金納米星形態合成：微小變化如何影響"星"的產生？

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文|青玥星蔓

編輯|青玥星蔓

前言

金納米粒子因其簡單的合成方法、催化作用、生物相容性、大表面積以及光學和熱特性而成為生物傳感領域的首選材料。金納米星作為一種有着廣闊前景的形態，因其突出的臂結構增強了等離子體貢獻和避雷針效應，從而使其在生物傳感中具有最高的增強效果。

通過調控金納米星的臂密度和長度，可以改變其表面等離子體共振效應，而不改變整體尺寸。過去的研究表明，金納米星的等離子體共振會隨着生物識別事件的發生而發生變化，這為其在生物傳感領域應用提供了潛在價值。

HEPES作為綠色合成金納米星的形態導向劑的研究現狀

儘管金納米星具有廣泛的應用前景，但在合成方面仍存在一些需要注意的因素。目前仍然缺乏能夠確保可重複合成單分散金納米星，且具有目標形態產量、明確特性和潛在放大性的控制方法。由於這些限制，人們對金納米星的研究興趣已經下降。

需要繼續進行實驗和理論研究，以深入了解這些納米粒子的基本行為。除了形態方面的挑戰外，試劑的毒性也是一個問題，因為大多數記錄的合成方法使用對環境和生物有害的試劑。人們開始尋找替代的「綠色」合成方法，例如使用HEPES等緩衝液。

金納米星的合成方法可以分為兩類：有籽方法和無籽方法。有籽方法使用金納米粒子種子來引導分支生長，但這些方法需要多個步驟，可能導致較大的批次差異。

無籽方法使用更少的步驟和試劑，合成後的納米星純化也相對簡單，但由於反應參數的不精確性，大多數樣品具有較高的多分散性。

在無籽方法中，HEPES是一種常用的緩衝劑，被廣泛應用於金納米星的合成。使用HEPES作為形態導向劑可以產生更多支鏈金納米星，減少合成後的純化複雜性，並提高顆粒的穩定性，同時具有潛在的可擴展性。由於HEPES對細胞膜的滲透性較低，在細胞培養中也得到廣泛應用。

自從報道使用HEPES合成膠體金納米星以來，這種方法已經被應用於許多其他無籽方法，並進行了各種修改和改進。

最近的研究還報道了一種使用HEPES和HAuCl4的兩步法，來促進金納米星的生長和分支長度。在無籽方法中，尚未報道通過控制形態均勻性來微調金納米星的光學性質。

提出了一種簡單、一鍋式的銀輔助綠色合成無核金納米星的方法。在這個方法中，硝酸銀作為額外的形態導向劑，與HEPES協同作用，產生更多單分散的多支鏈金納米星。這種合成方法具有較少的步驟和試劑，並且使用毒性最小的試劑，使其更加環保和可持續。

還對合成的金納米星進行了穩定性研究，以探索其在主要應用於生物測定的環境條件下的表現。這樣的研究可以為金納米星在生物傳感工作中的潛在應用提供重要的參考和指導。

製備HEPES緩衝液及添加氯化金(III)水合物

該研究提出了一種簡單高效的方法合成無核金納米星，並通過控制形態均勻性來微調其光學性質。這種方法具有廣泛的應用前景，特別是在生物傳感領域，為開發更好的生物傳感器和生物成像技術提供了新的可能性。這種方法也為綠色、環保的納米材料合成提供了一種新途徑。

無籽納米星是按照Xie等人的方法合成的。簡單來說，首先將3 ml超純水(Millipore，18.2 MΩ(ddH2O))加入到2 ml 100 mM HEPES緩衝液(pH 7.4)中，然後加入20 µl 50 mM 氯化金(III)水合物水溶液。將溶液輕輕翻轉混合後，在室溫下靜置約30分鐘，此時溶液變成藍綠色。

隨後將600 µl 25 mM PVP 10000 添加到溶液中，再次輕輕混合後在室溫下靜置過夜。將溶液在2170 g下離心50分鐘，然後洗滌軟沉澱並用ddH2O重懸。

選擇使用HEPES緩衝液是基於另一篇文獻的發現，結果表明與聚乙烯吡咯烷酮(PVP)和CTAB相比，聚乙二醇(PEG)不是一個良好的穩定劑。選擇了PVP，因為與CTAB相比，它是較低毒性的試劑。

該研究所採用的無籽合成方法具有簡單、高效的特點，且使用的試劑較少且毒性較小。通過控制HEPES和PVP的濃度，成功合成了形態均勻的金納米星。

這些合成的納米星具有潛在的應用前景，特別是在生物傳感領域，例如作為生物傳感器和生物成像技術中的材料。這種無核合成方法也符合綠色環保的理念，有助於推進可持續發展和環境友好型納米材料的合成。

銀輔助納米星也是根據上述無核方法合成的，但添加了1 mM 硝酸銀水溶液。在添加氯化金(III)水合物後，立即分別加入了2、4、6、8和10µl的硝酸銀溶液，並輕輕顛倒混合。根據納米星的形貌，選擇了4µl的+Ag樣品用於後續實驗，其中同樣添加了PVP。

使用Tecnai F20高分辨率透射電子顯微鏡 (HR-TEM) 和能量色散X射線光譜(EDS)來測定未塗覆納米星的直徑、形態和元素組成。樣品製備是將納米星點在銅網上並使其乾燥。使用ImageJ軟件對TEM圖像進行顆粒分佈分析。

動態光散射(DLS)用於估計PVP封端的納米星的流體動力學直徑，因為這將是納米星在溶液中的尺寸。DLS是在Zetasizer Nano (Malvern)上以反向散射模式進行的，使用Zetasizer版本6.20軟件和帶塞聚苯乙烯比色皿以限制灰塵污染。

銀輔助綠色合成無核金納米星的優勢和特點

通過核磁共振(NMR)光譜匹配清洗納米星的光譜與PVP標準品的光譜，證明了納米星成功地進行了PVP封端。NMR在Bruker Avance III HD NMR波譜儀上以500 MHz進行，配備三重共振逆 (TXI) 1H (15N, 13C)探頭。

使用瓊脂糖凝膠電泳評估了加帽的充分性表面負電荷和有限聚集的情況，使用0.5%瓊脂糖和0.5×三硼酸EDTA緩衝液(TBE緩衝液)在pH 8下進行電泳。將8µl納米星樣品與4µl的50%甘油混合後在40V下運行約30分鐘。

研究了不同環境條件對納米星穩定性的影響，將納米星暴露在不同的溶液中。將150 mM NaCl溶液以及含有和不含有10%胎牛血清的細胞培養基以1:1的比例加入到96孔微孔板中的納米星溶液中，並通過移液混合。

在合成過程中，當硝酸銀加入到溶液中時，納米星的顏色隨着硝酸銀濃度的增加而發生了變化，從最初的綠藍色 (0 µl) 變為灰色 (2 µl)、藍色 (4 µl)、深藍色 (6 µl)、藍紫色 (8 µl)和紫色 (10 µl)。

光譜顯示，隨着硝酸銀濃度的增加，納米星的吸收光譜發生了藍移。在合成的 4 µl +Ag 樣品中，平均波長為654 nm ± 5 nm，平均流體動力學直徑為51.36 nm ± 0.70 nm，表明其為金納米星。

納米星的形貌通過高分辨率透射電子顯微鏡進行觀察，使用2 µl 硝酸銀溶液合成的納米星與無硝酸銀的納米星形貌相似，而用6、8和10 µl 硝酸銀合成的納米星逐漸變得更加球形。

進一步的分析顯示，使用4 µl 硝酸銀溶液合成的 +Ag 納米星具有更好的單分散性，其直徑約為37±2nm，而無硝酸銀的納米星的半峰全寬 (FWHM) 為96 nm。從TEM圖像中進一步分析了納米星的形貌。硝酸銀的添加對納米星的形態和單分散性產生了明顯影響。

根據的分析，-Ag納米星的形態不均勻，容易團聚，主要呈現四臂納米星的形態。添加4 µl硝酸銀溶液有助於納米星分支的各向異性生長，將其異質性改變為更均勻的多分支形態。大約有14個臂的納米星，其中10個臂突出在納米星周圍，而另外4個臂向外突出。

觀察到的100個納米星中，約65%是14臂納米星，其餘的則更加球形，帶有一些短的突出臂。與此相比，+Ag納米星的形態更均勻，因為其臂的數量範圍在1-8個之間。

+Ag納米星的尺寸較小，約為46 nm ± 3 nm。晶格生長沿<111>方向，晶格間距為0.233 nm，屬於塊狀金範圍。元素成分主要由金 (79.4%) 和銅 (20.6%) 組成，其中銅來自分析過程中使用的銅網格。

儘管EDS分析未檢測到銀元素，但銀在HEPES的作用下有助於更多地破壞金納米星的晶格，從而產生比-Ag納米星更均勻的分支形態。

在+Ag納米星的光譜中，觀察到525 nm處的肩峰可能歸因於大球形顆粒的存在或取決於各向異性納米星的核心尺寸的橫向局域表面等離子體共振。主峰對應於納米星的長軸，肩峰對應於短軸尖端。

與之前發現的其他無籽HEPES合成的納米星相比，這些新納米星在形態和合成方面有所不同。之前的研究中，韋伯等人使用了類似Xie等人的方法合成納米星，但HEPES的濃度、pH以及HAuCl4濃度不同，導致產生了數量有限且形態異質的多分支納米星。

在後續研究中，通過改變HEPES濃度合成了更多同態的分支納米星，其核心較大且臂較短。劉等人則通過控制HEPES濃度和溶液溫度合成了具有四個長支臂的納米星。更長的臂和分支密度導致對形態變化更敏感的響應，這對生物傳感器來說是理想的特性。

在其他研究中，Chen等人通過向HEPES中添加表面活性劑CTAB、PVP和PEG合成了具有不同形態的納米星，包括球形、三角形和三臂星形。

而米納蒂等人則使用無籽方法用羥胺和HAuCl4合成納米星，但形成的納米星具有大的核心和極短的臂。阿勞霍-查韋斯等人則通過向HEPES中添加磷酸鹽緩衝鹽水合成了複雜的顆粒聚集體，該聚集體同樣具有大的核心和極短的臂。

這些新合成的納米星通過簡單添加AgNO3產生了具有更均勻臂的金納米星，並且其長度足以用於酶和抗體的附着。

一旦用PVP封端，與瓊脂糖凝膠電泳期間未封端的+Ag對照相比，-Ag和+Ag均遷移到陰極。NMR光譜匹配表明洗滌後的樣品中存在PVP。

這些結果表明納米星有足夠的PVP封端，有助於離心和儲存的穩定性。HEPES還可以充當封端劑，這在中得到證實，因為多次洗滌後HEPES仍然存在。這對於這些納米星的未來應用並不重要，因為它們將與其他感興趣的化合物一起進行功能化。

結論

當展示了更好的控制方法，可以更均勻地生產金納米星的不同形態時，發現微小的合成方法變化對最終產物的形態有着巨大的影響。這表明金納米星的合成需要深入研究，以闡明影響合成參數的機制和因素。

通過添加硝酸銀顯著增強了 HEPES 介導的無核納米星合成方法，使得納米星的形態和單分散性得到了明顯改善。這種一鍋法合成的金納米星直徑約為37±2納米，具有多支鏈結構，且非常均一。

它們在補充的細胞培養基、氯化鈉和較寬的pH範圍內也很穩定。這種綠色合成方法簡單可行且可重複。由於長期使用的安全性，這對於金納米星作為生物傳感器製造中的支架非常具有吸引力。