金纳米颗粒:性质和应用

 介绍

胶体金纳米颗粒已经被艺术家使用了几个世纪,因为它们与可见光相互作用后会产生鲜艳的颜色。最近,这一独特的光电性质被研究应用于高科技领域比如有机太阳能电池,传感探针,治疗剂,生物和医药应用中的给药系统,电子导体和催化。金纳米颗粒的光学和电子性质可以通过改变其大小,形状,表面化学和聚集状态来调节。

 

 纳米金颗粒的光学和电子性质

金纳米颗粒和光线的相互作用主要被环境,颗粒大小和物理尺寸支配。在胶体金纳米颗粒附近传播的光线的震荡电场和自由电子相互作用,导致电子电荷的一致性震荡,并且与可见光频率共振。这一谐振震荡被称为表面等离子体。对于小的单分散纳米金颗粒(~30nm),表面等离子共振现象引起蓝绿光谱段的吸收(~450 nm)和红光反射(~700 nm),由此呈现出鲜艳的红色。当颗粒大小增加,等离子表面共振相关的吸收波段移向更长的,更靠近红色的波长。于是红光被吸收,蓝光被反射,溶液呈现出淡蓝色或者是紫色(图1)。当颗粒大小继续增加到极限,表面等离子共振吸收波段就进入了光谱的红外部分,大部分可见光被反射,使纳米颗粒呈现澄清或者半透明的颜色。通过改变纳米颗粒的形状和大小可以调节它的表面等离子共振,使颗粒呈现出适应不同应用的光学性质。

Colors of various sized monodispersed gold nanoparticles
图1. 不同大小单分散体纳米金颗粒颜色

当过量的盐加入金溶液时也会看到这样的现象。纳米金颗粒的表面电荷成电中性,使得颗粒聚集。结果,溶液颜色从红色变为蓝色。为了减少聚集,多功能的表面化学技术为纳米金颗粒表面涂上聚合物,小分子和生物识别分子。这些表面修饰使得金纳米颗粒能被广泛应用于化学,生物,工程学和医药等领域。纳米金颗粒典型性质请见表1

 

表 1.纳米金颗粒产品性质

直径 纳米颗粒/mL SPR峰值波长 最大系数倍数 (M-1cm-1) 货号
5 nm 5.47 x 1013 515-520 nm 1.10 x 107 741949 (表面活性剂稳定)
752568 (PBS)
10 nm 5.98 x 1012 515-520 nm 1.01 x 108 741957 (表面活性剂稳定)
752584 (PBS)
15 nm 1.64x1012 520 3.67x108 777137 (表面活性剂稳定)
777099 (PBS)
20 nm 6.54 x 1011 524 nm 9.21 x 108 741965 (表面活性剂稳定)
753610 (PBS)
30 nm 1.79 x 1011 526 nm 3.36 x 109 741973 (表面活性剂稳定)
753629 (PBS)
40 nm 7.15 x 1010 530 nm 8.42 x 109 741981 (表面活性剂稳定)
753637 (PBS)
50 nm 3.51 x 1010 535 nm 1.72 x 1010 742007 (表面活性剂稳定)
753645 (PBS)
60 nm 1.96 x 1010 540 nm 3.07 x 1010 742015 (表面活性剂稳定)
753653 (PBS)
80 nm 7.82 x 109 553 nm 7.70 x 1010 742023 (表面活性剂稳定)
753661 (PBS)
100 nm 3.84 x 109 572 nm 1.57 x 1011 742031 (表面活性剂稳定)
753688 (PBS)
150 nm 3.60 x 109 Not Measured - 742058 (表面活性剂稳定)
200 nm 1.9 x 109 Not Measured - 742066 (表面活性剂稳定)
250 nm 7.1 x 108 Not Measured - 742074 (表面活性剂稳定)
300 nm 4.5 x 108 Not Measured - 742082 (表面活性剂稳定
400 nm 1.9 x 108 Not Measured - 742090 (表面活性剂稳定)

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 应用

纳米金颗粒的应用领域正在快速扩大,包含了:

  1. 电子学 —从打印油墨到电子芯片,金纳米颗粒都可以用来作为它们的导体。1 如今电子产品体积越来越小,金纳米颗粒于是成为了芯片设计中非常重要的部分。纳米级别的金颗粒被用来连接电阻,导体,和电子芯片的其他元件。
  2. 光动力学治疗—近红外吸收波段的金纳米颗粒(包括纳米壳和纳米棒)在被波长700到800nm的光激发后会产生热量。这一特点使纳米颗粒能够摧毁目标肿瘤。2 当光照射到含有纳米金颗粒的肿瘤组织时,颗粒快速加热,杀死肿瘤细胞,这种治疗手段也被称为高温疗法。
  3. 治疗药剂递送—治疗药剂可以涂在金纳米颗粒的表面。3 金纳米颗粒有较大的比表面积,这使得它们的表面能覆盖许多分子(包括治疗药物,靶向药物和防污聚合物。)
  4. 传感器—金纳米颗粒被用于各种传感器。比如,一个基于金纳米颗粒的比色传感器能够辨别出食物是否能被食用。4 其他应用,比如表面增强拉曼光谱,利用金纳米颗粒作为底物,用来测量化学键的震动能量。这一技术还可以用来检测蛋白、污染物和其他无标记分子。
  5. 探针—金纳米颗粒还能够散射光线,在暗视野显微镜下产生一束有趣的颜色。如今,金纳米颗粒散射的颜色常被用于生物成像。5 另外,金纳米颗粒相对密度高,可以用来作为透射电镜的探针。
  6. 诊断—在心脏病、癌症和传染源诊断中,金纳米颗粒常被用来检测生物标记。6 它们还被用于侧流免疫测定,一种家庭孕检。
  7. 催化—金纳米颗粒在许多化学反应中被用作催化剂。7 金纳米颗粒表面能发生选择性氧化或者在某些情况下,发生还原反应(氧化氮)。金纳米颗粒也被用于燃料电池。这一技术在汽车和显示器工业中将会大有用途。

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 质量优势

Aldrich材料科学与Cytodiagnostics公司联合推出了一系列专为生命科学和材料科学高尖端应用打造的金纳米颗粒产品。我们提供的金纳米颗粒,直径大小从5nm到400nm不等,有多种不同的表面官能化,溶于不同的溶剂中。

在传统工艺中,球面金纳米颗粒的合成需要诸如柠檬酸钠或者 硼氢化钠作为还原剂,但Cytodiagnostics自有一套适合于高度球面化金纳米颗粒制备的流程和配方,不需要用到条件苛刻的还原剂。与其他纳米金颗粒产品相比,我们的产品有以下优势:

  1. 狭窄的尺寸范围分布 狭窄的尺寸范围分布 — 依据动态光散射(DLS)和TEM分析得到的结论。每一批产品都会经过DLS和UV-可见光光谱分析的检验。 (图 2).


    DLS(top) & UV-Vis spectra(bottom) showing precise gold nanoparticles from Cytodiagnostics.

    图 2. Cytodiagnostics公司精密金纳米颗粒 DLS和UV-可见光光谱图


  2. 一致的大小和形状 —即使是大于100nm的纳米金颗粒,变异系数(CV)小于10%。图3显示的是5nm和400nm的纳米金颗粒。图 3.

    TEM images of 5 nm (left) and 400 nm (right) gold nanoparticles with <8% CV.

    图 3. 图35 nm (左) 和400 nm (右) 纳米金颗粒TEM图,CV <8%。

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 金纳米

TEM of 100 nm Gold NanoUrchins
图 4.
100nm Gold NanoUrchins TEM图

和具有相同内径的球面金纳米颗粒相比,Gold NanoUrchins有其特殊的光学性质。尖锐的,不均匀的表面使得表面等离子共振波峰发生红移,比起球面的颗粒,Gold NanoUrchins表面尖端部位的电磁场大大增强了。因此,100nm球面金纳米颗粒的SPR峰值在570nm而100nm的Gold NanoUrchins的SPR峰值在680nm左右,图 4.

Left - UV-VIS spectra of 100nm Gold NanoUrchins (blue) and 100nm standard gold nanoparticles (green). Right - UV-VIS spectra of Gold NanoUrchins ranging in size from 50nm to 100nm in diameter.

图 5. — 100nm Gold NanoUrchins(蓝色)和100nm标准纳米金颗粒(绿色)UV-可见光光谱图。注意SPR峰值发生红移。右 — 内径大小50nm到100nm Gold NanoUrchins产品UV-可见光光谱图。


Sigma-Aldrich提供6种大小规格的Gold Nano-Urchins。更多信息请点击此处.

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 展望

金纳米颗粒作为一种多功能材料具有广阔的应用前景。由于完善的合成工艺,我们的金纳米颗粒产品具有良好的电子学和物理性质。另外,他们的表面化学物也能被轻松修饰。这些特点使得金纳米颗粒成为了学术研究领域中最广为使用的纳米材料之一,是全球照护医疗器材和工业产品中不可或缺的一部分。 Aldrich 材料科学为全球的研究团体提供多种纳米金颗粒产品选择,我们一直致力于加强这一产品对于高科技应用的适应性。


 材料

 

 在贵国暂不提供此类产品

 

 参考文献

  1. Huang, D.; Liao, F.; Molesa, S.; Redinger, D.; Subramanian, V. Journal of the Electrochemical Society, 2003, 150, G412-417.
  2. Stuchinskaya, T.; Moreno, M.; Cook, M. J.; Edwards, D. R.; Russell, D. A. Photochem. Photobiol. Sci., 2011, 10, 822-831
  3. Brown, S. D.; Nativo, P.; Smith, J.-A.; Stirling, D.; Edwards, P. R.; Venugopal, B.; Flint, D. J.; Plumb, J. A.; Graham, D.; Wheate, N. J. J. Am. Chem. Soc., 2010, 132, 4678-4684.
  4. Ali, M. E.; Hashim, U.; Mustafa, S.; Che Man, Y. B.; Islam, Kh. N. Journal of Nanomaterials 2012, 2012, Article ID 103607
  5. Perrault, S. D.; Chan, W. C. W. Proc. Nat. Acad. Sci. USA, 2010, 107, 11194-11199.
  6. Peng, G.; Tisch, U.; Adams, O.; Hakim, M.; Shehada, N.; Broza, Y. Y.; Bilan, S.; Abdah-Bortnyak, R.; Kuten, A.; Haick, H. Nature Nanotech., 2009, 4, 669-673
  7. Thompson, D. T. Nano Today, 2007, 2, 40-43