金納米棒自組裝的研究進展與未來展望*

方 英,王康銳,黃承洪

(重慶科技學院 化學化工學院，重慶 401331)

0 引 言

貴金屬納米顆粒有著獨特的尺寸依賴性，尤其是金納米棒(gold nanorods,GNRs)，因獨特的光電性質(zhì)被廣泛關注，在醫(yī)學成像[1,2]、藥物運輸[3,4]、光熱治療[5,6]等醫(yī)學領域有著廣闊的應用前景。由于納米粒子周圍電子的集體振蕩[7]，GNRs會產(chǎn)生表面等離子體共振(surface plasmon resonance,SPR)，SPR的強度和波長高度依賴于其形狀、大小和聚集狀態(tài)[8]。GNRs在生長過程中具有各向異性，通過組裝的方式改變GNRs的局部表面等離子體共振(loca-lized SPR,LSPR)，可使其在更大范圍內(nèi)有近紅外吸收，該特性在醫(yī)學領域可能成為一種新型光熱療法的基礎。然而，GNRs通常是在十六烷基三甲基溴化銨(cetyl trimethyl ammonium bromide,CTAB)的存在下合成的，CTAB的存在極大地限制了GNRs在生物系統(tǒng)中的應用。為避免CTAB雙層結構被破壞而發(fā)生不可逆聚集，大量研究人員認為可以通過自組裝獲得的有序納米結構來降低CTAB的濃度并保留光學特性。其中最常見的是利用硫醇與Au形成穩(wěn)定的S-Au鍵來取代CTAB，利用CTAB在GNRs表面分布不均勻而使硫醇分子與GNRs表面的CTAB配體交換不完全，研究者因此組裝了首尾相連或并行排列的GNRs。除此之外，“站立”排列的GNRs顯得更有實用性，即能夠為表面增強拉曼散射(surface enhanced Raman scattering,SERS)提供強烈的電磁場[9]。該納米結構作為SERS具有靈敏度高、響應速度快、指紋效應強等優(yōu)點，在材料檢測、生物醫(yī)學、傳感器等領域具有巨大的應用潛力[10]。因此，GNRs的有序組裝成為了貴金屬納米材料的研究熱點。

本文分類總結了近年來GNRs自組裝的研究進展，提出了未來的發(fā)展方向以及改進空間。

1 GNRs自組裝

1.1 化學作用力誘導自組裝

金屬納米結構SERS的效應來源于化學效應和電磁場效應[11]。由于入射光對金襯底表面等離子體的集體激發(fā)，電磁效應遠遠大于化學效應[12]。正是GNRs所提供的SPR表現(xiàn)出的光學可調(diào)諧性，使其特別適合于SERS的應用[13]。Nikoobakht B等人[14]的理論工作計算了與其他納米顆粒形狀相比，GNRs末端的電場強度最大，因此，實現(xiàn)端到端首尾組裝或者側面到側面的并排組裝后，相鄰GNRs之間的電場可以耦合，構成具有SERS的幾何結構。到目前為止，已有許多自組裝技術被用于制造有序的GNRs陣列，比如靜電作用、氫鍵作用、共價鍵、π-π堆積以及配位鍵等，總之，在各類襯底材料上進行自組裝已經(jīng)成為近幾年的研究熱點。

1.1.1 靜電作用誘導自組裝

在討論GNRs對SERS的貢獻時，GNRs被大量用于襯底表面的靜電自組裝。GNRs表面覆蓋了陽離子表面活性劑CTAB，為了加強GNRs與基底材料的界面接觸，首先，對襯底材料表面進行電荷修飾，然后將帶電荷的GNRs與帶相反電荷的基底面通過靜電吸引實現(xiàn)自組裝[15,16]，若在單層組裝的基礎上加入陰離子聚電解質(zhì)(例如：聚苯乙烯磺酸鈉)作為連接劑，采用逐層組裝技術交替沉積，可以制備GNRs多層次膜[17]。另一方面，GNRs間的靜電斥力將促進自組裝過程中的有序性。Yu Y等人[18]將清潔后的玻璃毛細管在硅烷偶聯(lián)劑/乙醇溶液中浸泡12 h，使內(nèi)壁帶有氨基，干燥后得到帶正電荷的毛細管，吸入聚乙烯吡咯烷酮包被的GNRs后干燥30 min，即得到均勻覆蓋在毛細管內(nèi)壁的GNRs。除此之外，溶液內(nèi)部及微凝膠內(nèi)部的靜電自組裝更容易表現(xiàn)出pH敏感性，利用GNRs上CTAB官能團與其他功能性化學基團，通過靜電締合作用，可以制備具有pH誘導性的可調(diào)諧吸收波長和發(fā)射波長的復合材料[19]。Kozlovskaya V等人[20]在有機玻璃聚丙烯酸甲酯(PMAA)表面用乙二胺和聚乙烯吡咯烷酮通過氫鍵進行化學交聯(lián)，制備了具有pH敏感性的PMAA薄膜。再通過靜電作用將GNRs包覆到高度膨脹的PMAA水凝膠膜中，制備了(PMAA-GNRs) pH響應型超薄等離子體逐層沉積膜。當pH值在8～5之間交替變化時，等離子體共振帶在680～701 nm之間發(fā)生可逆變化。

1.1.2 氫鍵作用誘導自組裝

氫鍵作用力的強弱不僅與溶液中可形成氫鍵的基團有關，還與該交聯(lián)劑的溶度相關。在用于自組裝時，需要嚴格控制交聯(lián)劑濃度。Zhai M等人[21]首次提出了利用巰基功能化的2—脲基—4(1H)—嘧啶酮作交聯(lián)劑，通過四重氫鍵自組裝得到高度有序的膠體GNRs陣列(圖1)。結果表明，通過調(diào)節(jié)交聯(lián)劑濃度，可以實現(xiàn)兩種不同的GNRs組裝方式。當溶液中交聯(lián)劑濃度較低時，CTAB之間的靜電斥力阻止了并排組裝，GNRs呈端到端連接，當溶液中交聯(lián)劑濃度較高時，GNRs側面的CTAB被交聯(lián)劑有效取代，GNRs轉(zhuǎn)換為并排組裝，交聯(lián)劑濃度為9.2 mmol/L時，GNRs呈端到端與并排共存的單層二維組裝，隨著交聯(lián)劑濃度的增大，GNRs由單層變成多層，濃度為15.3 mmol/L時，GNRs可以達到4層組裝。

圖1 氫鍵誘導的GNRs端到端和并排組裝模式的示意

1.1.3 硫醇分子共價自組裝

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保護，硫醇基團將優(yōu)先連接到GNRs末端，形成穩(wěn)定的S-Au鍵[22]。Liu J等人[23]采用不同濃度和不同分子量的二巰基聚乙二醇(HS-PEG-SH)對GNRs進行修飾，隨著HS-PEG-SH分子量的增加，GNRs的組裝模式從端到端組裝變?yōu)椴⑴沤M裝，當HS-PEG-SH濃度小于0.25 μmol/L時，帶正電的CTA+的靜電斥力大于S-Au結合的親和力，GNRs呈端到端組裝。通過使用二硫代化分子連接物來定向組裝GNRs是這類各向異性納米晶體形貌可控的尖端組裝的最有效方法之一。然而，該過程的特點是難以控制納米低聚物的鏈長，幾乎不可能只形成一種類型的低聚物，這使得該方法很難用于納米等離子體的實際應用[24]。

1.1.4 過渡金屬離子配位自組裝

通過對GNRs的末端進行功能化，引入各種金屬離子，利用過渡金屬配合物之間形成配位鍵來引導GNRs的自組裝。Leung F C M等人[25]在GNRs溶液中加入了含有金屬Pt的配合物，利用配合物中金屬Pt…Pt和π-π堆積作用誘導GNRs端—端自組裝，TEM結果顯示GNRs成功組裝成鏈狀納米結構。該方法容易引起GNRs聚集，利用GNRs的顏色隨聚集狀態(tài)而變化的外在表現(xiàn)，GNRs在用于檢測金屬離子時，溶液中的顏色變化宏觀可見[26,27]。例如,Priyadarshni N等人[28]在低濃度(～1.0×10-9)下檢測AsⅢ和AsⅤ離子時，溶液中和紙條上呈現(xiàn)出明顯的從藍紫色到無色的顏色變化。利用GNRs表面的功能化試劑如半胱氨酸[29]、谷胱甘肽[30]、季胺基團[31]等與金屬離子如Cu2+[32,33]、Hg2+[31]、Pb2+[34]、Pt2+[25]之間的配位自組裝制成高效傳感器，可以推動重金屬離子的檢測效率。

1.2 物理驅(qū)動力引發(fā)自組裝

1.2.1 表面張力引發(fā)自組裝

GNRs在稀溶液中不會自發(fā)進行有序的組裝，這主要是因為距離太遠導致粒子間的相互作用力較弱。液滴蒸發(fā)被認為是相對簡單和快速的形成大面積GNRs超結構的方法。該工藝通常是在硅襯底上沉積一滴GNRs膠體溶液，并在受控的條件下使溶劑蒸發(fā)。根據(jù)熵的觀點，GNRs在高體積分數(shù)時傾向于排列成平行構型，以犧牲一些取向自由度來增加平移自由度以達到更高的系統(tǒng)熵[35]。雖然熵有序效應有利于GNRs有序結構的形成，但組裝過程中，范德華力、靜電斥力和毛細管作用對納米結構的形成仍起著重要作用[36]。Apte A等人[37]發(fā)現(xiàn)GNRs膠體在襯底上蒸發(fā)之后，形成了能為SERS提供強烈電磁場的有序六邊形超晶格陣列，該襯底具有超高的靈敏度，且可重復使用。比起納米光刻技術，蒸發(fā)誘導自組裝制備的納米材料(圖2)作為SERS不僅操作簡單，而且更具成本效益[38]。相比于水相，有機液體內(nèi)部的自組裝影響因素更少。Martin A等人[39]將水中合成的GNRs相轉(zhuǎn)移到氯苯中，通過簡單的蒸發(fā)對GNRs進行自組裝，研究發(fā)現(xiàn)，組裝過程主要依賴于GNRs的濃度，而其他參數(shù)的影響可以忽略不計，在低濃度時，GNRs水平沉積到襯底上，而高濃度下，GNRs垂直排列在襯底上。且非揮發(fā)性溶質(zhì)的液滴通常會在表面上留下一圈沉積，即“咖啡環(huán)”效應[40]，影響咖啡環(huán)效應的因素很多，想要完全抑制是非常理想的。

圖2 以金載玻片為SERS襯底制備固定式GNRs陣列[38]

1.2.2 飛秒激光焊接GNRs

不同強度的飛秒激光會對GNRs表面的溫度進行重新分布，輻射后GNRs的溫度分布高度依賴于其相對于激光偏振矢量的取向，強烈的激光輻射會導致GNRs溫度升高甚至融化。González-Rubio G等人[24]利用較低能量的飛秒激光照射GNRs的兩端，使其微溶化，從而與鄰近的GNRs首尾連接，達到焊接效果(圖3)。直接采用激光焊接只能得到數(shù)量隨機的二聚體、三聚體以及多聚體，難以控制GNRs聚合度。通過改進，F(xiàn)ontana J等人[41]利用分子組裝和飛秒激光共同作用，嚴格控制激光強度和照射時間，焊接了高質(zhì)量的二聚體(～1012個/h)。若照射時間過長，GNRs表面的電子持續(xù)吸收光子將導致GNRs破裂分解或融化成球形[42]。

圖3 飛秒激光控制的GNRs組件示意圖以及GNRs之間的連接點的高分辨率HAADF-STEM圖像[24]

1.2.3 疏水作用驅(qū)動自組裝

利用疏水—親水分子間的相互作用，實現(xiàn)在不同體系中GNRs的可控組裝。Stewart A F等人[43]通過配體交換將GNRs兩端用硫代化的聚苯乙烯功能化，然后在DMF體系中加水來觸發(fā)GNRs的疏水性驅(qū)動的端到端自組裝。組裝進行一段時間后，通過加入磷脂包裹GNRs，及時終止GNRs的自組裝，以此得到高產(chǎn)量的二聚體和三聚體。

1.3 生物分子識別誘導自組裝

近年來，大量生物分子被開發(fā)用于GNRs的自組裝，例如DNA分子，抗原—抗體，適配體，生物素等。其中，DNA折紙的模板化方法在制造具有精確可控結構的納米結構方面顯示出巨大的前景，在柔性DNA鏈的驅(qū)動下，GNRs可組裝成一維[44]、二維[45]、三維[46]結構。

1.3.1 DNA修飾下的動態(tài)自組裝

DNA納米技術已被證明是合理設計和精確控制納米粒子和分子自組裝的有力工具[47]。DNA單元組裝成DNA超結構時，DNA扭曲成螺旋狀，利用DNA的螺旋結構，可以設計出動態(tài)可逆的GNRs自組裝[48]。Lan X等人[49]以DNA折紙的手性超螺旋結構為模板，以DNA鏈的置換反應來動態(tài)調(diào)整DNA折紙單體的幾何構型，實現(xiàn)了在DNA模板的動態(tài)控制下，自組裝的GNRs手性超螺旋結構在折疊和伸展狀態(tài)之間或在兩個相反的鏡像之間可控地轉(zhuǎn)換(圖4)，且首次證明了通過引導DNA鏈的變化過程可以重構GNRs的手性超螺旋結構。另外，GNRs自組裝結構的光學響應受多種影響，Vial S等人[50]比較了組裝體長度、反應溫度、組裝體濃度之后，認為溫度對光學響應影響最大。

圖4 GNRs自組裝結構重構原理示意圖和TEM圖像[49]

1.3.2 適配體特異性結合誘導自組裝

利用適配體容易與靶分子特異性結合的特點，將適配體定點結合到GNRs端點上或側面上，再加入合適的靶分子帶動GNRs自組裝[51]。由于GNRs末端吸附的CTAB較少，與巰基化DNA分子形成S-Au鍵時，GNRs的末端更具活性。Zhang X等人[52]提出用腺苷檢測適配體，當引入一定濃度的巰基化DNA時，由于GNRs的末端比側面更活躍，它將優(yōu)先占據(jù)GNRs的兩端。當適配體(C1和C2)分別加入溶液中時，它們被固定在GNRs的兩側。在腺苷存在下，C1-GNRs和C2-GNRs通過特異性捕獲目標腺苷自組裝成三明治結構，GNRs之間形成并排結構，實現(xiàn)了GNRs的自組裝。

1.3.3 抗原—抗體特異性結合誘導GNRs自組裝

抗原和抗體之間因其具有特異性識別作用和高靈敏性，用于調(diào)控GNRs的組裝在光電子學領域具有廣闊的應用前景。Wang Y等人[53]用高濃度的SH-PEG-COOH對GNRs側面進行修飾，Zeta電位由49.5 mV降到-13.7 mV，在EDC/NHS的作用下將h-IgG或抗h-IgG Fab與活性基團(COOH)共價連接，通過抗原抗體的特異性識別作用，實現(xiàn)GNRs的并排組裝。而用低濃度的SH-PEG-COOH時，Zeta電位僅由49.5 mV降到19.8 mV，GNRs的自組裝方式則變?yōu)榱硕说蕉耸孜策B接。

2 GNRs自組裝的未來展望

有序組裝的GNRs構建出的一維、二維、三維結構展現(xiàn)出了更獨特的光電性質(zhì)，在生物醫(yī)學、分子檢測、電子器件及傳感器等領域的應用有了更廣闊的前景?，F(xiàn)階段GNRs自組裝的方式越來越多，特別是DNA修飾下的動態(tài)自組裝，由于形狀可設計、組裝體可動態(tài)變化等特點成為了近年研究的熱點。然而，納米棒之間結合力的穩(wěn)定性與多聚體的均勻性是自組裝達到高產(chǎn)量的關鍵，也是未來研究工作的重點。未來GNRs的自組裝可能會朝著以下幾個方向發(fā)展:

1) 近年來，將垂直組裝的GNRs用于增強SERS受到了極大的關注，增強因子可以達到106～1010，然而在制備SERS基底的眾多影響因素中，“咖啡環(huán)效應”是制備均勻SERS基底的瓶頸之一。在蒸發(fā)誘導的基礎上，采用電磁場誘導GNRs的有序運動有望攻克GNRs陣列分布不均勻等問題。

2) GNRs的光熱性能使其特別適用于醫(yī)藥學研究，將GNRs組裝到抗腫瘤藥物表面用于腫瘤治療可以起到光熱治療與化療相協(xié)同作用，而GNRs表面的CTAB限制了其在生物學研究中的應用，雖然有不少研究采用聚乙二醇或硫醇分子取代了CTAB，但很難直接采用某種方式表征GNRs的功能化程度和GNRs表面CTAB的剩余量，故找到一種無毒物質(zhì)用于取代GNRs表面的CTAB將成為科學家們需要攻克的難點。

3) GNRs垂直陣列作為SERS基底用于識別微量目標分子具有重要前景，然而目前使用最廣泛的溶液蒸發(fā)誘導GNRs在硅上形成垂直排列的單層陣列仍缺乏高度的均勻性和可重復性，因此，有必要篩選各類技術，選擇制備成本低、操作更簡便、可重復性強、襯底更均勻、檢測更靈敏的系統(tǒng)方案，來制備面積更大的SERS基底，推動其在環(huán)境檢測和生物檢測方面的應用。

4) 隨著對DNA折紙修飾GNRs動態(tài)自組裝作用機制的深入理解以及計算機的開發(fā)利用，有望利用軟件對DNA分子進行設計和三維結構的動態(tài)模擬，實現(xiàn)GNRs組裝體形態(tài)的準確預測和有效調(diào)控，結合不同形態(tài)下GNRs表現(xiàn)出不同的光電性能，針對性的設計在某領域?qū)嵱眯宰罴训膭討B(tài)組裝，在降低實驗成本的同時提高GNRs空間結構的多樣性，為拓展GNRs的應用提供有力的支持與推動。