唐 乾 任文生 曹洪玉 王立皓 鄭學仿

（1）大連大學，遼寧省生物有機化學重點實驗室，大連 116622；2）大連大學生命科學與技術(shù)學院，大連 116622；3）大連大學環(huán)境與化學工程學院，大連 116622）

2 000 多年前，人們就已經(jīng)開始無意識地使用納米材料。古埃及人曾在不經(jīng)意間發(fā)現(xiàn)了一種納米尺度的染料，并用來漂染頭發(fā)，其色牢度非常優(yōu)良；科學家們還發(fā)現(xiàn)現(xiàn)存于大英博物館的古羅馬萊克格斯杯的玻璃中融入了納米尺寸的金銀顆粒，能夠隨著光照變化改變顏色；中國考古學家在文物挖掘中發(fā)現(xiàn)古代銅鏡千百年后依然完好無損就是因為表面涂有一層納米尺度的氧化錫保護膜；流傳至今未褪墨的書畫也是因為使用的墨汁中存在著納米尺寸的碳。納米領(lǐng)域第一次意義上的出現(xiàn)是在20 世紀50 年代末的美國物理學會年會中，諾貝爾獎獲得者Richard Feyneman提出了一種由下至上的合成方法，并在當時所認知尺寸的基礎(chǔ)上，做出了存在“更大空間”的設(shè)想［1］。1984 年，Gleiter 教授和他的團隊［2］用原位加壓法把金屬鐵粉制成粒徑僅有6 nm 的納米級材料，這是人類首次帶有目的性地制備出了納米級材料，具有里程碑意義。

金屬納米材料與宏觀粒子所表現(xiàn)出的差異正是金屬納米顆粒魅力之所在，眾多工作者為其著迷。金屬納米材料的光學性質(zhì)取決于其材料內(nèi)部電子結(jié)構(gòu)，納米材料的量子尺寸效應（quantum-size effect，QSE）使金屬納米材料微觀結(jié)構(gòu)相對于宏觀晶體有很大不同，其光學性能產(chǎn)生了顯著變化［3-5］。這一變化主要是與金屬的表面等離子共振有關(guān)，當入射光波長大于金屬納米材料尺寸時，導帶內(nèi)的自由電子被激發(fā)，產(chǎn)生相內(nèi)振動，從而形成表面等離子共振［6-8］，更深入地研究納米材料的光學性質(zhì)有助于擴大其在現(xiàn)實生活的應用。金屬納米材料直徑減小，表面原子數(shù)增多，相當高的比表面積就會產(chǎn)生一些極為奇特的現(xiàn)象，比如由電子結(jié)構(gòu)引起的材料催化性能［9］。尤其自2007 年中國科學家閻錫蘊院士發(fā)現(xiàn)Fe3O4納米顆粒作為過氧化物酶模擬物至今［10］，大量基于納米材料的“納米酶”研究不斷涌現(xiàn)。納米金［11-12］、納米五氧化二釩顆粒［13］、納米石墨烯氧化物［14-15］、納米氧化鈰顆粒［16-18］以及金屬有機框架材料［19-21］等都已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)具有獨特的模擬酶催化活性。除在光學、催化方面表現(xiàn)的特殊性質(zhì)外，金屬納米材料在熱學［22-23］、磁學［24-25］以及動力學［26］也有著不同凡響的物理特性。金屬納米材料的使用在科技不斷突破發(fā)展的當代起到了中流砥柱的作用。

近40 年以來，納米技術(shù)開始迅猛發(fā)展，從早期摸索到現(xiàn)在應用于各行各業(yè)，從螺絲螺母到汽車飛機，從集成板半導體到新型微型芯片，從能量收集到能量儲存，納米材料的出現(xiàn)幾乎使所有工業(yè)領(lǐng)域都有了革命性變化，而新的想法和突破也正在為納米技術(shù)不斷開辟新的前景［27］。汪冰等［28］曾經(jīng)在《納米材料生物效應及其毒理學研究進展》一文中寫道，“正如微米技術(shù)是20 世紀科學技術(shù)的象征，21世紀科學技術(shù)的象征便是納米技術(shù)”，這是對納米材料、納米技術(shù)未來前景的高度肯定。目前，人類面臨著資源消耗和環(huán)境污染兩大生態(tài)問題。為了盡快解決這些問題，節(jié)約資源和發(fā)展新能源已經(jīng)成為世界各國可持續(xù)發(fā)展的大前提。納米材料推動新能源技術(shù)加快發(fā)展，而新能源的應用有效降低人類對化石能源的依賴［29］。與生物學相結(jié)合的金屬納米材料在環(huán)保和綠色方面更上一層樓，并引起人們廣泛關(guān)注。在納米技術(shù)不斷發(fā)展中，與生物領(lǐng)域創(chuàng)新性結(jié)合后，使得金屬納米材料在合成上更加簡單方便，應用上更加綠色環(huán)保，經(jīng)濟上更加節(jié)約可行。

在納米結(jié)構(gòu)和納米材料的制備上，最需要關(guān)注的點就是要克服巨大的表面能，防止因奧斯瓦爾德熟化（Ostwald ripening）或團聚作用導致所制備的金屬納米材料在尺寸上逐漸變大，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差。本文側(cè)重選擇擁有獨特結(jié)構(gòu)并能保持生理活性的生物材料，作為金屬納米材料制備過程中的還原劑、封端劑，甚至作為模板框架來更加綠色環(huán)保地避免上述問題的發(fā)生。

1 金屬納米材料的制備

1.1 金屬納米材料的一般制備方法

納米顆粒（nano particles，NPs），是指在三維空間的某一維度尺寸處在1～100 nm 之間的微小顆粒。NPs的電子結(jié)構(gòu)在某些晶面上的費米能級剛好處在體能帶結(jié)構(gòu)沿該晶向的禁帶之中［30］，使得NPs 存在小尺寸效應、表面效應、量子尺寸效應、宏觀量子隧道效應等材料特性。除此之外NPs還在光學、電學、物理學、化學、生物學上有多種顯著特性。近年來，由于其獨特的物理化學性質(zhì)——高表面積、良好的電導率、低毒性、不錯的穩(wěn)定性和生物相容性，引起了科研工作者們的興趣［31-32］。

金溶膠是金納米顆粒（Au NPs）在水溶液中存在的一種很普遍形式，其歷史可以追溯到兩千多年前。雖然合成膠體金的方法五花八門，但是由Turkevich等［33-35］早期開發(fā)的檸檬酸還原HAuCl4的合成方法到目前仍是制備金納米顆粒最基礎(chǔ)的方法，頗受大眾青睞。隨后Frens 等［36］在1973 年制備出了在10～60 nm 之間相對分散的納米顆粒。近些年來，人們對納米的尺寸有了更小的追求，通過使用硼氫化物和EDTA 還原劑可以制得5 nm 左右的納米顆粒［37］，再小者可以通過硫氰酸鈉的混合物制得，其材料尺寸大小為2～3 nm［38］。但是上述制備過程中皆會使用到例如硼氫化鈉、檸檬酸鈉、甲酸和硫氰酸鈉等有毒試劑作為還原劑，對人體以及環(huán)境造成一定危害。

銀納米顆粒（Ag NPs）由于微觀尺寸的影響，也具有特殊的物理、化學和生物學特性。這些特性使得Ag NPs 在工業(yè)、醫(yī)藥、食品上都有廣泛的應用，同時Ag NPs 特有的優(yōu)秀抗菌性能是其他納米材料所不具備的，所以在各種金屬納米材料中脫穎而出，深受廣大科研工作者喜愛［39-41］。Ag NPs 制備一般使用硝酸銀溶液作為前體，用多元醇方法［42］來制備。Sun等［43］選擇乙二醇作為還原劑和封端劑，在160℃下還原硝酸銀可大批量的制備Ag NPs，但該制備方法也不能符合當前綠色節(jié)約的化學理念。

銅是一種較為廉價的金屬，經(jīng)濟實用性比較強，同時其納米顆粒具有較低的制備成本、優(yōu)異的性能，因此被利用在各行各業(yè)，尤其是醫(yī)療制藥領(lǐng)域。銅是一種微量元素，對許多活細胞無害，且銅能參與許多代謝反應，所以銅納米顆粒（Cu NPs）在細胞膜、核酸和蛋白質(zhì)損傷時有顯著的抑菌和殺菌活性［44］。Dhas 等［45］在1998 年利用熱還原和聲化學還原兩種還原手段，在氬氣存在條件下將水中Cu(N2H3COO)2絡(luò)合物還原，持續(xù)2～3 h得到銅納米團簇。Raja 等［46］在無表面活性劑情況下使用電還原法來制備Cu NPs，獲得了Cu NPs 的精細尺寸分布，結(jié)構(gòu)也如預期那樣，但也存在少量氧化銅產(chǎn)品。這些方法在普遍性上比較適用，但在一定程度上造成資源的浪費和對環(huán)境的污染，且在操作上也有一定限制性。

目前納米材料制備爭議很大，研磨或者撞擊蝕刻法等物理方式制備納米材料需要非常復雜的操作工序以及精密儀器，不僅費時、靈敏度低且所需成本高，不能滿足日常實驗以及工業(yè)生產(chǎn)需求?；瘜W法制備納米材料需用大量還原劑甚至包含某些有毒化學試劑，不僅浪費材料，制備過程中也容易污染環(huán)境，而且這些試劑對動、植物乃至人類的生產(chǎn)生活具有一定潛在危害［47］。與生物學相結(jié)合來制備這些具有特殊性能的納米材料，成本低，減少浪費還能使制備方法更加方便簡單。在制備過程中使用含有大量活性位點和還原基團的生物活性材料替代某些有毒化學試劑作為還原劑、封端劑和穩(wěn)定劑，已經(jīng)是廣大科研工作者們的研究熱點。

1.2 金屬納米材料的生物化學制備

究其本質(zhì)，納米材料就是將金屬離子還原成零價態(tài)的金屬單質(zhì)，僅僅是在尺度上要求特殊，需要足夠小，達到納米領(lǐng)域。傳統(tǒng)化學方法在制備過程均使用一些具有還原性的有機溶劑，并且最后得到的納米材料分散性也不是很好。相反，生物材料來源廣泛、成本低廉，而且大多數(shù)擁有羥基、羧基和巰基等活性還原基團。除此之外還擁有自己的結(jié)構(gòu)骨形，使生成的納米材料更加分散，制得的納米材料具有更加出色的特性。

納米材料的生物化學制備過程，主要包括3個過程：a.孕育過程，也就是給出一個元素，讓它接下來可以生長下去；b.生長過程，讓給出的元素能夠在給定的條件下向著目標產(chǎn)物發(fā)展；c. 停止過程，讓材料長到一定程度停止下來。生物化學方法制備納米材料，會用到的充當還原劑的生物材料有植物提取物、蛋白質(zhì)、多糖以及一些病原微生物（圖1）。它們的生物活性以及濃度不同，會使所制備得到的納米材料的形貌尺寸完全不同。在制備過程中存在極大的變數(shù)，同樣也存在更多的機遇，來發(fā)現(xiàn)更多的新材料新物質(zhì)。

Fig.1 Schematic diagram of nanoparticle preparation by biological materials such as plant extracts,proteins,bacteria and fungi acting as reducing agents圖1 植物提取物、蛋白質(zhì)以及細菌真菌等生物材料充當還原劑制備納米顆粒示意圖

1.2.1 植物提取物制備

近期研究發(fā)現(xiàn)，利用植物提取物作為還原劑和穩(wěn)定劑來制備Au NPs，可減少有毒試劑的使用。Basavegowda 等［48］使用菠蘿蜜果肉進行制備Au NPs。他們將市場上購買的新鮮菠蘿蜜經(jīng)過切片粉碎離心操作后，取上清液即菠蘿蜜提取物。室溫下，在無光照環(huán)境下將制得的菠蘿蜜提取物加入到2 mmol/L的HAuCl4中，放置2 h，顏色逐漸從黃色變成深棕色，即制得Au NPs。該研究捕捉到一種經(jīng)濟可行的方式來制備納米材料，對環(huán)境及操作的要求降低了不少。不僅可用汁液多的果肉植物提取物制備納米材料，Mishra 等［49］還將當?shù)厥袌鲂迈r購買的玫瑰茄花束的葉片700 g 置于1 200 ml 水中研磨，然后二次過濾得濾液即玫瑰茄葉提取物。之后恒溫下將20 ml 1 mmol/LHAuCl4水溶液和30 ml玫瑰茄葉提取物不斷攪拌，最后純化即得均勻的Au NPs。Nadagouda 等［50］使用藍莓、黑莓、石榴以及姜黃粉提取物制備Au NPs 并進行比較，其中藍莓、黑莓、石榴提取物均為果肉提取物，與上述有所相似；而姜黃粉提取物屬于根提取物，姜黃粉提取物是通過約6.8 g 姜黃粉倒入煮沸的100 ml 蒸餾水中提取12 min 后獲得，過濾取上清液即可。取9 ml 姜黃提取液加入到10 mmol/L HAuCl4中混合，在不斷攪拌中放置一夜即制備完成。

與Au NPs 制備過程類似，也可用植物提取物作為還原劑和封端劑將硝酸銀中的Ag-還原成單質(zhì)銀。Ⅰbrahim等［51］通過香蕉皮提取物（BPE）作為還原劑和封端劑的綠色生物合成方法制備出了Ag NPs。該過程通過將香蕉皮置于蒸餾水中清洗后，在100 ml 蒸餾水中粉碎、過濾得濾液，用等體積的冷丙酮處理濾液，離心得到BPE。之后將6.8 mg干重的BPE 加入到50 ml 1 mmol/L 硝酸銀溶液中，在30℃黑暗中進行反應，以免硝酸銀被光活化。該方法成功使用了農(nóng)業(yè)廢棄物香蕉皮來制備Ag NPs，且所制備的Ag NPs 還具有良好的抗菌性能。D?ugosz 等［52］分別使用乙醇和水作溶劑，將干山楂果切碎分別在乙醇和水中提取3 h，過濾得提取液。將10 ml 提取液與30 ml 硝酸銀混合，得到濃度為100 mg/L 的提取物——硝酸銀溶液，之后滴加0.2～0.25 mol/L NaOH 溶液來活化并調(diào)節(jié)溶液pH值。所制備的Ag NPs 對黑曲霉、大腸桿菌和釀酒酵母等微生物有一定的抗菌作用。Lateef 等［53］將0.1 g 干 燥 的 山 香 草（Hyptis suaνeolens，H.suaνeolens）葉片放入10 ml 蒸餾水中，在60℃溫度下加熱1 h 后離心分離得到該提取物。然后在30℃溫度下，將40 ml 1 mmol/L AgNO3與1 ml提取物反應，合成Hs-Ag NPs（圖2）。在該研究中，所制備的Hs-Ag NPs 對于清除二苯基苦基苯肼（DPPH）和過氧化氫具有非?？捎^的結(jié)果，可用來清除環(huán)境中的自由基。

Fig.2 The biosynthesis of Hs-Ag NPs using the leaf extract of H.suaveolens［53］圖2 使用山香草葉片提取物制備納米顆粒［53］

同樣，也可將植物提取物應用到Cu NPs 的制備中。Padma 等［54］將石榴花、葉、果皮和種子的水提取物以1∶10的比例加入到1 mmol/L的硫酸銅溶液中，在室溫下反應過夜?？捎^察溶液從藍色變成棕黃色，靜置后沉淀即為Cu NPs。其研究還發(fā)現(xiàn)溶液的酸堿度對納米顆粒的形狀和大小有一定影響。并且該制備方法在作者的條件優(yōu)化下，已經(jīng)進行商業(yè)批量合成。Shende等［55］利用枸櫞汁來制備Cu NPs，省時又便宜。在室溫下先將清洗干凈成熟的枸櫞果實擠壓過濾，得到提取液。再將一定體積的枸櫞提取物加入到 100 mmol/L 的CuSO4·5H2O 溶液中，充分混合加熱至沸騰。該方法可以通過肉眼觀察就能簡單地進行初步判斷，若由藍色變成淡黃色并且存在一些棕色沉淀即為制備成功。Lee 等［56］首次使用植物皺葉木蘭（日本辛夷）的葉子提取物來生物合成穩(wěn)定的Cu NPs。取25 g 處理過的葉子放入500 ml 無菌蒸餾水燒瓶中，煮沸5 min，透析后于4℃儲存。將30 ml提取物加入到170 ml 1 mmol/L CuSO4·5H2O中，在95℃水浴中反應的轉(zhuǎn)化率最大，同時發(fā)現(xiàn)一定溫度范圍內(nèi)溫度越高，納米顆粒的尺寸越小。

Saithambi等［57］認為過渡金屬在納米顆粒制備以及應用上具有很大潛力，所以利用長春花葉提取物作為Pd2+到Pd 零價態(tài)的還原劑和穩(wěn)定劑，來合成Pd NPs。最近一些研究表明，可以使用肉桂樹片［58］、龍舌蘭果［59］以及咖啡和茶的提取物［60］而不用另外添加表面活性劑、還原劑和封端劑來大量合成Pd NPs。Goutam 等［61］利用生物柴油的原料植物麻瘋樹的葉提取物來成功合成球形TiO2NPs，并首次將綠色合成的材料用于二級廢水處理。

Nadagouda 等［62］在使用咖啡和茶的提取物制備納米粒子的同時，簡單探討了植物提取物制備納米材料的機理。他們每20 min記錄一次紫外光譜，直到2 h后完成實驗操作。在紫外光譜圖上起初并沒有發(fā)現(xiàn)特征等離子共振峰，大約20 min 左右，在460 nm出現(xiàn)峰值，并在60 min時變得非常明顯，2 h后峰強度不再變化。譜解析發(fā)現(xiàn)在340 nm處的強吸收峰為多酚化合物的吸收峰。由此可猜測，實驗中茶類的茶多酚以及咖啡里的咖啡因中含有多酚類化合物，是還原的關(guān)鍵。多酚類化合物的羥基是金屬離子被還原成零價金屬的還原劑。上述制備方法中，其還原機制大同小異，基本都是使金屬離子在不同植物提取物中被還原成單質(zhì)，其提取物的結(jié)構(gòu)中含有羥基、羧基、巰基等還原基團。當然能夠形成納米粒子，而不會堆積聚集形成宏觀單質(zhì)，是因為所使用的試劑大多數(shù)能夠充當封端劑、分散劑，使顆粒不能聚集在一起，可在納米尺度上形成一定的分散態(tài)，使其單一粒子能夠很好地保持納米尺寸體積。

1.2.2 微生物制備

微生物易培養(yǎng)、生長快，因此通過微生物制備納米材料同樣也是目前比較流行的合成方法之一。這些微生物具有獨特的生物學特性，可覆蓋在材料表面使顆粒不能聚集、更加分散，因此，這些微生物在某種程度上可以充當還原劑、穩(wěn)定劑［63］。

Gitanjal 和ChavanAshok［64］通過從番茄中分離、培養(yǎng)的真菌尖孢鐮刀菌來制備納米材料，取用葡萄糖營養(yǎng)肉湯培養(yǎng)的真菌尖孢鐮刀菌于100 ml雙蒸水中培養(yǎng)3 d，攪拌過濾得粗細胞濾液，室溫黑暗條件下以1∶1 比例加入1 mmonl/L HAuCl4溶液反應可得產(chǎn)物Au NPs。Husseiny等［65］利用營養(yǎng)瓊脂和營養(yǎng)肉湯培養(yǎng)的綠膿桿菌細胞上清液將金離子還原，從而實現(xiàn)細胞外生物合成Au NPs。

同樣可以通過培養(yǎng)細菌、真菌來制備Ag NPs，Mohammad 等［66］將細菌分離物OS4 接種在無菌培養(yǎng)基中，溫度為35℃的條件下將細菌放在pH 為7.2，500 ml 錐形瓶中生長24 h，然后通過離心培養(yǎng)基取上清液。在室溫黑暗處取2 ml 上清液加入到98 ml 1 mmol/L 硝酸銀溶液中反應，得到粗產(chǎn)品，之后經(jīng)過透析過濾等操作得到以細菌為母體，體外制得的Ag NPs。Silva 等［67］首次報道了利用食線蟲真菌穩(wěn)定的Ag NPs，通過培養(yǎng)真菌、離心過濾等操作得到真菌濾液，將真菌濾液與100 ml 1 mmol/L 硝酸銀溶液在黑暗條件下不斷攪拌，可以觀察到溶液顏色明顯發(fā)生變化，并可初步斷定制備出Ag NPs。Ballottin等［63］將PDA培養(yǎng)基中培養(yǎng)7 d 的內(nèi)生真菌A. tubingensis轉(zhuǎn)移至含有9%的NaCl 溶液中，制備懸浮液，再接種到150 ml PDB培養(yǎng)基中，在28℃下培養(yǎng)72 h，隨后過濾洗滌除去生物質(zhì)再過濾得真菌濾液。將1 ml 0.1 mol/L硝酸銀溶液加入到99 ml真菌濾液中，在25℃黑暗中反應96 h，得到Ag NPs。

Ⅴarshney 等［68-69］從電鍍廢水中提取施氏假單胞菌菌株能有效合成特定尺寸、特性的Cu NPs。首先從電鍍行業(yè)排污口附近土壤取樣，經(jīng)過一系列細菌培養(yǎng)、分離、過濾、離心等操作，得到施氏假單胞菌上層清液。將0.1 g 該上清液加入到100 ml 1 mmol/L的CuSO4水溶液中，最終形成立方體和球型的Cu NPs。Singh 等［70］先將大腸桿菌培養(yǎng)在100 ml含檸檬酸鹽的CM基本培養(yǎng)基中，28℃震蕩培養(yǎng)15 h，離心收集菌體（約30 g 濕重），將其加入到100 ml 1mmol/L CuSO4水溶液中，仍在28℃攪拌反應42 h，得到CuO NPs。Abboud等［71］第一次報道了使用海藻微生物制備出納米氧化銅。實驗用的藻類為雙源藻（Bifurcaria bifurcata），用去離子水清洗并在60℃下烘干，磨成粉。將10 g 藻類粉末加入到50 ml雙蒸水中，震蕩1 h，煮沸15 min過濾得到藻類提取物。在110℃下，將2 ml藻類提取物加入到20 ml 1 mmol/L CuSO4水溶液中持續(xù)攪拌，幾個小時后發(fā)現(xiàn)藍色逐漸變成無色再變成磚紅色，即為制備成功。Selvarajan等［72］首次使用益生菌植物乳桿菌ⅤⅠTES07生物合成ZnO NPs，形成的產(chǎn)物形貌、結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性都相當不錯。Yong等［73］還使用硫酸鹽來還原細菌脫硫孤菌NCⅠMB 8307來進一步制備Pd NPs。

Saifuddin 等［74］研究表明，混有銀離子和枯草芽孢桿菌上清液的溶液，使用微波輻射得到Ag NPs。通過紫外可見光譜發(fā)現(xiàn)，該顆粒尺寸和形態(tài)非常穩(wěn)定，在合成后的幾個月之后都沒有觀察到聚集。經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)是由于Ag NPs 上的蛋白質(zhì)覆蓋所產(chǎn)生的，而實驗中使用的枯草芽孢桿菌上清液具有非常明顯的還原酶活性。該研究者做出假設(shè)，還原酶與電子傳遞復合物［75］和其他蛋白質(zhì)結(jié)合后以一種和真菌相似的方式對銀離子進行還原并維持它的穩(wěn)定性［76-77］。

1.2.3 蛋白質(zhì)、多糖制備

蛋白質(zhì)、多糖中含有大量羥基、羧基、巰基等還原基團，是活性非常好的還原劑，并且某些蛋白質(zhì)也對納米顆粒有一定的分散作用，防止其聚集，因此也是人們喜愛的用來制備納米材料的一類試劑。

Xie 等［78］使用牛血清蛋白（BSA）設(shè)計了一種簡單的、一鍋式的綠色合成路線。該過程類似自然界中生物體的礦化，將BSA 作為一個模板或者一個框架來螯合金屬離子并對其還原。實驗過程是在37℃，將5 ml 10 mmol/L HAuCl4水溶液添加到5 ml 50 g/L BSA 溶液中，劇烈攪拌下2 min 后加入0.5 ml 1 mol/L NaOH 溶液，反應在37℃劇烈攪拌下進行12 h。最后得到的BSA-Au NCs在溶液中甚至制備成固體狀態(tài)都非常穩(wěn)定。Ravindra［79］設(shè)計使用絲氨酸蛋白酶來制備納米材料，將HAuCl4與絲氨酸蛋白酶混合，在37℃攪拌，直到獲得有色溶液，可制備得到20～200 nm 的單分散Au NPs。Garcia-Hernandez 等［80］使用溶菌酶作為模型，通過Layer-by-Layer技術(shù)形成了基于Au NPs的蛋白質(zhì)載體系統(tǒng)。Yan 等［81］利用羧酸凝膠多糖（Cc）作為還原劑和封端劑由HAuCl4制備Au NPs。Leng等［82］使用膠原蛋白將HAuCl4轉(zhuǎn)化為含水Au+，然后這些Au+被H2O2和超氧陰離子（·O2-）活化的蛋白質(zhì)還原得到高度單分散的40～100 nm 球狀的Au NPs。Piella等［83］采用一種可以通過動力學控制的種子生長方法，合成高度分散的亞納米Au NPs，通過調(diào)節(jié)反應參數(shù)，實現(xiàn)“種子”均勻生長，其尺寸能夠精準控制在3.5～10 nm之間。

馬春蕾等［84］發(fā)明了一種基于銀鏡反應制備Ag NPs 的方法，取硝酸銀加入蒸餾水使其完全溶解，逐滴滴加濃氨水配制銀氨溶液，取BSA 溶液加入銀氨溶液，靜置于水浴中并反應120 min，之后透析分離得到銀納米顆粒。Gautam等［85］通過硫醇改性的BSA 來制備銀納米材料，能夠在30 min內(nèi)完成。他們將剛制備好的5,5′-二硫代雙（2-硝基苯甲酸）（DTNB）溶液添加到BSA 溶液中，然后取上述1 g/L 修飾好的BSA 溶液［86］與不同摩爾比的硝酸銀混合，pH 保持在7.2 左右，溫度保持在25℃，在超聲輔助條件下反應5 min制備出銀納米材料。Hendler等［87］通過黏液糖蛋白作為模板制備手性銀納米顆粒。他們將1 g/L硝酸銀加入到10 g/L牛頜下黏蛋白（BSM）水溶液中，溫度保持在25℃，攪拌24 h。混合物中加入1 ml pH=10，濃度為50 mmol/L 的硼酸鹽緩沖液中，持續(xù)攪拌3 d，即可完成。Wang等［88］利用網(wǎng)狀蛋白和表面具有還原性基團的優(yōu)勢，選擇雞蛋殼膜作為模板和還原劑，通過超簡單的方法由高錳酸鉀合成MnO2納米粒子。

Ma 等［89］根據(jù)之前的報道進行了一些修改，以BSA 作為生物模板合成銅納米團簇（Cu NCs）。將1 ml 20 mmol/L Cu(NO3)2滴加到5 ml 15 g/L BSA中，攪拌中加入1 ml 0.1 mol/L NaOH 溶液，溶液變成紫色，再將混合物放入55℃水中水浴24 h，得到棕色溶液，接下來在去離子水中透析48 h，于4℃儲存。Zain 等［90］將40 ml 30 mmol/L 硝酸銅溶液與40 ml 2%(w/ν)殼聚糖溶液以及4 ml 10%(w/ν)抗壞血酸溶液混合，在微波爐中用800 W功率加熱4 min。實驗表明，伴隨著殼聚糖濃度的增加，銅納米顆粒顏色從淺粉色變?yōu)樯罴t色。其中抗壞血酸是作為還原劑還原Cu2+，殼聚糖作為模板來控制最后制備的納米材料尺寸以及防止聚集提高分散性。

2 金屬納米材料在生物醫(yī)學上的應用

2.1 光熱治療及生物成像

現(xiàn)如今，醫(yī)學界眾多讓人束手無策的疾病，并不是沒有治療的藥物，而是缺乏藥物輸送的途徑。光熱治療是一種利用金屬納米材料的光學性能，在激光照射時，金屬納米材料會吸收光子，將能量轉(zhuǎn)化成晶格振動能量，能量以熱的形式散發(fā)出來，從而使金屬納米材料周圍的溫度升高，來達到一定治療功效的現(xiàn)代化治療手段［91］。由于腫瘤細胞對溫度敏感，達到一定溫度就可以破壞腫瘤［92］，所以金屬納米材料將光能轉(zhuǎn)化成熱能，通過加熱目標靶點的部位，就可以殺死腫瘤細胞。作為一種新興的微創(chuàng)甚至是無創(chuàng)治療方式，不需要負載藥物的光熱治療已被應用到腫瘤治療領(lǐng)域。在光熱治療的同時，金屬基本上都會存在一定的表面增強拉曼散射（SERS），因為金屬的表面等離子共振效應會使得該分子的拉曼散射得到顯著增強，增強成像信號并能降低輸入能量，所以一般光熱治療的同時可以使用生物成像。

金納米材料由于其優(yōu)秀的等離子共振效應而備受關(guān)注，Song等［93］通過抗壞血酸以及表面活性劑將HAuCl4中Au3+離子制備成金納米星（Au NSs），之后將各種氨基酸結(jié)合在Au NSs 上來實現(xiàn)靶向SERS 成像和光激發(fā)等離子體光熱療法（PPTT）。實驗表明，多功能Au NSs 在近紅外兩個波段NⅠR-Ⅰ （785 nm）和NⅠR-Ⅱ（1 064 nm）的激光激發(fā)下，溫度升高從而對A549 細胞（肺癌人類肺泡上皮細胞）有很強的殺傷作用。Sasidharan等［94］使用BSA 穩(wěn)定后的Au NSs，在近紅外區(qū)域（795 nm左右）有顯著的高溫活性以及優(yōu)異的計算機斷層掃描（CT）成像。實驗對正常細胞、癌細胞和紅細胞進行了相容性分析，結(jié)果表明沒有產(chǎn)生任何活性氧，并且對癌細胞有著明顯的光熱細胞毒性。Maltzahn 等［95］制備的金納米棒，具有吸光能力強、光熱轉(zhuǎn)換效率高的優(yōu)勢。先將材料通過靜脈注射，再通過CT來檢測激光照射后腫瘤部位的溫度變化，最后發(fā)現(xiàn)腫瘤細胞減少，治療效果很顯著。Lee等［96］通過BSA穩(wěn)定傳統(tǒng)制備的Au納米顆粒后，還原加入的硝酸銀溶液，得到鍍銀的金納米材料，之后在該納米材料表面標記抗體anti-PLCγ1得到可以用于細胞SERS成像的納米探針。該探針的成像可以清楚地區(qū)分癌細胞和正常細胞，使得癌癥早期的發(fā)現(xiàn)更加容易。

2.2 抑菌及康復治愈

眾所周知，病毒、細菌等微生物在不斷產(chǎn)生抗藥性，傳統(tǒng)抗生素類殺菌藥物已經(jīng)漸漸失去往日的能效。金屬及其離子有一定的抗菌性，其納米顆粒很大程度上放大了這個特性。抗菌納米材料作為新興科學技術(shù)，已經(jīng)在生物醫(yī)學領(lǐng)域發(fā)展相當迅速。

Ag NPs 被認為是新世紀最有潛力的新型抗微生物試劑［97］。銀納米粒子抗菌性能最強的地方在于非常容易與細菌的細胞膜相互作用，破壞細胞膜，從而導致細菌受到損傷，正常的生理功能受到影響。D?ugosz 等［52］利用山楂提取物制備了Ag NPs，濃度低于100 mg/L 的Ag NPs 對病源微生物菌黑曲霉素（A.niger）、大腸桿菌（E.coli）和釀酒酵母菌（S. cereνisiae）都有一定的抗菌作用并且對它們的抗菌活性大致相似，其生長抑制率最高達到了79%。Ping等［98］通過還原附著在Fe3O4納米顆粒表面的硝酸銀制備出的Ag NPs 具有抑菌和順磁兩種功能。除了對大腸桿菌、表皮葡萄球菌和枯草芽孢桿菌表現(xiàn)出良好的抗菌性能外，還可以使用磁場有效分離富集該Ag NPs，不僅能避免對環(huán)境的污染，還可以增加樣品的回收率，進而達到重復使用的目的。Ag NPs 與含硫酶如乙酰絲氨酸巰基酶（CysK）的相互作用改變并破壞了病菌的細胞壁形態(tài)從而達到抗菌目的［99］。Naimi-Shamel等［100］制備了與四環(huán)素結(jié)合的Au NPs，并在研究中發(fā)現(xiàn)金黃色葡萄球菌和蠟樣芽胞桿菌等革蘭氏陽性菌比革蘭氏陰性菌與Au NPs 的作用更敏感，抑菌效果更好。與鏈霉素、慶大霉素、新霉素、氨芐青霉素、卡那霉素和萬古霉素結(jié)合的Au NPs 也同樣顯示出抗菌效果的增強。總之，與四環(huán)素結(jié)合的Au NPs可能是四環(huán)素及其衍生物治療耐多藥感染的一種新的解決方案。Akintelu等［101］提出了Au NPs的抗菌性能與該顆粒的形狀和大小有著密切的聯(lián)系，尺寸小于10 nm 的Au NPs 通過釋放電子增強其反應性，能與細菌產(chǎn)生良好的相互作用從而起到一定的抗菌性能。Padil 等［102］制備了一種新型抗菌材料Cu NPs修飾的蛭石。蛭石-金屬納米銅雜化材料在37℃對金黃色葡萄球菌表現(xiàn)出很強的抗菌活性，以至于可以拓寬和重新評估蛭石在塑料、紡織品和其他需要抗菌性能的產(chǎn)品中的應用。Tahvilian等［103］利用蔥屬植物的提取物制備Cu NPs，經(jīng)過一系列實驗證明，該納米材料在18 g/L濃度下抑制所有細菌生長，在14 g/L 濃度下阻止所有真菌生長。

傷口愈合是指皮膚等組織受到破壞后各種組織的再生、增生，這個過程中所避免不了的問題就是對傷口的殺菌，防止感染。研究人員們開始著手設(shè)計和開發(fā)納米材料，特別是金屬納米材料，作為治療包括傷口愈合等各種病理的候選物［104］。在傷口敷料上，新設(shè)計的Ag NPs 敷料為傷口的治療和預防感染提供了一個重大突破。銀納米敷料濃度、輔料中的分布及其物理和化學存在形式的不同都會使其對不同傷口有不同作用，因此Ag NPs 可被用來制備成各種不同種類的制劑［105］。Zhang 等［106］開發(fā)了一種添加甘油（glycerol）的BSA 纖維膜，通過浸泡原位還原Ag+來合成G-BSA-Ag 薄膜。該材料擁有銀納米材料的抗菌性能，BSA 的生物相容性和甘油的潤滑性，是應對細菌感染傷口不錯的敷料。Chen 等［107］研究發(fā)現(xiàn)，銀納米材料和光敏劑酞菁鋅會產(chǎn)生雙向促進，一方面納米銀會進一步促進酞菁鋅產(chǎn)生更多的活性氧自由基，另一方面光敏劑會氧化納米銀來提供更多的Ag+得到更好的抑菌效果。他們將二者結(jié)合并附著在紡布上來作為傷口愈合的敷料，在小鼠實驗中發(fā)現(xiàn)比一般藥劑對于傷口愈合要快得多（圖3）。Zangeneh 等［108］使用甜菜（Falcaria νulgaris）制備的Cu NPs，并發(fā)現(xiàn)其在皮膚傷口愈合方面具有一定的醫(yī)療效益。在受損皮膚傷口上涂抹Cu NPs 軟膏10 d 后，傷口面積、總細胞以及血管等方面相比于沒有涂抹的傷口來說有了很大改善。Tian 等［109］使用動物模型研究了Ag NPs 在傷口愈合中是怎樣提供治療方式和恢復效率的，發(fā)現(xiàn)銀納米材料對傷口恢復有加速作用，同時其對美化外觀也有一定的效果。在傷口敷料上，新設(shè)計的Ag NPs 敷料為傷口的治療和預防感染提供了一個重大突破。Durán等［110］使用Ag NPs對棉織物進行摻雜，發(fā)現(xiàn)Ag NPs 可以用來轉(zhuǎn)化無菌織物，使用掃描電鏡能譜儀在未添加Ag NPs 的棉纖維中發(fā)現(xiàn)了細菌污染物的存在，而經(jīng)過Ag NPs處理的棉纖維卻并未滋生細菌。

Fig.3 The effect of the composite product of nano-silver on the therapeutic effect of wounds in mice［107］圖3 銀納米顆粒的復合產(chǎn)物（Ag NPs/PS/Fabric）對小鼠的傷口自愈效果的影響［107］

2.3 生物傳感器及生物檢測

金屬納米材料的某些特性，可作為識別某些生物化學信號，再轉(zhuǎn)化并放大成為儀器可識別的光電信號來監(jiān)測某些物質(zhì)變化的一種媒介。金屬納米生物傳感器相比于傳統(tǒng)的機械芯片靈敏度高，在醫(yī)學檢測方面具有很大應用前景。生物傳感器由于制備簡單、快速、高效、較強的斯托克斯位移（Stokes shifting）和低生物毒性，近十年來被廣泛開發(fā)，尤其是作為一種無標記檢測方式，在多種分析技術(shù)中占據(jù)優(yōu)勢。

自從Rotaru 等［111］首次報道了利用DNA 作為模板來制備DNA-Cu NPs后，這種新興納米材料的熒光特性就被用來構(gòu)建生物傳感器。Qing等［112］闡述了以DNA為模板制備Cu NPs的生物傳感檢測的4 種方向：基于反應性淬滅劑的信號傳導［113-114］；基于模板長度調(diào)節(jié)的信號傳導［115-116］；基于模板數(shù)量調(diào)節(jié)的信號傳導［117-118］和基于微環(huán)境調(diào)節(jié)的信號傳導［119-120］。Pd納米材料在汽車尾氣處理、燃料電池催化電極、儲氫材料及各類有機無機化學催化等領(lǐng)域也擁有廣泛應用［121］。Wang 等［88］研究表明，利用雞蛋殼膜所制備的MnO2納米顆粒可以用于鹽酸四環(huán)素檢測和去污，在一定緩沖條件下60 min后的去除效率為83.10%。Hirsch等［122］制造了金納米殼，該納米殼由直徑為96 nm 核和22 nm 殼包圍，并用它們在稀血清中進行距離依賴性免疫測定。同時他們描述了一種使用金納米殼、分層的電介質(zhì)-金屬納米粒子，從而不需要任何樣品制備就能檢測復雜生物介質(zhì)中分析物的快速免疫測定方法。Lopes 等［123］通過使用多糖提取物菠蘿膠（PG）的綠色生物合成方法制備了Au NPs，所制備的AuNPs-PG可作為電極改性劑，從而可成為一個敏感的電化學傳感器用來測定抗組胺藥鹽酸異丙嗪。Chen等［124］研究了不同Ag/BSA比例BSA-Ag NPc的熒光特性，開發(fā)了一種檢測H2O2的熒光信號方法。BSA-Ag NPc 在635 nm 處顯示紅色熒光發(fā)射，在H2O2的存在下，其熒光信號值被加強了數(shù)倍，靈敏性極高并且操作簡單、制備容易。由于葡萄糖氧化酶可以氧化葡萄糖產(chǎn)生H2O2，因此該系統(tǒng)也能用于檢測葡萄糖。由此看來，該方法可以擴展到各種與H2O2相關(guān)酶催化體系的其他底物檢測。Goswami等［125］使用一鍋法以蛋白質(zhì)作為模板制備穩(wěn)定的Cu QCs，在325 nm和410 nm處有激發(fā)和發(fā)射的最大值，具有藍色熒光。在存在其他干擾離子的情況下，它也可以選擇性地并且非常靈敏地檢測百萬分之一濃度的劇毒Pb2+離子，是一種非常優(yōu)秀的生物檢測劑。

3 結(jié)論與展望

納米材料與生物學相結(jié)合，是目前響應時代綠色環(huán)保號召的重要方向，也是目前非常有潛力的一個領(lǐng)域。走生物化學合成路線，可以減少有毒試劑的使用，減少還原劑、封端劑、穩(wěn)定劑的資源浪費，可以不需要苛刻的反應條件，最后所得到的副產(chǎn)物或者廢品相對于環(huán)境來說污染更小甚至沒有污染，更加方便進行處理、回收［126］。金屬納米材料中貴金屬的性能表現(xiàn)尤為突出，也是廣大科研工作者非常青睞的一個方向。金納米顆粒除了金元素本身的價值之外，還因為它的穩(wěn)定性，不易被氧化而被人們看重，是科研工作者們研究的熱門領(lǐng)域。在未來與生物學相結(jié)合，必定能夠擁有新的發(fā)展前景。銀納米顆粒是迄今為止報道最多的金屬納米顆粒，因為它的抗菌性能是其他金屬納米顆粒所不能與之媲美的，在今后發(fā)展中，更簡易的綠色合成制備方法會使銀納米顆粒在醫(yī)學、制藥方面的應用更加廣泛、體系更加完善。通過簡易的生物合成制備方法獲得銅和其他金屬及其氧化物納米材料也會對醫(yī)學發(fā)展、生活質(zhì)量有進一步的提升。

金屬納米材料被廣泛應用于細菌素偶聯(lián)或修飾，以增加細菌素活性或減少其在生物醫(yī)學應用方面的問題。因此，細菌素與納米材料的結(jié)合已成為一種很有發(fā)展前景的分子，可應用于各種生物醫(yī)學領(lǐng)域［127］。有些超微金屬納米材料的尺寸甚至比血液中紅細胞還小，以至于它可以在血液中自由穿梭，這就為檢測和治療某些疾病提供了非常不錯的手段［128］。如果就此借助其功效，制作出具有一定生理功效的金屬納米材料，定會對當今醫(yī)學上的疑難雜癥如癌癥、艾滋病以及血栓等疾病的治療有一定的突破性進展。使用生物材料制備的金屬納米材料能夠?qū)ΜF(xiàn)存的醫(yī)療手段進行完善和補充，能夠便捷有效地完成醫(yī)療目標。所以說，在醫(yī)療科技發(fā)展上，金屬納米材料有著直接或者間接不可小覷的發(fā)展前景。

目前來說，宏觀金屬晶體已經(jīng)在工業(yè)上如火如荼地使用，達到了一定的工業(yè)水平高度。正如生物學上所講的“抗藥性”，路遙知馬力，其不完備之處會漸漸顯露，金屬納米材料的生物化學制備會給未來納米和生物學領(lǐng)域帶來更多的交叉，會有更多跨學科工作者對其現(xiàn)存挑戰(zhàn)來進行努力工作，并且在未來的醫(yī)療領(lǐng)域定會有金屬納米材料不可或缺的身影，所以，在利用生物材料制備的金屬納米材料未來會在各個領(lǐng)域發(fā)光發(fā)熱，大放異彩。