纳米金：一种功能广泛的生物医学研究与应用工具

纳米金也叫金纳米粒子。这些纳米粒子大约是人头发的千分之一的尺寸大小。纳米金非常小，通常它们以溶胶状态存在，也就意味着金纳米粒子可以悬浮在液体中。因此，金纳米粒子也被称为金溶胶或胶体金。

纳米金并不是我们大家所熟悉的黄金首饰的金黄色。金溶胶通常显示出透明红色、蓝色、紫红色的状态，这主要是由纳米金的纳米尺寸效应和表面等离子共振特性所决定的。

纳米尺寸效应

当固体晶体材料缩减到纳米尺度时就会展现出和块体结构不一样的性质。超顺磁性的Fe3O4以及纳米金就是很好的例子。大块的Fe3O4是亚铁磁性的，但是纳米尺寸的Fe3O4是超顺磁性的，也就意味着当存在磁场时纳米Fe3O4表现出磁性，当移去磁场时其磁性消失，这导致超顺磁性Fe3O4 对于磁场的变化非常敏感并且响应很快。而不同尺寸和形状的纳米金可与波长范围400-1200 nm）的可见光及近红外光发生相互作用，并且导致表面等离子共振吸收或散射，从而使得纳米金表现出独特的光学特性。例如，40nm的纳米金修饰抗体后可用于免疫层析试纸条的构建，这也是最早应用于临床的POCT技术；10nm的纳米金修饰特异性单抗构建纳米探针，可用于免疫电镜中对细胞表面的抗原进行标记和定位；金标银染技术也广泛用于免疫检测或核酸检测中的信号放大。

表面等离子共振（SPR）

通常来说，表面等离子共振（SPR)有两种形式，如图1所示，传播的等离子体及局域化的表面等离子体。当入射光与光滑金属表面相接触时会激发出金属表面的电子波，电子波会在金属表面传递，并与光耦合，这种现象被称为表面等离子极化（SPP）。当光与金属纳米粒子相互作用时会产生局域表面等离子共振（LSPR），这主要是由于金属纳米粒子费米能级附近导带上的自由电子在入射光频电场的驱动下在金属表面发生集体振荡，产生局域表面等离激元。当入射光的频率正好与自由电子的固有振动频率相同时，则发生共振，即局域表面等离子体共振（LSPR）。此时，电磁场的能量被有效地转变为金属表面自由电子的集体振动能。LSPR的激发会产生三种效果：（1）纳米粒子表面局域电磁场的增强从而引起表面增强光谱，例如表面增强拉曼散射（SERS），表面增强红外，表面增强荧光等；（2）波长选择性吸收；（3）共振瑞利散射。LSRP与金属的形状、大小、尺寸以及介电环境有关。因此，当光照射金纳米粒子时，一部分的光被吸收，一部分穿透，还剩余一部分发生散射。溶胶的颜色与纳米粒子的尺寸有关，其吸收光谱随尺寸增加而发生红移。另外，纳米粒子的聚集会导致颜色变化，通常来说这些变化依靠眼睛的灵敏度便可以辨识，同时也很容易被光谱仪器所检测到。这一性质使得金纳米粒子可以作为现代诊断很有用的一个工具。例如，在两份纳米金表面分别修饰不同的单链核酸构建探针，当分析物中存在共同的互补序列核酸时，则会诱导探针发生杂交并聚集，从而发生颜色改变，这一性质可用于发展生物检测方法。

图1. 入射光激发出光滑金膜的表面等离子极化（SPP）和金纳米粒子表面局域等离子共振（LSPR）示意图【1】

纳米金的形状

纳米金可以被化学制备成不同的形状，包括纳米球、纳米棒、纳米锥、纳米壳、纳米三角片、纳米星、八面体、立方体以及纳米笼等。有时纳米金可以包裹在SiO2硅纳米粒子核上形成金壳，有些时候，在金纳米粒子表面可以包裹银。不同形状的纳米金会产生不同的光学性质，而根据不同的下游应用，需要对这些不同形状纳米金进行选择。例如金纳米棒具有依赖于长径比可调的纵向表面等离子体共振吸收，金纳米壳具有依赖于壳层厚度可调表面等离子体共振吸收，当选择具有近红外吸收的金纳米棒或纳米壳时，可以构建用于光声成像与肿瘤热疗的多功能纳米材料；金纳米笼可负载药物，并且具有近红外吸收，可以构建具有热化疗协同治疗功能的纳米材料；包覆介孔SiO2纳米壳层的金纳米棒同样可以载药并联合热疗与光声成像，从而构建具有诊疗一体化功能的医用纳米材料。

图2. 各种形状的金纳米粒子

表面等离子共振生物传感器

纳米金蒸镀在光滑玻璃表面可用作表面等离子共振生物传感器的芯片。表面等离子共振生物传感器通常用于无标记检测各种生物分子如抗体-抗原，多肽、蛋白质、寡核苷酸、寡聚糖，以及病毒、细菌、细胞、小分子化合物之间的相互作用过程。以抗体抗原结合检测为例，抗体通常会固定在一个纳米金传感器芯片上，当偏振光通过某一角度进入棱镜时会在棱镜和金膜表面发生全内反射现象，所形成的消逝波进入光疏介质（金膜）中，并与金膜在光作用下产生的表面等离子波发生共振，此时检测到的反射光强会大幅度减弱。这时光的入射角被称为SPR角，SPR角随着金膜表面折射率的变化而变化。因此当抗原和抗体结合时，折射率会发生变化，SPR角也会发生变化。因此表面等离子共振生物传感器的SPR角变化可以动态地获取生物分子之间特异性的相互作用。

图3. 表面等离子共振生物传感器检测抗体抗原相互作用的示意图【2】

【1】 Liang Z.Q., Sun J., Jiang Y.Y., Jiang L. Chen X. D., Plasmonic Enhanced Optoelectronic Devices, Plasmonics, 2014, 9, 869-866.

【2】 http://www.rci.rutgers.edu/~longhu/Biacore/