金纳米棒自组装的研究进展与未来展望

摘    要：

金纳米棒(GNRs)由于其独特的光学和电学性质而备受关注，这些性质取决于其形状、大小和长径比，通过有序的自组装，具有特殊形态的GNRs将表现出更优异的功能化应用。以驱动GNRs自组装的作用力角度出发，综述了过去十几年在GNRs的可控组装方面取得的重大进展，这些经自组装后的纳米材料表现出了更丰富的形态和更优异的光电特性，使其更适用于各种分析物的传感及纳米材料科学领域。

关键词:金纳米棒;自组装技术;表面增强拉曼散射;生物医学传感;

Research progress and future prospect of self-assembly of gold nanorods

FANG Ying WANG Kangrui HUANG Chenghong

College of Chemistry and Chemical Engineering, Chongqing University of Science and Technology

Abstract：

Gold nanorods(GNRs)have attracted much attention because of their unique optical and electrical properties, which depend on their shape, size and aspect ratio.Gold nanorods with special morphology will show more excellent functional applications through orderly self-assembly.From the point of view of the force driving the self-assembly of GNRs, the great progress made in the controllable assembly of GNRs in the past decade is reviewed.these self-assembled nanomaterials show richer morphology and better optoelectronic properties, which make them more suitable for the sensing of various analytes and nanomaterials science.

Keyword：

gold nanorods(GNRs); self-assembly technology; surface-enhanced Raman scattering(SERS); biomedical sensing;

0 引 言

贵金属纳米颗粒有着独特的尺寸依赖性，尤其是金纳米棒(gold nanorods, GNRs),因独特的光电性质被广泛关注，在医学成像[1,2]、药物运输[3,4]、光热治疗[5,6]等医学领域有着广阔的应用前景。由于纳米粒子周围电子的集体振荡[7],GNRs会产生表面等离子体共振(surface plasmon resonance, SPR),SPR的强度和波长高度依赖于其形状、大小和聚集状态[8]。GNRs在生长过程中具有各向异性，通过组装的方式改变GNRs的局部表面等离子体共振(loca-lized SPR,LSPR),可使其在更大范围内有近红外吸收，该特性在医学领域可能成为一种新型光热疗法的基础。然而，GNRs通常是在十六烷基三甲基溴化铵(cetyl trimethyl ammonium bromide, CTAB)的存在下合成的，CTAB的存在极大地限制了GNRs在生物系统中的应用。为避免CTAB双层结构被破坏而发生不可逆聚集，大量研究人员认为可以通过自组装获得的有序纳米结构来降低CTAB的浓度并保留光学特性。其中最常见的是利用硫醇与Au形成稳定的S-Au键来取代CTAB,利用CTAB在GNRs表面分布不均匀而使硫醇分子与GNRs表面的CTAB配体交换不完全，研究者因此组装了首尾相连或并行排列的GNRs。除此之外，“站立”排列的GNRs显得更有实用性，即能够为表面增强拉曼散射(surface enhanced Raman scattering, SERS)提供强烈的电磁场[9]。该纳米结构作为SERS具有灵敏度高、响应速度快、指纹效应强等优点，在材料检测、生物医学、传感器等领域具有巨大的应用潜力[10]。因此，GNRs的有序组装成为了贵金属纳米材料的研究热点。

本文分类总结了近年来GNRs自组装的研究进展，提出了未来的发展方向以及改进空间。

1 GNRs自组装

1.1 化学作用力诱导自组装

金属纳米结构SERS的效应来源于化学效应和电磁场效应[11]。由于入射光对金衬底表面等离子体的集体激发，电磁效应远远大于化学效应[12]。正是GNRs所提供的SPR表现出的光学可调谐性，使其特别适合于SERS的应用[13]。Nikoobakht B等人[14]的理论工作计算了与其他纳米颗粒形状相比，GNRs末端的电场强度最大，因此，实现端到端首尾组装或者侧面到侧面的并排组装后，相邻GNRs之间的电场可以耦合，构成具有SERS的几何结构。到目前为止，已有许多自组装技术被用于制造有序的GNRs阵列，比如静电作用、氢键作用、共价键、π-π堆积以及配位键等，总之，在各类衬底材料上进行自组装已经成为近几年的研究热点。

1.1.1 静电作用诱导自组装

在讨论GNRs对SERS的贡献时，GNRs被大量用于衬底表面的静电自组装。GNRs表面覆盖了阳离子表面活性剂CTAB,为了加强GNRs与基底材料的界面接触，首先，对衬底材料表面进行电荷修饰，然后将带电荷的GNRs与带相反电荷的基底面通过静电吸引实现自组装[15,16],若在单层组装的基础上加入阴离子聚电解质(例如：聚苯乙烯磺酸钠)作为连接剂，采用逐层组装技术交替沉积，可以制备GNRs多层次膜[17]。另一方面，GNRs间的静电斥力将促进自组装过程中的有序性。Yu Y等人[18]将清洁后的玻璃毛细管在硅烷偶联剂/乙醇溶液中浸泡12 h, 使内壁带有氨基，干燥后得到带正电荷的毛细管，吸入聚乙烯吡咯烷酮包被的GNRs后干燥30 min, 即得到均匀覆盖在毛细管内壁的GNRs。除此之外，溶液内部及微凝胶内部的静电自组装更容易表现出pH敏感性，利用GNRs上CTAB官能团与其他功能性化学基团，通过静电缔合作用，可以制备具有pH诱导性的可调谐吸收波长和发射波长的复合材料[19]。Kozlovskaya V等人[20]在有机玻璃聚丙烯酸甲酯(PMAA)表面用乙二胺和聚乙烯吡咯烷酮通过氢键进行化学交联，制备了具有pH敏感性的PMAA薄膜。再通过静电作用将GNRs包覆到高度膨胀的PMAA水凝胶膜中，制备了(PMAA-GNRs) pH响应型超薄等离子体逐层沉积膜。当pH值在8～5之间交替变化时，等离子体共振带在680～701 nm之间发生可逆变化。

1.1.2 氢键作用诱导自组装

氢键作用力的强弱不仅与溶液中可形成氢键的基团有关，还与该交联剂的溶度相关。在用于自组装时，需要严格控制交联剂浓度。Zhai M等人[21]首次提出了利用巯基功能化的2—脲基—4(1H)—嘧啶酮作交联剂，通过四重氢键自组装得到高度有序的胶体GNRs阵列(图1)。结果表明，通过调节交联剂浓度，可以实现两种不同的GNRs组装方式。当溶液中交联剂浓度较低时，CTAB之间的静电斥力阻止了并排组装，GNRs呈端到端连接，当溶液中交联剂浓度较高时，GNRs侧面的CTAB被交联剂有效取代，GNRs转换为并排组装，交联剂浓度为9.2 mmol/L时，GNRs呈端到端与并排共存的单层二维组装，随着交联剂浓度的增大，GNRs由单层变成多层，浓度为15.3 mmol/L时，GNRs可以达到4层组装。

1.1.3 硫醇分子共价自组装

GNRs在加入硫醇分子后，由于末端具有更高的活性且最不受CTAB保护，硫醇基团将优先连接到GNRs末端，形成稳定的S-Au键[22]。Liu J等人[23]采用不同浓度和不同分子量的二巯基聚乙二醇(HS-PEG-SH)对GNRs进行修饰，随着HS-PEG-SH分子量的增加，GNRs的组装模式从端到端组装变为并排组装，当HS-PEG-SH浓度小于0.25 μmol/L时，带正电的CTA+的静电斥力大于S-Au结合的亲和力，GNRs呈端到端组装。通过使用二硫代化分子连接物来定向组装GNRs是这类各向异性纳米晶体形貌可控的尖端组装的最有效方法之一。然而，该过程的特点是难以控制纳米低聚物的链长，几乎不可能只形成一种类型的低聚物，这使得该方法很难用于纳米等离子体的实际应用[24]。

1.1.4 过渡金属离子配位自组装

通过对GNRs的末端进行功能化，引入各种金属离子，利用过渡金属配合物之间形成配位键来引导GNRs的自组装。Leung F C M等人[25]在GNRs溶液中加入了含有金属Pt的配合物，利用配合物中金属Pt…Pt和π-π堆积作用诱导GNRs端—端自组装，TEM结果显示GNRs成功组装成链状纳米结构。该方法容易引起GNRs聚集，利用GNRs的颜色随聚集状态而变化的外在表现，GNRs在用于检测金属离子时，溶液中的颜色变化宏观可见[26,27]。例如，Priyadarshni N等人[28]在低浓度(～1.0×10-9)下检测AsⅢ和AsⅤ离子时，溶液中和纸条上呈现出明显的从蓝紫色到无色的颜色变化。利用GNRs表面的功能化试剂如半胱氨酸[29]、谷胱甘肽[30]、季胺基团[31]等与金属离子如Cu2+[32,33]、Hg2+[31]、Pb2+[34]、Pt2+[25]之间的配位自组装制成高效传感器，可以推动重金属离子的检测效率。

1.2 物理驱动力引发自组装

1.2.1 表面张力引发自组装

GNRs在稀溶液中不会自发进行有序的组装，这主要是因为距离太远导致粒子间的相互作用力较弱。液滴蒸发被认为是相对简单和快速的形成大面积GNRs超结构的方法。该工艺通常是在硅衬底上沉积一滴GNRs胶体溶液，并在受控的条件下使溶剂蒸发。根据熵的观点，GNRs在高体积分数时倾向于排列成平行构型，以牺牲一些取向自由度来增加平移自由度以达到更高的系统熵[35]。虽然熵有序效应有利于GNRs有序结构的形成，但组装过程中，范德华力、静电斥力和毛细管作用对纳米结构的形成仍起着重要作用[36]。Apte A等人[37]发现GNRs胶体在衬底上蒸发之后，形成了能为SERS提供强烈电磁场的有序六边形超晶格阵列，该衬底具有超高的灵敏度，且可重复使用。比起纳米光刻技术，蒸发诱导自组装制备的纳米材料(图2)作为SERS不仅操作简单，而且更具成本效益[38]。相比于水相，有机液体内部的自组装影响因素更少。Martin A等人[39]将水中合成的GNRs相转移到氯苯中，通过简单的蒸发对GNRs进行自组装，研究发现，组装过程主要依赖于GNRs的浓度，而其他参数的影响可以忽略不计，在低浓度时，GNRs水平沉积到衬底上，而高浓度下，GNRs垂直排列在衬底上。且非挥发性溶质的液滴通常会在表面上留下一圈沉积，即“咖啡环”效应[40],影响咖啡环效应的因素很多，想要完全抑制是非常理想的。

1.2.2 飞秒激光焊接GNRs

不同强度的飞秒激光会对GNRs表面的温度进行重新分布，辐射后GNRs的温度分布高度依赖于其相对于激光偏振矢量的取向，强烈的激光辐射会导致GNRs温度升高甚至融化。González-Rubio G等人[24]利用较低能量的飞秒激光照射GNRs的两端，使其微溶化，从而与邻近的GNRs首尾连接，达到焊接效果(图3)。直接采用激光焊接只能得到数量随机的二聚体、三聚体以及多聚体，难以控制GNRs聚合度。通过改进，Fontana J等人[41]利用分子组装和飞秒激光共同作用，严格控制激光强度和照射时间，焊接了高质量的二聚体(～1012个/h)。若照射时间过长，GNRs表面的电子持续吸收光子将导致GNRs破裂分解或融化成球形[42]。

1.2.3 疏水作用驱动自组装

利用疏水—亲水分子间的相互作用，实现在不同体系中GNRs的可控组装。Stewart A F等人[43]通过配体交换将GNRs两端用硫代化的聚苯乙烯功能化，然后在DMF体系中加水来触发GNRs的疏水性驱动的端到端自组装。组装进行一段时间后，通过加入磷脂包裹GNRs, 及时终止GNRs的自组装，以此得到高产量的二聚体和三聚体。

1.3 生物分子识别诱导自组装

近年来，大量生物分子被开发用于GNRs的自组装，例如DNA分子，抗原—抗体，适配体，生物素等。其中，DNA折纸的模板化方法在制造具有精确可控结构的纳米结构方面显示出巨大的前景，在柔性DNA链的驱动下，GNRs可组装成一维[44]、二维[45]、三维[46]结构。

1.3.1 DNA修饰下的动态自组装

DNA纳米技术已被证明是合理设计和精确控制纳米粒子和分子自组装的有力工具[47]。DNA单元组装成DNA超结构时，DNA扭曲成螺旋状，利用DNA的螺旋结构，可以设计出动态可逆的GNRs自组装[48]。Lan X等人[49]以DNA折纸的手性超螺旋结构为模板，以DNA链的置换反应来动态调整DNA折纸单体的几何构型，实现了在DNA模板的动态控制下，自组装的GNRs手性超螺旋结构在折叠和伸展状态之间或在两个相反的镜像之间可控地转换(图4),且首次证明了通过引导DNA链的变化过程可以重构GNRs的手性超螺旋结构。另外，GNRs自组装结构的光学响应受多种影响，Vial S等人[50]比较了组装体长度、反应温度、组装体浓度之后，认为温度对光学响应影响最大。

1.3.2 适配体特异性结合诱导自组装

利用适配体容易与靶分子特异性结合的特点，将适配体定点结合到GNRs端点上或侧面上，再加入合适的靶分子带动GNRs自组装[51]。由于GNRs末端吸附的CTAB较少，与巯基化DNA分子形成S-Au键时，GNRs的末端更具活性。Zhang X等人[52]提出用腺苷检测适配体，当引入一定浓度的巯基化DNA时，由于GNRs的末端比侧面更活跃，它将优先占据GNRs的两端。当适配体(C1和C2)分别加入溶液中时，它们被固定在GNRs的两侧。在腺苷存在下，C1-GNRs和C2-GNRs通过特异性捕获目标腺苷自组装成三明治结构，GNRs之间形成并排结构，实现了GNRs的自组装。

1.3.3 抗原—抗体特异性结合诱导GNRs自组装

抗原和抗体之间因其具有特异性识别作用和高灵敏性，用于调控GNRs的组装在光电子学领域具有广阔的应用前景。Wang Y等人[53]用高浓度的SH-PEG-COOH对GNRs侧面进行修饰，Zeta电位由49.5 mV降到-13.7 mV,在EDC/NHS的作用下将h-IgG或抗h-IgG Fab与活性基团(COOH)共价连接，通过抗原抗体的特异性识别作用，实现GNRs的并排组装。而用低浓度的SH-PEG-COOH时，Zeta电位仅由49.5 mV降到19.8 mV,GNRs的自组装方式则变为了端到端首尾连接。

2 GNRs自组装的未来展望

有序组装的GNRs构建出的一维、二维、三维结构展现出了更独特的光电性质，在生物医学、分子检测、电子器件及传感器等领域的应用有了更广阔的前景。现阶段GNRs自组装的方式越来越多，特别是DNA修饰下的动态自组装，由于形状可设计、组装体可动态变化等特点成为了近年研究的热点。然而，纳米棒之间结合力的稳定性与多聚体的均匀性是自组装达到高产量的关键，也是未来研究工作的重点。未来GNRs的自组装可能会朝着以下几个方向发展：

1) 近年来，将垂直组装的GNRs用于增强SERS受到了极大的关注，增强因子可以达到106～1010,然而在制备SERS基底的众多影响因素中，“咖啡环效应”是制备均匀SERS基底的瓶颈之一。在蒸发诱导的基础上，采用电磁场诱导GNRs的有序运动有望攻克GNRs阵列分布不均匀等问题。

2) GNRs的光热性能使其特别适用于医药学研究，将GNRs组装到抗肿瘤药物表面用于肿瘤治疗可以起到光热治疗与化疗相协同作用，而GNRs表面的CTAB限制了其在生物学研究中的应用，虽然有不少研究采用聚乙二醇或硫醇分子取代了CTAB,但很难直接采用某种方式表征GNRs的功能化程度和GNRs表面CTAB的剩余量，故找到一种无毒物质用于取代GNRs表面的CTAB将成为科学家们需要攻克的难点。

3) GNRs垂直阵列作为SERS基底用于识别微量目标分子具有重要前景，然而目前使用最广泛的溶液蒸发诱导GNRs在硅上形成垂直排列的单层阵列仍缺乏高度的均匀性和可重复性，因此，有必要筛选各类技术，选择制备成本低、操作更简便、可重复性强、衬底更均匀、检测更灵敏的系统方案，来制备面积更大的SERS基底，推动其在环境检测和生物检测方面的应用。

4) 随着对DNA折纸修饰GNRs动态自组装作用机制的深入理解以及计算机的开发利用，有望利用软件对DNA分子进行设计和三维结构的动态模拟，实现GNRs组装体形态的准确预测和有效调控，结合不同形态下GNRs表现出不同的光电性能，针对性的设计在某领域实用性最佳的动态组装，在降低实验成本的同时提高GNRs空间结构的多样性，为拓展GNRs的应用提供有力的支持与推动。

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