金纳米结构:性质和应用

作者:Christian Schoen博士

Nanopartz公司董事长

 介绍

金纳米结构由于其有趣的电学、导电和光学特性而在许多领域得到了广泛的研究。然而,最近这些材料的用途已经从传统的应用领域扩展到了令人兴奋的包括生物医学、诊断和催化在内的功能领域。

A.     高科技电子产品:在现代的触摸屏显示领域中,金纳米线可以取代碳纳米管。

B.     催化作用:铂和钯纳米颗粒可作为催化应用,使得总金属使用量减少超过一千倍。

C.    生物医学:体内癌症的光热治疗,以及用于DNA治疗的纳米金粒子作为胞质体吸收药物的载体。

D.    生物诊断学:可开发生物传感器和多通道侧向层析检测方法,用于多分析物的定量检测。

 金纳米棒

近20年来,球形纳米金粒子已被用于光热治疗癌症的研究,但是,由于球形纳米金粒子的吸收峰值有限(直径为100 nm粒子的最大吸收峰值为~580 nm)而未能得到最佳化,其吸收峰值落在650~900 nm的生物实体(皮肤、组织和血红蛋白)光透过窗口以下。金纳米棒的性能与纳米金粒子相似,但其经过延长而吸收峰值和散射性能得到优化(图1)。这使其通过不同的制造工艺可将纳米棒的吸收波长调整为横跨550nm到1400nm,如图1所示。金纳米棒的这种调整结果使其具备在可见光和近红外区域的波长散射。表面等离子共振(SPR)值是一种测量表面电磁波的方法,其沿着与金属/溶剂界面平行方向传播,吸附在金属表面或金属纳米粒子表面的任何物质都会对其产生很大的影响。通过测量在一定波长范围内的SPR值,可以获得非常精确的金属纳米结构吸收值(图1)。

金纳米棒的性能与纳米金粒子相似,但其经过延长而吸收峰值和散射性能得到优化 这使其通过不同的制造工艺可将纳米棒的吸收波长调整为横跨550nm到1400nm

图1.左图:典型金纳米棒(10 nm×40 nm)的TEM图像(货号716820)。右图:金纳米棒的吸收峰和散射(消光)可以调整至横跨可见光和近红外光谱范围,以表面等离子体共振(SPR)相对于波长来作图显示。

运用光声学原理1高效非线性光学,如四波混频2,涂层也可用于增强体内成像,位于澳大利亚维多利亚州斯文伯恩科技大学微光子中心的研究人员正在使用这些材料作为偏振片(图2),并且能够将DVD的存储能力提高2,000倍以上。3

运用光声学原理1高效非线性光学,如四波混频2,涂层也可用于增强体内成像,位于澳大利亚维多利亚州斯文伯恩科技大学微光子中心的研究人员正在使用这些材料作为偏振片

图2. 金纳米棒用作偏光材料的TEM图片

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 功能化金纳米棒

Sigma-Aldrich材料科学还提供了各种官能化的金纳米棒,包括甲基(货号716901)、胺类(货号 716871)和羧基(货号716898)官能团。胺类和羧基封端的纳米棒特别适用于蛋白质、抗体甚至DNA等多种生物分子的接合。

在可见区域内,它们可以用于多通道侧向层析检测,4并且在近红外区域,它们可以经过静脉注射以在肿瘤处聚集。一旦它们聚集于疾病细胞周围,它们就可以经受连续的近红外激光照射以产生热量用于癌症的光热治疗。5金纳米结构的诊断特征(也可以作为药物释放载体)可使其同时借助脉冲激光用于癌细胞的破坏(治疗)。这种诊断与治疗相结合的联合疗法称为治疗诊断学。(图3)。 6

图3. A)运用金纳米棒以及外部二极管激光加热和破坏癌细胞的癌症光热治疗方法(感谢Nanopartz公司提供);b) 运用脉冲近红外激光和金纳米棒消融癌细胞(感谢Nanopartz公司提供)。

图3. A)运用金纳米棒以及外部二极管激光加热和破坏癌细胞的癌症光热治疗方法(感谢Nanopartz公司提供);b) 运用脉冲近红外激光和金纳米棒消融癌细胞(感谢Nanopartz公司提供)。

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 金纳米线

金纳米线轴向直径达30 nm,长度可达20微米,可作为碳纳米管的替代或补充材料使用。它们具有很高的导电性,更透明,而且不像银纳米线,其可耐腐蚀或耐氧化。纳米线在触屏显示以及透明电极(图4)领域中已展现其应用性。7金纳米线在用作高敏电子生物传感器方面也显现出其应用前景。8, 9

纳米线在触屏显示以及透明电极

图4. 左图:在碳纳米管构架上金纳米线(货号716944716952)的TEM图像。右图:在有机电子学应用中可用于替换碳纳米管的金纳米线SEM图像。

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 金微粒

于金微粒的尺寸为数百纳米宽,长度可达1微米,这使其为目前仍可称为纳米粒子的最大可能微粒。由于纳米粒子的尺寸决定了吸收性能,因此这种独特的材料展现出独特的光学性能。金微粒(货号716960)是首先使用常规光学技术在白光显微镜下可以看到的基于单粒子灵敏度的金粒子(图5)。其也是已知的第一个通过专有聚合物共振可以被胞体胞质体吞噬的(图5)粒子,这对于细胞治疗非常重要,因为人们希望其避免被细胞脂质体的吸收。

金微粒(货号716960)是首先使用常规光学技术在白光显微镜下可以看到的基于单粒子灵敏度的金粒子

图5.A)金微粒(货号716960),用于光学显微镜下的单个粒子测量(感谢莱斯大学的Stephan Link博士提供)。B)金微粒用于在癌细胞中对所释放药物的胞质体吸收(感谢莱斯大学的Eugene Zubarev博士提供)


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 铂和钯包覆金纳米结构

正如我们前面所看到的,将金结构的尺寸减小到纳米尺度可以增强其从电学到生物医学应用性能。然而,从非常基本的水平来说减小尺寸也大大增加了纳米材料的表面积,这激起了纳米材料在催化应用中的兴趣。金纳米粒子具有单分散合成的可靠性,因此它们是用于催化作用的铂(货号716936)或钯(货号716928)涂层的良好支持构架。当粒子为单分散的情况下,可以利用其完整的表面积起到更有效的催化作用。尺寸的减小以及单分散性都会产生比传统铂和钯纳米粒子高出接近十倍的表面积,而且比大块材料高出数千倍(图6)。较高的比表面积可转化为更高效和更有效的催化作用,可产生更为绿色和较少浪费的工艺过程。

图6. 铂涂层金纳米结构 (左图),以及钯涂层金纳米结构(右图)的TEM图像。标尺为50 nm。

图6. 铂涂层金纳米结构 (左图),以及钯涂层金纳米结构(右图)的TEM图像。标尺为50 nm。

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 总结

金纳米粒子的应用和类型已经从用作侧向层析检测(例如在妊娠测试)使用中的大量聚集响应得到了显著扩展。现在其单一的纳米颗粒性能正在生物医学、材料学、光学和工业领域中获得应用。这些材料仍然在得到积极研究,利用其增强的光热性能和表面反应性其应用才刚刚开始实现。
 

 参考文献

  1. Song, K. H.; Kim, C.; Maslov, K.; Wang, L. V. Eur. J. Radiol. 200970, 227-231.
  2. Schwartz, O.; Oron, D. Nano Lett. 20099, 4093-4097.
  3. Zijlstra, P.; Chon, J. W. M.; Gu, M. Nature2009459, 410-413.
  4. Venkataramasubramani, M.; Tang, L. “Development of Gold Nanorod Lateral Flow Test for Quantitative Multi-Analyte Detection,” 25th Southern Biomedical Engineering Conference 2009, IFMBE Proceedings, 24, 199-202.
  5. Fourkal, E.; Velchev, I.; Taffo, A.; Ma, C.; Khazak, V.; Skobeleva, N. “Photo-Thermal Cancer Therapy Using Gold Nanorods,” World Congress on Medical Physics and Biomedical Engineering 2009, IFMBE Proceedings, 25, 761-763.
  6. Lukianova-Hleb, E. Y.; Hanna, E. Y.; Hafner, J. H.; Lapotko, D. O. Nanotechnology 201021, 085102.
  7. Hu, L.; Kim, H. S.; Lee, J.-Y.; Peumans, P.; Cui, Y. ACS Nano20104, 2955–2963
  8. Yogeswaran, U.; Chen, S.-M. Sensors20088, 290-313.
  9. Liu, Z.; Searson, P. C. J. Phys. Chem. B2006110, 4318–4322.