徐冬梅，劉建，高軍，劉迪，劉曉偉（山東科技大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，山東 青島266590）

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綜述與專論

金納米棒的合成、光學(xué)特性、修飾及其在生物學(xué)中的應(yīng)用

徐冬梅，劉建，高軍，劉迪，劉曉偉
（山東科技大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，山東 青島266590）

摘要：由于具有獨特的光學(xué)和電子特性，金納米棒受到人們越來越多的關(guān)注。金納米棒的這些性質(zhì)主要取決于它自身的形狀、大小和長徑比。尤其金納米棒獨特的、可調(diào)的表面等離子體共振特性，使其在生物標(biāo)記、生物成像及生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域有非常廣闊的應(yīng)用前景。本論文詳細介紹了金納米棒的幾種合成方法及其光學(xué)特性和金納米棒的表面修飾手段，綜述和比較了金納米棒在生物分子探針技術(shù)、熒光探針和癌癥診斷和光熱治療領(lǐng)域的研究進展，對其存在的問題做了具體分析并對金納米棒在生物學(xué)中的應(yīng)用方向進行了展望。

關(guān)鍵詞：金納米棒；合成方法；光學(xué)性質(zhì)；表面修飾；生物應(yīng)用

貴金屬納米顆粒因其特殊的光電特性而廣泛應(yīng)用于光電信息存儲和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。其中金納米棒由于其特殊的物理性質(zhì)而備受關(guān)注。金納米顆粒表面電子的運動局限于納米尺度內(nèi)，使其具有不同于宏觀物質(zhì)的特殊性能，而這種性能受其形狀和大小的影響[1]。

最初，人們發(fā)現(xiàn)了各向同性生長方式的球形納米粒子，為了得到更多其他形狀的納米顆粒，研究者不斷探索如何獲得各向異性生長的反應(yīng)條件。在20世紀(jì)90年代中期，第一類各向異性的納米棒被發(fā)現(xiàn)。金納米棒具有化學(xué)和光學(xué)的各向特異性，同時它與球形的納米顆粒類似，因表面等離子體激元共振（surface plasmon resonance，SPR）效應(yīng)導(dǎo)致其可以吸收不同波長的光。金納米棒具有橫向和縱向兩個不同表面帶，即橫向表面等離子體激元共振和縱向表面等離子體激元共振。在可見光和近紅外區(qū)，表面等離子體激元的橫向吸收峰主要在500nm左右，但表面等離子體激元的縱向吸收峰可以實現(xiàn)人為調(diào)控[2]，它隨著金納米棒的長徑比和整體尺寸而變化，這樣可以實現(xiàn)金納米棒對光的強吸收及發(fā)射較強的散射光，也可以控制金納米棒對周圍介質(zhì)的敏感程度[3]。

相比于其他的納米材料，金納米棒因其獨特、可調(diào)的表面等離子特性，在生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域顯示出更大的優(yōu)越性。金納米棒的合成通常在十六烷基三甲基溴化銨（CTAB）存在下完成，如果CTAB對金納米棒的包覆結(jié)構(gòu)遭到破壞，金納米棒就容易出現(xiàn)部分或完全聚集。然而金納米棒表面過多的CTAB分子會對人體細胞和生物體產(chǎn)生毒性，在一定程度上干擾生物免疫過程，并且金納米棒表面包覆的CTAB分子也在一定程度上阻礙金納米棒與生物分子的偶聯(lián)[4]，所以對金納米棒表面進行修飾和改性，提高其穩(wěn)定性并降低其生物毒性是金納米棒在涉及生物體系應(yīng)用中需要解決的關(guān)鍵問題。本論文闡述了金納米棒的合成方法、光學(xué)特性、表面修飾及其在生物領(lǐng)域中的應(yīng)用。

1 金納米棒的合成

1.1 電化學(xué)法

圖1 電化學(xué)合成法的裝置示意圖

最先報道的合成高質(zhì)量的金納米棒的方法是電化學(xué)法，后來這種方法成為晶種生長法的先驅(qū)[5]。20世紀(jì)90年代，WANG等[5]報道的金納米棒是在雙電極電池下完成的，如圖1所示。其中金板作為陽極，鉑板作為陰極，兩者都嵌入到電解池當(dāng)中。用十六烷基三甲基溴化銨和四溴十二烷基銨（TDTAB）的混合表面活性劑溶液作為電解池溶液也可以得到一定長徑比的納米棒。電解過程金離子以 AuBr-的形式從陽極經(jīng)由電解池移動到陰極，最后在陰極被還原成金單質(zhì)。銀板逐漸嵌入到電解池中以控制金納米棒的長徑比，其中銀離子的消耗量是通過金離子和銀板之間的氧化還原反應(yīng)來實現(xiàn)的。反應(yīng)體系中也會添加少量丙酮和己烷以促進棒狀結(jié)構(gòu)的形成，整個過程處于超聲狀態(tài)[6]，如圖2。

圖2 兩個不同長徑比的金納米棒電鏡圖[5]

1.2 晶種生長法

晶種生長法是合成金納米棒最普遍的方法，該方法過程簡單，能合成高質(zhì)量、高產(chǎn)率的金納米棒，且形狀大小容易控制。MURPHY等[7]用四氯金酸代替了電化學(xué)中的金板作為金源，用較弱的還原劑抗壞血酸（AA）和硝酸銀取代了電化學(xué)中的氧化還原反應(yīng)，將原來的混合表面活性劑體系 CTAB和TDTAB換成了CTAB一種，但保留原來的丙酮和己烷。在這個合成方法中。低濃度的AA并沒有把四氯金酸還原成金屬態(tài)，而是以 Au–存在。然而加入3nm的金粒子（作為晶種）后，接著生長溶液在金粒子表面催化作用下，Au–被氧化成金單質(zhì)，逐漸變成類球形，最后形成棒狀結(jié)構(gòu)。人們已經(jīng)證實加入的晶種越少，金納米棒的長徑比越高，然而金納米棒的產(chǎn)率仍然很低，會產(chǎn)生較多的球形粒子。將晶種溶液添加到不同的生長溶液中可以控制金納米棒的長徑比。

2003年，EL-SAYED等[8]將這種方法改進，大大降低了球狀粒子的產(chǎn)率，提高了棒狀結(jié)構(gòu)的產(chǎn)率，如圖3(a)所示。由這種方法開創(chuàng)了兩種體系，一種是用高濃度的CTAB包覆晶種，再加上一定濃度的硝酸銀會得到95%以上的棒狀產(chǎn)率，長徑比可達到4.5，縱向表面等離子體共振吸收峰波長可達到850nm，如圖3(b)所示；另一種是CTAB和苯基二甲基十六烷基氯化銨（BDAC）混合作為表面活性劑，這種體系獲得的金納米棒長徑比可達到10，縱向表面等離子體共振吸收峰波長可達 1300nm，如圖3(c)所示。

通過控制硝酸銀和四氯金酸的濃度可以在一定程度上調(diào)節(jié)縱向表面等離子體共振吸收峰的位置。其吸收峰的位置會隨著硝酸銀和四氯金酸的濃度增加而向長波方向移動，但是濃度增加到一定程度后，反而會抑制其移動，如圖3(d)所示。JIANG等[9]發(fā)現(xiàn)每一批合成的金納米棒的縱向表面等離子體共振吸收峰的位置都會有不同，這與許多因素有關(guān)，尤其是與晶種的關(guān)系最為密切。由于合成晶種需要加入硼氫化鈉，而硼氫化鈉的加入量稍微有所增加，雜質(zhì)就會大大增加[10]。這種規(guī)律在晶種的顏色上就可以輕易分辨出來。另外，四氯金酸與AA比例的變化會導(dǎo)致縱向表面等離子體共振吸收峰位置的變動，已發(fā)現(xiàn)比例減小會產(chǎn)生較短的金納米棒及較低的吸收峰位。最近MURRAY等[11]報道了一種合成金納米棒的新技術(shù)-采用芳香族添加劑和低濃度CTAB。這種方法已被證實可以得到高長徑比的金納米棒，并且產(chǎn)生的雜質(zhì)較少。

盡管晶種生長法能產(chǎn)生較高收率的金納米棒，其中有許多參數(shù)，如種子溶液的濃度、老化時間、溫度、pH和CTAB濃度的變化都會顯著影響到金納米棒的形狀、長徑比、產(chǎn)量以及吸收峰的位置[12-18]。如需重復(fù)合成出某個長徑比的金納米棒，必須保持所有關(guān)鍵參數(shù)的一致性。

1.3 其他方法

除了電化學(xué)法、晶種生長法外，其他金納米棒的合成方法有模板法、電子束光刻法、光化學(xué)合成法[19]等。模板法是利用聚碳酸酯或氧化鋁膜為模板，采用電化學(xué)沉積也是合成金納米棒的一種方法。這種方法最初用于合成微電極[20]，用該方法合成的金納米棒長度很難控制，且產(chǎn)率很低。

2 金納米棒的光學(xué)性質(zhì)

圖3 晶種生長法合成金納米棒的紫外光譜圖及其電鏡表征圖[8]

相對于塊體金屬材料而言，金屬納米材料有著優(yōu)越的光學(xué)性質(zhì)。當(dāng)光入射到金屬納米顆粒表面時，如果入射光子頻率與金屬傳導(dǎo)電子的振動頻率相匹配，納米顆粒就會對該入射光有很強的吸收，從而發(fā)生局域表面等離子體共振（localized surface plasmon resonance，LSPR）現(xiàn)象[21]。光電場與納米粒子中的自由電子相互作用，導(dǎo)致自由電子與金屬原子核分離，而自由電子之間的庫侖排斥力作為一種“恢復(fù)力”，又促使自由電子往反方向運動，因此造成自由電子的集體振蕩，即產(chǎn)生 LSPR。不同尺寸、形狀或不同材料的金屬納米顆粒會呈現(xiàn)不同的吸收能力，同時也顯示出不同的顏色。對金納米棒而言，其結(jié)構(gòu)的各向異性會在吸收光譜上產(chǎn)生兩個吸收帶，如圖4(a)是金納米棒發(fā)生橫向和縱向表面等離子體共振，圖4(b)分別對應(yīng)著兩個共振吸收峰，橫向表面等離子體共振吸收峰和縱向表面等離子體共振吸收峰。金納米棒的橫向表面等離子體共振已被發(fā)現(xiàn)對金納米棒的大小和周圍折射率的變化反應(yīng)不敏感，相反縱向則十分敏感。因此，縱向表面等離子體共振的性質(zhì)很大程度上依賴于金納米棒的尺寸、形狀及周圍介質(zhì)的介電常數(shù)。隨著長徑比的改變，縱向吸收峰的位置能在可見光-近紅外較寬波段內(nèi)發(fā)生位移，而橫向吸收峰位置移動較小。所以，不同長徑比的金納米棒溶液可以顯示出藍色、褐色和紅色等不同顏色[22]。

如圖4所示，對于金屬納米棒而言，GANS預(yù)測，對于小的、橢球形、偶極近似納米粒子，由于表面的曲率和幾何形狀的不同，表面等離子體形式可分為兩種完全不同的形式。在解釋金納米棒的光學(xué)性質(zhì)時，這些小棒普遍被視為橢球體。因此GANS理論可以應(yīng)用于描述金納米棒的光學(xué)特性[23]。根據(jù)GANS方程，EL-SAYED等[24]對金納米棒的吸收光譜模擬出其長徑比的參數(shù)（介質(zhì)的介電常數(shù)恒定的情況下），如圖5(a)。從光譜圖中可以看出：在可見光和近紅外光區(qū)域分別出現(xiàn)了較弱的橫向表面等離子體共振和較強的縱向表面等離子體共振兩個吸收峰，其中縱向吸收峰位置隨長徑比的增加發(fā)生紅移，橫向移動則很小。圖5(b)是根據(jù)金納米棒的吸收光譜模擬出其介質(zhì)的介電常數(shù)的函數(shù)（長徑比恒定的情況下），從圖5(b)中可以看出，兩個吸收峰都隨介質(zhì)的介電常數(shù)增加而發(fā)生位移，但縱向吸收峰波長的紅移量大得多，這表明縱向表面等離子體共振對周圍介質(zhì)的介電常數(shù)的變化更敏感。

3 金納米棒的表面修飾技術(shù)

在應(yīng)用到生物化學(xué)和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域時，需要金納米棒具有較好的生物相容性和膠體穩(wěn)定性。對于晶種生長法和電化學(xué)法合成的金納米棒，其表面都覆蓋了帶有正電荷的CTAB雙分子層。在金納米棒的制備過程中，CTAB不僅在控制粒子成形時起結(jié)構(gòu)導(dǎo)向劑的作用，而且能防止金納米棒聚集，起穩(wěn)定劑和保護劑的作用。然而CTAB包覆的金納米棒僅在較低pH的溶液中表現(xiàn)出很好的穩(wěn)定性，當(dāng)轉(zhuǎn)移到其他溶液中，如有機溶劑，金納米棒則易發(fā)生聚集，而且CTAB包覆的金納米棒還會抑制細胞的內(nèi)吞作用[25]。為了改良金納米棒的穩(wěn)定性和生物相容性，避免金納米棒的聚集，合適的表面修飾是金納米棒在涉及生物功能化及生物體系應(yīng)用中需要解決的關(guān)鍵問題。

圖4 金納米棒的局域表面等離子體共振圖[22]

目前，對CTAB包覆的金納米棒進行表面修飾，有多種方法相繼提出。通常情況下，金納米棒的表面修飾有兩種途徑：一種是配體交換，指表面修飾分子，通常是一些小分子化合物，與金納米棒表面依靠化學(xué)鍵結(jié)合；另一種是表面包覆，指用有機或無機材料（通常是高分子材料、生物分子和表面活性劑等）直接包覆金納米棒[26]。

圖5 金納米棒的局域表面等離子共振吸收光譜與其各影響因素的關(guān)系[24]

3.1 配體交換法

該方法是用巰基化合物作為配體取代CTAB雙分子層，利用Au—S共價鍵將巰基化合物穩(wěn)固地結(jié)合在金納米棒表面。表面修飾后的金納米棒再經(jīng)過化學(xué)或生物手段功能化后，可以廣泛應(yīng)用于生物化學(xué)和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。另外，移除CTAB分子后可以有效降低金納米棒的生物毒性。但同時，修飾過程中由于金納米棒失去CTAB分子的保護，導(dǎo)致金納米棒聚集的概率大大增加。因此，修飾過程需嚴(yán)格控制實驗條件，以避免金納米棒的聚集。巰基化合物聚乙二醇（mPEG-SH）是在金納米棒表面修飾中一個常用的配體。由于聚乙二醇（PEG）是水溶性的聚合物，因此可以在水中對金納米棒進行修飾。另外，PEG在一些有機溶劑中具有較高的穩(wěn)定性，在體內(nèi)也有較廣泛的應(yīng)用。HAFNER等[27]利用mPEG-SH，置換一部分金納米棒表面的CTAB分子，得到了穩(wěn)定的金納米棒。但是PEG分子的偶聯(lián)步驟繁瑣、耗時，因此尋找一種生物小分子且生物修飾簡單易操作的方法是十分重要的。

很多研究指出11-巰基十一烷酸（MUA）能夠完全的置換CTAB分子，實現(xiàn)金納米棒的表面修飾[28]。MUA是一端帶有羧基的巰基化合物，當(dāng)MUA分子共價結(jié)合到金納米棒表面后，再經(jīng)過 1-乙基-3-(3-二甲基氨丙基)-碳化二亞胺(EDC)/N-羥基琥珀酰亞胺（NHS）交聯(lián)劑作用，生物分子就很容易地結(jié)合到金納米棒表面上，有利于金納米棒在生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的應(yīng)用。然而，MUA不是水溶性的，它僅溶于有機溶劑，如乙醇和氯仿，而金納米棒在有機溶劑中不穩(wěn)定，直接用MUA修飾會導(dǎo)致金納米棒聚集。2007年，YU等[29]報道一種用MUA完全置換金納米棒表面上的CTAB分子的新方法。將溶有MUA的乙醇溶液添加到金納米棒溶液中，不斷超聲處理以避免金納米棒的聚集，得到MUA修飾的金納米棒。盡管用MUA修飾的金納米棒已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于生物醫(yī)療等領(lǐng)域，但是實驗過程還是會發(fā)生金納米棒的聚集，這需要嚴(yán)格地控制實驗條件，以避免聚集的發(fā)生。

3.2 表面包覆法

這種方法是指無機納米材料、表面活性劑利用化學(xué)結(jié)合或物理吸附等方法在金納米棒表面形成單層、雙層或多層結(jié)構(gòu)，帶有功能基團的表面活性劑可以錨定在金納米棒的表面，改變金納米棒的表面性質(zhì)。一種簡單的修飾方法就是將陰離子聚合電解質(zhì)[如聚苯乙烯磺酸鈉（PSS）]，通過靜電吸附結(jié)合在包覆有CTAB的金納米棒表面上。

PSS不僅能使金納米棒的表面轉(zhuǎn)換成負電，還能使抗體通過疏水作用結(jié)合到金納米棒表面上[30]。另外，聚丙烯酸（PAA）也是一種陰離子聚合電解質(zhì)，一旦帶有羧基的 PAA修飾到金納米棒的表面上，蛋白質(zhì)就能通過EDC/NHS交聯(lián)作用共價結(jié)合到修飾有 PAA的金納米棒上，這與金納米棒修飾MUA 相似。MURPHY 等[31]提出了層層組裝（layer-by-layer assembly，LBL）的方法，在CTAB穩(wěn)定的金納米棒表面通過靜電作用依次吸附上PSS和聚二一烯丙基二甲基氯化銨，重復(fù)該過程可吸附多層聚電解質(zhì)。這種聚合電解質(zhì)包覆法簡單、快捷，但是在長期存放或進行生物體內(nèi)實驗時，聚電解質(zhì)包覆的金納米棒的穩(wěn)定性仍是存在的問題。

另一種修飾途徑是使用無機材料對金納米棒進行表面包覆，通常使用的無機材料有銀、四氯化三鐵和二氧化硅等[6]。包覆后的復(fù)合體，通常是由處于中心的金納米棒和外層的無機材料層組成，這種復(fù)合結(jié)構(gòu)不僅可以阻止金納米棒發(fā)生聚集，外層包覆層還可以結(jié)合多種生物化學(xué)配體。例如，二氧化硅具有良好的生物相容性、親水性以及化學(xué)穩(wěn)定性和膠體穩(wěn)定性，而且還容易進行表面生物分子的修飾。二氧化硅包覆的金納米棒為表面生物分子難以修飾問題提供了一種有效的解決途徑。二氧化硅涂層包覆法是由LIZ-MARZAN等[32]提出的，這種方法修飾的金納米棒已經(jīng)在生物檢測、生物識別等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[33]。

圖6 金納米棒生物分子探針示意圖[35]

4 金納米棒的應(yīng)用

金納米棒有著優(yōu)異的光學(xué)性質(zhì)，尤其它的LSPR特性，使其在生物分子探針、癌細胞定位與檢測等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。

4.1 生物探針技術(shù)

目前，金納米棒在進行生物應(yīng)用時，首先要在表面修飾一些功能性生物分子，如抗體、蛋白質(zhì)分子等形成金納米棒分子探針，使其具有特異性識別抗原的作用，如圖6所示。由于抗體等分子較大，難以穩(wěn)定在金納米棒表面上，通常的解決方法是先修飾小分子，再通過小分子偶聯(lián)金納米棒和抗體。這種方法唯一的缺點就是金納米棒在有機溶劑中易發(fā)生聚集。關(guān)于這個問題，目前已有大量相關(guān)的研究，如DAI等[34]成功用MUA完全置換CTAB且無聚集發(fā)生。在2007年，IRUDAYARAJ等[35]又成功在MUA上偶聯(lián)抗體并能特異性識別靶細胞。另外，生物分子偶聯(lián)金納米棒的另一種方式是用聚合物去包覆金納米棒，如圖 7。聚合物通常是聚（4-苯乙烯磺酸鈉）（PSS）和聚（丙烯胺鹽酸鹽）（PAH），PAH能夠在金納米棒表面上提供一個羧酸基團。因此，抗體等蛋白分子就能在EDC/NHS交聯(lián)劑作用下連接在金納米棒表面上[36]。在金納米棒的功能化應(yīng)用中，TEBBE等[37]提出蛋白質(zhì)包覆理論。蛋白質(zhì)是一種高分子量帶電聚合物，對金納米棒能提供電空間穩(wěn)定性，同時又具有良好的 pH響應(yīng)能力[38-39]。通常，當(dāng) pH高于等電點時，蛋白質(zhì)是呈負電荷的。因此，在靜電吸引力的作用下，蛋白質(zhì)分子就能直接吸附在金納米棒的表面上。值得注意的是，由于正負電荷的中和作用，金納米棒容易發(fā)生聚集。為了避免聚集的發(fā)生，調(diào)整金納米棒與蛋白分子的最佳比值是非常重要的。在進行體內(nèi)實驗時，金納米棒的穩(wěn)定性還需要進一步驗證。

圖7 聚合物包覆玻璃基底上金納米棒示意圖[36]

目前，WANG等[40]首先用Traut’s試劑在硫醇基上連接上了抗體，抗體不但沒有失活而且特異性存在，帶有抗體的硫醇可直接通過Au—S結(jié)合在不同長徑比的金納米棒表面上。通過這種方式可以消除傳統(tǒng)的金納米棒表面改性時遇到的問題，同時也簡化了金納米棒生物功能化的復(fù)雜過程。金納米棒在進一步特異性識別抗原時，為了減少非特異性結(jié)合帶來的影響，需要加入一定量的聚乙二醇硫醇（PEG-SH）。總之，生物受體（抗體）的硫醇化為金納米棒的生物功能化提供了一個新的方法，這使金納米棒應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)的前景更光明。

4.2 生物醫(yī)學(xué)的“熒光探針”

貴金屬納米材料由于電子在價帶間躍遷，自身具有熒光特性，但熒光效率低。研究表明，金納米棒由于表面等離子體共振產(chǎn)生激發(fā)場耦合作用，因而具有較強的熒光效率。在生物學(xué)領(lǐng)域中，活體生物組織的熒光成像技術(shù)存在很多難題，比如在可見光區(qū)域，標(biāo)記分子所發(fā)出的信號會被細胞自發(fā)的熒光所掩蓋，從而很難對目標(biāo)分子進行長期熒光標(biāo)記檢測等[41]。相對于常規(guī)的熒光成像，金納米棒具有更高的亮度和對比度。目前，金納米棒作為一種熒光探針已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。金納米棒的LSPR吸收峰通過調(diào)節(jié)長徑比可以在600～1400nm區(qū)域移動，而這區(qū)域也是生物組織的最佳透過波段。孫桂敏等[42]將金納米棒經(jīng)由靜電作用非特異性標(biāo)記到HepG2人肝癌細胞表面上，在可見近紅外區(qū)域，HepG2細胞無任何吸收，而標(biāo)記的HepG2人肝癌細胞的吸收光譜顯示出金納米棒的特征吸收峰。他們進一步用熒光實驗去驗證金納米棒的作用，然后用480nm波長激發(fā)時，HepG2人肝癌細胞無任何熒光信號顯示，而受標(biāo)記細胞的熒光光譜又出現(xiàn)了金納米棒的特征熒光峰。此外，在480nm波長激發(fā)時，金納米棒標(biāo)記的HepG2細胞獲取紅色與綠色兩種熒光圖像，而未標(biāo)記的細胞則沒有顯示熒光。因為金納米棒的抗光漂白能力很強，連續(xù)用氙燈照射4h后，其熒光強度僅僅下降4%，相比于傳統(tǒng)有機染料低很多。因此，金納米棒作為熒光探針很有可能代替?zhèn)鹘y(tǒng)熒光染料應(yīng)用于細胞熒光標(biāo)記。

4.3 腫瘤細胞的檢測與光熱療法

金納米棒作為新型的標(biāo)記材料和造影劑，越來越受到人們的重視。另外，金納米棒容易被與其縱向表面等離子體共振吸收峰波長相近的近紅外光誘導(dǎo)產(chǎn)生熱量。因此金納米棒在腫瘤細胞的定位、檢測與光熱療法中將具有特殊的優(yōu)越性。PEG聚合物被廣泛應(yīng)用于金納米棒的表面改性。金納米棒通過主動靶向利用共軛聚合，如凝集素-碳水化合物、配體-受體以及抗體-抗原相互作用特異性結(jié)合腫瘤標(biāo)記物[33]?？贵w、葉酸或啡呔分子結(jié)合到金納米棒表面后，再通過特異性結(jié)合到靶向受體來過度表達腫瘤細胞。很多腫瘤細胞的表面都覆蓋著表皮生長因子受體（EFGR），EFGR為癌癥提供治療新靶點，而正常細胞就不會出現(xiàn)這種蛋白質(zhì)。2007年，EL-SAYED等[43]將金納米顆粒與抗-EFGR結(jié)合，選擇性標(biāo)記腫瘤細胞，用暗場光學(xué)顯微鏡對腫瘤細胞成像。對于可見光不容易穿透的生物組織，具有合適長徑比的金納米棒對皮下組織的癌癥治療和診斷有著明顯的優(yōu)勢，而對可見光有強吸收特性的金納米球只能對癌細胞進行選擇性破壞。由于金納米棒在近紅外區(qū)域（800～1200nm）有著較強的光吸收和光輻射能力，因此選擇與金納米棒縱向SPR吸收峰波長相近的近紅外激光作為光源，能夠誘導(dǎo)皮下深層組織的金納米棒產(chǎn)生熱量，從而使金納米棒對皮下深層組織的腫瘤細胞能同時起到診斷和光熱療法的雙重作用[44]。EL-SAYED等[45]研究出利用寡肽標(biāo)記的金納米棒進行細胞核標(biāo)記，暗場光學(xué)顯微鏡能夠明顯地把正常細胞與腫瘤細胞分開，如圖8(a)，并且利用800nm的激光照射可以選擇性致使癌細胞死亡，如圖8(b)。

圖8 金納米棒對細胞核標(biāo)記后的暗場顯微鏡和激光照射圖[45]

5 總結(jié)與展望

金納米棒獨特的表面等離子光學(xué)性質(zhì)使其在生物標(biāo)記、生物醫(yī)學(xué)、生物檢測與成像、疾病治療等領(lǐng)域有了廣泛的應(yīng)用前景。同時金納米棒在合成、表面修飾以及功能化應(yīng)用方面也有很大進步。然而，金納米棒還有兩方面需要改善。首先，金納米棒合成效率需要提高，這可能需要進一步理解金納米棒在溶液中生長的過程機制。第二，雖然已經(jīng)提出了金納米棒功能化的各種方法，但很難直接去表達功能化后的幾何形狀，從而推進金納米棒更深層次的功能化應(yīng)用。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的進步，金納米棒的研究必定會從體外到體內(nèi)，從動物實驗再到臨床方向發(fā)展。目前，金納米棒在癌癥診斷和光熱治療的研究成果越來越多，相信在不久的將來，金納米棒可以推進到臨床應(yīng)用。

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第一作者及聯(lián)系人：徐冬梅（1975—），女，博士，副教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向為化工分離工程、精細化工工藝和精細化學(xué)品、化工過程模擬與優(yōu)化、化工系統(tǒng)工程。E-mail xudongmei.cn@163.com。

中圖分類號：O 611.4

文獻標(biāo)志碼：A

文章編號：1000-6613（2016）07-2121-09

DOI：10.16085/j.issn.1000-6613.2016.07.026

收稿日期：2015-09-09；修改稿日期：2016-03-14。

基金項目：國家自然科學(xué)基金項目（21306106）。

Gold nanorods：synthesis，properties，modification and applications

XU Dongmei，LIU Jian，GAO Jun，LIU Di，LIU Xiaowei
（College of Chemical and Environmental Engineering，Shandong University of Science and Technology，Qingdao 266590，Shandong，China）

Abstract：Gold nanorods have received more and more attention due to their unique optical and electronic properties.In particular，the tunable surface plasmon resonance characteristics of gold nanorods allow them to gain wide applications in bio-labeling，imaging，bioanalysis，biomedicine，etc.This review discussed the optical properties of gold nanorods and several surface modification methods，and summarized the applications of gold nanorods in the fields of biological molecular probe，fluorescent probe，cancer diagnosis and photothermal therapy.The main issues on gold nanorods and their applications in biology are also discussed.

Key words：gold nanorods；synthetic methods；optical properties；surface modification；biological applications