金纳米棒表面修饰技术及其功能化的研究进展

2010年第29卷第3期CHEMICALINDUSTRYANDENGINEERINGPROGRESS·389·化工进展化工进展金纳米棒表面修饰技术及其功能化的研究进展杨玉东1，徐菁华1，杨林梅1，潘卫三2（1沈阳工业大学理学院，辽宁沈阳110870；2沈阳药科大学药学院，辽宁沈阳110016）摘要：各向异性的金纳米棒由于具有独特的光学性质、较好的生物适应性，在生物医学领域得到了日益广泛的应用。本文系统评述了金纳米棒的表面修饰技术及其功能化的研究进展，内容包括：①金纳米棒的无机材料修饰，表面活性剂修饰、有机小分子及有机大分子修饰、金属材料修饰及其功能化；②金纳米棒在生物标记与识别、生物成像、癌症诊断和光热治疗等领域中的应用。关键词：金纳米棒；表面修饰；功能化；生物医学中图分类号：TG146.3+1文献标识码：A文章编号：1000–6613（2010）03–0389–08ProgressinsurfacemodificationandfunctionalizationofgoldnanorodsYANGYudong1，XUJinghua1，YANGLinmei1，PANWeisan2（1ShenyangUniversityofTechnology，Shenyang110870，Liaoning，China；2ShenyangPharmaceuticalUniversity，Shenyang110016，Liaoning，China）Abstract：Anisotropicgoldnanorodshavebeenwidelyusedinbiomedicalfieldduetotheiruniqueopticalpropertiesandexcellentbiocompatibility.Thispaperprovidesasystematicreviewonthesurfacemodificationandfunctionalizationofgoldnanorodsincludingthemodificationwithinorganicsmaterials，surfactants，organicsmallmolecules，organicmacromolecules，metallicmaterialsandtheirfunctionalization.Applicationsofgoldnanorodsinthefieldsofbiorecognition，biologicalimaging，cancerdiagnosisandphotothermaltherapyarealsodiscussed.Keywords：goldnanorods；surfacemodification；functionalization；biomedicalapplication各向异性的金纳米棒（goldnanorods，NRs）具有可调的比率（长径比），同时又具有化学和光学上的各向异性[1]，其作为新一类的金纳米粒子已经引起了材料科学和生命科学领域工作者的巨大兴趣。在可见光区和近红外区，NRs具有横向和纵向表面等离子体共振峰（surfaceplasmonresonance，SPR）[2－3]。在近红外区，等离子体表面的纵向吸收峰可实现人为调控[4－6]，并出现对光的强吸收、更高荧光效率和更强的散射光，同时对周围介质的电容率十分敏感[7]。金纳米棒还是一种生物适应性较好的纳米材料，通过静电吸附或巯基修饰位点进行共价耦合，金纳米棒表面容易被抗体、寡核苷酸、生物素、蛋白A、外源凝集素、酶等关键探针分子功能化，这种生物分子纳米粒子杂化体系对于生物传感、靶向药物及基因运送、光热治疗和生物材料成像而言，都是基础的构建元[8－9]。综上所述，金纳米棒在电学、光学、生物纳米材料杂化、生物化学传感和成像、药物传送以及纳米材料组装[10－11]等方面有着潜在的应用价值，成为近年来纳米材料领域里的研究热点。在生物化学和医学领域的应用中，包含NRs的各种纳米粒子需要具有生物相容性和胶体稳定性。一方面，在NRs制备方法中，十六甲基溴化铵（cetyltrimethylammoniumbromide，CTAB）不仅是支持电解质，而且还是NRs的稳定剂和保护剂，得到的NRs表面都吸附CTAB涂层[12]；另一方面，特约评述收稿日期：2009-11-13；修改稿日期：2009-12-08。第一作者简介：杨玉东（1964—），男，博士，副教授，从事生物医用纳米材料的研究。[e-mail]。联系人：潘卫三，教授，博士生导师。[e-mail]。化工进展2010年第29卷·390·NRs溶液中的CTAB具有高毒性，会干扰生物过程，阻碍NRs与生物分子的偶联[13]。为了改进NRs的生物相容性，如何消除CTAB的影响，实现生物修饰是NRs颗粒在涉及生物体系应用中需要解决的关键问题。本文重点论述NRs的表面修饰、功能化及其在生物医学领域中的应用，并展望了它的发展趋势和应用前景。NRs的表面修饰有两种途径：一种是表面修饰材料与粒子表面依靠化学键结合，这通常是指一些小分子化合物；另外则是用有机或无机材料直接包裹NRs，主要包括表面活性剂、高分子材料、DNA生物分子及二氧化硅等。1无机材料修饰技术及功能化无机材料通常是四氧化三铁和二氧化硅等，包裹后的复合粒子通常是处于中心的NRs和外层的无机材料层，它们不但可以阻止粒子发生团聚，而且外层的包裹层可结合各种各样的生物化学配体到复合粒子的表面上。二氧化硅具有高度良好的生物相容性、亲水性以及非常好的化学稳定性和胶体稳定性，并且易于进行表面生物修饰，因此用二氧化硅来包覆NRs构建核-壳结构（NRs@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。包裹二氧化硅后得到的复合粒子已经在生物检测、生物识别领域得到了广泛的应用。Liz-Marzan等[14]利用层层自组装（layer-by-layerassembly，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）、聚烯丙胺盐酸盐（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NRs@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。昀近，Wang等[15]利用聚乙烯吡咯烷酮保护的金纳米棒固定到氨基化的二氧化硅纳米颗粒表面，然后在金纳米棒表面组装拉曼信号分子，再包覆了一层二氧化硅，制备出具有拉曼信号增强作用的复合颗粒（SiO2@NRs@ATP@SiO2）。复合颗粒具有保护拉曼信号分子免受环境干扰和增强拉曼信号的多重作用。这一复合颗粒用于表面增强拉曼散射（surface-enhancedRamanscattering，SERS）检测h-IgG，实现了蛋白分子的高灵敏检测。Wang等[16]利用在金纳米棒表面包裹一层SiO2得到了NRs@SiO2复合颗粒膜，并将NRs@SiO2固定到聚（4-乙烯吡啶）（PVP）修饰的玻璃基片上，然后用（3-氨基丙基）三甲基硅烷（APTMS）和戊二醛（GA）对基片分别进行氨基化和醛基化处理，再固定抗体（anti-h-IgG），通过检测抗原（h-IgG）特异性吸附引起基片上NRs@SiO2复合颗粒的纵向表面等离子体共振（localizedsurfaceplasmonresonance，LSPR）峰的变化，可以实现h-IgG的快速比色检测。2表面活性剂修饰技术及功能化表面活性剂能够依靠化学结合或物理吸附等方法在NRs表面形成单层或双层结构。带有功能团的表面活性剂可以绑定在NRs的表面，从而改变NRs的表面性质。适合用作包裹的表面活性剂有：氯仿、牛血清白蛋白（BSA）、聚乙二醇等。Niidome等[17]利用含有磷脂酰胆碱的氯仿（phosphatidylcholine，PC）溶液提取CTAB稳定的NRs颗粒中的CTAB，利用PC部分替换CTAB，成功地制备了具有低细胞毒性的PC钝化纳米棒（PC-NRs）。经过多次提取之后，NRs颗粒的Zeta电位明显降低（由+67mV降到+15mV），说明NRs颗粒表面的大部分CTAB分子被PC取代，而且PC和CTAB稳定的NRs颗粒可以保持两周以上的稳定存在，其光学性质保持不变。PC-NRs被预测将会成为一种具有潜力的生物材料。但是，为了基因传递要想获得功能性的NRs，就需要进一步改性，因为在生化条件下，要想保持（PC-NRs）的良好分散性而没有聚集是很困难的。使用聚乙二醇进行的表面改性是一种常见的方法。Tkachenko等[18]曾报道说，在生化条件下，利用牛血清白蛋白对稳定纳米粒子是有效的。通过静电相互作用，BSA改性可以提供简单的生化稳定性。Hafner等[19]用巯基化的聚乙二醇（mPEG-SH）来部分置换NRs表面的CTAB，得到了mPEG-SH和CTAB稳定的NRs，并利用抗体修饰NRs颗粒。此方法虽然可以在一定程度上降低CTAB的生物毒性并且可以实现生物分子的表面修饰，但是生物分子的偶联程序复杂、耗时且成本昂贵。因此寻找能够降低CTAB生物毒性并且易于生物修饰的简便、经济的方法，仍然有很多工作要做。2008年，美国麻省理工学院Schifferli研究小组[20]证实了CTAB可以被一种更有用的分子-硫醇第3期杨玉东等：金钠米棒表面修饰技术及其功能化的研究进展·391·（thiol）所取代，这种分子与纳米棒的结合更紧密。此外，DNA等分子也很容易附在硫醇的末端。这一研究结果为NRs在生物医学领域中的广泛应用开辟一条新路。3有机小分子化合物修饰技术及功能化许多小分子化合物都能与NRs表面形成牢固的化学键，如巯基化合物、己二酸等。它们与NRs结合后形成具有良好生物相容性的金纳米棒∕有机小分子复合物，在NRs之间形成相互排斥力，从而使NRs具有稳定的分散性。通过小分子表面改性后的NRs再经化学或生物等方法功能化后，可以被广泛应用于生物分离、蛋白质检测和医学成像等生物医学领域。巯基化合物是NRs的强配体，对NRs有强的钝化作用。近些年来，人们已经尝试了利用各种含有巯基的化合物作为配体合成NRs，巯基化合物作为配体，可以通过调节其分子结构和烷基链长来调控NRs稳定性和亲疏水性。由于巯基化合物的巯基官能团与NRs有很强的相互作用，因此巯基化合物配体保护的NRs在多数环境和条件下都具有很好的稳定性，这对于NRs在生物医学领域中的应用是至关重要的。Irudayaraj等[21]利用11-巯基十一酸（11-mercaptoundecanoicacid，MUA）修饰3种不同比率（AR=2.1、4.5、6.5）的CTAB分子稳定的NRs的{111}晶面，进而偶联3种不同的抗体分子[羊抗人IgGFab、兔抗鼠IgGFab、兔抗羊IgG（H+L）]。通过检测由于免疫识别作用诱导的NRs的LSPR产生的红移，实现3种目标分子[humanIgG1Fab、mouseIgG1Fab、sheepIgG（H+L）]的检测。此方法实现了多靶标的同时检测，在NRs表面修饰和检测的过程中，NRs始终分散在5mmolPL的CTAB溶液中，NRs的稳定性大大提高了。这种使用不同比率金纳米棒的检测方法将提供一个多元光学检测的平台，并在免疫检测和疾病治疗方面有广泛和潜在的应用。Chilkoti等[22]利用NRs制备的颗粒膜用于蛋白分子的检测。他们将CTAB分子稳定的NRs颗粒固定到巯基修饰的玻璃基片上，然后用三乙氧基巯醇（EG3SH）和巯基十六酸（MHA）修饰基片并生物素化，得到可以用于检测链霉亲和素（streptavidin）的蛋白传感器。该方法在磷酸缓冲液中的蛋白检出限为94pmol/L，在血清（serum）中的检出限为19nmol/L。Murphy等[23]把正电荷CTAB保