金纳米壳球体检测抗原示意图
1、在药物传递中的应用
将金纳米壳球体包埋于基体材料中, 在共振波长处使其受到激光照射而产生等离激元共振, 从而发生光学吸收并转变成热释放到局部环境中. Sershen等人发展光学活性的金纳米壳球体与热敏水凝胶的复合物, 用来光热调制药物释放. 氮-异丙基丙烯酸铵(NIPAAm)和丙烯酰胺(AAm)共聚物显示一个较低的临界溶解温度(LCST), 只比体温稍高. 当温度超过LCST时, 水凝胶解体, 引起水凝胶基体内可溶药物的释放. 另外, 复合物水凝胶能够响应重复的近红外照射, 多次释放蛋白质, 这样, 人们可以自由地控制药物释放的时间和次数.
Sershen等还揭示了金纳米壳球体如何使热响应聚合体转换成光热响应的金纳米壳球体-聚合体复合物, 并且报道了光热响应复合物材料的制备方法和表征手段. 研究表明: 选择纳米颗粒的搀杂物, 复合物还可以光学定位. 另外, Ren等人制备了近红外敏感的Au@Au2S. 结果显示: 抗肿瘤的药物顺铂(cis-platin)吸附到Au@Au2S纳米颗粒表面的程度, 可以通过溶液的pH值和近红外光控制.
2、在组织修复中的应用
West等人通过金纳米壳球体发展了一种全新的非手术治疗方法. 如: 手术伤口的快速愈合和修复.研究表明: 在体外近红外激光的照射下, 金纳米壳球体释放的热量有利于组织里蛋白质分子的重新组合, 从而促使伤口快速愈合. 这种快速有效的方法可以替代在伤口愈合和血管修复中使用的缝合线和钩环针, 同时也提供了更多的可供选择的整容手术方案.
金纳米壳球体利用抗体或者别的蛋白质, 按照细胞寻靶机理, 递送金纳米壳球体到特定的细胞或者组织. 在美国MD Anderson癌症中心, Halas和其合作者使用体外激光照射体内的金纳米壳球体, 在非侵入人体的方式下, 传送治疗所需热量. 递送治疗的热量只到达目标区域, 而临近的组织不会受到损伤. Halas小组还通过增生扩散的微血管激光凝固法, 来减少血管增生.
3、在全血免疫分析中的应用
免疫分析自问世以来发展迅猛,建立了多种检测方法. 但是, 这些技术各自存在不同程度的局限性. Halas小组探索建立了一种基于等离激元光学共振原理的、以金纳米壳球体为基底的均相免疫分析新方法. 与胶体金类似, 金纳米壳球体表面的金壳同样能稳定而又迅速地吸附蛋白质; 而且通过改变核和壳层的相对尺寸, 其等离共振吸收峰能位移到可见光乃至中红外光; 另外, 由于金纳米壳球体在全血中十分地稳定, 在近红外区通过组织的透射也是最理想的. 因此, 其近红外光学特征很可能使其成为一种理想的全血免疫检测手段.
在分析物存在的情况下, 基于单分散纳米壳球体的聚合, 利用吸收峰变化检测抗原和抗体相互作用的实验原理如图. 在添加抗原前, 在近红外区, 金纳米壳球体的溶胶体系拥有一个强的消光峰. 一旦样品中添加分析物, 结合抗体的金纳米壳球体, 则通过抗原和抗体的桥联作用而发生聚合, 其等离共振谱明显地不同于单分散纳米壳球体的等离共振谱. 检测金纳米壳球体聚合形成的最直接方法是, 在单个纳米壳球体等离共振频率处, 监控单个纳米壳球体等离共振消光峰下降来定量分析聚合的发生, 从而检测分析物的存在.
4、在肿瘤治疗和成像中的应用
Hirsch等人报道了热融治疗(thermal ablative therapy)技术. 利用金纳米壳球体和抗HER-2肿瘤蛋白抗体的结合, 这些生物修饰的Au@SiO2能够特异性地和人胸部的上皮癌细胞(epithelialcarcinoma cells)结合. 通过体外适当低的近红外光照射, 利用Au@SiO2在皮肤深层的不同分布, 递送所需热的治疗剂量. 经近红外照射, 光热效应会消灭所有上皮癌细胞. Hirsch等人还在老鼠体内开展了肿瘤细胞切除研究, 结果表明: 特异性细胞能作为目标被一定剂量的近红外光所消灭, 而且不对其临近的组织造成伤害.靶向肿瘤消除这个方法的优势在于Au@SiO2是无毒的和生物相容的, 且所引起的副作用是最小的. 另外, 和放射治疗相比,此方法没有组织记忆, 可重复性较好.
Loo等人对人表皮生长因子受体-2(HER2)的分子成像进行了研究: 与IgG非特异性标记的Au@SiO2的靶向细胞相比, HER2标记的Au@SiO2的靶向细胞表现出明显的光学差异. 在明场和暗场下, 观察到细胞对吸收和散射光是敏感的. 但在激光器照射后, 在细胞内增长的散射影响, 仅仅限于HER2靶向细胞; 这样, 在不同的照射模式下, 基于其散射和吸收特征,金纳米壳球体能产生光学对照.
5、在表面增强拉曼散射中的应用
Oldenburg等人将巯基苯胺p-mercaptoaniline (p-MA)和金纳米壳球体在溶液中混合, 观察到效果显著的表面增强拉曼散射(SERS). 利用TEM和紫外-可见光谱, SERS信号强度与电磁理论之间的相互关系显示出SERS信号归因于: 通过纳米结构的等离共振绝缘场的局域增强; 通过完全金壳提供的高场强的局域增强. Jackson等人通过监控键合到Ag@SiO2表面非共振分子吸附物的SERS响应, 测量了作为核和壳函数的场强. Jackson等的研究显示: SERS增强直接受Ag@SiO2的几何体控制. 他们还在水溶液中观察到106的SERS增强, 这表明: SERS效应归因于纳米复合物颗粒.
6、在传感中的应用
Tam等人研究了包埋介质的折射率对金纳米壳球体等离激元共振的影响. 等离激元共振响应随着增长的绝缘体基体折射率而位移到较长的波长. 对不变核壳比例的纳米壳球体来说, 等离共振消光峰的位移随着绝对颗粒尺寸的增长而增长. 另外, 孙玉刚等以银纳米颗粒为模板, 制备出金纳米壳, 这是一种空的纳米壳. 和接近大小的金胶体相比, 这些金纳米壳的等离共振吸收峰红移较大. 另外, 即使和比金纳米壳更小的金胶体相比, 金纳米壳的表面等离共振显示出对环境的变化更为敏感.
7、在发光半导体聚合物中的应用
Hale等人的研究显示: 由于金纳米壳球体Au@SiO2被添加到聚合体中, 可以观察到半导体聚合物光氧化比例发生明显的改变. 金纳米壳球体Au@SiO2的搀杂减缓了氧化速度, 然而没有影响聚合体的发光特征. 由于导电聚合物是许多通用设计类型显示器的主要部分, 因此, 延长导电聚合物的活性时间变得尤为重要. 而金纳米壳球体大大地减缓了导体聚合体的光氧化速度, 从而延长了发光导电聚合物的活性时间, 这对提高电子器件的寿命来说,这种新型的纳米结构材料确实是很有吸引力的.