基于金纳米棒的生物检测、细胞成像和癌症的光热治疗

　　收稿 : 2008 年 4 月 , 收修改稿 : 2008 年 5 月 　3 北京市教育委员会科技项目 (No. KM200810028010)资助3 3 通讯联系人 　e2mail :mazhanfang @yahoo. com 基于金纳米棒的生物检测、细胞成像 和癌症的光热治疗 3 马占芳 3 3 　田　乐　邸　静　丁　腾 (首都师范大学化学系 　北京 100037) 摘 　要　由于金纳米棒颗粒独特的可调的面等离子共振特性 ,使得金纳米棒颗粒在纳米复合材料和 功能化纳米器件的构建、纳米生物技术、生物医学等领域具有广泛而重要的应用前景。本文综述了金纳米棒 颗粒的生物检测、细胞成像和癌症的光热治疗方面的最新研究进展 ,并介绍了金纳米棒颗粒的光学性质和金 纳米棒颗粒和几种主要的表面修饰方法 ,对金纳米棒颗粒在生物应用过程中存在的主要问题进行了讨论。 关键词 　金纳米棒 　分子检测 　细胞成像 　癌症的光热治疗 中图分类号 : O614. 123 ; O648. 1 ; Q503 　文献标识码 : A 　文章编号 : 10052281X(2009) 0120134209 Bio2Detection , Cellular Imaging and Cancer Photothermal Therapy Based on Gold Nanorods Ma Zhanf ang 3 3 　Tian Le 　Di Jing 　Ding Teng (Department of Chemistry , Capital Normal University , Beijing 100037 , China) Abstract 　Due to unique and tunable surface plsmon resonance properties , gold nanorods have widely potential and important applications , i . e. ,fabrications of nanocomposites , nanodevices , nanobiotechnology , and biomedicine. Gold nanorods, therefore , have been attracted much attention. The latest advances on the applications of gold nanorods involving biological detection ,cellular imaging , and cancer photothermal therapy are reviewed in this paper. Meanwhile the optical properties and several main approaches of surface modification of gold nanorods are also introduced. In addition the main issues existing in the biological applications are discussed. Key words 　gold nanorods ; molecular detection ; cellular imaging ; photothermal therapy Contents 1 　Optical properties of gold nanorods 2 　Surface modifications of gold nanorods 2. 1 　Silica2coated gold nanorods 2. 2 　Modification of gold nanorods using biomolecules 3 　Applications of gold nanorods in biodetection , bioimaging , and cancer photothermal therapy 3. 1 　Applications of gold nanorods in bio2molecular det2 ection 3. 2 　Applications of gold nanorods in cell imaging and cancer photothermal therapy 4 　Conclusion and outlook 贵金属纳米颗粒具有特殊的物理性质 ,它们被 广泛应用于催化、生物标记、光电子学、信息存储和 表面增强拉曼散射等领域[1 —4 ] 。对金属纳米微粒的 研究 ,尤其是对其形貌可控制备及其相应的性质和 应用研究一直是材料科学以及相关领域的前沿热 点。近年来 ,在金纳米材料研究方面取得了长足的 第 21 卷 第 1 期 2009 年 1 月 化　学　进　展 PROGRESS IN CHEMISTRY Vol. 21 No. 1 　Jan. , 2009 进步 ,人们制备出多种形貌的金纳米颗粒[5 —15 ] ,并将 其广泛应用于纳米器件构建、生物标记、医学检测和 信息存储等领域。 图 1 　不同长短轴比率的金纳米棒的 SPR 谱图 ,LSPR 峰 随金纳米棒的长短轴比率增加而红移 [19 ] Fig. 1 　Surface plasmon absorption spectra of GNRs with different ARs , showing the red2shift of LSPR with the increase of ARs of GNRs[19 ] 在各相异性的金纳米颗粒中 ,研究最为广泛的 是金纳米棒。这是由于金纳米棒 ( gold nanorod , GNR) 的合成方法简单 (如晶种生长法 [16 ] ) 、产率 高[17 ] (可达 97 %) 、长短轴比率 (aspect ratio ,AR) 易于 调控[16 ] ,而且其光学性质独特。因此金纳米棒在生 物分子检测、医学成像、疾病治疗和药物输送等领域 具有广阔的应用前景。本文重点介绍金纳米棒的光 学性质及其在与生物检测、细胞成像和癌症光热治 疗领域的研究进展。 1 　金纳米棒的光学性质 　　金纳米颗粒具有突出的表面等离子共振性质。 这种特殊的性质来源于入射光与金纳米粒子的自由 电子相互作用 :当入射光的波长与自由电子的振动 频率发生共振耦合时 ,就会产生表面等离子体共振 (surface plasmon resonance ,SPR) ,在紫外2可见光谱上 显示强的吸收峰[18 ] 。SPR 峰的位置主要取决于以 下几个因素 :纳米粒子的大小、形状、表面电荷、环境 介质条件等。与球形的纳米金颗粒相比 ,棒状的金 纳米颗粒具有更为特殊的 SPR 性质。球形的纳米 金颗粒表现为单一的 SPR 峰 ,而棒状金纳米颗粒则 具有横向和纵向两个 SPR 峰 [19 ] 。其中纵向 SPR (LSPR)峰的位置取决于金纳米棒颗粒的长短轴比 , 因此通过制备不同长短轴比的金纳米棒颗粒 ,可以 实现其人为调控 (从可见光区到近红外区 ,见图 1) , 而横向 SPR 峰 ( TSPR) (520 —530nm) 的位置不随金 纳米棒颗粒长短轴比的改变而改变。 2 　金纳米棒的表面修饰 　　以 Murphy 和 Liz2Marzán 领导的课题组为代表 , 在控制合成不同长短轴比率的金纳米棒颗粒方面 , 做了大量的工作[20 ,21 ] 。他们采用“晶种生长”的方 法 ,使用高浓度 (通常为 0. 2molΠL) 的十六烷基三甲 基溴化铵 ( CTAB) 为剂和稳定剂[20 ,21 ] 制备 CTAB 分子稳定的金纳米棒颗粒 ,有关金纳米棒颗 粒制备方面的工作参见相关文献。这些 CTAB 分子 对细胞、蛋白质等生物分子具有生物毒性[22 ,23 ] ,而且 金纳米棒表面吸附的 CTAB 双分子层会阻碍金纳米 棒与生物分子的偶联[24 ] ,因而限制了金纳米棒在生 物检测和医学等领域的广泛应用。所以如何消除 CTAB 的影响实现生物修饰是金纳米棒颗粒在涉及 生物体系应用中需要解决的关键问题。 2. 1 　二氧化硅包裹金纳米棒 二氧化硅具有高度的稳定性和良好的生物相容 性 ,并且易于进行表面生物修饰 ,因此用二氧化硅来 包覆金纳米棒构建核2壳结构 (Aurod @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。 Liz2Marzán 等[25 ]利用层层自组装 (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 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 Aurod @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。但是通过选择聚电解 质以及 PVP 的合适分子量来调节金纳米棒颗粒的 Zeta 电位呈现弱电性 ,在操作上不是很容易实现。 本课题组[26 ]应用改进的 StÊber 方法 ,使用氨水 催化水解 TEOS ,直接在 CTAB 稳定的金纳米棒表面 制备二氧化硅层 ,得到了 Aurod @SiO2 核壳结构 (图 2) 。二氧化硅层均匀 ,其厚度可以通过改变 TEOS 的量来调控 ,而且得到的 Aurod @SiO2 纳米复合颗粒 依然保持了金纳米棒的光学性质 (图 3) 。与 Liz2 Marzán 等报道的方法相比 ,该方法操作更为简便。 2. 2 　用生物分子修饰金纳米棒 Niidome 等[27 ] 利 用 含 有 磷 脂 酰 胆 碱 ·531·第 1 期 马占芳等 　基于金纳米棒的生物检测、细胞成像和癌症的光热治疗 图 2 　CTAB 稳定的金纳米棒包覆二氧化硅前 (a) 后 (b) 的 TEM显微照片 [26 ] Fig. 2 　TEM micrographs of CTAB2stabilized GNRs before (a) and after (b) silica2coated[26 ] 图 3 　金纳米棒颗粒可见光谱 : (a) 包裹 SiO2 前 , (b) 包 裹 SiO2 后。(A) 比率为 1155 ±0132 ; (B) 比率 2125 ± 0148 的金纳米棒 [26 ] Fig. 3 　Visible spectra of ( a) before and ( b) after silica2 coated GNRs1 ARs of GNRs : (A) AR 1155 ±0132 , (B) AR 2125 ±0148[26 ] (phosphatidylcholine , PC) 的氯仿溶液提取 CTAB 稳 定的金纳米棒颗粒中的 CTAB ,利用 PC 部分替换 CTAB ,制备 PC 和 CTAB 稳定的金纳米棒颗粒。经 过多次提取之后 ,金纳米棒颗粒的 Zeta 电位明显降 低 (由 + 67mV 降到 + 15mV) ,说明金纳米棒颗粒表 面的大部分的 CTAB 分子被 PC 取代 ,而且 PC 和 CTAB 稳定的金纳米棒颗粒可以保持两周以上的稳 定存在 ,其光学性质保持不变 (见图 4) 。此方法虽 然可以在一定程度上降低 CTAB 的生物毒性 ,但是 在 PC表面实现生物修饰仍然存在一定难度。 Hafner 等[28 ]用巯基化的聚乙二醇 (mPEG2SH) 来 部分置换金纳米棒表面的 CTAB ,得到了 mPEG2SH 和 CTAB 稳定的金纳米棒 ,并利用抗体修饰金纳米 棒颗粒 (见图 5) 。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 图 4 　经过氯仿的 PC 溶液 (10mgΠml) 3 次提取的金纳米 棒颗粒的电镜图 (A) 和可见光谱图 (B) 。其中 3 次提取 之后的放置时间 : (a) 0 天 , (b) 15 天 , (c) 30 天[27 ] Fig.4 　TEM image (A) and absorption spectra (B) of NRs after three CTAB extractions using a chloroform solution containing PC (10 mgΠml) . (a) 0 , (b) 15 , and (c) 30 days after the three extractions[27 ] 图 5 　生物修饰的金纳米棒示意图 [28 ] Fig. 5 　Schematic of the bioconjugated gold nanorods[28 ] 物修饰的简便、经济的方法 ,仍然有很多工作要做。 3 　金纳米棒颗粒在生物检测、生物成像和癌 症的光热治疗中的应用 3. 1 　金纳米棒在生物分子检测中的应用 Irudayaraj 等[29 ] 利 用 112巯 基 十 一 酸 ( 112 mercaptoundecanoic acid , MUA) 修饰 3 种不同比率 (AR = 211、415、615)的 CTAB 分子稳定的金纳米棒 的{111}晶面 ,进而偶联 3 种不同的抗体分子 (goat anti2human IgG Fab、rabbit anti2mouse IgG Fab、rabbit anti2sheep IgG ( H + L) ) (见图 6) 。通过检测由于免 疫识别作用诱导的金纳米棒的 LSPR 产生的红移 , 实现 3 种目标分子 (human IgG1 Fab、mouse IgG1 Fab、 sheep IgG (H + L) ) 的检测 (见图 7) 。然而虽然此方 法实现了多靶标的同时检测 ,但是在金纳米棒颗粒 的表面修饰和检测的过程中 ,金纳米棒颗粒始终分 散在 5mmolΠL 的 CTAB 溶液中 ,以保持金纳米棒 ·631· 化 　学 　进 　展 第 21 卷 　　　 图 10 　金纳米棒的自组装机理 [31 ] Fig. 10 　Mechanism of self2assembly of Au nanorods[31 ] 图 6 　金纳米棒生物分子探针示意图 [29 ] Fig. 6 　Schematic illustration of a gold nanorod molecular probe[29 ] 图 7 　金纳米棒颗粒用于三靶标免疫检测 [29 ] Fig. 7 　Multiplexing detection of three targets using GNrMPs[29 ] 颗粒的稳定性 ,因此该方法没有消除 CTAB 分子的 生物毒性。 Chilkoti 等[30 ] 利用金纳米棒颗粒制 备的颗粒膜用于蛋白分子的检测。他们 将 CTAB 分子稳定的金纳米棒颗粒固定 到巯基修饰的玻璃基片上 ,然后用三乙 氧基巯醇 ( EG3 SH) 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 (见图 8) 。该方法在磷酸缓冲液中的 蛋白检出限为 94pM ,在血清 (serum) 中的 检出限为19nM (见图 9) 。 由于α2氨基酸和肽分子之间的结构 相似性 ,因此使用化学传感器的方法选 择性检测α2氨基酸和肽分子存在很大的 困难。Thomas 研究组[31 ]利用金纳米棒的 {111}晶面与半胱氨酸 (cysteine) 或谷胱 甘肽 (glutathione) 结合 ,通过改变溶液 pH 值 ,进而改变氨基酸的带电性质 ,使 α2氨基酸修饰的金纳米棒以端点到端点 图 8 　金纳米棒传感器的制备示意图 [30 ] Fig. 8 　Fabrication of the gold nanorod sensor[30 ] 图 9 　分别在 PBS缓冲液中 (a) 和 40 %血清中 (b) ,生物 素与链霉亲和素在金纳米棒表面结合的剂量2响应 曲线 [30 ] Fig. 9 　Dose2response curves for biotin2streptavidin binding at the nanorod surface in PBS ( a) and in 40 % serum ( b) , respectively[30 ] (end2to2end)的方式形成金纳米棒链 ,由金纳米棒聚 合前后溶液近红外附近的 LSPR 的变化 ,可以实现 半胱氨酸和谷胱甘肽在微摩尔量级上的选择性检测 (见图 10、11) 。 ·731·第 1 期 马占芳等 　基于金纳米棒的生物检测、细胞成像和癌症的光热治疗 图 11 　金纳米棒 (0. 12nM)分别加入半胱氨酸 (A) (a) 0 , (b) 1175 , (c) 210 , (d) 2125 , (e) 215 , (f) 3μM 和谷胱甘 肽 (B) (a) 0 , (b) 7 , (c) 9 , (d) 11 , (e) 13 , (f) 14μM 的吸 收光谱图。(C)半胱氨酸 (3μM) ,谷胱甘肽 (12μM) 和其它 α2氨基酸 (10μM)的 3D 曲线。(D) 半胱氨酸存在 (a) 和不 存在 (b ,c)情况下的金纳米棒的电镜照片 [31 ] Fig. 11 　Absorption spectra of Au nanorods ( 0112nM) on addition of cysteine (A) at (a) 0 , ( b) 1175 , (c) 210 , ( d) 2125 , (e) 215 , (f) 3μM , and glutathione (B) at (a) 0 , (b) 7 ,(c) 9 , ( d) 11 , ( e) 13 and (f ) 14μM. ( C) 3D plots of cysteine (3μM) , glutathione (12μM) , and otherα2amino acids (10μM) . (D) TEM images of Au nanorods in the presence (a) and absence (b and c) of cysteine[31 ] Luong 等发现长的金纳米棒 (AR > 13) 有两个特 征荧光发射带 :743nm (较强) 和 793nm (较弱) 。大 比率的金纳米棒比小比率的金纳米棒的荧光效率更 高 (图 12) ,可用于标记 DNA 分子的大比率的金纳 米棒通过溶液中荧光强度变化来观察金纳米棒上 DNA 探针分子与目标 DNA 分子的杂交情况 ,进而实 现对 DNA 杂交的检测[32 ] 。 我们利用 Aurod @SiO2 复合颗粒制备颗粒膜 ,并 用于蛋白质分子 ( h2IgG) 的比色检测 [33 ] 。首先将 Aurod @SiO2 固定到聚 (42乙烯吡啶) (PVP) 修饰的玻 璃基片上 , 然后用 ( 32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 (anti2h2IgG) ,通过检测抗原 (h2IgG)特异性吸附引起基片上 Aurod @SiO2 复合颗 粒的LSPR 的变化 ,可以实现 h2IgG的快速比色检测 (图 13、14) 。 另外 ,我们利用抗体2抗原的特异性识别作用 , 在溶液中诱导金纳米棒自组装 ,实现对 h2IgG的快 速检测[34 ] 。用聚 (苯乙烯磺酸钠) ( PSS) 处理 CTAB 稳定的金纳米棒而使其带负电 ,进而吸附抗人 IgG。 图 12 　A : 基于长金纳米棒荧光性质检测 DNA 分子杂交 示意图 ; B : 长 (点线) 和短 (直线) 金纳米棒水溶液荧光 谱 [32 ] Fig. 12 　A : Scheme of DNA hybridization detection with the use of enhanced fluorescence of gold nanorods ; B : Fluorescence spectra of longer gold nanorods ( doted line) and shorter gold nanorods (solid line) in aqueous solution[32 ] 图 13 　基于沉积在石英片上的 Aurod @SiO2 复合颗粒膜 对蛋白质分子比色检测的示意图 [33 ] Fig. 13 　Scheme of the colorimetric detection of protein based on Aurod @SiO2 composites deposited on a quartz substrate[33 ] 通过 h2IgG的免疫识别作用 ,在溶液中诱导金纳米 棒颗粒形成自组装聚集 ,通过检测金纳米棒的 LSPR 的变化 ,可以实现 h2IgG的快速检测 (～1min) (图 15、16) 。 最近我们利用金纳米棒对拉曼信号的增强作用 实 现 蛋 白 分 子 高 灵 敏 检 测 ( 检 测 限 可 达 0. 01ng·ml - 1) [35] 。将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 ·831· 化 　学 　进 　展 第 21 卷 图 14 　吸收光谱 : (a) Aurod @SiO2 膜 ; (b) 抗 h2IgG的 Aurod @SiO2 膜 ; (c) —(g) 分别为固定抗 h2IgG的 Aurod @ SiO2 膜与不同浓度的 h2IgG (1、3、5、10 和100ng·ml - 1 ) 作 用 [33 ] Fig. 14 　Absorbance spectra for ( a ) Aurod @ SiO2 film immobilized on a PVP2modified quartz substrate , (b) Aurod @ SiO2 film after immobilization of anti2h2IgG, and (c —g) the Aurod @SiO2 film immobilized with anti2h2IgG after treatment with h2IgG (1 , 3 , 5 , 10 , and 100ng·ml - 1 in PBS buffer) [33 ] 图 15 　通过抗体2抗原识别诱导金纳米棒自组装检测人 IgG示意图 [34 ] Fig. 15 　Scheme of the gold nanorods functionalized by antibody and subsequent aggregation with antigen to detect h2 IgG[34 ] 纳米棒表面吸附拉曼信号分子 (42aminothiophenol , ATP) ,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 @Aurod @ATP @SiO2 ) 。 这一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 (多拉曼信号分子吸附产生的多分 子增强效应和金纳米棒颗粒的金基底增强效应) 的 多重作用。这一复合颗粒用于 SERS 检测 h2IgG,实 现了蛋白分子的高灵敏检测 (检出限10pg·ml - 1 ) (见 图 17、18) 。 3. 2 　金纳米棒在细胞成像和癌症光热治疗中的应用 生物样品 (如蛋白、细胞以及 DNA 分子等)的自 图 16 　吸收光谱 : (A) PSS 覆盖的金纳米棒Π羊抗人 IgG 结合物加入 h2IgG后不同的识别时间 : (B) 50s、(C) 80s、 (D) 100s[34 ] Fig. 16 　Absorption spectra of (A) PSS2coated GNRΠgoat anti2 h2IgG conjugates with h2IgG added (30ng) at various times : (B) 50s , (C) 80s , (D) 100s[34 ] 图 17 　SiO2 @Aurod @ATP @SiO2 复合颗粒的制备及其检 测 h2IgG分子示意图。APS: (32氨基丙基)三甲氧基硅烷 ; GA : 戊二醛 ; PEI : 聚乙烯亚胺 ; PVP : 聚乙烯吡咯烷酮 ; ATP : 对巯基苯胺 [35 ] Fig. 17 　Scheme of SiO2 @Aurod @ATP @SiO2 composite and its application in h2IgG detection. APS: ( 32aminopropyl ) trimethoxysilane ; GA : glutaraldehyde ; PEI : poly (ethyleneim2 ine ) ; PVP : poly ( vinylpyrrolidone ) ; ATP : 42 aminothiophenol [35 ] 身荧光对于通常使用的荧光标记和其他发光标记存 在干扰 ,而生物样品在近红外区 (远离可见光区) 只 有很微弱的吸收 ,因此生物样品对金纳米棒颗粒在 近红外区附近的纵向 SPR 峰的影响可以忽略。另 外有机染料化学性质不稳定 ,易于光漂白 ,而金纳米 棒颗粒性质稳定 ,而且其 LSPR 稳定 ,可见光不容易 穿透组织 ,而利用近红外光激光可以实现深层组织 的生物成像。因此金纳米棒颗粒作为新型的标记材 料和新型造影剂 ,受到了人们的重视。另外金纳米 ·931·第 1 期 马占芳等 　基于金纳米棒的生物检测、细胞成像和癌症的光热治疗 图 18 　检测不同浓度 h2IgG的 SERS 图。从下到上谱线 对应的 h2IgG浓度依次为 : 0、0101、011、1、10、100ng·ml - 1 。 插图 : SERS谱中1 078cm - 1峰的强度对应 h2IgG浓度变化 (0101、011、1、10ng·ml - 1 ) [35 ] Fig. 18 　SERS spectra versus different concentrations of h2IgG. From bottom to top : control , 0101 , 011 , 1 , 10 , and 100ng·ml - 1 . Inset : variation in the SERS intensity of the peak at 1 078cm - 1 with concentration ( 0101 , 011 , 1 , and 10ng·ml - 1 ) of h2IgG[35 ] 棒颗粒很容易被与其 LSPR 峰波长相近的近红外光 的诱导产生热量 ,因此在肿瘤的光热治疗中将具有 特殊的优越性。 2005 年美国 Purdue 大学的研究人员 Wang 等[36 ] 将金纳米棒颗粒注入实验鼠体内 ,在其流经血管时 , 利用双光子成像技术 ( TPL) 透过皮肤得到了血管 结构的原位图像 (见图 19) 。记录的图像比传统荧 光染料法明亮得多 ,单个金纳米棒颗粒比单个罗丹 明 6G分子发出的双光子荧光要亮 58 倍。 Yakar 等[37 ]应用抗体与抗原之间的特异性识别 作用 ,使用聚 (苯乙烯磺酸钠) ( PSS) 和抗体 ( anti2 EGFR antibody)来修饰 CTAB 稳定的金纳米棒制备生 物探针。随后用抗体修饰的金纳米棒颗粒与 EGFR 过度表达的癌细胞发生特异性识别而标记癌细胞 , 利用金纳米棒的光学特性进行了癌细胞的双光子发 光成像研究工作 ,结果表明利用金纳米棒的双光子 发光成像可以深入生物组织75μm。在同等情况下 , 与双光子自荧光 (two2photon auto fluorescence) 成像 相比 ,成像亮度高 3 倍 (见图 20) 。 许多癌细胞的表面都覆盖着表皮生长因子受体 (epidermal growth factor receptor ,EFGR) ,EFGR 为癌症 提供治疗新靶点 ,而健康细胞则不会明显地显示出 图 19 　单个金纳米棒在实验鼠耳血管的原位成像 : (a) 两个血管的发射图像 ; (b)通过血管的金纳米棒颗粒的双 光子图像 ; (c)发射图和单幅的双光子图像的叠加图 ; (d) 与 c 图对应的双光子强度谱图 [36 ] Fig. 19 　In vivo imaging of single gold nanorods in mouse ear blood vessels : ( a ) Transmission image with the two blood vessels indicated ; ( b) TPL image of gold nanorods flowing through the blood vessels ; ( c ) Overlay of the transmission image and a single2frame TPL image ; (d) TPL intensity profile from the linescan in c [36 ] 图 20 　置于盖玻片的癌细胞的双光子成像 : (a) 未标记 细胞的双光子自荧光成像 ; (b)金纳米棒标记的细胞的双 光子成像 ; (c)未标记细胞的双光子成像 [37 ] Fig. 20 　Two2photon images of cancer cells placed on a coverslip from a cell suspension : ( a ) Two2photon autofluorescence image of unlabeled cells ; ( b) TPL image of gold nanorod2labeled cells ; (c) TPL image of nonspecifically labeled cells[37 ] 这种蛋白质。El2Sayed 等[38 ] 将金纳米颗粒与抗2 EFGR 结合 ,用于选择性标记癌细胞 ,在暗场光学显 微镜下可以实现癌细胞的成像。对于常用的球形金 纳米颗粒对可见光的强吸收特性使得光能可以转换 ·041· 化 　学 　进 　展 第 21 卷 为热能 ,因此采用球形金纳米微粒辅助激光热作用 方法 ,可以达到对癌细胞的选择性破坏。和正常细 胞相比 ,杀死癌细胞只需一半的激光能量 ,而且不损 害良性细胞。对于皮肤癌治疗或者诊断 ,球形金纳 米颗粒是很好的选择。然而由于可见光不容易穿透 生物组织 ,因此对于皮下组织的癌症的治疗或者诊 断 ,球形金纳米颗粒就无能为力了。具有合适比率 的金纳米棒颗粒则是很好的选择 ,因为它在近红外 区 (800 —1 200nm) 对光的吸收和散射能力都很强。 选择与金纳米棒颗粒 LSPR 波长相匹配的近红外激 光作为光源 ,能够诱导皮下深层组织的金纳米棒颗 粒产生热量 ,使之升温 ,因此金纳米棒颗粒对皮下深 层组织的癌细胞能同时起到诊断 (成像)和光热治疗 的双重作用。El2Sayed 等[39 ]报道利用寡肽标记的金 纳米棒进行细胞核标记 ,在暗场光学显微镜下 ,可以 清楚地把癌细胞与正常细胞区分开 (见图 21) ,并且 使用800nm的激光照射可以选择性地杀死癌细胞 (见图 22) 。 图 21 　anti2EGFRΠAu 纳米球 (A) 和 anti2EGFRΠAu (B) 纳 米棒 ,分别与 HaCaT细胞、HSC 细胞和 HOC 细胞在室温 下孵育30min后的光散射照片 [39 ] Fig. 21 　Light scattering images of ( A ) anti2EGFRΠAu nanospheres and (B) anti2EGFRΠAu nanorods after incubation with cells for 30min at room temperature [39 ] 图 22 　anti2EGFRΠAu 纳米棒与癌细胞孵育后 ,选择性光 热治疗癌细胞 [39 ] Fig. 22 　Selective photothermal therapy of cancer cells with anti2EGFRΠAu nanorods incubated[39 ] 4 　结论与展望 　　综上所述 ,由于金纳米棒颗粒易于制备 ,而且在 可见光到近红外光区 ,具有连续可调的特殊的表面 等离子共振特性 ,使得金纳米棒颗粒在生物标记、生 物检测、生物成像、疾病的治疗以及信息存储等领域 有着广阔的应用前景。这方面的研究虽然才刚刚开 始 ,但已经取得了令人鼓舞的研究成果 ,引起人们的 广泛关注。 然而目前对于金纳米棒颗粒的生物应用过程 中 ,金纳米棒颗粒的生物无毒化修饰方面还存在着 有待解决的困难。虽然人们已经注意到了这方面的 问题 ,并已经尝试了一些解决方法 ,例如直接制备二 氧化硅包裹金纳米棒颗粒或者使用无毒的生物分子 替换 CTAB ,但是这些方法都存在一定的问题 ,需要 完善。例如对于生物标记和保持金纳米棒颗粒的光 学性质来说 ,二氧化硅层的厚度小于20nm是非常必 要的。然而对于厚度小于20nm、厚度可以精确控 制、重复性好的二氧化硅层的制备 ,并不容易实现 , 需要进一步完善现有的制备方法。现行的利用生物 无毒的材料替换 CTAB 的方法 ,从根本上说 ,都是部 分替换 CTAB ,并没有从根本上解决生物毒性的问 题。因此 ,开发或寻找无毒或低毒性的新型两亲分 子代替 CTAB 制备金纳米棒颗粒是解决金纳米棒颗 粒生物毒性问题的根本方法。另外利用生物无毒材 料完全替换或者完全“屏蔽”CTAB 又能保持金纳米 棒颗粒光学性质 ,也是解决金纳米棒颗粒生物毒性 的可行途径 ,值得深入研究。 参 考 文 献 [ 1 ] 　Dubertret B , Calame M , Libchaber A J . 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