納米金也叫金納米粒子。這些納米粒子大約是人頭發(fā)的千分之一的尺寸大小。納米金非常小，通常它們以溶膠狀態(tài)存在，也就意味著金納米粒子可以懸浮在液體中。因此，金納米粒子也被稱為金溶膠或膠體金。

納米金并不是我們大家所熟悉的黃金首飾的金黃色。金溶膠通常顯示出透明紅色、藍(lán)色、紫紅色的狀態(tài)，這主要是由納米金的納米尺寸效應(yīng)和表面等離子共振特性所決定的。

納米尺寸效應(yīng)

當(dāng)固體晶體材料縮減到納米尺度時就會展現(xiàn)出和塊體結(jié)構(gòu)不一樣的性質(zhì)。超順磁性的Fe3O4以及納米金就是很好的例子。大塊的Fe3O4是亞鐵磁性的，但是納米尺寸的Fe3O4是超順磁性的，也就意味著當(dāng)存在磁場時納米Fe3O4表現(xiàn)出磁性，當(dāng)移去磁場時其磁性消失，這導(dǎo)致超順磁性Fe3O4 對于磁場的變化非常敏感并且響應(yīng)很快。而不同尺寸和形狀的納米金可與波長范圍400-1200 nm）的可見光及近紅外光發(fā)生相互作用，并且導(dǎo)致表面等離子共振吸收或散射，從而使得納米金表現(xiàn)出獨(dú)特的光學(xué)特性。例如，40nm的納米金修飾抗體后可用于免疫層析試紙條的構(gòu)建，這也是最早應(yīng)用于臨床的POCT技術(shù)；10nm的納米金修飾特異性單抗構(gòu)建納米探針，可用于免疫電鏡中對細(xì)胞表面的抗原進(jìn)行標(biāo)記和定位；金標(biāo)銀染技術(shù)也廣泛用于免疫檢測或核酸檢測中的信號放大。

表面等離子共振（SPR）

通常來說，表面等離子共振（SPR)有兩種形式，如圖1所示，傳播的等離子體及局域化的表面等離子體。當(dāng)入射光與光滑金屬表面相接觸時會激發(fā)出金屬表面的電子波，電子波會在金屬表面?zhèn)鬟f，并與光耦合，這種現(xiàn)象被稱為表面等離子極化（SPP）。當(dāng)光與金屬納米粒子相互作用時會產(chǎn)生局域表面等離子共振（LSPR），這主要是由于金屬納米粒子費(fèi)米能級附近導(dǎo)帶上的自由電子在入射光頻電場的驅(qū)動下在金屬表面發(fā)生集體振蕩，產(chǎn)生局域表面等離激元。當(dāng)入射光的頻率正好與自由電子的固有振動頻率相同時，則發(fā)生共振，即局域表面等離子體共振（LSPR）。此時，電磁場的能量被有效地轉(zhuǎn)變?yōu)榻饘俦砻孀杂呻娮拥募w振動能。LSPR的激發(fā)會產(chǎn)生三種效果：（1）納米粒子表面局域電磁場的增強(qiáng)從而引起表面增強(qiáng)光譜，例如表面增強(qiáng)拉曼散射（SERS），表面增強(qiáng)紅外，表面增強(qiáng)熒光等；（2）波長選擇性吸收；（3）共振瑞利散射。LSRP與金屬的形狀、大小、尺寸以及介電環(huán)境有關(guān)。因此，當(dāng)光照射金納米粒子時，一部分的光被吸收，一部分穿透，還剩余一部分發(fā)生散射。溶膠的顏色與納米粒子的尺寸有關(guān)，其吸收光譜隨尺寸增加而發(fā)生紅移。另外，納米粒子的聚集會導(dǎo)致顏色變化，通常來說這些變化依靠眼睛的靈敏度便可以辨識，同時也很容易被光譜儀器所檢測到。這一性質(zhì)使得金納米粒子可以作為現(xiàn)代診斷很有用的一個工具。例如，在兩份納米金表面分別修飾不同的單鏈核酸構(gòu)建探針，當(dāng)分析物中存在共同的互補(bǔ)序列核酸時，則會誘導(dǎo)探針發(fā)生雜交并聚集，從而發(fā)生顏色改變，這一性質(zhì)可用于發(fā)展生物檢測方法。

圖1. 入射光激發(fā)出光滑金膜的表面等離子極化（SPP）和金納米粒子表面局域等離子共振（LSPR）示意圖【1】

納米金的形狀

納米金可以被化學(xué)制備成不同的形狀，包括納米球、納米棒、納米錐、納米殼、納米三角片、納米星、八面體、立方體以及納米籠等。有時納米金可以包裹在SiO2硅納米粒子核上形成金殼，有些時候，在金納米粒子表面可以包裹銀。不同形狀的納米金會產(chǎn)生不同的光學(xué)性質(zhì)，而根據(jù)不同的下游應(yīng)用，需要對這些不同形狀納米金進(jìn)行選擇。例如金納米棒具有依賴于長徑比可調(diào)的縱向表面等離子體共振吸收，金納米殼具有依賴于殼層厚度可調(diào)表面等離子體共振吸收，當(dāng)選擇具有近紅外吸收的金納米棒或納米殼時，可以構(gòu)建用于光聲成像與腫瘤熱療的多功能納米材料；金納米籠可負(fù)載藥物，并且具有近紅外吸收，可以構(gòu)建具有熱化療協(xié)同治療功能的納米材料；包覆介孔SiO2納米殼層的金納米棒同樣可以載藥并聯(lián)合熱療與光聲成像，從而構(gòu)建具有診療一體化功能的醫(yī)用納米材料。

圖2. 各種形狀的金納米粒子

表面等離子共振生物傳感器

納米金蒸鍍在光滑玻璃表面可用作表面等離子共振生物傳感器的芯片。表面等離子共振生物傳感器通常用于無標(biāo)記檢測各種生物分子如抗體-抗原，多肽、蛋白質(zhì)、寡核苷酸、寡聚糖，以及病毒、細(xì)菌、細(xì)胞、小分子化合物之間的相互作用過程。以抗體抗原結(jié)合檢測為例，抗體通常會固定在一個納米金傳感器芯片上，當(dāng)偏振光通過某一角度進(jìn)入棱鏡時會在棱鏡和金膜表面發(fā)生全內(nèi)反射現(xiàn)象，所形成的消逝波進(jìn)入光疏介質(zhì)（金膜）中，并與金膜在光作用下產(chǎn)生的表面等離子波發(fā)生共振，此時檢測到的反射光強(qiáng)會大幅度減弱。這時光的入射角被稱為SPR角，SPR角隨著金膜表面折射率的變化而變化。因此當(dāng)抗原和抗體結(jié)合時，折射率會發(fā)生變化，SPR角也會發(fā)生變化。因此表面等離子共振生物傳感器的SPR角變化可以動態(tài)地獲取生物分子之間特異性的相互作用。

圖3. 表面等離子共振生物傳感器檢測抗體抗原相互作用的示意圖【2】

【1】 Liang Z.Q., Sun J., Jiang Y.Y., Jiang L. Chen X. D., Plasmonic Enhanced Optoelectronic Devices, Plasmonics, 2014, 9, 869-866.

【2】 http://www.rci.rutgers.edu/~longhu/Biacore/