基于金纳米棒的生物检测_细胞成像和癌症的光热治疗
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coated GNRs ARs of GNRs: ( A) AR 1 55 0 32, ( B) AR 2 25 0 48[ 26]
( phosphatidylcholine, PC) 的氯仿 溶液提取 CTAB 稳 定的金纳米 棒颗粒中的 CTAB, 利用 PC 部分替 换 CTAB, 制备 PC 和 CTAB 稳定的金纳米棒颗粒。经 过多次提取之后, 金纳米棒颗粒的 Zeta 电位明显降 低( 由 + 67mV 降到 + 15mV) , 说明金纳米棒颗粒表 面的大部分的 CTAB 分子被 PC 取 代, 而 且 PC 和 CTAB 稳定的金纳米棒颗粒可以保持两周以上的稳 定存在, 其光学性质保持不变 ( 见图 4) 。此方法虽 然可以在一定程度上降低 CTAB 的生物毒性, 但是 在 PC 表面实现生物修饰仍然存在一定难度。
4 Conclusion and outlook
贵金属纳米颗粒具有特殊的物理性质, 它们被 广泛应用于催化、生物标记、光电子学、信息存储和 表面增强拉曼散射等领域[1 4] 。对金属纳米微粒的 研究, 尤其是对其形貌可控制备及其相应的性质和 应用研究一直 是材料科学以及相关领 域的前沿热 点。近年来, 在金纳米材料研究方面取得了长足的
二氧化硅具有高度的稳定性和良好的生物相容 性, 并且易于进行表面生物修饰, 因此用二氧化硅来 包覆金纳米棒构建核- 壳结构( Aurod @ SiO2 ) 将提供一 种解决 CTAB 的毒 性和难于 生物修饰 问题的 有效 方法。
Liz-Marz n 等[ 25] 利用层层自组装( LBL ) 的方法, 通过静电作用, 在 CTAB 稳定的金纳米棒外层依次 吸附上聚苯乙烯磺酸钠 ( PSS) 、聚 PAH、聚乙烯吡咯 烷酮 ( PVP) 等聚电解质分子, 通过选择合适分子量 的聚电解质来调节金纳米棒颗粒的 Zeta 电位, 使金 纳米棒颗粒表面带上弱电性, 然后通过氨水催化水 解正硅酸乙酯 ( TEOS) , 制备二氧化硅层, 得到 Aurod
收稿: 2008 年 4 月, 收修改稿: 2008 年 5 月 * 北京市教育委员会科技计划项目( No. KM200810028010) 资助 * * 通讯联系人 e-mail: mazhanfang@ yahoo. com
第 1期
马占芳等 基于金纳 米棒的生物检测、细胞成像和癌症的光热治疗
135
第 21 卷 第 1 期 20Байду номын сангаас9 年 1 月
化 学 进展
PROGRESS IN CHEMISTRY
Vol. 21 No. 1 Jan. , 2009
基于金纳米棒的生物检测、细胞成像 和癌症的光热治疗*
马占芳* * 田 乐 邸 静 丁 腾
( 首都师范大学化学系 北京 100037)
摘 要 由于金纳米棒颗粒独特的可调的表面等离子共振特性, 使得金纳米棒颗粒在纳米复合材料和 功能化纳米器件的构建、纳米生物技术、生物医学等领域具有广泛而重要的应用前景。本文综述了金纳米棒 颗粒的生物检测、细胞成像和癌症的光热治疗方面的最新研究进展, 并介绍了金纳米棒颗粒的光学性质和金 纳米棒颗粒和几种主要的表面修饰方法, 对金纳米棒颗粒在生物应用过程中存在的主要问题进行了讨论。
图 1 不同长短轴比率的 金纳米 棒的 SPR 谱图, LSPR 峰 随金纳米棒的长短轴比率增加而红移[19] Fig. 1 Surface plasmon absorption spectra of GNRs with different ARs, showing the red-shift of LSPR with the increase of ARs of GNRs[19]
@ SiO2 复合纳米颗粒, 通过改变 TEOS 的量和反应时 间可以调节二氧化硅层厚度。但是通过选择聚电解 质以及 PVP 的合适分子量来调节金纳米棒颗粒的 Zeta 电位呈现弱电性, 在操作上不是很容易实现。
本课题组[ 26] 应用改进的 St ber 方法, 使用氨水 催化水解 TEOS, 直接在 CTAB 稳定的金纳米棒表面 制备二氧化硅层, 得到了 Aurod @ SiO2 核壳结构 ( 图 2) 。二氧化硅 层均匀, 其厚度 可以通过 改变 TEOS 的量来调控, 而且得到的 Aurod @ SiO2 纳米复合颗粒 依然保持了金 纳米棒 的光学 性质 ( 图 3) 。与 LizMarz n 等报道的方法相比, 该方法操作更为简便。 2. 2 用生物分子修饰金纳米棒
关键词 金纳米棒 分子检测 细胞成像 癌症的光热治疗 中图分类号: O614. 123; O648. 1; Q503 文献标识码: A 文章编号: 1005- 281X( 2009) 01- 0134- 09
Bio- Detection, Cellular Imaging and Cancer Photothermal Therapy Based on Gold Nanorods
Key words gold nanorods; molecular detection; cellular imaging; photothermal therapy
Contents
1 Optical properties of gold nanorods 2 Surface modifications of gold nanorods 2. 1 Silica- coated gold nanorods 2. 2 Modification of gold nanorods using biomolecules 3 Applications of gold nanorods in biodetection,
进步, 人们制备出多种形貌的金纳米颗粒[ 5 15] , 并将 其广泛应用于纳米器件构建、生物标记、医学检测和 信息存储等领域。
在各相异性的金纳米颗粒中, 研究最为广泛的 是金 纳 米 棒。这 是 由 于 金 纳 米 棒 ( gold nanorod, GNR) 的 合成 方 法简 单 ( 如 晶 种 生长 法[ 16] ) 、产 率 高[ 17] ( 可达 97% ) 、长短轴比率( aspect ratio, AR ) 易于 调控[ 16] , 而且其光学性质独特。因此金纳米棒在生 物分子检测、医学成像、疾病治疗和药物输送等领域 具有广阔的应用前景。本文重点介绍金纳米棒的光 学性质及其在与生物检测、细胞成像和癌症光热治 疗领域的研究进展。
图 3 金纳米棒颗 粒可见 光谱: ( a) 包 裹 SiO2 前, ( b) 包 裹 SiO2 后。( A) 比 率 为 1 55 0 32; ( B) 比 率 2 25 0 48 的金纳米棒[ 26] Fig. 3 Visible spectra of ( a ) before and ( b) after silica-
图 4 经过氯仿 的 PC 溶液 ( 10mg ml) 3 次 提取 的金 纳米 棒颗粒的电 镜图 ( A) 和可见光谱图 ( B) 。其中 3 次提取 之后的放置时间: ( a) 0 天, ( b) 15 天, ( c) 30 天[27] Fig.4 TEM image ( A) and absorption spectra ( B) of NRs after three CTAB extractions using a chloroform solution containing PC ( 10 mg ml) . ( a) 0, ( b) 15, and ( c) 30 days after the three extractions[27]
N iidome 等[ 27] 利 用 含 有 磷 脂 酰 胆 碱
1 36
化学进展
第 21 卷
图 2 CTAB 稳 定的金 纳米 棒包 覆二氧 化硅 前 ( a) 后( b) 的 TEM 显微照片[ 26] Fig. 2 TEM micrographs of CTAB- stabilized GNRs before ( a) and after ( b) silica- coated[ 26]
而横向 SPR 峰( TSPR) ( 520 530nm) 的位置不随金 纳米棒颗粒长短轴比的改变而改变。
2 金纳米棒的表面修饰
以 Murphy 和 Liz-Marz n 领导的课题组为代表, 在控制合成不同长短轴比率的金纳米棒颗粒方面, 做了大量的工作[20, 21] 。他们采用 晶种生长 的方 法, 使用高浓度 ( 通常为 0. 2mol L) 的十六烷基三甲 基溴 化 铵 ( CTAB) 为 模 板 剂 和 稳定 剂[20, 21] 制 备 CTAB 分子稳定的 金纳米棒颗粒, 有关 金纳米棒颗 粒制备方面的工作参见相关文献。这些 CTAB 分子 对细胞、蛋白质等生物分子具有生物毒性[ 22,23] , 而且 金纳米棒表面吸附的 CTAB 双分子层会阻碍金纳米 棒与生物分子的偶联[ 24] , 因而限制了金纳米棒在生 物检测和医学等领域的广 泛应用。所 以如何消除 CTAB 的影响实现生物修饰是金纳米棒颗粒在涉及 生物体系应用中需要解决的关键问题。 2. 1 二氧化硅包裹金纳米棒
Ma Zhanf ang* * Tian Le Di Jing Ding Teng ( Department of Chemistry, Capital Normal University, Beijing 100037, China)
Abstract Due to unique and tunable surface plsmon resonance properties, gold nanorods have widely potent ial and important applications, i. e. , fabrications of nanocomposites, nanodevices, nanobiotechnology, and biomedicine. Gold nanorods, therefore, have been attracted much attention. The latest advances on the applications of gold nanorods involving biological detection, cellular imaging, and cancer photothermal therapy are reviewed in this paper. Meanwhile the optical properties and several main approaches of surface modification of gold nanorods are also introduced. In addition the main issues existing in the biological applications are discussed.
1 金纳米棒的光学性质
金纳米颗粒具有突出的表面等离子共振性质。 这种特殊的性质来源于入射光与金纳米粒子的自由 电子相互作用: 当入射光的波长与自由电子的振动 频率发生共振耦合时, 就会产生表面等离子体共振 ( surface plasmon resonance, SPR) , 在紫外- 可见光谱上 显示强的吸收峰[ 18] 。SPR 峰的 位置主要取决 于以 下几个因素: 纳米粒子的大小、形状、表面电荷、环境 介质条件等。与球形的纳米金颗粒相比, 棒状的金 纳米颗粒具有更为特殊的 SPR 性质。球形 的纳米 金颗粒表现为单一的 SPR 峰, 而棒状金纳米颗粒则 具有 横 向和 纵 向两 个 SPR 峰[ 19] 。 其中 纵 向 SPR ( LSPR) 峰的位置取决于金纳米棒颗粒的长短轴比, 因此通过制备不同长短轴比的金纳米棒颗粒, 可以 实现其人为调控( 从可见光区到近红外区, 见图 1) ,
bioimaging, and cancer photothermal therapy 3. 1 Applications of gold nanorods in bio- molecular det-
ection
3. 2 Applications of gold nanorods in cell imaging and cancer photothermal therapy
( phosphatidylcholine, PC) 的氯仿 溶液提取 CTAB 稳 定的金纳米 棒颗粒中的 CTAB, 利用 PC 部分替 换 CTAB, 制备 PC 和 CTAB 稳定的金纳米棒颗粒。经 过多次提取之后, 金纳米棒颗粒的 Zeta 电位明显降 低( 由 + 67mV 降到 + 15mV) , 说明金纳米棒颗粒表 面的大部分的 CTAB 分子被 PC 取 代, 而 且 PC 和 CTAB 稳定的金纳米棒颗粒可以保持两周以上的稳 定存在, 其光学性质保持不变 ( 见图 4) 。此方法虽 然可以在一定程度上降低 CTAB 的生物毒性, 但是 在 PC 表面实现生物修饰仍然存在一定难度。
4 Conclusion and outlook
贵金属纳米颗粒具有特殊的物理性质, 它们被 广泛应用于催化、生物标记、光电子学、信息存储和 表面增强拉曼散射等领域[1 4] 。对金属纳米微粒的 研究, 尤其是对其形貌可控制备及其相应的性质和 应用研究一直 是材料科学以及相关领 域的前沿热 点。近年来, 在金纳米材料研究方面取得了长足的
二氧化硅具有高度的稳定性和良好的生物相容 性, 并且易于进行表面生物修饰, 因此用二氧化硅来 包覆金纳米棒构建核- 壳结构( Aurod @ SiO2 ) 将提供一 种解决 CTAB 的毒 性和难于 生物修饰 问题的 有效 方法。
Liz-Marz n 等[ 25] 利用层层自组装( LBL ) 的方法, 通过静电作用, 在 CTAB 稳定的金纳米棒外层依次 吸附上聚苯乙烯磺酸钠 ( PSS) 、聚 PAH、聚乙烯吡咯 烷酮 ( PVP) 等聚电解质分子, 通过选择合适分子量 的聚电解质来调节金纳米棒颗粒的 Zeta 电位, 使金 纳米棒颗粒表面带上弱电性, 然后通过氨水催化水 解正硅酸乙酯 ( TEOS) , 制备二氧化硅层, 得到 Aurod
收稿: 2008 年 4 月, 收修改稿: 2008 年 5 月 * 北京市教育委员会科技计划项目( No. KM200810028010) 资助 * * 通讯联系人 e-mail: mazhanfang@ yahoo. com
第 1期
马占芳等 基于金纳 米棒的生物检测、细胞成像和癌症的光热治疗
135
第 21 卷 第 1 期 20Байду номын сангаас9 年 1 月
化 学 进展
PROGRESS IN CHEMISTRY
Vol. 21 No. 1 Jan. , 2009
基于金纳米棒的生物检测、细胞成像 和癌症的光热治疗*
马占芳* * 田 乐 邸 静 丁 腾
( 首都师范大学化学系 北京 100037)
摘 要 由于金纳米棒颗粒独特的可调的表面等离子共振特性, 使得金纳米棒颗粒在纳米复合材料和 功能化纳米器件的构建、纳米生物技术、生物医学等领域具有广泛而重要的应用前景。本文综述了金纳米棒 颗粒的生物检测、细胞成像和癌症的光热治疗方面的最新研究进展, 并介绍了金纳米棒颗粒的光学性质和金 纳米棒颗粒和几种主要的表面修饰方法, 对金纳米棒颗粒在生物应用过程中存在的主要问题进行了讨论。
图 1 不同长短轴比率的 金纳米 棒的 SPR 谱图, LSPR 峰 随金纳米棒的长短轴比率增加而红移[19] Fig. 1 Surface plasmon absorption spectra of GNRs with different ARs, showing the red-shift of LSPR with the increase of ARs of GNRs[19]
@ SiO2 复合纳米颗粒, 通过改变 TEOS 的量和反应时 间可以调节二氧化硅层厚度。但是通过选择聚电解 质以及 PVP 的合适分子量来调节金纳米棒颗粒的 Zeta 电位呈现弱电性, 在操作上不是很容易实现。
本课题组[ 26] 应用改进的 St ber 方法, 使用氨水 催化水解 TEOS, 直接在 CTAB 稳定的金纳米棒表面 制备二氧化硅层, 得到了 Aurod @ SiO2 核壳结构 ( 图 2) 。二氧化硅 层均匀, 其厚度 可以通过 改变 TEOS 的量来调控, 而且得到的 Aurod @ SiO2 纳米复合颗粒 依然保持了金 纳米棒 的光学 性质 ( 图 3) 。与 LizMarz n 等报道的方法相比, 该方法操作更为简便。 2. 2 用生物分子修饰金纳米棒
关键词 金纳米棒 分子检测 细胞成像 癌症的光热治疗 中图分类号: O614. 123; O648. 1; Q503 文献标识码: A 文章编号: 1005- 281X( 2009) 01- 0134- 09
Bio- Detection, Cellular Imaging and Cancer Photothermal Therapy Based on Gold Nanorods
Key words gold nanorods; molecular detection; cellular imaging; photothermal therapy
Contents
1 Optical properties of gold nanorods 2 Surface modifications of gold nanorods 2. 1 Silica- coated gold nanorods 2. 2 Modification of gold nanorods using biomolecules 3 Applications of gold nanorods in biodetection,
进步, 人们制备出多种形貌的金纳米颗粒[ 5 15] , 并将 其广泛应用于纳米器件构建、生物标记、医学检测和 信息存储等领域。
在各相异性的金纳米颗粒中, 研究最为广泛的 是金 纳 米 棒。这 是 由 于 金 纳 米 棒 ( gold nanorod, GNR) 的 合成 方 法简 单 ( 如 晶 种 生长 法[ 16] ) 、产 率 高[ 17] ( 可达 97% ) 、长短轴比率( aspect ratio, AR ) 易于 调控[ 16] , 而且其光学性质独特。因此金纳米棒在生 物分子检测、医学成像、疾病治疗和药物输送等领域 具有广阔的应用前景。本文重点介绍金纳米棒的光 学性质及其在与生物检测、细胞成像和癌症光热治 疗领域的研究进展。
图 3 金纳米棒颗 粒可见 光谱: ( a) 包 裹 SiO2 前, ( b) 包 裹 SiO2 后。( A) 比 率 为 1 55 0 32; ( B) 比 率 2 25 0 48 的金纳米棒[ 26] Fig. 3 Visible spectra of ( a ) before and ( b) after silica-
图 4 经过氯仿 的 PC 溶液 ( 10mg ml) 3 次 提取 的金 纳米 棒颗粒的电 镜图 ( A) 和可见光谱图 ( B) 。其中 3 次提取 之后的放置时间: ( a) 0 天, ( b) 15 天, ( c) 30 天[27] Fig.4 TEM image ( A) and absorption spectra ( B) of NRs after three CTAB extractions using a chloroform solution containing PC ( 10 mg ml) . ( a) 0, ( b) 15, and ( c) 30 days after the three extractions[27]
N iidome 等[ 27] 利 用 含 有 磷 脂 酰 胆 碱
1 36
化学进展
第 21 卷
图 2 CTAB 稳 定的金 纳米 棒包 覆二氧 化硅 前 ( a) 后( b) 的 TEM 显微照片[ 26] Fig. 2 TEM micrographs of CTAB- stabilized GNRs before ( a) and after ( b) silica- coated[ 26]
而横向 SPR 峰( TSPR) ( 520 530nm) 的位置不随金 纳米棒颗粒长短轴比的改变而改变。
2 金纳米棒的表面修饰
以 Murphy 和 Liz-Marz n 领导的课题组为代表, 在控制合成不同长短轴比率的金纳米棒颗粒方面, 做了大量的工作[20, 21] 。他们采用 晶种生长 的方 法, 使用高浓度 ( 通常为 0. 2mol L) 的十六烷基三甲 基溴 化 铵 ( CTAB) 为 模 板 剂 和 稳定 剂[20, 21] 制 备 CTAB 分子稳定的 金纳米棒颗粒, 有关 金纳米棒颗 粒制备方面的工作参见相关文献。这些 CTAB 分子 对细胞、蛋白质等生物分子具有生物毒性[ 22,23] , 而且 金纳米棒表面吸附的 CTAB 双分子层会阻碍金纳米 棒与生物分子的偶联[ 24] , 因而限制了金纳米棒在生 物检测和医学等领域的广 泛应用。所 以如何消除 CTAB 的影响实现生物修饰是金纳米棒颗粒在涉及 生物体系应用中需要解决的关键问题。 2. 1 二氧化硅包裹金纳米棒
Ma Zhanf ang* * Tian Le Di Jing Ding Teng ( Department of Chemistry, Capital Normal University, Beijing 100037, China)
Abstract Due to unique and tunable surface plsmon resonance properties, gold nanorods have widely potent ial and important applications, i. e. , fabrications of nanocomposites, nanodevices, nanobiotechnology, and biomedicine. Gold nanorods, therefore, have been attracted much attention. The latest advances on the applications of gold nanorods involving biological detection, cellular imaging, and cancer photothermal therapy are reviewed in this paper. Meanwhile the optical properties and several main approaches of surface modification of gold nanorods are also introduced. In addition the main issues existing in the biological applications are discussed.
1 金纳米棒的光学性质
金纳米颗粒具有突出的表面等离子共振性质。 这种特殊的性质来源于入射光与金纳米粒子的自由 电子相互作用: 当入射光的波长与自由电子的振动 频率发生共振耦合时, 就会产生表面等离子体共振 ( surface plasmon resonance, SPR) , 在紫外- 可见光谱上 显示强的吸收峰[ 18] 。SPR 峰的 位置主要取决 于以 下几个因素: 纳米粒子的大小、形状、表面电荷、环境 介质条件等。与球形的纳米金颗粒相比, 棒状的金 纳米颗粒具有更为特殊的 SPR 性质。球形 的纳米 金颗粒表现为单一的 SPR 峰, 而棒状金纳米颗粒则 具有 横 向和 纵 向两 个 SPR 峰[ 19] 。 其中 纵 向 SPR ( LSPR) 峰的位置取决于金纳米棒颗粒的长短轴比, 因此通过制备不同长短轴比的金纳米棒颗粒, 可以 实现其人为调控( 从可见光区到近红外区, 见图 1) ,
bioimaging, and cancer photothermal therapy 3. 1 Applications of gold nanorods in bio- molecular det-
ection
3. 2 Applications of gold nanorods in cell imaging and cancer photothermal therapy