金基納米材料在傳感領(lǐng)域的研究進展

羅芳，陶映州，林振宇

(1． 食品安全與生物分析教育部重點實驗室，福建省食品安全與檢測重點實驗室，福州大學化學學院，福建 福州 350108； 2. 福州大學生物科學與工程學院，福建 福州 350108)

0 引言

納米材料是指尺寸大小至少有一維處于1～100 nm范圍內(nèi)的材料. 納米材料廣泛存在于自然界中，例如人類和獸類的牙齒都是由納米微粒構(gòu)成的； 蜜蜂腹部及海龜頭部都存在著磁性納米粒子. 除了存在于自然界，納米材料的人工制備也有上千年的歷史，例如中國古代用二氧化錫顆粒制備銅鏡表面的薄膜，可作為防銹層； 用燃燒的蠟燭產(chǎn)生的煙霧制備碳黑，可作為墨的原料. 隨著科技的不斷發(fā)展，人們對納米材料的理解更加深入. 1861年以來，隨著膠體化學的建立，科學家們開始對直徑為1～100 nm的粒子體系進行研究. 自1990年國際第一屆納米科學技術(shù)學會會議召開以來，納米材料科學引起了科學工作者的廣泛重視. 近幾十年，科研工作者在各個學科層面上對納米材料開展了深入細致的研究，例如開發(fā)豐富的納米粒子制備手段，探索納米材料的特殊性能等. 當材料的大小進入納米級別時，材料的物理和化學性質(zhì)會發(fā)生許多變化，與宏觀的材料有著顯著的差異. 納米材料性質(zhì)的研究與應用給新世紀物理、 化學研究帶來新的機遇[1-3].

納米金材料具有穩(wěn)定的化學性質(zhì)、 高催化活性、 良好的生物相容性、 獨特的電學性能和卓越的局域表面等離子體共振性質(zhì)，在傳感[4]、 生物醫(yī)學[5]、 可控釋放[6]、 近紅外光熱治療[7]、 催化[8]、 表面增強拉曼散射(surface enhanced Raman scattering，SERS)等方面被廣泛應用[9]. 盡管納米金材料是當代科學研究的熱點領(lǐng)域，但事實上納米金的歷史已有數(shù)千年. 例如, 在古羅馬時期就有使用納米金作為著色劑制造玻璃的例子，該種工藝制得的萊克格斯杯目前陳列于大英博物館, 萊克格斯杯會在不同方向的光線照射下呈現(xiàn)出不同的顏色[10]. 又如荷蘭人Andreas Cassius發(fā)明于17世紀中期的紫金粉，其顏色的強度與金的濃度密切相關(guān)[11]. 而近代科學對納米金的研究則始于19世紀Faraday的工作，他用二硫化碳中的磷還原了氯金酸鹽，制得了深紅色的膠體金溶液[12]. 在20世紀，大量制備膠體金的方法被研究報道，隨著科技的發(fā)展和表征手段的進步，納米金的性質(zhì)得到更為深入的研究. 與此同時，不同形貌的納米金(如納米金球、 納米金棒、 納米金錐、 銀殼包裹的納米金棒、 納米金四方體、 納米金立方等)的應用領(lǐng)域也在不斷被開拓和探索[13-21].

1 納米金粒子的制備

納米金材料的不同形貌帶來不同的物理和化學性質(zhì). 目前, 形貌各異的納米金粒子的制備方法多種多樣，大致上可以分為兩種途徑，一種是“自上而下”(top-down)的方法，另一種是“自下而上”(bottom-up)的方法. 自上而下的方法采用體相材料作為原料，利用刻蝕或者光刻的手段來獲得納米結(jié)構(gòu)； 自下而上的方式與之相反，采用原子或者分子作為最小的構(gòu)筑單元，利用化學還原、 電還原、 熱還原等方法來制備納米粒子[22]. 下面主要介紹兩種常見納米金粒子(納米金球和納米金棒)的制備方法.

1.1 納米金球的制備

納米金球(gold nanoparticles，AuNPs)是合成歷史最久且應用領(lǐng)域最為廣泛的納米金粒子之一. 目前，最具有代表性的納米金球合成方法是Turkevich-Frens法. 該方法由Turkevich在1951年發(fā)明，并由Frens在1973年加以改進[23-24]. Turkevich用檸檬酸鈉還原氯金酸制得了直徑大約為20 nm 的納米金球. 在該方法中，檸檬酸鈉既是還原劑，又是防止納米金球聚集的穩(wěn)定劑. Frens通過調(diào)控檸檬酸鈉與氯金酸之間的比例，合成粒徑處于16～147 nm之間的納米金球. 這個方法目前仍被廣泛使用，因為其操作簡單、 粒徑可調(diào)控、 而且易于根據(jù)需求進行表面修飾. 對Turkevich-Frens法的改進和研究還在不斷進行，有研究表明，除了檸檬酸鈉和氯金酸的濃度外，反應體系的pH值、 溫度、 溶劑等均會對納米金球的合成產(chǎn)生重要影響[25-27]. 隨著表征手段的進步，其反應機理也被更為詳細地研究[28-30].

用于制備納米金球的Brust-Schiffrin 法在1994年被報道，可以簡易地合成熱穩(wěn)定和在空氣中穩(wěn)定的納米金球[31]. 該制備過程在水和甲苯兩相體系中進行，在烷硫醇存在的情況下，采用硼氫化鈉還原氯金酸, 形成粒徑大小為1～3 nm的納米金球，納米金球的表面被硫醇包裹. 此種方法制備出來的納米金球能夠在干燥后輕松地復溶到非極性溶液中(例如甲苯、 戊烷、 氯仿等溶液)，而不會發(fā)生不可逆的聚集或分解. 當硫醇和金的摩爾比例增大時，核粒徑會變得更小. 在加快還原劑的添加速度和使用低溫溶液的條件下，制備得到的納米粒子更小，分散性更佳. Brust等[32]在該方法的基礎(chǔ)上進行擴展，在單相體系中制備了p-巰基苯酚穩(wěn)定的納米金球. 在此之后，一系列硫醇配體穩(wěn)定的納米金球的合成方法被開發(fā)出來[33-34]. 由于該方法使用的還原劑(硼氫化鈉)比Turkevich-Frens法使用的還原劑(檸檬酸鈉)還原性更強，因此，納米金生成的速度更快，具體表現(xiàn)為形成的顆粒粒徑更小[35].

種子生長法是另外一種在納米金球合成中被廣泛使用的方法. 與上述的兩種方法相比，種子生長法是分步來制備納米金球的，因此在精確調(diào)控納米金球的大小方面更具有優(yōu)勢[36]. 典型的種子生長法合成納米金球分為兩步： 第一步，合成小尺寸的納米金種子； 第二步，將納米金種子添加到由氯金酸、 還原劑和穩(wěn)定劑組成的“生長液”中. 在生長液中，氯金酸被還原成零價金，在納米金種子表面生長，得到更大粒徑的納米金球. 值得注意的是，在生長液中的還原劑的還原性會更弱一些，因此只會在金種的催化下才能將三價金還原為零價金，而不會在生長液中生成新的金種. Murphy課題組使用抗壞血酸作為還原劑，引入十六烷基三甲基溴化銨(cetyltrimethylammonium bromide, CTAB)作為穩(wěn)定劑，制備了最大粒徑達到40 nm的單分散納米金球[37]. 之后，更大粒徑的納米金球也通過種子生長法合成出來[38]. 不同制備條件(例如溫度、 pH值、 金種前驅(qū)體濃度、 檸檬酸鈉濃度等)對納米金的粒徑分布和形貌均有影響[39].

除了上述常見的3種合成納米金球方法，還有一些制備納米金球的方法也值得關(guān)注，如綠色合成法. 與傳統(tǒng)的合成方法相比較，綠色合成法更加環(huán)保，對環(huán)境的危害更小，在制備納米金的過程中通常會使用到植物的萃取物(從花、 葉、 果實、 根、 莖等部位提取)或者微生物(細菌、 酵母、 真菌)[40-44]. 在綠色合成法中，不同的反應條件，例如pH值、 反應時間、 溫度、 鹽溶液的濃度和植物萃取物中的濃度等均會對合成出的納米金的粒徑形貌等產(chǎn)生一定的影響[45]. 在納米金球制備中引入聚合物作為保護劑也是一種常見方法. 使用聚合物作為納米金的保護劑，不僅可以增強納米金的長期穩(wěn)定性，還可以調(diào)節(jié)納米金的水溶性和兩親性，而且還方便于進一步的功能化修飾[46].

1.2 納米金棒的制備

納米金棒(gold nanorods，AuNRs)是一種棒狀的納米金粒子，具有獨特的光學和電學性質(zhì). 作為最常見的各向異性納米粒子，納米金棒的制備方法一直受到廣泛關(guān)注. 最初，納米金棒是基于電化學方法，以多孔氧化鋁為模板制備的. 納米金棒制備方法的發(fā)展進程如圖1所示.

圖1 納米金棒合成方法的發(fā)展時間線[47]Fig.1 Development timeline of the synthetic method of gold nanorods[47]

種子合成法制備金棒，具有操作簡單、 粒徑可控、 表面易于修飾、 產(chǎn)量高等特點，是最為人熟知的一種納米金棒制備方法. 該方法用于制備金棒的歷史可以追溯到1989年，Wiesner和Wokaun報道了一種將金核添加到氯金酸生長液中得到各向異性膠體金的方法，用磷還原氯金酸制備納米金核，隨后在生長液中加入過氧化氫生長金棒[48]. 2003年，Nikoobakht和El-Sayed報道了一種改進后的種子生長法. 改進后的方法步驟如下： ① 在CTAB存在的條件下，用冰水配制的硼氫化鈉溶液還原氯金酸來制備金種子液； ② 將硝酸銀添加到儲備液中； ③ 將種子液加入到含有CTAB的一價金的儲備液中(一價金由抗壞血酸還原氯金酸制備而成). 在該方法中，硝酸銀用于調(diào)控納米金棒的形貌和長徑比. 當銀離子不存在時，最后獲得的納米金粒子呈現(xiàn)出多種形貌，包括球形、 三角形等[48-49]； 當銀離子存在時，可用于精準調(diào)控納米金棒的長徑比，并可極大地提高納米金棒的產(chǎn)率[16]. 在納米金棒的合成中，最后制得的納米金棒的產(chǎn)率、 分散性、 大小、 形貌等受到許多參數(shù)的影響，例如種子的濃度和大小、 還原劑的濃度、 溫度、 pH值、 氯金酸的濃度、 表面活性劑的濃度等[16, 50-55].

相比于在納米金棒的制備過程中使用CTAB作為單一的表面活性劑，近年來有一些報道指出，使用雙表面活性劑可以對納米金棒的形貌進行調(diào)控. 例如El-Sayed和Nikoobakht 報道了一種芐基二甲基十六烷基氯化銨(benzyldimethylhexadecylammoniumchloride, BDAC)和CTAB同時作為表面活性劑合成金棒的方法，制備出來的納米金棒的長徑比可以在4.6到10之間調(diào)控[62]. 2013年，Ye等[63]報道了一種由油酸鈉(sodium oleate，NaOL)和CTAB作為表面活性劑的納米金棒制備方法. 與傳統(tǒng)的方法相比較，該方法不僅能夠大量降低CTAB的用量，還克服了CTAB作為單一表面活性劑調(diào)控納米金棒形貌的缺陷. 該方法可以合成直徑在15～50 nm范圍內(nèi)，吸收峰位于650～1 150 nm之間的納米金棒. 該方法易于重復，且得到的納米金棒產(chǎn)量高，形貌均一.

1.3 金基復合納米粒子的制備

納米金粒子與其他材料結(jié)合后，不僅能通過協(xié)同效應發(fā)揮出納米金更多的優(yōu)勢，還能賦予納米材料更多功能. 金基復合納米材料的應用非常廣泛，例如在碳材料(如碳納米管等)上負載納米金粒子用于電化學傳感，二氧化鈦與納米金粒子結(jié)合用于光催化，二氧化硅與納米金粒子結(jié)合用于生物醫(yī)學，或者是納米金粒子與其他金屬結(jié)合用于增強拉曼光譜信號等[64-67].

核殼型的金基復合納米粒子一般通過逐步還原前驅(qū)體來制備而成[68-70]. 例如，在Zhu等[71]報道的一種金/氧化錳復合納米粒子的合成方法中，首先制備納米金粒子，然后在納米金粒子溶液中還原乙酰丙酮化錳，在空氣中高溫加熱，得到核殼結(jié)構(gòu)的金/氧化錳. 又如，在Tilley等[72]報道的一種金/鈀復合納米粒子的合成方法中，將預先制備好的納米金粒子加入到鈀的前驅(qū)液，然后在加熱的條件下用氫氣還原鈀的前驅(qū)液，在納米金外生長鈀層，最終得到金/鈀復合納米粒子. 該方法制備金基復合納米粒子具有方法簡單、 粒徑可控、 形貌可調(diào)的優(yōu)勢.

2 納米金粒子的性質(zhì)

2.1 光學性質(zhì)

納米金粒子的光學性質(zhì)與它們的大小密切相關(guān). 在體相材料中，電子有足夠的空間來自由移動，然而當材料的大小縮小為納米尺寸時，電子會受到納米粒子大小以及納米粒子之間相互作用力的影響，這使得納米材料與體相材料之間的光學性質(zhì)有著明顯的差異. 納米金粒子的電子云在光電場下會產(chǎn)生相對于核位置的位移，同時電子云還將受到來自于核的庫侖吸引力，最終導致電子云在核位置附近振蕩，這種現(xiàn)象被稱為表面等離子體共振. 表面等離子體共振的發(fā)生伴隨著納米粒子對光線的強吸收，該現(xiàn)象受到納米粒子的大小形貌以及環(huán)境的影響[73-75]. 對于球狀的納米金粒子而言，由于它們的電子云振蕩只有一個方向，因此表面等離子體共振只會表現(xiàn)為光譜中的一個吸收峰.

納米金棒的表面等離子體共振吸收光譜與納米金球不同，其存在兩個吸收峰. 這是由于納米金棒表面的電子云振蕩有兩個方向，一個沿著納米金棒的長軸方向，一個沿著納米金棒的短軸方向，對應存在兩個吸收峰. 表面等離子體共振取決于納米金顆粒的尺寸、 形貌、 分散狀態(tài)以及周圍介質(zhì)的介電常數(shù)，因此賦予了納米金粒子可調(diào)的光學性質(zhì). 例如，當納米金球的尺寸增加時，表面等離子體吸收峰會略微紅移； 當納米顆粒形成聚集體時，表面等離子體吸收峰紅移至近紅外區(qū)域. 又例如，當納米金棒的長徑比變大時，吸收峰也會發(fā)生明顯的紅移. 類似地，當在納米金粒子的表面生長一層二氧化硅后，其吸收峰也會發(fā)生明顯的變化. 以上例子均說明了納米金顆粒具有良好的光學可調(diào)性[76-77].

2.2 光熱效應

納米金粒子在光激發(fā)下吸收的能量最終會以不同的途徑消散. 其中一種重要途徑是以熱量的形式消散到周圍的環(huán)境并導致溫度上升，這種性質(zhì)被稱為光熱效應. 納米金粒子具有高的消光系數(shù)，它的強光學吸收行為可以產(chǎn)生光熱效應[78].

影響光熱效應的因素有很多，包括納米金粒子的等離子共振吸收波長、 粒徑大小、 形貌、 表面成分、 自組裝狀態(tài)等. 一般來說，當?shù)入x子共振吸收波長與激光光源的波長一致時，納米金粒子的光吸收更強，可以獲得最高的光熱轉(zhuǎn)換效率. 相似形狀的納米金粒子隨著粒徑變大，散射增強，吸收減少，光熱轉(zhuǎn)換效率會降低. 用適當?shù)牟牧习{米金粒子的表面也可以改變其光熱轉(zhuǎn)換效率： 一種是通過改變其周圍介質(zhì)的折射率，引起等離子體共振吸收波長的變化； 還有一種方式是通過涂覆合適的半導體涂層而導致光吸收增加. 納米粒子的自組裝會改變等離子共振吸收峰的位置，從而影響納米金粒子的光熱效應[79]. 納米金粒子的不同形貌也會對光熱效應產(chǎn)生不同的影響，具有更多尖端部位的納米粒子光熱轉(zhuǎn)換效率更高[80].

3 納米金粒子在傳感領(lǐng)域中的應用

3.1 納米金粒子在可視化傳感中的應用

基于納米金粒子表面等離子體效應的可視化傳感器在近年來得到了廣泛的關(guān)注與深入的研究[81]. 可視化傳感器是指以顏色變化作為信號讀出的傳感器，通過肉眼即可對目標物進行定性分析. 由于可視化傳感器具有靈敏度高，操作簡便，檢測限低，儀器簡單和可以實時檢測等優(yōu)點，被廣泛應用于醫(yī)學診斷、 疾病監(jiān)控和環(huán)境污染物檢測中[82].

基于納米金球構(gòu)建的可視化傳感器主要依賴于納米金球間距離變化導致的表面等離子體共振的變化[83]. 如前文所述，納米金球的等離子體共振與其分散狀態(tài)密切相關(guān)，當顆粒之間的距離小于其各自直徑的2.5倍時，金納米顆粒之間會發(fā)生電磁耦合. 具體地說，均勻分散的納米金球溶液呈現(xiàn)紅色，在520 nm附近具有最大的吸收峰. 而當納米金球聚集時，等離子體共振吸收峰從可見光區(qū)向近紅外光區(qū)移動，導致顏色從紅色變?yōu)樗{色或紫色. 目前來說，穩(wěn)定納米金球顆粒距離的常用方法是在合成過程中引入穩(wěn)定劑. 例如，在常用的檸檬酸鈉合成金球的方法中，檸檬酸鈉作為納米金球的穩(wěn)定劑，幫助其在溶液中均勻分散. 引入穩(wěn)定劑在一定程度上可以防止納米金球的聚集，但是納米金球極易受到外部環(huán)境的影響，使其發(fā)生聚集，從而導致顏色的變化. 基于該理論，有多種策略可以通過納米金球來對目標物進行可視化檢測[84-86]. 從目標物的加入對納米金球的影響來分類，這些傳感器可以分為兩類，一類是目標物的加入誘導納米金球的聚集并導致光譜的紅移，另一類是目標物的加入保護了納米金球的均勻分散. 如果從納米金球聚集的方式來分類，可視化傳感器可以分為兩類，一類是納米金球之間的交聯(lián)聚集，一類是納米金球之間的非交聯(lián)聚集，兩者的區(qū)別在于納米金顆粒間有無交聯(lián)劑的作用[44, 87].

納米金棒構(gòu)建的可視化傳感器在原理上與納米金球有較大的區(qū)別. 納米金棒的光學性質(zhì)受其長徑比和環(huán)境的影響，可以產(chǎn)生豐富多彩的顏色. 當納米金棒的長徑比變大時，其等離子共振吸收峰發(fā)生紅移. 當納米金棒的長徑比減小時，其等離子共振吸收峰發(fā)生藍移. 基于此原理，一系列可視化傳感器被研究報道. 其中應用最廣泛的是利用納米金棒被刻蝕產(chǎn)生的顏色變化來對目標物進行定性或者半定量的分析[76, 88-89]. 例如，在酸性環(huán)境下，NO-可以刻蝕納米金棒，使其長徑比減小，產(chǎn)生不同顏色，通過觀察顏色變化來對NO-進行分析檢測[90]. 該類傳感器是基于目標物的加入誘導的納米金棒刻蝕，還有另外一種目標物加入后防止納米金棒刻蝕的傳感策略. 例如，過氧化氫可以將納米金棒刻蝕，并導致光譜的藍移，但是在二價銅離子的存在下，過氧化氫會分解，納米金棒得到保護. 利用該策略可以對二價銅離子進行方便快速的檢測[91]. 類似地，使用一些酶來產(chǎn)生或者消耗過氧化氫，從而誘導納米金棒刻蝕或者保護的方法也被廣泛應用于構(gòu)建比色傳感器中[92].

3.2 納米金粒子在光熱傳感中的應用

納米金粒子具有優(yōu)異的光吸收特性和光熱效應，其在光熱傳感領(lǐng)域的應用是近年來新興的研究熱點[93]. 例如，美國德克薩斯大學埃爾帕索分校的李秀軍團隊在傳統(tǒng)酶聯(lián)免疫吸附法的基礎(chǔ)上, 將磁珠用鹽酸溶解后, 轉(zhuǎn)化成熱敏性能良好的普魯士藍納米顆粒，并在相應波長的激光照射下，利用溫度計定量測定普魯士藍納米顆粒的溫度變化，實現(xiàn)了前列腺特異抗原(prostate specific antigen, PSA)的便攜檢測(檢測限為1.0 ng·mL-1)[94]. 隨后，他們又用溫度計作為信號讀出器，基于納米氧化鐵介導的3, 3, 5, 5 -四甲基聯(lián)苯胺(TMB)- H2O2比色系統(tǒng)的光熱效應(該比色反應體系中TMB的單電子氧化產(chǎn)物在激光照射下可表現(xiàn)出較強的光熱效應)，開發(fā)了一種新的納米粒子介導的光熱免疫檢測方法來檢測PSA，PSA在正常人血清中最低可檢測到1.0 ng·mL-1[95]. 武漢大學劉曉慶課題組利用溫度計為信號讀出裝置，基于堿性磷酸酶, 可將磷酸抗壞血酸酯去磷酸化, 產(chǎn)生抗壞血酸，進而使金納米花表面的銀離子被還原, 產(chǎn)生銀包金納米花的特性，構(gòu)建了一種高靈敏的光熱免疫傳感來檢測復雜樣品中的PSA，檢測限可達到0.95 ng·mL-1[96]. 這些研究表明, 通過溫度計監(jiān)測由納米粒子的光熱效應引起的系統(tǒng)溫度變化, 可以構(gòu)建出高效且靈敏的定量分析檢測方法. 將溫度計作為一種信號讀數(shù)工具，其優(yōu)勢不言而喻，且以溫度計為信號讀出裝置尤其適合于快速檢測和實驗條件較為落后的地區(qū). 此外，實驗研究表明, 納米金粒子的光熱效應具有提高分析檢測靈敏度的潛力. 例如，采用溫度作為讀出的試紙條比普通試紙條的靈敏度高32倍[97]. 常用的側(cè)流免疫試紙條使用納米金球標記抗體，采用夾心免疫的方式，在檢測線上富集納米金球，通過觀察納米金球顏色的深淺來對目標物進行半定量分析. 如果采用激光照射納米金球，納米金球會吸收光能并轉(zhuǎn)換為熱能，具體表現(xiàn)為溫度的上升. 研究人員在同一種試紙條上對比以溫度讀數(shù)和以比色讀數(shù)的檢測方法的靈敏度，發(fā)現(xiàn)溫度讀數(shù)能更靈敏反映目標物的濃度. 基于納米金粒子的光熱效應開發(fā)新型的檢測模式，有利于提高分子即時診斷的分析靈敏度. 通過對溫度讀出裝置的優(yōu)化，納米金粒子光熱效應能夠進一步提高分析檢測的靈敏度[98-99]. 這些研究表明，納米金粒子的光熱效應在分析檢測中具有重要的潛力.

在這些已報道的光熱分析方法中，不同溫度變化值的產(chǎn)生主要依賴激光照射下的納米金粒子濃度. 當納米金粒子數(shù)量較多時，溫度變化值較大，當納米金粒子數(shù)量較少時，溫度變化值較小. 為了使體系中留存的納米金粒子數(shù)量與目標物濃度存在相關(guān)性，通常需要對納米金粒子進行抗體修飾，通過抗原抗體特異性識別作用來決定激光照射區(qū)域納米金粒子的濃度. 近幾年來，福州大學林振宇課題組結(jié)合納米金材料優(yōu)異的光熱效應，采用多種改變納米金材料光熱轉(zhuǎn)換效率的策略，以溫度計作為信號讀出裝置，實現(xiàn)了不同目標物(例如小分子、 重金屬離子、 核酸、 疾病標志物等)的定量光熱檢測. 首先，他們通過設(shè)計不同的高特異性識別探針，采用信號擴增技術(shù)，調(diào)控納米金球聚集和分散狀態(tài)光熱效應的不同，將對目標物的識別轉(zhuǎn)換為對溫度信號的檢測，實現(xiàn)目標物的定量分析. 如針對小分子目標物，采用具有高親和性的適配體作為識別探針. 由于適配體可以吸附在納米金球的表面，可保護納米金球在高濃度鹽溶液中均勻分散. 目標物的加入使得其與適配體相結(jié)合從而造成其構(gòu)象的改變，導致納米金球的聚集，帶來光熱轉(zhuǎn)換效率的改變，通過該方法實現(xiàn)了腺苷的定量檢測. 為考察方法的通用性，通過簡單更換DNA序列還可實現(xiàn)對汞離子的定量檢測[100]. 針對核酸目標物，利用堿基互補配對原則，結(jié)合DNA walkers信號放大技術(shù)構(gòu)建了一種光熱分析方法，實現(xiàn)了對p53核酸序列的光熱定量檢測[101]. 其次，通過改變金基納米材料的組分或形貌來調(diào)控光熱效應，實現(xiàn)對目標物的光熱檢測. 如通過改變納米銀包金立方體的組分，構(gòu)建了一種硫化氫光熱檢測方法[102]. 此外，他們還根據(jù)不同長徑比的金棒在近紅外光區(qū)光熱效應的差異，結(jié)合酶對底物的選擇性，構(gòu)建了用于檢測葡萄糖的光熱傳感[103].

4 總結(jié)與展望

為了開發(fā)簡單高效且成本低廉的現(xiàn)場檢測方法，往往需要將目標信號轉(zhuǎn)換為便攜的檢測信號. 金基納米材料因其獨特的光學特性，如具有可以調(diào)控的光熱效應，能夠吸收光能轉(zhuǎn)換為熱能從而引起環(huán)境溫度上升，在可視化及光熱傳感領(lǐng)域中展現(xiàn)出良好的應用潛力，具有操作簡單、 信號響應速度快、 檢測結(jié)果直觀、 不需要額外的輔助設(shè)備等優(yōu)點，尤其適合于現(xiàn)場快速檢測和實驗條件較為落后等區(qū)域. 目前，金基納米材料在可視化傳感器的設(shè)計中應用廣泛. 如通過目標物的加入調(diào)控納米金球的聚集與分散狀態(tài)，可得到納米金球從紅色到紫色的明顯顏色變化，由此可方便快速實現(xiàn)對重金屬離子污染物、 食品中病原體、 腫瘤標志物及特定核酸序列進行高靈敏、 低成本的檢測. 通過對金基納米材料的生長或刻蝕，還可以得到與金球聚集相比更豐富的顏色變化. 基于此類原理設(shè)計的傳感器具有多色彩變化的特點，可以進一步地提高比色傳感器的易用性，甚至可以在無需儀器的輔助下實現(xiàn)對目標物的半定量檢測.

但是，基于納米金材料的比色傳感器定量檢測仍然不可避免地需要大型光譜儀對其等離子表面吸收光譜進行監(jiān)測. 在一些需要精確定量或長期監(jiān)控目標物濃度的應用場景中，比色傳感器難以滿足其檢測需求. 近年來新興的基于納米金材料的光熱檢測方法可以很好地解決此問題. 光熱檢測方法的原理為金基納米材料的光熱效應受其等離子表面共振吸收峰的控制. 在手持激光的照射下，通過目標物的加入調(diào)控特定波長下金基納米材料的吸收強度，金基納米材料吸收光能轉(zhuǎn)換為熱能，其光熱效應的變化可以通過家用式溫度計測出. 采用此原理，一系列基于金基納米材料的光熱傳感器被研究開發(fā)出來. 此外，通過引入DNA信號放大體系，可極大地提高基于納米金球的光熱傳感器的分析靈敏度. 基于此類原理，多種多樣調(diào)控光熱效應的策略被應用于光熱傳感器的構(gòu)建中. 這些方法不僅為金基納米材料在傳感中的應用開啟了新的方向，也很好地解決了基于納米金材料的比色傳感器只能用于定性或半定量檢測的缺憾.

將這些方法應用于商業(yè)化檢測仍需要大量努力. 首先，雖然基于金納米材料的不同顯色機制在可視化檢測中得到廣泛的應用，但是目前所采用的合成方法較為繁瑣，對實驗人員的合成水平有一定要求，同時存在較大的批間差異，無法實現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化生產(chǎn). 其次，目前的大部分光熱傳感研究以溫度變化值作為目標物定量分析的依據(jù)，而不是以溫度的絕對值作為依據(jù)，一般情況下室溫對實驗的影響極小，但是在氣候變化較快的地區(qū)可能限制了其使用. 隨著科技的進步，基于金基納米材料的可視化及光熱傳感在未來一定會有更為廣闊的應用前景.