金纳米晶在罗马时代就被人所熟知,是最稳定的金属纳米晶。由于其特殊的物理化学性质和在科技应用中极具吸引力的应用前景而备受关注,尤其是在新兴的纳米晶合成及自组装纳米科学技术领域。在这一研究领域中,水溶性球形金纳米晶因其广阔的理论基础以及巨大的应用价值得到了广泛的研究。Turkevich发明的氯金酸-柠檬酸钠还原法是制备水溶性球形金纳米晶的经典方法。Frens通过调控柠檬酸钠与氯金酸的摩尔比可以制备16nm～147nm的金纳米晶。但是随着尺寸的增加,纳米晶的多分散度也随之增加,出现椭球或其它不规则的形貌。Xia和Wang等发明的预混合法先将柠檬酸钠和氯金酸溶液在室温下预混合后再注入到沸水中,并加入痕量AgNO3辅助反应,得到了单分散的类球形金纳米晶,其粒径范围在12士1～36±3nm之间,弥补了Turkevich法的可重复性和均一性不可控等不足。目前,制备尺寸大于40nm的金纳米晶一般采用种子生长法。在过去的50多年里,Turkevich法在很多应用领域进行了无数的研究,诸多影响因素已考察得很全面,如还原剂的用量、试剂加入顺序、反应时间、体系pH值等。但是,即使用经典的Turkevich法制备12nm金纳米晶时,其尺寸仍然在12～16nm之间浮动。这是一直困扰研究者的一个问题。迄今为止,对柠檬酸钠还原法制备球形金纳米晶的成核-生长机理并没有一致的解释,如何制备尺寻可控的、形貌均匀的单分散类球形金纳米晶仍是一个不小的挑战。超小尺寸贵金属纳米晶体(<2nm)通常被称为贵金属纳米团簇,如金纳米团簇和银纳米团簇。强荧光水溶性贵金属纳米团簇具有发光连续、在紫外光和可见光区可调的电子跃迁的性质,近年来受到了研究者的极大关注。金纳米团簇由于其超小的尺寸、良好的生物相容性、良好的稳定性以及水溶性等颇具吸引力的优势,激发了人们极大的研究兴趣。荧光金纳米团簇已被广泛应用于细胞标记、生物传感和微量金属离子检测等。然而,荧光金纳米团簇在生物体系应用过程中仍然存在着一些问题亟待解决。比如制备尺寸均一、具有生物相容性分子修饰的单一组成的金纳米团簇仍是一个难点；有效的提高金纳米团簇的稳定性也是一个难题；此外,多数金纳米团簇的荧光量子产率较低,尚不能满足实际荧光检测的需要。基于以上内容,本论文以单分散类球形金纳米晶为研究对象。采用经典Turkevich法和预混合法深入研究了柠檬酸钠还原法制备金纳米晶过程中温度和气泡的影响,探索了柠檬酸钠还原法的成核-生长机理。在所提出的机理指导下,实现了一步法制备大尺寸范围的球形金纳米晶,进一步验证了我们对柠檬酸钠还原法机理的正确性。另外,我们利用柠檬酸钠和谷胱甘肽的共还原作用和缓冲作用,通过巧妙的控制还原剂对氯金酸的选择性还原,调控了Au(0)和Au(Ⅰ)的比例,制备了具有Au(O)@Au(Ⅰ)-GS/C核-壳结构的强荧光金纳米团簇。本论文的主要研究内容如下：第二章对柠檬酸钠还原氯金酸制备金纳米晶过程中沸腾过程中的潜热对成核-生长的影响进行了一系列详细的研究。利用透射电子显微镜(TEM)、紫外-可见吸收光谱(UV-vis)以及动态光散射(DLS)表征证明了气泡在金纳米晶的成核和生长过程中的调控作用。研究结果表明,有效抑制纳米晶生长过程发生二次成核的先决条件是初级成核的数量必须达到一个临界值。通常情况下,纳米晶的生长速率(Vgrowth)应与金原子Au0的形成速率(Vformed)达到一个平衡,若Vgrowth<Vformed,用于生长的Au0过量会引起二次成核；若Vgrowth>Vformed,用于生长的Au0的量不足,由于奥斯瓦尔德熟化(Ostwald Ripening),则会导致多分散金纳米晶形成。气泡可为单分散纳米晶体的合成提供一种调控方式。第三章从经典Turkevich法制备金纳米晶过程中反常颜色变化入手,通过动态光散射DLS和Zeta电势分析研究了中间产物的尺寸和Zeta电势的变化,并通过监测AuCl4离子在生长过程中的的消耗速率等实验手段进一步研究了金纳米晶的成核-生长机理。研究发现,生长过程中表面电荷密度的变化对中间体的形态和尺寸具有很大影响,是引起SADC-Au+团簇的聚集和分散的主要原因。金纳米晶的最终尺寸与聚集行为无关,只与初始晶核的数量有关。金纳米晶在生长过程中溶液出现蓝色(非正常颜色)是由于团簇发生了聚集,对应着中间体尺寸变大的阶段。调节SADC-Au+团簇表面的电荷密度或引入其他配体,可以防止团簇聚集；调节金纳米晶的生长过程可以调控最终的尺寸和形貌。通过比较不同柠檬酸钠和氯金酸配比下,Turkevich法和预混合法制备的金纳米晶的尺寸变化,发现金纳米晶的最终尺寸是由晶核的数量决定的,而晶核的数量是由形成的SADC-Au+团簇的数量决定的。通过监测加入SADC后不同柠檬酸钠浓度下AuCl4-的消耗速率,证明了高浓度的柠檬酸钠会抑制SADC还原AuCl4-;在低柠檬酸钠浓度下,SADC可以加快晶核的形成速率。通过分析发现,通过控制晶核数量和SADC-Au+团簇的聚集和分散,可以有效的控制金纳米晶的成核过程,进而可以实现控制最终尺寸的目的。第四章在第三章所提出的机理指导下,改进预混合法和经典法,实现了2nm～330nm单分散球形金纳米晶的一步制备,使用TEM、UV-vis、DLS等对其形貌、尺寸、结构以及光谱性质等分别进行了表征。(i)预混合法。通过微调柠檬酸钠和氯金酸的比值(R)和预混时间,精细调控成核过程中的晶核数量,制备了尺寸为6nm～39nm (3nm间隔)金纳米晶。随着R值减小(6.9：1到0.7：1),形成SADC-Au+团簇的数量减少,所需的预混合时间变短,最终得到的金纳米晶的尺寸增大。(ii)GSH辅助的预混合法。引入GSH作为辅助稳定剂,由于巯基与金具有较强的亲和力,可以稳定小尺寸的晶核,得到了尺寸为2nm和4nm的金纳米晶。(iii) Tris-base辅助的预混合法。引入Tris-base作为辅助的稳定剂,稳定SADC-Au+团簇的聚集体作为新的晶核用于进一步生长。随着R值减小,得到了尺寸为40nm、60nm和95nm金纳米晶。(iv)改进经典Turkevich法。在体系中加入Tris-base来稳定形成的SADC-Au+团簇,并作为还原剂保证晶体的进一步生长。通过调节柠檬酸钠的浓度和Tris-base的浓度,得到了尺寸为105nm、125nm、160nm、240nm和330nm单分散类球形金纳米晶。第五章采用一种由谷胱甘肽和柠檬酸钠共还原的方法,通过选择性还原制备了尺寸超小的具有Au(0)@Au(I)-GS/C核-壳结构的金纳米团簇GS/C-Au NCs。通过TEM、DLS、PL和XPS等方法对金纳米团簇进行了详细的表征,并提出了GS/C-Au NCs的形成机理。实验发现Au(Ⅰ)的存在并与Au(0)达到一个合适的比例(3：1)是产生强荧光的主要原因。柠檬酸钠在体系中重要的作用如下：(i)降低反应温度；(ii)通过在最佳条件下选择性还原Au(Ⅲ)离子控制Au(0)核的形成速率；(iii)与谷胱甘肽形成复合结构,保证了在pH为4.1～8.6范围内具有良好的稳定性。通过体系的pH值的调节和Zeta电势的测定,证明了GS/C-Au NCs的荧光强度是与pH相关的,并且可以在4.1～8.6范围内可逆地调节；此可逆变化是由于表面电荷密度的改变引起的,随谷胱甘肽-柠檬酸根在不同的pH范围内结构的改变而变化。当pH<4时,由于电荷密度减小,引起团簇间的聚集而形成大的球形聚集体,导致荧光减弱。当pH调回至5.6左右时,荧光强度可以恢复。当pH>9.8时,GS/C-Au NCs中的GS/C-Au(Ⅰ)复合物分解,核-壳结构被破坏,荧光消失。通过细胞成像研究发现,我们制备的GS/C-Au NCs可被细胞吞噬到细胞内部,并分散在细胞质中,可作为生物纳米探针应用于细胞成像。本论文详细探讨了柠檬酸钠还原法制备金纳米晶的成核-生长机理。通过简单的一步法合成2nm～330nm范围的球形金纳米晶,解决了Turkevich法形貌不可控,预混合法尺寸局限和种子生长法步骤繁琐的问题,大大拓宽金纳米晶在生物检测和传感器方面的应用。通过柠檬酸钠和谷胱甘肽共还原制备的GS/C-Au NCs在pH为4～9范围内具有良好的稳定性,并发现其荧光强度与pH值成线性关系,在细胞成像和pH检测方面具有极大的应用价值。