文 献 综 述

摘要

金纳米棒是一种尺度从几纳米到上百纳米的棒状金纳米颗粒。金是一种贵金属材料，化学性质非常稳定，金纳米颗粒沿袭了其体相材料的这个性质，因此具有相对稳定，却具有非常丰富的化学物理性质。金纳米棒的表面等离子体共振波长可以随长宽比变化，从可见(550nm)到近红外(1550nm)连续可调，极高的表面电场强度增强效应(高至10e7倍)，极大的光学吸收、散射截面，以及从50%到100%连续可调的光热转换效率。由于它独特的光学、光电、光热、光化学、以及分子生物学性质，金纳米棒在材料科学界正受到强烈的关注，并引发众多材料学家、生物化学家、医学家、物理学家、微电子工程师等科研工作者对之进行广泛和深入的研究。

1 金纳米棒的局域表面等离子体共振(LSPR) 特性

金纳米棒具有的光学特性几乎都源于它的LSPR特性。金纳米棒的纳米级尺度限制了电子的运动范围，使其只能在微粒表面进行震荡，在入射光辐照下，金纳米棒表面产生感应电荷，由感应电荷产生的回复力引起自由电子的集体振荡而形成LSPR现象。LSPR宏观的表现就是在消光(吸收 散射)光谱中会出现LSPR峰。研究发现，光学散射和光学吸收的共振峰位置会依据纳米颗粒的形状、尺寸及介质环境的变化而改变。直径20nm左右的金纳米球的LSPR峰在 520nm附近，金纳米颗粒胶体溶液呈橙红色，随着粒径的增加其等离子共振峰会发生红移，溶液变为蓝紫色。金纳米棒有2个LSPR频带，分别是横向(短轴)和纵向(长轴)等离子共振峰。横向共振峰位于520nm附近，实验中可观察到能量较高的横向LSPR峰的位置几乎不随金纳米棒长径比变化。纵向共振峰主要 取决于金纳米棒的长径比，随着长径比的增加，可从可见光(550nm)至近红外(1550nm)范围实现人为连续调节。因此，能量较低的纵向LSPR峰随纳米棒长 径比的增加发生显著红移，溶液颜色也从蓝色变为棕色甚至橙红色。此外，金纳米棒表面的等离子体共振特性，使其能够在表面及附近形成1个局域近场的电磁增强场，利用这个电磁增强场可以获得加强的光2015年3月第60卷第9期818 学信号。综上所述，基于可调的LSPR共振峰对生物组织 的优良穿透性，金纳米棒表现出强烈的近红外吸收和散射、表面及附近局域的电磁场增强，这些特性完全可以满足从细胞到组织、从体外到体内、从动物实验到临床应用的多种生物成像方法的需要以及在肿瘤诊疗方面的应用。

2 金纳米棒的应用

2.1在生命科学上的应用

1.体外诊断：基于金纳米棒的表面等离子体共振性质而开发的生物传感器可被用于生物医学上的体外诊断。详情参见下文”在传感器方面的应用”。

2.体内成像：金纳米棒在近红外波段对光有强烈的散射，而生物体在这个波段的散射背景较弱，这使得金纳米棒可以作为基于光散射的生物成像对比剂。由于金纳米棒的高稳定性、低毒性，并且其光散射效应没有荧光淬灭类似的失效途径，这些优良的性质使得金纳米棒成为优于传统的基于染料或半导体量子点的染色剂。

3.体内治疗：金纳米棒总的消光包括散射和吸收两部分，对于直径小于10nm的金纳米棒，光的吸收远大于散射，而吸收的这部分能量最终将通过晶格的弛豫转化为热能。另一方面，对于生物体来说，近红外波段的辐射具有窗口效应，该频段的辐射能够以微弱的损失穿透生物体组织。因此可以利用金纳米棒在近红外波段较高的光吸收截面和优良的光热转换效率来制造光热疗法的试剂。通过在金纳米棒表面包覆一层与体液相容性良好的聚合物分子，金纳米棒可以在生物活体内进行长达15小时的流通与传输。科学家已经证明，金纳米棒以及相关的纳米结构可以通过光热疗法，在较小的光照剂量下杀死癌细胞。

2.2在催化领域的应用

在相同温度和化学物理环境下，钯或铂包覆的金纳米棒具有比相同剂量纯钯或纯铂催化剂具有更高的催化活性，同时兼具较好的稳定性。特别是在有光线(例如日光)照射的情况下，这种复合催化剂中的金纳米棒可以吸收光能并转化成热能，这种光热转换使得金纳米棒表面十几个纳米范围内的局域温度提升几十到几百摄氏度。这种局域温度的提升一方面为催化反应在纳米颗粒表面的进行提供温度活化，另一方面又节省了将整个溶液体系加热所需的能量。是一种更绿色、更节能的催化剂。科学家们相信钯或铂包覆的金纳米棒可能具有更高的催化选择性，但这个命题是否成立仍有待实验验证。