基于金纳米棒的生物检测_细胞成像和癌症的光热治疗

基于金纳米材料的肿瘤成像1 金纳米材料在肿瘤成像中的应用1.1 光声成像光声成像（photoacoustic imaging, PAI）是一种基于光声效应的医学成像方法，结合了光学成像的高对比度和超声成像的高空间分辨率。

当非电离脉冲激光照射生物组织时，组织吸收光能而产生超声波，由超声换能器接收和处理后，产生图像。

由于PA信号主要与组织的光吸收性质相关，利用光吸收强的造影剂增加组织对比度，提高信噪比（signal-to-noiseratio, SNR），改善成像质量。

2004年Copland等首次将金纳米颗粒用于PA成像。

该研究表明，偶联赫赛河单抗的金纳米颗粒能够选择性帮向人表皮生长因子受体-2（Human Epidermal Growth Factor Receptor-2, HER-2）高表达的人乳腺癌细胞系SK-BR-3，并显著增强细胞的PA信号。

然而，本实验中所应用的金纳米颗粒直径约40 nm，LSPR峰位于532 nm处，与血液的吸收波长相近，且成像的组织穿透能力有限，严重影响了其成像效果，限制了其体内应用和临床转化。

因此，构建在LSPR峰位于近红外区域，光吸收强金纳米材料，改善PA成像性能，仍显得十分重要。

如上文所述，通过金纳米棒的纵横比，可将其LSPR峰调节在近红外区域。

同时，金纳米棒的吸收截面和散射截面也与其尺寸和纵横比有关。

尺寸越小，纵横比越高的金纳米棒，对光的吸收更高而散射更小。

综合考虑这些因素，一些研究认为，纵横比在3-4之间的金纳米棒最适合用于PA成像。

金纳米壳由于散射多于吸收，且吸收光谱更宽，其PA成像的效果较金纳米棒略差。

在LSPR峰相同时，金纳米笼的吸收截面比金纳米棒更大，因此，理论上其PA成像效果更好。

由于等离子体賴合作用，金纳米囊泡在近红外区有强烈的吸收，也是良好的PA增强剂。

此外，将金納米材料与其他材料相结合，也可増强其PA成像能为。

由于碳纳米材料具有强烈的近红外光吸收和优秀的导电性，将氧化石墨烯纳米片（grapheme oxde nanosheets, GONs）包裹在金纳米材料表面，能够有效地増强材料的LSPR效应。

金纳米棒光热效应在杀菌领域的应用是一项备受关注的新兴技术。

这种技术利用金纳米棒对光的局部表面等离子共振现象，产生强热效应，从而实现对微生物的精准热灭活。

以下将深入探讨金纳米棒光热效应杀菌的原理、方法、应用领域以及未来发展趋势。

### **金纳米棒光热效应原理**金纳米棒的光热效应基于表面等离子共振现象。

当金纳米棒暴露在适当波长的光下时，金纳米棒的自由电子与光场耦合，导致电子被激发至高能级。

这个激发状态下的电子会与周围的原子和分子发生碰撞，产生局部升温效应。

由于金纳米棒的形状和尺寸可以调控，可以使其在特定波长范围内表现出明显的等离子共振峰，即光吸收的峰值。

这种局部表面等离子共振效应使金纳米棒在吸收光能的同时，产生局部高温，从而形成光热效应。

### **金纳米棒光热效应杀菌方法**1. **金纳米棒制备：** 首先，通过合成方法制备具有特定形状和尺寸的金纳米棒。

这可以通过溶液法、溶胶-凝胶法等合成技术实现。

2. **表面功能化：** 为了提高金纳米棒在生物体内的稳定性和生物相容性，通常需要对其进行表面功能化处理，例如涂覆生物相容性的聚合物。

3. **光照射：** 将经过功能化处理的金纳米棒添加到杀菌区域，然后利用激光或可见光源照射样品。

由于金纳米棒对特定波长的光吸收强，会发生局部表面等离子共振效应，产生强热效应。

4. **光热效应杀菌：** 金纳米棒的光热效应导致杀菌区域温度升高，微生物在高温下会受到损伤，从而实现光热效应杀菌。

### **金纳米棒光热效应杀菌的应用领域**1. **医学领域：** 金纳米棒光热效应杀菌被广泛应用于医学领域，特别是用于感染性疾病的治疗。

通过调节金纳米棒的形状和尺寸，可以实现对不同病原体的高效灭活。

2. **食品工业：** 在食品工业中，金纳米棒光热效应杀菌可以用于食品的无害化处理，提高食品的贮存期和安全性。

3. **水处理：** 金纳米棒光热效应也可以应用于水处理领域，通过对水中微生物的杀灭，提高水质的安全性。

金纳米粒子在医学领域中的运用金是典型的惰性元素，由金制成的历史文物能够保留几千年的灿烂光泽不变色，如图1所示.金被广泛使用于珠宝、硬币和电子器件等方面.目前，20nm厚的金薄膜已用在办公室的窗户上，因为它能够在传输大量可见光的同时有效地反射红外光线，并吸收光的热量.因金纳米粒子具有很好的稳定性、易操作性、灵敏的光学特性、易进行表面修饰以及良好的生物相容性，使其广泛应用于食品安全检测、环境安全检测和医学检测分析等领域[1-4].金纳米粒子尺寸范围为lnm~100nm.图2(a)为50nm的金纳米棒，(b)为二氧化硅包覆的金纳米颗粒, 其中扇形金纳米粒子尺寸比较小，被二氧化硅包覆后的纳米粒子尺寸大约140nm,(c)为50nm的金纳米笼[5].由于其比较微小的结构，这些颗粒比小分子更能积聚在炎症或肿瘤增长部位.具有高效的光转热属性的金纳米颗粒，可以被应用于特异性地消融感染或患病组织.因金纳米颗粒具有吸收大量X射线的能力，而被用于改善癌症放射治疗或CT(计算机断层扫描)诊断成像.另外，金纳米粒子可以屏蔽不稳定的药物或难溶造影剂，使之有效传递到身体各个部位.1金纳米粒子在加载药物方面的应用1.1金纳米粒子可作为内在药制剂金基疗法有着悠久的历史,这是金自然的优异性能以及其神秘效应引起的药效应用.金基分子化合物已被发现可以显着限制艾滋病病毒的生长[6].目前，搭载药物的金纳米粒子常用于靶向癌细胞[7].将放射性金种子植入肿瘤中,对其内部如何实现重现性规模化批量生产纳米颗粒,另外，也需要减少免疫系统与金纳米颗粒的循环反应，增强金纳米颗粒的定位选择性，制定相关战略,显着改善金纳米颗粒的高效输运性.随着金纳米颗粒从台式到诊所的过渡，研究人员还将研究相关的纳米材料和生物系统之间的基本相互作用.我们期待纳米材料新功能和新性能的报道，也期待研究人员对生物医学的新见解.我们将进一步跟踪纳米材料在医学领域的新应用性研究，综述相关研究成果回报纳米生物医学.我们对金纳米颗粒在生物医学领域应用的黄金时代抱有更多期待.进行放射疗法，实现近距离放射治疗［7］直径非常小的金纳米颗粒（小于2nm）能够渗透到细胞和细胞区室（如细胞核）［8］.金纳米颗粒与其无毒的较大尺寸的表面修饰试剂［8］,有杀菌和杀死癌细胞的功效，并有诱导细胞氧化的应激能力，促使损伤的线粒体和DNA相互作用.最近，人们发现，纳米金（直径5nm）表现出抗血管生成性质（抑制新血管的生长）.这些纳米颗粒可选择性结合肝素糖蛋白内皮细胞,并抑制它们的表面活性. 因为上述纳米金的大小和生物分子或蛋白质差不多，在生理过程中，它们也可以相互修饰或作用，尤其在细胞和组织内.最近，El-Sayed和他的同事针对恶性生长与分裂的细胞核，已探索出微分细胞质.通过将金纳米粒子聚集于细胞表面，从而认识到整合肽序列（细胞质交付）和核内蛋白（核周交付），并通过金纳米颗粒选择性地靶向恶性细胞，他们已证明凋亡效应（DNA的双链断裂）.另外，使用类似的研究策略，已发现金纳米粒子可选择性地发挥抗增殖和放射增敏效应.1.2基于金纳米粒子的光热疗法光热疗法是金纳米粒子在医疗上的核心应用［9］.纳米金吸收光能将其转换为热量并被用于破坏癌细胞和病毒的能力，是一个令人着迷的属性.因此，激光曝光过的金纳米粒子无须结合药物可直接作为治疗剂.金纳米粒子能高效吸收近红外区的电磁波，且在生物液体和组织中的衰减是极小的•在近红外区域曝光过的金纳米粒子，可渗透于高深度组织中进行光热医疗.金纳米粒子和经典光敏剂之间的差异是前者产生热量而后者照射时产生单线态氧，金纳米粒子产生的热量能破坏不良细胞.另外，金纳米粒子具有强的吸收能力，生物相容性好，能高效吸收具有较长波长的分子和药物等.这些属性使得金纳米粒子有望通过光热治疗癌症和各种病原性疾病.金/二氧化硅纳米壳,是第一批经过光热光谱分析，并应用于治疗上的纳米粒子.此纳米核壳结构以二氧化硅为核心,以金为壳，其可调谐的消光能力取决于二氧化硅的尺寸和金壳厚度.在近红外光照射下，纳米壳已被用于靶向各种癌细胞,现已有成功地在体内治疗癌症的动物模型.尽管纳米核壳合成相对容易,也具有期望的电浆性质,然而被包覆后的纳米颗粒比较大(约130nm),此大小阻碍从肿瘤组织中消除它们, 因此可能会降低它们的应用率相比而言，金纳米棒容易制备，电浆吸收可调，且在尺寸上比金硅纳米核壳小.因此，金纳米棒已被用于侵入细胞成像［10］,并用于烧蚀小鼠结肠癌肿瘤和鳞状细胞肿瘤［ll-12］.EI-Sayed和他的同事［12］首次将金纳米棒用于体内光热癌症治疗，其结果证明金纳米棒能够抑制肿瘤生长，而且在许多情况下，金纳米棒靶向肿瘤，且能够被其完全吸收(见图3).最近，Bhatia等研究人员进一步证明了金纳米棒在体内的治疗功效，他们发现：通过X射线计算机断层摄影，观察到PEG包覆的单个静脉内剂量金棒能够靶向小鼠肿瘤部位，该发现对后续的高效光热治疗起到指导作用.1.3金纳米粒子作为药物运载工具探索性地将金纳米颗粒用于药物输送，有以下原因：(1)高比表面积的金纳米颗粒提高了药物加载量，增强了其溶解性和装载药物的稳定性;(2)功能化金纳米粒子与靶向配体络合，提高了其治疗效力，并减少了副作用;⑶多价的金纳米颗粒与受体细胞或其他生物分子的相互作用比较强;(4)能携带游离药物靶向肿瘤组织，增强药效;(5)具有生物选择性,让纳米级药物优先靶向肿瘤部位,增强渗透性.基于以上因素，金纳米颗粒被广泛应用于生物传感、药物输送以及治疗癌症等领域（见图4）.1.3.1分区加载（图4a-b）所制备的金纳米颗粒表面包覆有单层或双层指示剂,可用作抗聚集的稳定剂或在某些情况下作为形状导向剂.金纳米颗粒表面包覆的单层或双层指示剂可以视为一薄层有机溶剂，能够从中区识别疏水性药物，由于这些原因，单层或双层指示剂可以更有效加载药物并随后在病变部位释放. 例如，包覆金纳米棒的表面活性剂（十六烷基三甲基漠，CTAB）,其双层厚度大约为3nm.Alkilany和同事制备的球形纳米金,包覆其表面的单层聚合物有两个疏水区域（内部）和亲水性区域（外部）.包覆纳米颗粒表面的聚合物，其疏水区域是用于加载疏水性药物，其亲水性区域用于稳定水介质中的纳米颗粒.Rotell。

基于纳米技术的胶体金生物成像方法胶体金是一种具有良好生物相容性和可控性的纳米材料，已广泛应用于生物成像，生物检测和治疗等领域。

其中，基于纳米技术的胶体金生物成像方法已成为当前研究热点之一。

一、胶体金介绍胶体金是一种粒径范围在1~100nm之间的纳米材料，其主要成分是金凝胶。

胶体金具有良好的生物相容性和可控性，并且其物理化学特性可通过调节其粒径，形态和表面化学性质进行调控。

此外，胶体金的表面还可修饰各种生物分子（如抗体，蛋白质分子），具有良好的与生物物质的相互作用，可广泛用于生物成像、生物检测和治疗等领域。

二、基于胶体金的生物成像方法1.表面增强拉曼光谱成像（Surface-enhanced Raman scattering imaging，SERS）SERS是一种可扩展的分子成像技术，其基本原理是通过在胶体金表面修饰具有拉曼活性的分子，在激光的激发下产生强烈的散射信号，从而实现对分子的高灵敏成像。

胶体金可通过拍卖剂还原法简单合成，并通过表面修饰将其应用于SERS成像。

由于其较大的表面积和良好的生物相容性，胶体金纳米棒等结构可实现分子信号的高灵敏度成像，并具有良好的可调性和体内成像能力。

2.双光子激光共振拉曼生物成像（Two-photon laser resonant Raman imaging，TPLRRI）TPLRRI是在组织深度较大、对单光子灵敏度不足的情况下，依靠胶体金等强吸收纳米颗粒对激光进行加强，实现分子成像的一种技术。

该方法通过胶体金纳米颗粒吸收激光能量，光热效应产生用于成像的Raman散射信号。

通过改变激光照射深度和波长，调节胶体金的激发，可实现分子信号的深部高分辨成像。

三、胶体金生物成像方法的优点与局限性优点：1、良好的生物相容性2、可控的表面化学性质3、可定制的形态和结构4、较高的信号强度和灵敏度5、良好的可调性和多样性，可通过表面修饰实现不同的用途局限性：1、表面修饰较为繁琐2、合成工艺较为复杂3、成本较高4、应用范围有限，只能应用于浅部组织成像。

金纳米棒有毒吗
2016-04-23 13:03来源：内江洛伯尔材料科技有限公司作者：研发部
检测金纳米棒是否有毒思路图
金纳米棒的光学性质独特，是近年来人们研究的热点。

特别是在生物医学领域，如光热治疗、癌症检测、生物成像、药物运输释放等，展示出极好的应用前景。

于是，另一个关键的问题进入人们的视野，即金纳米棒有毒吗？会不会对正常的生物细胞造成损伤？
金纳米棒合成领域的开拓者Murphy小组对此问题进行了深入研究。

早期他们研究CTAB分子稳定金纳米球的毒性时发现，金纳米粒子无毒性，但金纳米粒子前驱体HAuCl4和CTAB都有细胞毒性。

毒性是由溶液中游离的CTAB
分子而不是连接到金纳米粒子上的CTAB造成的。

但随后许多其他小组研究都表明，CTAB双分子层包裹的金纳米棒是具有细胞毒性的。

这与Murphy小组前期的结论似乎矛盾。

为弄清金纳米棒毒性的来源，Murphy小组设计了对比试验，即比较原始金纳米棒溶液和离心除去棒后上清液的细胞毒性，发现两者细胞毒性接近，证明了细胞毒性来源于CTAB，而不是金纳米棒本身。

所以合理的解释是，CTAB在金纳米棒表面是动态吸附，总有一定量的CTAB会脱附进入周围的介质环境，造成整体的细胞毒性。

那是否能完全除掉CTAB呢？遗憾的是，在没有其他稳定剂存在时，完全除去吸附到金纳米棒表面的CTAB又会造成纳米棒的团聚。

所以CTAB包裹金纳米棒在用于体内研究之前，功能化是至关重要的一步。

金纳米粒子在生物成像中的应用研究金纳米粒子在生物成像中的应用一直备受关注，其独特的物理和化学性质使其成为一种理想的生物成像试剂。

金纳米粒子具有良好的生物相容性、稳定性和高比表面积，使其可以与生物分子高效结合，用于生物标记、生物传感和生物成像等领域。

本文将就金纳米粒子在生物成像中的应用研究进行探讨。

一、金纳米粒子的特性和优势金纳米粒子是一种直径在1到100纳米之间的金属颗粒，具有独特的物理、化学和生物学性质。

首先，金纳米粒子具有可调控的光学性质，其表面等离子共振效应使其对特定波长的光具有很强的吸收和散射能力。

其次，金纳米粒子表面容易修饰功能化，可以通过化学手段将其与生物分子特异结合，实现对生物标记物的灵敏检测。

此外，金纳米粒子还具有较高的比表面积和生物相容性，使其在生物样品中具有良好的渗透性和稳定性。

二、金纳米粒子在生物标记和生物传感中的应用金纳米粒子在生物成像中的应用主要体现在其在生物标记和生物传感领域的作用。

通过合适的表面修饰，金纳米粒子可以与生物分子高效结合，实现对细胞、分子和生物组织的定位和成像。

例如，在癌症诊断中，可以利用功能化金纳米粒子标记癌细胞表面的特异蛋白，通过光学成像等手段实现对癌症的早期诊断和定位。

此外，金纳米粒子还可用于生物分子的传感检测。

通过将金纳米粒子与特定的生物传感分子结合，可以实现对生物分子浓度、分布和变化的实时检测。

这种基于金纳米粒子的生物传感技术在生物学研究、临床医学和环境监测等领域具有广泛的应用前景。

三、金纳米粒子在生物光学成像中的应用金纳米粒子在生物光学成像中的应用是其备受关注的一个领域。

由于其光学性质的调控和生物相容性，金纳米粒子在各种生物成像技术中具有广泛的应用前景。

例如，在荧光成像中，通过功能化的金纳米粒子可以实现对生物分子和细胞结构的高灵敏成像，为生物学研究提供了新的视觉工具。

另外，金纳米粒子还可以作为光热治疗的促进剂，在肿瘤治疗中具有潜在的应用价值。

金纳米颗粒在生物医学中的应用金纳米颗粒在医学研究中的应用已经引起了越来越多的关注。

它具有优异的光学和生化性质，可应用于分子成像和光热治疗等方面。

本文将介绍金纳米颗粒在生物医学中的应用，并探讨其未来的发展。

一、金纳米颗粒的制备金纳米颗粒可以通过多种方法制备，例如化学还原法、光还原法和微波法等。

其中，化学还原法是最常用的一种方法。

它通常基于金离子的还原和限制性聚合来制备金纳米颗粒。

二、金纳米颗粒的性质金纳米颗粒具有独特的光学和电学性质。

它们的表面等离子体共振（surface plasmon resonance，SPR）波长取决于颗粒形状和大小，并且可以通过改变表面修饰分子来调控。

此外，金纳米颗粒还具有高度的稳定性和生物相容性，能够减少对生物体的毒性。

三、金纳米颗粒在分子成像中的应用分子成像是一种用于观察分子或细胞的技术，它可以用于癌症、神经退行性疾病和心血管疾病等疾病的诊断。

金纳米颗粒可以用于分子成像的多个领域，包括基于表面增强拉曼散射（surface-enhanced Raman scattering，SERS）的成像、计算机断层扫描（computed tomography，CT）成像以及近红外光成像。

基于SERS的成像可以通过纳米颗粒表面修饰分子上的抗体和荧光分子实现。

这项技术的优点是极其灵敏和具有针对性，可以对疾病的更微小的变化进行诊断。

计算机断层扫描成像则可将金纳米颗粒用作对比剂，以提高图像的对比度。

此外，近红外光成像和SPR成像也可以用于分子成像。

这些技术的组合可以用于通过融合信息更好地诊断和治疗各种疾病。

四、金纳米颗粒在光热治疗中的应用光热治疗是一种通过控制光吸收来治疗肿瘤的方法。

金纳米颗粒在这项技术中具有重要的应用前景。

当激光照射到表面修饰有金纳米颗粒的癌细胞上时，金纳米颗粒将吸收光能并将热量传递给周围的细胞，从而引发肿瘤细胞的死亡。

这种方法可以通过减少肿瘤治疗的副作用来提高治疗效果，同时也可以对那些难以外科手术的患者进行治疗。

[前沿]新型纳米粒子“黏合”光热治疗、化疗抗肝癌摘自健康报网“进展期肝癌高度恶性，单一常规手段不能有效控制肝癌进展，多学科综合治疗成为肝癌治疗的必然趋势。

”董文飞介绍，化疗结合光热治疗具有很好的临床转化潜能：化疗在肝癌治疗方面靶向性差，毒副作用大，治疗效率低；而光热治疗法利用近红外光直接照射肿瘤部位，并通过光敏剂将光能转化成热能，从而有效地杀死肿瘤细胞而不引起系统毒性。

但如何同时将精准剂量的化疗药物和光敏剂输送到肿瘤部位，是这种综合治疗实现的瓶颈。

课题组开发了一种Janus型金介孔二氧化硅纳米粒子。

该纳米粒子由金纳米棒和介孔二氧化硅两部分组成。

金纳米棒作为光敏剂可通过表面等离子共振效应诱导近红外光转化成热能杀死肿瘤细胞，而介孔二氧化硅由于其表面可修饰性和良好的介孔性质，可用于担载运输化疗药物，且比传统的核壳更具结构优势。

实验结果表明，该纳米粒子具有均一的形貌，极好的表面等离子共振波长和极高的表面积，载药后的纳米粒子不仅展现了高的药物担载能力，且在酸性条件下缓慢释放药物，在中性条件下几乎不释放药物。

这意味着，该纳米载药系统对微环境呈酸性的肿瘤细胞具有更强的杀伤力，而对正常细胞则几乎没有副作用。

在细胞实验中，协同治疗组对人肝癌HepG2细胞的抑制率明显高于化疗组和光热治疗组，而对正常人肝细胞HL-7702展现了较低的杀伤性。

董文飞表示，未来将从3个方面解决临床应用问题：第一，由于纳米粒子在血液中易出现免疫清除、沉降等问题，需在该纳米载药系统表面修饰细胞膜，保证药物能够输送至肿瘤部位。

第二，进一步提高系统的靶向性，通过在纳米载体上偶联生物素来提高对肿瘤细胞的识别。

第三，要提高纳米载药系统的生物安全性，引入特殊的降解基团，使纳米粒子被人体生物酶降解，降低毒性积累。

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金纳米棒的制备和应用金纳米棒的制备及其在生命科学上的应用第一章研究背景金属纳米微粒的研究，尤其是对其形貌可控制备及其相关应用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。

非球形的金纳米颗粒如棒、线、管及核壳结构相继被成功合成，其各种性质不仅仅依赖于尺寸而且还依赖于拓扑结构，其中金纳米棒（gold nanorods，GNRs）是最受关注的一类。

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，却非常丰富的化学物理性质。

金纳米棒拥有随长宽比变化，从可见到近红外连续可调的表面等离子体共振波长，极高的表面电场强度增强效应（高至107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。

第二章 GNRs的制备及修饰2.1 GNRs的制备近年来，对于金纳米棒的合成已经研究出来许多有效的方法。

主要分为晶种生长法，模板法，电化学法和光化学法等不同方法制备出分散性好颗粒均匀的金纳米棒。

2.1.1 晶种法晶种法研究的时间最长，因此研究的最深入。

晶种可以是球型金纳米粒子，或者是短的金纳米棒。

晶种法合成金纳米棒可以分为三个步骤：晶种的制备、生长液的配置、金纳米棒的生成。

1 种子制备：将5mL 0.50 mM氯金酸（HAuCl4)溶液与5 mL0.2M十六烷基溴化铵（CTAB）混合，加入0.6 mL 冰冻的0.01 M 硼氢化钠（NaBH4）溶液，搅拌 2 min 后25℃静置2h。

2 生长溶液制备：向反应容器中依次加入5mL 0.20 M CTAB，5mL 1 mM HAuCl4， 0.5 mL硝酸银（AgNO3）， 0.07 mL 0.10 M抗坏血酸（AA），搅拌 2 min。