金纳米颗粒:性能和应用

介绍

胶体金纳米颗粒与可见光之间发生相互作用后会显现出鲜艳的色彩,艺术家使用它们的历史已经有几个世纪。最近,人们开始研究这一独特的光电子特性,并将其用于高科技应用,例如有机光伏、传感探针、治疗剂、生物和医学应用中的药物递送、电子导体和催化剂。您可以通过改变金纳米颗粒的尺寸、形状、表面化学或聚集状态来调节其的光学和电学性质。

 

金纳米颗粒的光电性质

金纳米颗粒与光的相互作用和环境、大小和物理尺寸的关系非常大。胶体纳米颗粒附近传播的光线的振荡电场会与自由电子之间发生相互作用,引起电子电荷的协同振荡,并与可见光频率发生共振。这些共振振荡被称为表面等离子体。对于小的(〜30nm)单分散金纳米颗粒而言,表面等离子体共振现象会吸收光谱的蓝绿色部分(〜450nm),反射红光(〜700nm),表现出深红色。随着粒径的增大,表面等离子体共振所吸收的波长会更长、更红。随着红光被吸收,蓝光被反射,会生成淡蓝色或紫色的溶液(图1)。随着粒径继续向体积极限方向增加,表面等离子体共振波长随之进入光谱的红外部分,大部分可见波长都被反射,使得纳米颗粒变成透明或半透明。您可以通过改变纳米颗粒的尺寸或形状来调整表面等离子体共振,使得颗粒具有针对不同应用的定制光学性质。

各种大小的单分散金纳米颗粒的颜色

图1.各种大小的单分散金纳米颗粒的颜色

如果将过量的盐添加到金溶液中,也可以看到这种现象。金纳米颗粒的表面电荷会变成电中性,导致纳米粒子发生聚集。结果溶液颜色从红色变为蓝色。为了在最大程度上减少聚集,可以对金纳米颗粒进行多功能表面化学处理,使其被聚合物、小分子和生物识别分子包覆。这种表面修饰使得金纳米颗粒可以广泛用于化学、生物、工程和医学应用。表1列出了金纳米颗粒的典型特性。

 

表1 金纳米颗粒的产品特性。
 

直径 纳米颗粒/mL 峰值波长SPR 摩尔分数(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 未测定 - 742058 (表面活性剂稳定)
200 nm 1.9 x 109 未测定 - 742066 (表面活性剂稳定)
250 nm 7.1 x 108 未测定 - 742074 (表面活性剂稳定)
300 nm 4.5 x 108 未测定 - 742082 (表面活性剂稳定)
400 nm 1.9 x 108 未测定 - 742090 (表面活性剂稳定)

 

返回页首

应用

金纳米颗粒的应用范围正在不断迅速增长,包括:

  1. 电子技术 - 金纳米颗粒在设计上可以用作导体,包括可印刷油墨、电子芯片1。随着电子世界变得越来越小,纳米颗粒逐渐成为了芯片设计中的重要组成部分。纳米级的金纳米颗粒正在被广泛应用于连接电阻器、导体和电子芯片的其他元件。
  2. 光动力疗法 - 近红外吸收金纳米颗粒(包括金纳米壳和纳米棒)会在700-800nm波长的光的激发下产生热量。这使得这些纳米颗粒可以靶向根除治疗肿瘤2。当光照射在含有金纳米颗粒的肿瘤上时,颗粒会迅速升温,杀死肿瘤细胞,这也被称为高热疗法。
  3. 治疗剂递送 - 治疗剂也可以被涂覆到金纳米颗粒的表面上3。金纳米颗粒具有非常大的比表面积,使得它们的表面上可以涂覆数百个分子(包括治疗剂、靶向剂和防结块聚合物)。
  4. 传感器 - 金纳米颗粒可以用于各种传感器。例如,基于金纳米颗粒的比色传感器可以识别食物是否适合食用4。表面增强拉曼光谱一类的其他方法还可以利用金纳米颗粒作为基底,来测量化学键的振动能量。这种方法也可用在检测蛋白质、污染物和其他无标签分子中。
  5. 探针 - 金纳米颗粒还能散射光,在暗视野显微镜下会显现出一系列有趣的颜色。金纳米颗粒的散射颜色目前可以用于生物成像应用5。另外,金纳米颗粒相对密度较大,可用作透射电子显微镜探针。
  6. 诊断 - 金纳米颗粒还可用作心脏疾病、癌症和传染性病原体检测中的生物标志物6。它们在侧流免疫分析中也很常见,比如家庭妊娠测试。
  7. 催化 - 金纳米颗粒在许多化学反应中都可用作催化剂7。金纳米颗粒的表面可以用于选择性氧化,在某些情况下其表面也可以引发还原反应(氮氧化物)。人们正在开发可以用于燃料电池应用的金纳米颗粒。这些技术将在汽车和显示器行业中发挥作用。
 

质量优势

Aldrich材料科学与Cytodiagnostics公司合作,可以为生命科学和材料科学领域的高科技应用提供了一系列金纳米颗粒产品组合。我们能提供的金纳米颗粒的尺寸范围从5nm到400nm不等,包括各种溶剂组份,适用于多种表面官能化基团。

虽然传统上多使用 柠檬酸钠硼氢化钠一类的还原剂来合成球形金纳米颗粒,但是Cytodiagnostics拥有高度球形金纳米颗粒的专有工艺和配方中不含任何苛刻的还原剂。与其他金纳米颗粒相比,我们的纳米颗粒具有许多优点,包括:

  1. 非常窄的尺寸分布 - 基于动态光散射(DLS)和TEM分析。每批都通过了DLS和紫外光谱检测(图2)。DLS和紫外光谱显示Cytodiagnostics的金纳米颗粒尺寸非常精确图2. DLS和紫外光谱显示Cytodiagnostics的金纳米颗粒尺寸非常精确

  2. 尺寸和形状一致 – 即使在大于100nm的范围内,也能实现<10%CV(方差系数)。 5nm和400nm纳米颗粒实例如图3所示。图3. 5 nm(左)和400 nm(右)金纳米颗粒的TEM图像

    图3. 5 nm(左)和400 nm(右)金纳米颗粒的TEM图像(<8%CV)。

返回页首

海胆状金纳米颗粒

图4. 100nm海胆状金纳米颗粒的TEM图像

100nm海胆状金纳米颗粒的TEM图像


图4. 100nm海胆状金纳米颗粒的TEM图像

与具有相同核直径的球形金纳米颗粒相比,海胆状金纳米颗粒具有独特的光学性质。尖锐的不平坦表面使得表面等离子体峰发生红移,同时,相比于球形颗粒,海胆状金纳米颗粒尖端的电磁场更强。例如,100nm球形金纳米颗粒的SPR峰在570nm处,而100nm海胆状金纳米颗粒的SPR峰在680nm附近,如图4所示。

100nm的海胆状金纳米颗粒(蓝色)和100nm标准金纳米颗粒(绿色)的UV-VIS光谱。请注意SPR峰值发生了红移。右-海胆状金纳米颗粒的UV-VIS光谱,直径从50nm到100nm不等。

图5. 左- 100nm的海胆状金纳米颗粒(蓝色)和100nm标准金纳米颗粒(绿色)的UV-VIS光谱。请注意SPR峰值发生了红移。右-海胆状金纳米颗粒的UV-VIS光谱,直径从50nm到100nm不等。

 

Sigma-Aldrich可以为您提供6种尺寸不同的海胆状金纳米颗粒;更多信息请点击此处

 

展望

金纳米颗粒是一种适用于多种应用的通用性材料,其合成工艺已经非常完善,具有可以良好表征的电子和物理性质。此外,很容易对其进行表面化学改性。这些特征使得金纳米颗粒成为了学术研究中使用最广泛的纳米材料之一,其也是全球医疗设备和工业产品中不可或缺的组成部分。Aldrich Materials材料科学可以提供一系列金纳米颗粒供全球研究机构使用,促进其在高科技应用中的应用。

 

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