金纳米棒综述

1.1引言
水质监测与金纳米棒
纳米材料具有独特的物理化学和光学性质，被誉为“21世纪最有前途的材料”，与生物技术、信息技术共同作为21世纪社会经济发展的三大支柱和战略制高点[1]。

其中，自罗马帝国和早期中国采用经验法合成金纳米和银纳米胶体颗粒以来，贵金属纳米颗粒自的光学特性就备受追捧[2-4]。

然而，只是在近二十年来，科学家们在真正掌握合成形状可控的各向异性的金属纳米颗粒。

金纳米棒由于具有特殊的物理特性，在纳米电子学、光学、生物医药等领域[5]都有广泛应用。

本文综述了金纳米棒的合成方法和机理以及其在化学生物传感方面的研究，并对其在离子检测方面进行了一定的研究。

1.2 金纳米棒的合成
成功合成出均一稳定的金纳米棒对其应用至关重要。

球形金纳米颗粒的合成可以追溯到一个世纪以前，合成金纳米棒颗粒最普遍的方法是柠檬酸盐还原法。

这种方法将一定量的柠檬酸盐加入到沸腾的氯金酸溶液中，通过调节柠檬酸盐和氯金酸的比例可以轻松调节制备的金纳米颗粒的尺寸[6-8]。

而金纳米棒的合成方法更加复杂，合成金纳米棒的较为成功有效的方法在过去十年中才实现。

比较幸运的是，金纳米棒有趣的是光学特性，吸引了大量的研究人员为之不懈努力。

合成不同结构的金纳米棒的方法有多种。

第一种是Murphy [9]和El-Sayed[10]等发明的湿化学合成法，然而，所有这些技术制备的只是单晶纳米棒。

第二种是在某种模板表面还原金，这种方法制备的为多晶的纳米棒。

最后一种方法为在一些有机溶剂中合成不同形态的纳米棒，像超薄纳米棒和纳米线。

1.2.1 晶种生长法
在多种金纳米棒的合成方法中，由于晶种生长法过程操作简单，并且高质量、高产量，纳米棒尺寸控制简单，易于表面改性[11]，所以应用最为广泛。

Jana[12]等首次在2001年证明了种子生长法制备金纳米棒。

该方法首先通过硼氢化钠在含有柠檬酸钠的环境中还原氯金酸，来制备柠檬酸盐包覆的3~4nm金纳米种子溶液，然后将种子溶液加入到含有氯金酸、十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）、抗坏血酸和硝酸银的混合溶液中，使种子溶液中的金纳米颗粒生长。

通过调节种子溶液的加入量，制备不同长径比的金纳米棒。

图使用不同种子溶液用量制备的不同长径比的金纳米棒的光谱图为了获得长径比更大的金纳米棒，研究工作者又继续开展了三步生长金纳米棒的方法，这种方法制备的金纳米棒长径比达25[13]。

然而这种方法最大的缺点是除了得到金纳米棒以外，还会有大量的金纳米颗粒生成，必须进行多次离心提纯才能得到相对纯净的金纳米棒[14]。

2003年，El-Sayed [15]等对以上方法进行了两项重要的改进，来提高金纳米棒的纯度和产量。

首先，他们采用更强的稳定剂CTAB代替柠檬酸钠制备种子溶液，然后通过调节生长液中的阴离子的加入量制备不同长径比的金纳米棒。

其方法是首先在CTAB与氯金酸的混合溶液中加入强还原剂硼氢化钠，制备金种子溶液，然后将氯金酸、一定量的硝酸银和CTAB混合，再加入一定量的抗坏血酸制备生长液。

将一定量的金种子溶液加入到生长液后，金纳米棒开始生长。

通过这种方法，制备的金纳米棒产率高达99%，长径比从1.5~4.7。

为了获得更大长径比的金纳米棒，研究者又把十六烷基苄基氯化铵（BDAC）引入最初的生长液中，通过调节硝酸银的浓度，制备了长径比高达10的金纳米棒。

由于这种方法制备的金纳米棒高品质、高质量，且过程简单，不需要复杂的仪器，这种方法制备的金纳米棒被广泛应用在金纳米棒的传感方面。

图（a）晶种生长法制备的金纳米棒的TEM图；（b）、（c）分别为使用不同表面活性剂CTAB和CTAB/BDAC制备的不同长径比的金纳米棒的光谱图；（d）硝酸银用量与LSPR吸收峰的关系图。

1.2.2 电化学合成法
尽管种子生长法已经成为制备高产率金纳米棒的一种常用的方法，但是最早制备高产率的金纳米棒采用的是电化学法。

Wang[16][17]等首次阐述了电化学法合成金纳米棒。

这种方法采用金板作为阳极，铂板作为阴极，共同插入含有阳离子型表面活性剂CTAB、助表面活性剂四溴十二烷基铵（CTAB）与少量丙酮和环己烷的有机溶剂中（图）。

反应开始，阳极金板被消耗掉，形成AuBr-，与阳离子表面活性剂共同向阴极移动，开始还原反应。

然后在超声作用下，制备金纳米棒。

这种方法制备的金纳米棒长径比为1~7，最大长度10nm，LSPR达到1050nm。

由于合成过程中使用了有机溶剂，限制了其实际应用，但却为晶种生长法制备金纳米棒奠定了基础。

图（a）电化学制备金纳米棒的装置示意图。

V A，电影；G，玻璃容器电解池；T，聚四氟套；S，电极支架；U，超声波清洁器；A，阳极；C，阴极。

（b）电化学法制备的不同长径比金纳米棒的TEM图。

1.2.3 光化学法
除使用抗坏血酸和硼氢化钠作为还原剂以外，电化学法便使用其他前驱体制备金纳米棒。

其原理是采用光还原法将Au(Ⅲ)还原为Au(Ⅰ)[18]。

具体方法是将含有CTAB-TDTAB混合表面活性剂、硝酸银、丙酮和环己烷添加剂的金盐溶液在波长为254nm的紫外灯下紫外光照24小时。

通过调节阴离子的浓度，可以得到LSPR位于600~800nm的金纳米棒。

通过在生长液中加入抗坏血酸，首先将Au(Ⅲ)还原为Au(Ⅰ)，再使用紫外光诱导成核生长金纳米棒，可以将生长时间缩短到30min[19,20]。

1.2.4 其他方法
Martin[21]等采用模板法合成金纳米棒。

其主要原理是将金采用电化学法沉积在模板材料的孔道中，再将模板材料溶解掉，最后加入PVP稳定剂保护金纳米棒，制备稳定的金纳米棒溶液。

这种方法通过调节模板的孔径和模板中沉积金的量改变金纳米棒的直径和长度。

除此之外，其他制备金纳米棒的方法还有生物还原法[22]和辐射合成法[23]，溶剂热还原法[24]等。

1.3 金纳米棒的光学特性[25]
金纳米颗粒具有与大金属块明显不同的光学特性，当自然光与金纳米颗粒相互作用时，光的电磁场诱导金纳米颗粒表面的自由电子伴随着自然光的振动频率发生振动，形成表面等离子共振（LSPR）。

自然光的电磁场与金纳米颗粒表面的电子相互作用，导致自由电子与离子金核分离，而自由电子之间又相互排斥，形成恢复力，迫使自由电子反相运动，返回金核，最终形成电子局部共振，激发LSPR。

LSPR的产生，同时激发金纳米棒强烈的吸收自然光，并且不同尺寸、形状的金纳米棒具有出不同的光吸收特性，显示出不同的溶液颜色，如图所示。

图不同长径比的金纳米棒的TEM照片、紫外-可见吸收光谱和数码照片。

对于球形颗粒来说，只有一个光吸收谱代，这是由于其四周表面电子等离子共振强度、频率均相同，如图1所示，
图1 （a）球形金纳米颗粒的表面等离子共振示意图；（b）球形金纳米颗粒的吸收光谱。

研究证明金纳米棒具有2个吸收带，分别为纵向共振带（LPB）和横向共振带（TPB），分别相当于金纳米棒的长轴和短轴电子共振。

LPB对金纳米棒的形状和周围介质的折光率不敏感，然而LPB随金纳米棒的长径比的增大，显示出明显的红移，并且对折光指数的任何变化都非常敏感[26,27]。

LSPR特性因此高度依赖金属颗粒的尺寸、形状和周围介质环境[28-30]，因为这些因素都会极大影响到颗粒表面的电荷密度。

在众多金纳米棒用于传感的实例中，峰位和峰值的变化都被作为LSPR传感器的重要指标[31,32]。

图2 （a）各向异性的金纳米棒的纵向（上）和横向（下）表面等离子共振示意图；（b）金纳米棒的纵向和横向等离子共振吸收图。

1.4 金纳米棒在传感方面的应用
金纳米棒由于具有独特的LSPR吸收和散射性质，引起了大批研究工作者的兴趣。

大量的研究工作已经探究了金纳米棒在传感、催化、成像、生物医药、光电器件、信息储存等领域的应用。

本研究重点论述近年来金纳米棒在传感方面的一些研究。

1.4.1 基于光吸收方法
1.4.1.1聚集法
所谓聚集法就是指金纳米棒与待测物质之间通过物理或化学作用（包括化学键、静电引力等方式），诱导金纳米棒以有序的方式进行组装或无序的团聚的现象，从而引起金纳米棒LSPR吸收峰和溶液颜色的变化。

由于导致金纳米棒具有较高的消光系数，溶液颜色等光学性质变化明显，这种方法被广泛应用在比色传感方面。

比色传感只需要裸眼观察溶液颜色变化，便可以实现对待测液的检测。

目前，金纳米棒的聚集比色法已广泛应用于多种金属离子（铜离子、铁离子）、葡萄糖，抗生素、半胱氨酸和蛋白质等的检测。

Liu[33]等报道了一种快速选择性快速检测铜离子的金纳米棒基比色传感电极。

研究者先将半胱氨酸对金纳米棒进行功能化，形成Cys-AuNR，再依靠Cu2+与半胱氨酸之间强烈的结合力，形成稳定的Cys–Cu–Cys络合物，诱使金纳米棒发生头碰头聚集，溶液颜色发生从蓝绿到暗灰色的变化。

研究表明，在Cu2+浓度在1—100μM具有良好的线性响应，测定限0.34μM，并且方法简单、快捷。

图（A）Cu2+对Cys-AuNRs UV-vis光谱的影响；（B）Cys-AuNRs与（C）Cys-AuNRs-Cu2+的TEM图；（D）Cys-AuNRs比色传感测定Cu2+的机理图以及溶液颜色变化。

Sheenam Thatai[34]等发现了一种利用金纳米棒测定Fe3+的新方法，检测时间10min，并且这种方法检测极限低至100ppb。

研究者认为Fe3+可以与金纳米棒发生强烈的作用力，结合形成聚集块，如图，并引起金纳米棒的紫外-可见吸收光谱纵向等离子共振吸收峰发生蓝移，如图。

图（A）加入100ppbFe3+的金纳米棒的SEM照片，（B）加入不同浓度Fe3+金纳米棒溶液的紫外-可见吸收光谱变化
自组装可以引起金纳米棒的光学吸收发生明显的便宜，尤其是LSPR峰。

Zhu[35]等建立了一种以金纳米棒自组装方式检测抗生素药物的新方法。

正大霉
素（GM）和卵白蛋白（OV A）-抗原改性的金纳米棒共同竞争抗体改性的金纳米
棒，溶液中金纳米棒的聚集形态将受到抗体与抗原之间的相互作用的影响，随着
正大霉素的加入，溶液中金纳米棒肩并肩自组装方式将受到破坏，引起溶液的光
学性质发生变化。

这种方法检测GM范围在0.1-20ng/mL，检测限达到0.05ng/mL。

图金纳米棒免疫检测示意图。

靶向分子诱导抗原和抗体改性的金纳米棒发生不同程度的肩并肩自组装。

Veronika Kozlovskaya[36]等将金纳米棒包埋在溶胀性PMMA凝胶的网络中，
报道了一种超薄pH响应性聚甲基丙烯酸-金纳米棒复合膜。

与以往大多pH诱导
材料吸光强度变化的检测手段相比，这种pH敏感膜依靠凝胶网络的溶胀或收缩，
引起金纳米棒周围介质折光指数变化和金纳米棒之间相互作用变化，最终通过检
测凝胶膜吸收峰位置的变化来检测溶液的pH。

其在pH8~5引起金纳米棒的纵向
等离子共振吸收峰红移21nm。

图pH敏感包埋金纳米棒LbL水凝胶的制备过程：（A）通过氢键作用力结合的PVPON/PMAA膜；（B）碱性环境洗去PVPON的PMAA膜；（C）溶胀状态浸渍金纳米棒的PMAA水凝胶膜；（D）在缓冲溶液中洗去多余的金纳米棒（E）；
通过调节pH改变金纳米棒之间的相互作用（F）（G）。

1.4.1.2非聚集法
金纳米棒的LSPR峰峰位和强度对金纳米棒的尺寸、长径比和极小的形状变化以及周围介质的折射率都非常敏感。

非聚集法就是分析金纳米棒的尺寸、长径比、形状和介质折射率的变化与待测物质的关系，达到检测待测物质的作用。

相对于聚集法，目前非聚集法研究尚少，但发展极为迅速。

主要集中在金属离子的检测方面，如Hg2+，Cu2+，Cr6+等方面，其中以Hg2+检测研究最多。

另外还有用于生物试剂、半胱氨酸、S2-的检测，但研究较少。

基于这种原理发展的非聚集传感器同样操作简单、检测灵敏度高，并且检测手段溶液控制，具有良好的发展前景。

单独的液态金属离子溶液大多不会影响金纳米棒的形态，但金属离子一旦被还原为单质金，就可能与金纳米棒两端躶漏的金发生结合，形成合成，影响金纳米棒的长径比和形状。

Matthew Rex[37]等首次提出了基于金纳米棒形状变化检测Hg2+的检测方法。

首先通过选用强还原剂硼氢化钠将水样中的Hg2+还原为Hg0，再通过Hg0与金纳米棒之间强烈的结合作用力，使Hg0与金纳米棒的两端结合，形成金汞齐，导致金纳米棒的长径比减小，LSPR峰蓝移。

这种方法检测Hg2+的检测下限达到 6.6*10-13g/L，但其也存在一定弊端，由于硼氢化钠的强烈的还原性，其可以将金的氧化物还原为Au0，容易引起金纳米棒溶液光谱的偏移，给实验结果带来了一定的不确定性。

图（A）Hg与金纳米棒反应示意图；（B）金纳米棒与Hg反应前后的TEM和EDX图；（C）不同浓度Hg溶液中的金纳米棒的TEM图（Sol A 0M Hg，Sol B 1.25*10-5M Hg，Sol C 1.57*10-4M Hg）。

Jia-Ming Liu[38]等发现了一种比色检测Cu2+的新方法，研究者发现通过在含有S2O32的金纳米棒溶液中溶解-氧气，Cu2+可以催化刻蚀金纳米棒，使金纳米棒的长径比减小，改变溶液的颜色。

这种方法的线性范围和检测限分别为0.08-4.8μM和0.22μM，并且检测方法简单、灵敏度较高。

图AuNRs-S2O32-Cu2+的紫外-可见吸收光谱（当Cu2+含量分别为0.80,4.0,8.0,12.0,16.0,32.0和48.0μM时，LSPR峰偏移量（Δλ）分别为）4.0，17.0,39.0,62.0,77.0,145.0和204.0nm。

半胱氨酸( Cys) 对生物体内依靠二硫键来保持结构和功能的蛋白质在分子内的交联起着至关重要的作用。

焦莉等[39]基于Cys对Hg0和AuNR结合的抑制效应，开发了一种新颖的非聚集Cys比色传感器。

研究者认为Cys中的疏基（-SH）可以与Hg2+形成稳定的Hg(Cys)2结构，有效的抑制抗坏血酸还原的Hg0与金纳米棒的结合生成金汞齐，致使金纳
米棒的LSPR峰红移，吸光度增大。

在最佳条件下，这种比色传感器的线性范围为0.05~3.0μmol/L，检测限可达0.030μmol/L。

并且该方法灵敏度高，选择性也较好。

为克服单一金纳米棒稳定性差，输出信号不稳定等问题，Guoqing Wang等[40]采用介孔二氧化硅包裹金纳米棒（MS AuNR），作为新型纳米复合物制备非聚集S2-比色传感器。

研究者首先采用抗坏血酸和MS AuNR加入一定量的Hg2+，制备Hg0–MS AuNRs，金纳米棒的LSPR吸收峰蓝移。

继续加入S2-后，在S2-的作用下，Hg0不再与金纳米棒结合，金纳米棒的LSPR吸收峰又发生红移，并伴随着溶液颜色的变化。

图（A）AuNRs，AuNRs-Hg0，AuNRs-Hg0-S2-的紫外-可见光谱对比；（B）AuNRs-Hg0-S2-的TEM图
折光指数传感器
金纳米棒周围环境折光指数的变化也会引起金纳米棒的等离子共振吸收峰的偏移。

金纳米棒LSPR峰的折射率高达370nm/RIU，所以对折光指数的变化非常敏感。

通常非常少量试剂的加入，少于1nm的吸收峰的变化也可以精准测定出来[41]。

Chilkoti and coworkers[42]通过将狗骨头状的金纳米棒固定在硅烷化的玻璃表面，如图所示。

金纳米棒在多种不同折光指数溶液中的LSPR敏感度达到252nm/RIU，比球形的金纳米颗粒高出4倍。

研究者将巯基十一烷酸/乙二醇混合层引入到金纳米棒的表面，将生物素结合到巯基十一烷酸上，通过波长的偏移变化，测定链霉亲和素的结合。

这种方法在PBS和血清中的测定限分别达到94pM和19pM，动态范围高达190nm。

图（b）金纳米棒溶液在不同折光指数溶液中的光谱变化与折射率测定曲线。

（c）通过LSPR偏移模拟PBS溶液（左）和40%血清（右）中的链霉亲和素结合
Haowen Huang等[43]首次以类似的方法模拟了利用金纳米棒强烈的光学特性检测多种生物抗体试剂。

研究者通过混合多种不同长径比的金纳米棒，再将玻璃片表面硅烷化，通过疏基与金纳米棒的紧密结合，将其固定在玻璃片上，再通过巯基十一烷酸对金纳米棒进行改性，使其可以与多种生物免疫球蛋白（lgG）进行结合，来制备多重响应的等离子共振生物传感探针（MLSPR）。

根据抗体与抗原之间的相互作用，这种探针可以对三种靶物分子（羊抗人lgG、兔抗鼠lgG 和兔抗羊lgG）的结合产生不同响应信号，引起金纳米棒特定吸收峰发生变化，如图。

以此作为响应，从而实现多通道检测多种抗体。

这种技术的一个优点便是通过选择合适长径比的金纳米棒，可以检测多种生物试剂[44]。

使用不同比例的金纳米棒的检测方法，提供了一个多元的检测平台，并在疾病治疗和免疫检测方面具有潜在的应用。

图（A）加入不同剂量兔抗羊lgG的MLSPR图谱。

曲线a为分别结合羊lgG和兔lgG的两种金纳米棒；b-f 分别加入了不同浓度兔抗羊lgG（1:2400, 1:1200, 1:800, 1:600, and 1:480）。

（B）加入多种抗免疫球蛋白的MLSPR图谱。

曲线a为分别结合羊lgG、免lgG和人lgG的三种金纳米棒；曲线b为稀释1:1200倍的兔抗人lgG，c和d分别为稀释1:1200和1:800倍的羊抗兔lgG，e为稀释1:240倍
的兔抗羊lgG。

单个纳米棒装置（single-nanorod devices）促进了表面等离子共振基生物传感器的发展。

Chilkotiand coworkers[45]采用暗场成像技术测量了单个金纳米棒，且仅有0.3nm的误差。

这种装置的敏感度达到262nm/RIU，与其先前的研究工作相似，但测定限只有1nM，比金纳米棒整体测量高得多。

Truong and coworkers[46]采用单个金纳米棒测定前列腺特定抗原（PSA），最低测定水平竟达到111aM，LSTP 峰最大偏移量达到 2.8nm。

与以往研究者采用乙二醇混合层包裹金纳米棒不同，本研究采用了羧酸盐硫醇。

总之，折射率传感方法作为一种强大的技术，模拟和检测金纳米棒周围介质的变化。

单假如LSPR峰出现较大的变化，那就可能是金纳米棒发生了团聚或者一定程度自组装。

1.4.2基于散射光方法
金纳米棒用于传感的另一个特性是其对光强大的散射能力[47]，这一特性也使金纳米棒在生物医药成像领域得到广泛关注。

通过模拟金纳米棒纵向等离子共振吸收峰的变化，达到检测而生物分子的目的。

Wang and coworkers[48]通过G-quatet诱导金纳米棒发生肩并肩自组装，再通过等离子共振光散射（PRLS）信号检测金纳米棒，发现其纵向等离子共振吸收发生蓝移。

基于这种增强PRLS 信号的的传感测定方法对于三磷酸腺苷浓度在4.0~8.0nM具有高选择性、高敏感度，测定限达到2.0nM。

这也是截至目前最为灵敏的检测光学测定方法。

1.4.3表面拉曼增强方法
金纳米棒和其他贵金属纳米颗粒均可以作为表面增强拉曼散射（SERS）的基底材料，这一特性也收到广泛关注。

拉曼散射是频率发生改变达到散射[49,50]，是入射光的频率域散射光的频率发生偏离的散射。

之所以会发生偏离，是因为当光照向介质时，大部分光会透过介质或被介质反射，另一部分则被介质散射。

金纳米棒之所以可以用于SERS基底，是因为其各向异性的形状和在近红外区强烈的吸收，这些对于生物医学领域的应用都非常有价值。

金属纳米粒子组装成有序的阵列，相当于为金属表面提供了合适的粗糙度，这种结构吸附分子后可以得到较强的SERS信号。

从能量角度来看，纳米粒子表面存在能力空穴，当光的能量和空穴能量相互匹配时，就可能会发生能量交换，同时伴随着电磁场的变化。

Wang[51]等对二氧化硅颗粒进行表秒氨基化，接着把聚乙烯吡咯烷酮改性修饰的金纳米棒固定在二氧化硅的四周，将信号分子ATP吸附在金纳米棒表面，最后再在表面包裹一层二氧化硅，制备了一种具有拉曼信号增强的复合微球颗粒（SiO2@GNRs@ATP@SiO2），该复合颗粒可以保护拉曼信号免受外界环境的干扰。

另外将该复合颗粒用于检测h-lgG，可以实现对蛋白质分子的高灵敏度检测，
检测限达到10pg/mL。

1.4.4 其他传感方法
金纳米棒在传感检测方面的应用，还有一些其他技术方法。

Sim[52]等将传统的生物检测方法和金纳米棒相结合，开展了一种纳米基生物检测传感器。

这种方法利用含有金纳米棒的叠层式金膜[53]的表面等离子共振进行免疫分析。

首先使用特殊的抗原-接受体改性金膜，再将抗体包裹的金纳米棒结合在抗原上。

金纳米棒的加入，导致金表面信号增强108倍，对于蛋白质的测定更加精确。

1.5 研究意义。