金納米粒子的應用研究進展

唐艷濤，魏靜靜，榮瀟雅

（安陽工學院 化工與環境工程學院，河南 安陽 455000）

金是一種化學性質非常穩定的金屬，常用于裝飾和貨幣，但當其尺寸縮小至納米級別時性質會發生奇特的變化。金納米粒子由于具有小尺寸效應、表面效應、量子尺寸效應和宏觀量子隧道效應等，會產生不同于塊體金的特殊物理化學性質。

1 金納米粒子的性質

1.1 表面等離子共振特性

在一束波長遠大于金納米粒子的入射光的影響下，金納米粒子中的電子重新分布，產生庫侖力，在方向相反的內外電場共同作用下其自由電子集體震蕩發生共振的現象，即表面等離子共振（SPR）。表面等離子共振會在共振波長處產生強烈的散射峰和吸收峰，而表面等離子共振的散射峰和吸收峰性質則取決于金納米粒子的形貌與大小，是人工調節金納米粒子光學性質的重要手段。

1.2 熒光特性

金納米粒子在適當波長的光照照射給予一定激發能量時，本身出現一定的原生熒光[1]。而在金納米粒子被芘基、聚辛基和苯硫基等特定基團修飾包覆后，由于共振能量的遷移會具有熒光特性[2]。金納米粒子的熒光強度則與納米顆粒大小和包覆基團種類有關。

1.3 電化學特性

由于金納米粒子的分隔導帶與滿帶的禁帶具有一定間隙，當金納米粒子的尺寸小到某一程度時產生量子尺寸效應，導帶與禁帶帶隙變寬，使其從導體向絕緣體轉換。經過對有機單分子層保護的金納米粒子的研究發現，金納米粒子的表面存在雙電層電容，其作用可看作一個納米尺寸的電極，其雙電層電容的值會隨著金納米粒子表面包覆的烷基鏈長度的減小而增加。

1.4 分子識別特性

金納米粒子的可控組裝是其進行分子識別的基礎。金納米粒子可通過氫鍵、范德華力、抗原-抗體等作用下選擇性修飾上特異分子識別官能團。當其與對應分子相接觸時會誘導超分子結構形成，其紫外可見光譜、熒光光譜等譜圖中代表識別體的特征峰會發生變化，進而識別檢測受檢分子。

2 金納米粒子的制備

不同形態的金納米粒子的性質也有很大差異，人們采用多種方法可控合成不同尺寸，形貌的金納米顆粒，如金納米球、金納米棒、金納米籠等。下面介紹幾種主要的金納米粒子合成方法。

2.1 檸檬酸鈉還原法

該法是1951年TURKEVITCH[3]最早提出粒徑可控的制備納米金的方法，至今仍是合成金納米粒子常用的方法之一。制備原料只需3 種：氯金酸、檸檬酸鈉和超純水。在水溶液高溫條件下，檸檬酸鈉作為還原劑也是穩定劑可制備不同粒徑的納米金。該法多用來制備粒徑在100 nm 以下的球狀納米金，但無法制備太小的金納米粒子。

2.2 晶體種子生長法

晶種生長法可以使人們對金納米粒子的形狀、尺寸、組成和結構等方面進行控制合成。南卡羅萊納大學的Murphy 課題組[4]在2001年首次提出可以用尺寸較小的金膠體顆粒作為種子合成棒狀金納米粒子。該法分為成核和生長兩步進行，首先通過化學還原法制備出微小的金納米粒子作為晶種，然后將晶種置于添加了不同比例還原劑、表面穩定劑等溶液的生長液中，使生長液中的游離態的Au3+不斷被還原為零價的Au 原子并在晶種上定向沉積，最終形成各種不同尺寸、形態的金納米粒子。生長液的不同配比和晶種的添加比例都是控制金納米粒子大小和形狀的關鍵。

2.3 兩相法

1994年BRUST[5]等提出通過兩相法合成金納米顆粒，該法與其他的方法相比，在合成較小粒徑粒子時具有較大的潛力。在水相和有機相的混合液中利用表面活性劑將水相中的游離態Au3+離子轉移到有機相中，再通過還原劑和硫醇穩定劑將Au3+還原為Au 原子并由硫醇包覆保護起來。由該法制得的金納米粒子穩定性很好且易于進行修飾。

2.4 模板法

MARTIN[6]首次報道將游離的金納米離子沉積到作為模板的多孔氧化鋁薄膜上制得金納米顆粒。過程是以介孔或微孔的納米材料為模板，結合化學沉積或電化學沉積等技術將游離的金離子還原、沉積在模板的孔壁上，最后再用溶解、燒結、蝕刻等方法去除模板，形成形貌各樣的金納米粒子。利用該法得到的金納米粒子更利于控制形狀和尺寸，具有良好的均一性。

2.5 電化學法

該方法最早由WANG[7]等提出用以制備金納米粒子。首先是將金板作為陽極，在通電下，犧牲陽極電極，產生金離子，以鉑板作為陰極將金離子還原，以表面活性劑十六烷基三甲基溴化銨（CTAB）和四正十二烷基溴化銨的混合溶液作為電解液，在超聲及控制電流穩定的條件下進行電解。這種方法便于通過改變沉積時間、電壓、電流等條件來控制金納米粒子大小，制得的金納米顆粒粒徑均一，但耗能較大，生產成本高。金納米粒子的制備方法除上述幾種之外還有光化學法、自組裝法、生物還原法以及一些特殊的物理方法等，它們都可以制備出各式各樣的金納米粒子。

3 金納米粒子的應用

3.1 癌癥光熱療法領域的應用

近年來，癌癥已經成為嚴重威脅人類健康的重大疾病。而現有的癌癥臨床治療方法有化療、放療和手術療法等，它們都具有強烈的毒副作用和局限性。在這個背景下，空間定位精準且對患處周圍細胞組織損傷較小的光熱治療就進入了人們的視野。光熱治療是利用光熱材料將光能高效的轉化為熱能，進而升高腫瘤組織的溫度，以達到殺死腫瘤細胞的目的。金納米粒子在紅外光的照射下因其獨特的表面等離子體共振（SPR）特性而具有顯著的光熱轉換效應，同時又因為金納米粒子具有良好的生物相容性，因此在癌癥的光熱治療方面具有非常好的應用前景。

圖1 光熱療法原理圖[8]

ALI MOUSTAFA[9]教授團隊將棒狀金納米粒子的尺寸、表面改性、濃度和等離子體光熱療法的激光功率進行優化，使其進行光熱效應對癌細胞的死亡作用達到最大。同時進行了金納米棒在體內15個月的毒性研究，證明了該金納米棒平臺在小鼠的癌癥治療中是安全有效的。CHEN[10]等制備了聚乙烯亞胺（PEI）改性的金納米棒，然后通過靜電作用于雙核甘酸（CpG）結合，最后再被巨噬細胞吞噬用于癌癥的光熱和免疫治療，其中巨噬細胞可提供體內長循環和腫瘤組織靶向作用，而腫瘤組織在近紅外光照后可產生原位腫瘤特異性抗原，進一步增強人體的特異性免疫。該法聯合了光熱治療和人體免疫系統，對惡性癌癥提供新的治療方法。

3.2 在藥物載體領域的應用

許多藥物由于其水溶性差、pH 敏感等問題而不能直接使用，需要載體將其運輸至作用部位。納米藥物載體選用合適的納米材料對藥物成分進行包裹，用于調控其在體內釋藥速度和生物透過性，可以大大提高藥物的利用率[11]。由于金納米粒子尺寸和形貌可控、生物相容性好、比表面積大、表面易修飾等優點，且同時具有獨特的光熱效應，在癌癥治療方面不僅能協同進行光熱治療，而且還是很好的藥物載體。除藥物以外這個載藥體系還可通過負載各種功能分子使其載體賦予pH 響應性[12]、靶向性[13]等特點。鹽酸阿霉素（DOX）作為治療實體瘤最為有效的藥物之一，在臨床上也常被用來治療多種類型癌癥，但此藥物對病變部位生物利用度低，特異性差，且具有全身毒副作用，極大地限制了藥物的治療劑量，為此FENG[14]等利用雙端巰基聚乙二醇（HS-PEG-SH）將金納米顆粒自組裝成金納米團簇，并將通過化學結構修飾的pH 敏感性的阿霉素裝載其中。該載體系統具有優良的腦腫瘤靶向能力，且血液循環時間較長，在保持高濃度一段時間之后，可以被機體快速清除而避免造成生物毒性。PENG[15]等制備不同粒徑的負載阿霉素金納米顆粒的載藥系統，驗證大小對藥物癌癥治療的影響。結果表明，尺寸小于6 nm 能夠經腎臟清除的納米載藥體系具有顯著的腫瘤靶向和高效的藥物滲透性，有望成為一種高效的遞藥手段。

3.3 在CT 成像領域的應用

計算機斷層掃描（Computed Tomography，CT）是臨床應用非常廣泛的無創成像檢查設備，具有適用范圍廣、掃描速度快、價格相對低廉等優點。由于人體有些軟組織的密度相近，圖像對比度較差，為了更準確地診斷疾病，臨床使用時會給患者注射大劑量的CT 造影劑，而最早也是最多使用的造影劑就是碘化合物，這種小分子造影劑在人體循環時間較短，缺乏組織特異性，高濃度時甚至對腎臟具有毒副作用，這些缺點限制了它的進一步發展。

LU[16]等設計合成了一種由樹狀大分子穩定的金納米粒子和超小Fe3O4粒子復合而成的新型種子納米顆粒，并通過可控調節生長形成穩定的納米金花包埋超小鐵納米粒子多功能納米平臺。該平臺優于單純金納米顆粒的光熱轉換效率，具有良好的X-射線衰減特性，實現了腫瘤的T1 的MR/CT/PA多模態成像導引的 PTT/RT 聯合治療應用。TSVIRKUN[17]等通過對金納米顆粒表面修飾靶向半胱氨酸組織蛋白酶的探針ABPs，研制出了首例CT 成像檢測酶活性的探針。而組織蛋白酶的豐度、活性和許多腫瘤的發展進程密切相關，靶向其活性的功能性成像，將生理過程和成像信號直接聯系起來，有望應用于臨床診斷中。

3.4 在抗菌領域的應用

抗生素的發現和應用是人類歷史的一大革命，但隨著其在臨床上廣泛應用，病菌耐藥性的問題也越來越嚴重。抗生素藥物的誤用、濫用使致病菌很快產生了耐藥性，再次感染時只會攝入更多的抗生素，病菌也會產生更強的耐藥性，以此惡性循環下去致使病菌將產生無可比擬的耐藥性，即所謂的超級細菌。終將有一天人們將面對無藥可用的局面。因此尋找新的抗菌手段是醫藥研發領域的緊急課題，而納米金特殊的理化性質則為抗菌方法提供了新的思路。納米金粒子本身具有抗菌效應，擁有良好的生物相容性，可作為載體協同其他抗菌藥物高效抑菌滅菌。納米金粒子表面等離子共振特性更是在此基礎上賦予其光熱效應，通過局部的紅外照射升溫達到殺菌的效果。HUO[18]等在陽離子金納米顆粒中引入兩性配體合成基于兩性金納米顆粒的抗菌劑。實驗證明，通過調控金納米顆粒的內核尺寸可以輕松控制其抗菌活性，隨著內核尺寸的增加以及電荷取向的變化，顆粒的抗菌活性會急劇地增加。HU[19]等針對毒性很強的耐甲氧西林金黃色葡萄球菌（MRSA）設計了一種表面適應性的金納米粒子。利用正常組織和耐甲氧西林金黃色葡萄球菌生物膜的pH 差異，將混合的兩性帶電離子自組裝單層修飾在金納米粒子表面，使其在正常組織中快速擴散，而在酸性病菌生物膜的表面聚集，聚集的金納米粒子具有較強的近紅外吸收率，在局部紅外照射下表現良好的光熱效應，熱消融MRSA 生物膜并對正常組織沒有損傷。由于這種pH 響應型的金納米粒子不負載抗生素，在治療抗藥性細菌感染方面具有很大的潛力。

3.5 在農藥殘留檢測領域的應用

農藥是農業發展的必需品，中國自古以來就是農業大國，農藥使用量巨大。農藥在提高農產品產量，保證人類糧食儲備方面做出了巨大貢獻。但同時由于大多數傳統農藥對人體會產生毒副作用，如果使用不當就會擴散到空氣中，滲透到土壤和地下水中，再通過食物鏈進入人體，在人體內富集，當農藥在人體內達到一定濃度時就會造成人體急性或慢性中毒，對人體危害極大。傳統的農藥殘留檢測方法多是靠色譜儀等大型儀器分析，這些儀器價格昂貴且使用起來耗時耗力，只能由專業人士在實驗室進行檢測，不適合大范圍的普及推廣。因此研發出方便快捷、準確安全的農藥殘留檢測方法一直是農業領域的重中之重。BALA[20]等開發了一種基于未改性的金納米粒子和有機聚電解質（PDDA）相互作用原理來檢測溶液中農藥添加劑馬拉硫磷的新型傳感器。當適體與PDDA 結合時會抑制金納米粒子團聚，溶液呈紅色，而將適體特異性農藥添加至溶液中時，適體與農藥結合，金納米粒子團聚，溶液呈藍色。該檢測方法簡單快捷，有望投入實際應用中。WANG[21]等基于金納米探針開發了雙響應免疫層析方法檢測氰戊菊酯。將魯米諾還原的金納米粒子標記到氰戊菊酯單克隆抗體上作為比色/化學發光探針，通過競爭模式，樣品溶液中的氰戊菊酯與其相應的包被抗原競爭結合魯米諾還原金納米粒子標記的氰戊菊酯單克隆抗體，在競爭免疫反應結束后，捕獲的雙讀數探針的顏色很容易被肉眼觀察到，可作為定性的比色信號。隨后，在測試線上觸發魯米諾-雙氧水化學發光反應后，可將化學發光信號采集為定量信號。與利用兩個不同的探針相比，具有雙響應特性的單個探針操作更簡單，成本更低，且彌補了傳統試紙條靈敏度低、線性范圍窄的缺點，為現場檢測提供了新方法。

圖2 基于魯米諾還原納米金粒子的雙讀數試紙條檢測原理

3.6 在催化領域的應用

相比較傳統催化劑，納米催化劑的比表面積極大，表面的懸空鍵也更多，化學反應活性更強。塊體的金對電催化反應顯示惰性，但納米級的金粒子由于很高的比表面積對許多反應具有高催化活性，且能夠在常溫甚至低溫下進行催化。金納米顆粒雖然有很強的催化活性，但卻很少單獨作為催化劑使用。一方面是因為成本較高，另一方面是因為在反應過程中超細粒徑的金納米粒子由于具有較高的表面能而容易聚集，導致其催化活性降低。因此人們常將金納米顆粒負載在成本較低的固體載體上，例如碳材料、聚合物、磁性材料和金屬氧化物等以形成復合納米催化劑。這種做法被認為是減少納米粒子聚集的有效策略，同時因金納米粒子具有局域表面等離子體共振（LSPR）效應[22]和載體之間存在強烈的協同作用[23]，還可以進一步提高其催化活性和穩定性。

甲醛屬于一類致癌物質，卻總是能悄無聲息的潛伏到我們的身邊。而處理甲醛污染最吸引人的方法是將其催化氧化為CO2和H2O，其去除效率高且沒有二次污染。室溫催化甲醛氧化的催化劑根據是否含有貴金屬可分為兩種[24]：貴金屬催化劑和非貴金屬氧化物。負載在其他材料上的貴金屬通常比非貴金屬氧化物催化劑具有更高的催化甲醛氧化活性，其中金納米粒子由于良好的化學穩定性和環境友好性而備受關注。ROCHARD[25]等使用沉積-沉淀法將不同質量百分比的金納米顆粒分散在CeO2上，并通過煅燒Co 結合Au/CeO2基催化劑中。該催化劑中Co 在直接與Ce3+量相關的氧空位形成中有益處，形成的氧空位在增強催化劑催化甲醛氧化的催化活性中有雙重作用，Ce3+代表成核中心，用于穩定活性Au 離子物質，同時穩定氣態氧。在25 ℃下對負載不同金納米量的催化劑進行比較，質量分數3%的金納米催化劑顯示出比其低金催化劑更高的甲醛轉化率，在室溫催化甲醛反應中表現優秀。QU[26]等利用模板方法來制備多孔金摻雜的鈰和氧化鈷（Au-CexCoy）材料，得到大表面積納米管有序陣列結構，具有高催化活性。而后再將Au-CexCoy負載到氧化石墨烯（GO）表面，賦予催化劑能夠再循環能力。催化劑在60 ℃時甲醛的轉化率能達到100%，在消除甲醛方面有很好的應用前景。

CO 是一種無色、無味的氣體，可以與血紅蛋白相結合，使其失去輸氧能力，嚴重的甚至會威脅到人們的生命安全。而工業生產過程與日常生活中的天然氣不完全燃燒、煤氣泄漏等都可能會使CO排放到空氣中去，稍不注意就會成為威脅人們身體健康的隱形殺手，因此在室溫或低溫下消除CO 就具有重要的實際意義。JIN[27]等通過水熱法制備直徑分別為5、20 nm 的二氧化鈰，再經過沉積沉淀法將金納米粒子負載在CeO2載體上。經表征發現，CeO2載體尺寸為20 nm 催化劑（Au/CeO2-20）表面被分散均勻的Au3+和Auδ+（0<δ<1）覆蓋，而CeO2載體尺寸為5 nm 催化劑（Au/CeO2-5）表面的主要物質是Au3+。Auδ+對CO 具有更強的吸附作用，促進Au/CeO2-20 在CO 氧化上有更好的催化活性。HAN[28]等用水熱沉積沉淀法制備了新型的Au/α-Fe2O3類催化劑。該催化劑在30 ℃條件下運轉60 h 仍能完全轉化CO，具有有效的低溫CO 氧化活性和優異的穩定性，有望用于工業CO 排放控制。

4 結束語

金納米顆粒作為一種多功能材料具有廣闊的應用前景。金納米顆粒具有良好的電子學和物理學特性、表面易于修飾等優點，使得金納米顆粒成為了學術研究領域中被研究最廣泛的納米材料之一。伴隨其合成工藝的不斷發展，相信不久的將來金納米粒子的研究和應用開發會不斷拓展到越來越多的領域。