示すように、速い反応で得られた上清液では、すべての分子がカラムから約0.7 minで溶出する。このとき質量分析で検出される主な物質は分子量169の分子である。一方、流速が遅い場合、没食子酸の反応生成物は比較的複雑で、溶出時間は0.5–1.1 minとなる。このとき検出される分子のm/zは167、169、203などである。没食子酸はオルトカルボニル化合物へ酸化され、さらにカルボン酸へ酸化される可能性がある。LC-MS分析結果は、板状ナノ粒子がより多くのカルボニル化合物環境下で形成されることを示している。

反応系には没食子酸とクロロ金酸のみが存在するため、その一次、二次、更なる酸化生成物（スキーム1参照）がキャッピング試薬として機能し、GNP形成を誘導する可能性がある。反応初期（供給速度0.5 mL·min⁻¹）ではクロロ金酸が過剰であり、没食子酸は完全にオルトカルボニル化合物へ酸化される。一方、高供給速度（2.5 mL·min⁻¹）では、没食子酸はエノール化合物へ酸化される。

オルトカルボニル基の金ナノプレートへの特異的吸着を明確にするため、金ナノプレート上の吸着分子をEDSで調べた（図5a）。Au元素のほか、金ナノプレート表面にはCとOのみが検出された。EDSで測定された金ナノプレート表面のC/O比は6.8:5（815:599）で、没食子酸（C₇H₆O₅）の7:5に近い。これは金ナノプレート表面の分子が主に没食子酸の酸化生成物由来であることを示している。TG分析で金ナノプレート上の残留分子を調べた。図5bに明確に示すように、バイオマスは金ナノプレート総重量の5.6%を占める。バイオマスの分解温度は400–700 Kの範囲で、有機物のそれと一致する[34]。この結果は、バイオマスが薄層としてGNPに付着し、GNPの凝集を防ぐ保護剤として機能することを示唆しており、先行報告と一致する[35]。

ご存知の通り、異なる結晶面の格子間隔は異なる。例えば、Au（111）面の格子間隔は0.2355 nm、（100）面は0.408 nm、（110）面は0.288 nmである。原子配列角度の違いにより、異なる結晶面上で原子が形成する結合長も異なる。Au（111）面は最も密な配列であり、電子欠陥が最も少ないため、結晶面エネルギーが最も低い。本研究では、2列の金原子間距離を0.234 nmと計算した（図6a）。金ナノプレートのXRDパターン（図6b）は、38.30°、44.58°、64.71°、77.72°に4つの強いピークを示し、それぞれ面心立方結晶構造の（111）、（200）、（220）、（311）面に対応する。

XPS分析では、AuとOのピークはほとんどの研究で報告されているものと類似していた[36]（図7）が、Cのスペクトルはより複雑だった。284.5 keV、286 keV、288.3 keVに大きな吸収ピークがあり、それぞれC–C、C–O、C=O結合に帰属できる。XPSスペクトルからも、多くのカルボニル化合物が金ナノプレート表面にアンカーされていることが示された。

没食子酸の一次および二次酸化生成物はともにカルボキシル基とカルボニル基を持つが、後者はオルトカルボニル基を持つ点で異なる。C–C単結合とC=O二重結合の結合長はそれぞれ0.15 nmと0.12 nmであるのに対し、オルトカルボニル基の4原子は底角60°の二等辺台形を形成する（スキーム2）。したがって、2つの酸素原子間距離は0.27 nmと計算され、Au（111）面の原子間距離と一致する。この結果は、オルトカルボニル基がAu（111）面に優先的に吸着し双晶核を形成することを確認するものである。

オルトカルボニル化合物をキャッピング剤とした金ナノプレート調製

オルトカルボニル化合物が金ナノプレート形成に及ぼす影響をさらに調査するため、類似構造を持つシュウ酸ナトリウムを保護剤、アスコルビン酸を還元剤としてGNPを調製した。アスコルビン酸濃度0.4 mM、金前駆体濃度1.0 mMの条件下で、調製ナノ粒子をUV-Vis分光法でキャラクタリゼーションした（図8a）。シュウ酸ナトリウム濃度を0.1から0.6 mMまで増加させると、球状ナノ粒子の吸収ピークが徐々に減少し、長波長領域の吸収が徐々に増加した。TEM観察により、シュウ酸ナトリウム濃度0.6 mMで得られたナノ粒子の大半が板状形態を持つことが確認された（図8b）。

鉛イオンの電気化学的検出

板状ナノ粒子、球状ナノ粒子、裸GCEの鉛イオンに対する電気化学応答を図9に示す。板状ナノ粒子の鉛イオン濃度に対する電流応答は高い直線性を示す（R² = 0.9979、図9a, b）のに対し、球状GNPでは直線性が低い（R² = 0.9884、図9c, d）。裸GCEではさらに直線性が低い（R² = 0.9719、図9e, f、濃度範囲1000–10 mg·L⁻¹）。さらに、裸GCEの電流応答はGNP担持電極よりはるかに弱い。板状GNPは活性なエッジを持つため、鉛イオン溶液中で増幅された信号を示す[37, 38]。金ナノプレート修飾GCEの耐久性を、常温常圧下で3週間放置後の鉛イオン電気化学試験で評価した。図10g, hに示すように、濃度と電流の関係は高い直線性を維持（R² = 0.9950）し、この修飾電極は重金属廃水中の鉛イオン濃度検出への応用が期待される。

修飾電極の表面特性を調べるため、調製電極を0.5 M KCl支持電解質中の1.0 mM K₃[Fe(CN)₆]溶液でCV測定した。電位走査範囲は−1.2–1.2 V、走査速度0.05 V·s⁻¹。図10aによると、裸GCEでは明確な酸化還元ピークが検出される。GCE表面をGNPで修飾すると、裸GCEより電流応答が高くなる。この増加は、GNPが電子移動を促進し電極の導電性を向上させるためと考えられる。特筆すべきは、金ナノプレートで修飾した場合、電流応答の増加がより大きいことである。さらに、電気化学インピーダンス分光（EIS）で電極界面特性を調べ、結果を図10bに示す。ナイキストプロットの半円半径は電荷移動抵抗（R_ct）を表す。球状および板状両方のGNP修飾電極のR_ctは、GNPの高い導電性により裸GCEよりはるかに低い。鉛イオンの正確な検出と同定を妨げるもう一つの主要な問題は、他の重金属イオンからの干渉である。板状GNP/GCE電極の耐干渉性能を、1.0 g·L⁻¹鉛イオンと1.0 g·L⁻¹カドミウムイオンを含む混合溶液で試験した。図10cに示すように、鉛イオンの特性ピークの電位と電流応答強度に明らかな変化はなく、カドミウムイオンと鉛イオンのピーク位置差は433 mVであり、板状GNP/GCE電極は優れた選択性と耐干渉能を持つことが示された。

線形スイープボルタメトリーでは、ピーク電位は物質の性質と支持電解質に関連し、ピーク電流は物質濃度に比例する。本実験では、裸GCEでも鉛イオン濃度を検出できるが、表面不動態化などの影響で検出精度は低い。GNPは優れた導電性と特殊な表面特性を持ち、電極インピーダンスを低減し電流信号を増幅することで、鉛イオン検出の精度を向上させる（スキーム3）。金ナノプレート上にアンカーされたオルトカルボニル化合物と鉛イオンの独特な相互作用により、鉛イオンに対する優れた選択性を示す。

結論

結論として、植物由来分子を用いて金ナノプレートを合成した。ナノプレート形成は主に、オルトカルボニル化合物が金（111）面に特異的に吸着することに起因する。2つの酸素原子間距離が金（111）面の間隔とよく一致し、これが双晶核の形成と板状GNPの成長を促進する。金ナノプレートの独自の「エッジ効果」により、線形スイープボルタメトリー試験における鉛イオン信号は、裸電極や球状金ナノ粒子修飾電極よりはるかに強い。開発された金ナノプレートは、重金属廃水中の鉛イオン濃度検出への応用が期待される。

データおよび材料の入手可能性

本研究で使用および/または分析されたデータセットは、共同責任著者から妥当な要請があれば入手可能です。

略語

LSPR

局在表面プラズモン共鳴

GNPs

金ナノ粒子

TEM

透過型電子顕微鏡

HRTEM

高分解能透過型電子顕微鏡

SAED

選択領域電子回折

EDS

エネルギー分散型X線分光

FTIR

フーリエ変換赤外分光

TG

熱重量分析

XRD

X線回折

XPS

X線光電子分光

LC

液体クロマトグラフ

MS

質量分析計

LC–MS

液体クロマトグラフ–質量分析計

GCE

ガラスカーボン電極

CV

サイクリックボルタメトリー

EIS

電気化学インピーダンス分光

R_ct

電荷移動抵抗