金纳米棒在生化分析及癌症治疗中的应用

金纳米棒在生化分析及癌症治疗中的应用摘要：金纳米棒作为一种新型的各向异性纳米材料，由于其独特的光学和光热性能，近几年受到科研人员的大力关注。与球形纳米颗粒不同，金纳米棒显示出两个特征的横向和纵向表面等离子体吸收峰。它能够在荧光共振能量转移测定中用作能量受体或将光转化为热能用于光热治疗。特别地，金纳米棒的可控组装能引起其光学性质发生改变，使其特别适用于检测各种分析物。金纳米棒在细胞成像和癌症治疗领域的应用，吸引了科学家们强烈的兴趣。从而推动了金纳米棒的进一步发展，本篇文章总结了近年来金纳米棒及其组装体在生化分析及癌症治疗中的应用。

关键词：金纳米棒；组装；生化分析；光热治疗。

0 前言

从上世纪到现在，金纳米粒子一直是纳米科学领域的研究热点。1990年马丁集团通过电化学还原与棒状“硬模板”法合成了金纳米棒，这为我们研究金纳米棒提供了机会[1]。1997年，王小组采用十六烷基三甲基溴化铵作为表面活性剂采用电化学方法合成了高分散性的金纳米棒溶液[2]。直到2001年，Murphy和他的同事们发明了种子介导湿化学合成技术，这种合成方法简单方便，极大地促进了高纵横比金棒的合成[3]。随后，El-Sayed组使用CTAB-包被的单晶种子代替了柠檬酸盐包被的双晶晶种，这大大提高了合成金纳米棒实验的重现性和产量（产率超过95％）[4]。

到目前为止，金纳米棒的合成技术已经相当成熟，但合成机制仍然存在争议[5]。已经提出了使用混合表面活性剂为软模板采用电化学还原法合成金棒的机制。还有一些研究人员认为在金棒的合成过程中，CTAB 胶束本质上是棒状的，使得金棒以此为软模板生长。尽管已知CTAB在特定的条件下能形成棒状胶束，但不清楚棒状胶束在合成条件下是否也形成了[6]。然而，Murphy 及其合作者认为CTAB分子偏向于优先物理吸附到金棒的长轴上。因此，目前关于其生长机制存在许多争议[7]。

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现在，对金棒的研究兴趣主要集中在组装和应用方面（包括传感，成像和治疗癌症）[8]。许多研究人员在金棒的合成、组装及应用中，已经取得了很大的成果。比如Illinois大学的Murphy课题组，她的团队发现了简单，高效和可控的种子介导法制备金棒，大大的促进了金纳米棒的发展[9]。乔治亚理工学院的El-Sayed小组在光热疗法和暗场成像中取得了很大的成就，引起了大量的研究人员对该领域的研究兴趣[10]。在中国，大多数研究人员将注意力主要集中在生物传感，表面功能化和免疫反应等方面。

本篇文章将介绍金纳米棒及其组装体在生化分析及癌症治疗领域的最新进展，为了更好地了解金棒，将简单的介绍一下它的光学性能。与普通球形纳米颗粒不同，金纳米棒有两个特征峰。这两个峰的位置可通过调节金棒的纵横比使其红移或者蓝移，利用这一特性可用于化学和生物传感方面。

1 国内外研究现状

金纳米棒独特的光学和光热性质，使其已被广泛应用于传感包括化学品，生物分子，污染物和爆炸物。此外，在细胞成像和癌症治疗方面，金纳米棒的应用前景广阔。

1.1在生化传感方面的应用

如上所述，金纳米棒的光学性质与纵横比、装配模式、周围环境密切相关。因此，已经大量用于化学品或生物分子的传感。传感可以通过组装、聚集或蚀刻，还可基于FRET策略将金纳米棒用作能量受体。

1..11 化学传感

到目前为止，金纳米棒已经全面应用于检测小分子，例如H+、Cl-、NO2-、K+、Fe3+、Cu2+、Pb2+、Hg2+[11]。其检测原理主要基于聚集，组装或腐蚀。图1为将金纳米棒作为光学探针来分析无机离子。图1A是用于检测NO2-的原理图，NH3+和NO2+之间的脱氨反应，导致金纳米棒的聚集和

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颜色变化，建立NO2-的裸眼检测。图1B是检测Hg2+的原理图，通过二硫醇化合物与Hg2+和金纳米棒的竞争反应，当Hg2+不存在时，一个二硫醇分子能够通过Au-S共价键连接两个金纳米棒，导致金纳米棒的肩并肩组装[12]。然而，在Hg2+的存在下，二硫醇分子与Hg2+有更强的亲和力，金纳米棒不发生组装。

图1A 检测NO2-的原理图；图1B检测Hg2+原理图[11]

Fig. 1. The analysis of (A) nitrite ; (B) Hg2+; (C) Fe3+ using AuNRs asoptical probes[11]

此外，一些金属离子的检测，如Hg2+ 、Fe3+ 和Cu2+ ，可以通过改变金纳米棒的纵横比来进行检测[13]。如图1C，Fe3+能够催化H2O2以产生自由基（包括OH·和OOH·）蚀刻金纳米棒，产生红色球形的纳米颗粒，采用比色法检测Fe3+ 。与Fe3+不同，Hg2+可以在NaBH4存在时，由于汞合金的作用使金纳米棒缩短。

1.1.2 生物传感

金纳米棒在生物分析领域应用也已经比较广泛，如氨基酸，多肽，DNA、蛋白、酶和毒素等。这些分析方法的原理可以通过前述的组装，聚集或蚀刻

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原理我们将介绍一些基于FRET的生物分析。金纳米棒作为能量受体。用于DNA检测如上所述，没有硫醇修饰的ssDNA与金纳米棒只有弱的静电作用。而dsDNA可导致金纳米棒以肩并肩方式组装[14]。当不存在靶物 DNA时，荧光染料标记的DNA不规则地卷曲，使染料与金纳米棒的距离较远，不能淬灭其荧光。然而,当靶物DNA存在时，dsDNA或G-折叠结构的形成，使得荧光染料与金纳米棒的距离靠近使染料的荧光淬灭，从而用于人端粒DNA测定。这个检测原理可进一步推广到凝血酶检测。

1.2在临床诊断及癌症治疗方面的

最近，研究人员发现金纳米棒能够识别病毒，细菌和癌细胞以及诊断和治疗一些疾病。到目前为止，金纳米棒有用于靶向药物运输和释放[15]，导致肿瘤细胞凋亡。科学家们还发现金纳米棒有作为DNA 疫苗佐剂的前景，用于HIV-1治疗[16]。此外，金纳米棒在基因治疗中显示出巨大的潜力，它还能够吸收近红外光将光能变成热能，用于光热治疗[17]。这种光诱导热能转换还可应用到质粒DNA的可控释放，并为遗传基因重组治疗提供有效工具。1.2.1 临床检验

在临床检验上，金纳米棒可用于细菌、病原体鉴定[18]，乙型肝炎病毒检测，流感H1N1流感病毒复制抑制，细胞表面标志物识别，癌症诊断，急性心肌损伤试验等。图2给出了细菌和癌细胞鉴定的原理图。如图2A为金纳米棒表面修饰大肠杆菌抗体。当大肠杆菌存在时，金纳米棒表面的大肠杆菌抗体与大肠杆菌抗原结合使金纳米棒聚集实现细菌的检测。图2B是使用金纳米棒鉴定癌细胞的过程，其中，金纳米棒的表面用叶酸和拉曼信号分子标记，癌细胞表面能过量地表达叶酸受体。能够通过叶酸和叶酸受体的识别结合癌细胞，产生拉曼信号鉴定癌细胞[19]。

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