金纳米星形态合成：微小变化如何影响"星"的产生？

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文|青玥星蔓

编辑|青玥星蔓

前言

金纳米粒子因其简单的合成方法、催化作用、生物相容性、大表面积以及光学和热特性而成为生物传感领域的首选材料。金纳米星作为一种有着广阔前景的形态，因其突出的臂结构增强了等离子体贡献和避雷针效应，从而使其在生物传感中具有最高的增强效果。

通过调控金纳米星的臂密度和长度，可以改变其表面等离子体共振效应，而不改变整体尺寸。过去的研究表明，金纳米星的等离子体共振会随着生物识别事件的发生而发生变化，这为其在生物传感领域应用提供了潜在价值。

HEPES作为绿色合成金纳米星的形态导向剂的研究现状

尽管金纳米星具有广泛的应用前景，但在合成方面仍存在一些需要注意的因素。目前仍然缺乏能够确保可重复合成单分散金纳米星，且具有目标形态产量、明确特性和潜在放大性的控制方法。由于这些限制，人们对金纳米星的研究兴趣已经下降。

需要继续进行实验和理论研究，以深入了解这些纳米粒子的基本行为。除了形态方面的挑战外，试剂的毒性也是一个问题，因为大多数记录的合成方法使用对环境和生物有害的试剂。人们开始寻找替代的“绿色”合成方法，例如使用HEPES等缓冲液。

金纳米星的合成方法可以分为两类：有籽方法和无籽方法。有籽方法使用金纳米粒子种子来引导分支生长，但这些方法需要多个步骤，可能导致较大的批次差异。

无籽方法使用更少的步骤和试剂，合成后的纳米星纯化也相对简单，但由于反应参数的不精确性，大多数样品具有较高的多分散性。

在无籽方法中，HEPES是一种常用的缓冲剂，被广泛应用于金纳米星的合成。使用HEPES作为形态导向剂可以产生更多支链金纳米星，减少合成后的纯化复杂性，并提高颗粒的稳定性，同时具有潜在的可扩展性。由于HEPES对细胞膜的渗透性较低，在细胞培养中也得到广泛应用。

自从报道使用HEPES合成胶体金纳米星以来，这种方法已经被应用于许多其他无籽方法，并进行了各种修改和改进。

最近的研究还报道了一种使用HEPES和HAuCl4的两步法，来促进金纳米星的生长和分支长度。在无籽方法中，尚未报道通过控制形态均匀性来微调金纳米星的光学性质。

提出了一种简单、一锅式的银辅助绿色合成无核金纳米星的方法。在这个方法中，硝酸银作为额外的形态导向剂，与HEPES协同作用，产生更多单分散的多支链金纳米星。这种合成方法具有较少的步骤和试剂，并且使用毒性最小的试剂，使其更加环保和可持续。

还对合成的金纳米星进行了稳定性研究，以探索其在主要应用于生物测定的环境条件下的表现。这样的研究可以为金纳米星在生物传感工作中的潜在应用提供重要的参考和指导。

制备HEPES缓冲液及添加氯化金(III)水合物

该研究提出了一种简单高效的方法合成无核金纳米星，并通过控制形态均匀性来微调其光学性质。这种方法具有广泛的应用前景，特别是在生物传感领域，为开发更好的生物传感器和生物成像技术提供了新的可能性。这种方法也为绿色、环保的纳米材料合成提供了一种新途径。

无籽纳米星是按照Xie等人的方法合成的。简单来说，首先将3 ml超纯水(Millipore，18.2 MΩ(ddH2O))加入到2 ml 100 mM HEPES缓冲液(pH 7.4)中，然后加入20 µl 50 mM 氯化金(III)水合物水溶液。将溶液轻轻翻转混合后，在室温下静置约30分钟，此时溶液变成蓝绿色。

随后将600 µl 25 mM PVP 10000 添加到溶液中，再次轻轻混合后在室温下静置过夜。将溶液在2170 g下离心50分钟，然后洗涤软沉淀并用ddH2O重悬。

选择使用HEPES缓冲液是基于另一篇文献的发现，结果表明与聚乙烯吡咯烷酮(PVP)和CTAB相比，聚乙二醇(PEG)不是一个良好的稳定剂。选择了PVP，因为与CTAB相比，它是较低毒性的试剂。

该研究所采用的无籽合成方法具有简单、高效的特点，且使用的试剂较少且毒性较小。通过控制HEPES和PVP的浓度，成功合成了形态均匀的金纳米星。

这些合成的纳米星具有潜在的应用前景，特别是在生物传感领域，例如作为生物传感器和生物成像技术中的材料。这种无核合成方法也符合绿色环保的理念，有助于推进可持续发展和环境友好型纳米材料的合成。

银辅助纳米星也是根据上述无核方法合成的，但添加了1 mM 硝酸银水溶液。在添加氯化金(III)水合物后，立即分别加入了2、4、6、8和10µl的硝酸银溶液，并轻轻颠倒混合。根据纳米星的形貌，选择了4µl的+Ag样品用于后续实验，其中同样添加了PVP。

使用Tecnai F20高分辨率透射电子显微镜 (HR-TEM) 和能量色散X射线光谱(EDS)来测定未涂覆纳米星的直径、形态和元素组成。样品制备是将纳米星点在铜网上并使其干燥。使用ImageJ软件对TEM图像进行颗粒分布分析。

动态光散射(DLS)用于估计PVP封端的纳米星的流体动力学直径，因为这将是纳米星在溶液中的尺寸。DLS是在Zetasizer Nano (Malvern)上以反向散射模式进行的，使用Zetasizer版本6.20软件和带塞聚苯乙烯比色皿以限制灰尘污染。

银辅助绿色合成无核金纳米星的优势和特点

通过核磁共振(NMR)光谱匹配清洗纳米星的光谱与PVP标准品的光谱，证明了纳米星成功地进行了PVP封端。NMR在Bruker Avance III HD NMR波谱仪上以500 MHz进行，配备三重共振逆 (TXI) 1H (15N, 13C)探头。

使用琼脂糖凝胶电泳评估了加帽的充分性表面负电荷和有限聚集的情况，使用0.5%琼脂糖和0.5×三硼酸EDTA缓冲液(TBE缓冲液)在pH 8下进行电泳。将8µl纳米星样品与4µl的50%甘油混合后在40V下运行约30分钟。

研究了不同环境条件对纳米星稳定性的影响，将纳米星暴露在不同的溶液中。将150 mM NaCl溶液以及含有和不含有10%胎牛血清的细胞培养基以1:1的比例加入到96孔微孔板中的纳米星溶液中，并通过移液混合。

在合成过程中，当硝酸银加入到溶液中时，纳米星的颜色随着硝酸银浓度的增加而发生了变化，从最初的绿蓝色 (0 µl) 变为灰色 (2 µl)、蓝色 (4 µl)、深蓝色 (6 µl)、蓝紫色 (8 µl)和紫色 (10 µl)。

光谱显示，随着硝酸银浓度的增加，纳米星的吸收光谱发生了蓝移。在合成的 4 µl +Ag 样品中，平均波长为654 nm ± 5 nm，平均流体动力学直径为51.36 nm ± 0.70 nm，表明其为金纳米星。

纳米星的形貌通过高分辨率透射电子显微镜进行观察，使用2 µl 硝酸银溶液合成的纳米星与无硝酸银的纳米星形貌相似，而用6、8和10 µl 硝酸银合成的纳米星逐渐变得更加球形。

进一步的分析显示，使用4 µl 硝酸银溶液合成的 +Ag 纳米星具有更好的单分散性，其直径约为37±2nm，而无硝酸银的纳米星的半峰全宽 (FWHM) 为96 nm。从TEM图像中进一步分析了纳米星的形貌。硝酸银的添加对纳米星的形态和单分散性产生了明显影响。

根据的分析，-Ag纳米星的形态不均匀，容易团聚，主要呈现四臂纳米星的形态。添加4 µl硝酸银溶液有助于纳米星分支的各向异性生长，将其异质性改变为更均匀的多分支形态。大约有14个臂的纳米星，其中10个臂突出在纳米星周围，而另外4个臂向外突出。

观察到的100个纳米星中，约65%是14臂纳米星，其余的则更加球形，带有一些短的突出臂。与此相比，+Ag纳米星的形态更均匀，因为其臂的数量范围在1-8个之间。

+Ag纳米星的尺寸较小，约为46 nm ± 3 nm。晶格生长沿<111>方向，晶格间距为0.233 nm，属于块状金范围。元素成分主要由金 (79.4%) 和铜 (20.6%) 组成，其中铜来自分析过程中使用的铜网格。

尽管EDS分析未检测到银元素，但银在HEPES的作用下有助于更多地破坏金纳米星的晶格，从而产生比-Ag纳米星更均匀的分支形态。

在+Ag纳米星的光谱中，观察到525 nm处的肩峰可能归因于大球形颗粒的存在或取决于各向异性纳米星的核心尺寸的横向局域表面等离子体共振。主峰对应于纳米星的长轴，肩峰对应于短轴尖端。

与之前发现的其他无籽HEPES合成的纳米星相比，这些新纳米星在形态和合成方面有所不同。之前的研究中，韦伯等人使用了类似Xie等人的方法合成纳米星，但HEPES的浓度、pH以及HAuCl4浓度不同，导致产生了数量有限且形态异质的多分支纳米星。

在后续研究中，通过改变HEPES浓度合成了更多同态的分支纳米星，其核心较大且臂较短。刘等人则通过控制HEPES浓度和溶液温度合成了具有四个长支臂的纳米星。更长的臂和分支密度导致对形态变化更敏感的响应，这对生物传感器来说是理想的特性。

在其他研究中，Chen等人通过向HEPES中添加表面活性剂CTAB、PVP和PEG合成了具有不同形态的纳米星，包括球形、三角形和三臂星形。

而米纳蒂等人则使用无籽方法用羟胺和HAuCl4合成纳米星，但形成的纳米星具有大的核心和极短的臂。阿劳霍-查韦斯等人则通过向HEPES中添加磷酸盐缓冲盐水合成了复杂的颗粒聚集体，该聚集体同样具有大的核心和极短的臂。

这些新合成的纳米星通过简单添加AgNO3产生了具有更均匀臂的金纳米星，并且其长度足以用于酶和抗体的附着。

一旦用PVP封端，与琼脂糖凝胶电泳期间未封端的+Ag对照相比，-Ag和+Ag均迁移到阴极。NMR光谱匹配表明洗涤后的样品中存在PVP。

这些结果表明纳米星有足够的PVP封端，有助于离心和储存的稳定性。HEPES还可以充当封端剂，这在中得到证实，因为多次洗涤后HEPES仍然存在。这对于这些纳米星的未来应用并不重要，因为它们将与其他感兴趣的化合物一起进行功能化。

结论

当展示了更好的控制方法，可以更均匀地生产金纳米星的不同形态时，发现微小的合成方法变化对最终产物的形态有着巨大的影响。这表明金纳米星的合成需要深入研究，以阐明影响合成参数的机制和因素。

通过添加硝酸银显著增强了 HEPES 介导的无核纳米星合成方法，使得纳米星的形态和单分散性得到了明显改善。这种一锅法合成的金纳米星直径约为37±2纳米，具有多支链结构，且非常均一。

它们在补充的细胞培养基、氯化钠和较宽的pH范围内也很稳定。这种绿色合成方法简单可行且可重复。由于长期使用的安全性，这对于金纳米星作为生物传感器制造中的支架非常具有吸引力。