金纳米星的制备、特性及应用

金纳米星（Au Nanostars, Au NSs）作为一种具有复杂三维结构的新型纳米材料，随着纳米技术的快速发展而受到广泛关注。其独特的物理化学性质（如可调谐的局域表面等离子体共振（LSPR）光学特性、表面增强拉曼散射（SERS）效应、光热性能和大比表面积）使其在纳米材料和生物医学领域展现出巨大潜力。

图1 金纳米星扫描电镜及紫外图

1. 金纳米星的制备

为了合成具有各种尺寸、成分和光学特性的 Au NSs，在过去15年中，人们使用不同的方法和试剂开发了多种方法。表1总结了合成具有不同组成成分和大小范围的等离子体纳米星的一些代表性方法。

表1 金纳米星合成方法

1.1 一步合成法

化学机制：通过还原剂（如HEPES、NH₂OH·HCl）在碱性环境中直接还原HAuCl₄形成Au NSs，无需种子介导。Chandra等发现HEPES缓冲液中Au³⁺的还原速率受pH调控（pH 6.8~8.2），影响纳米星分支结构的形成。

图2 展示了HEPES-、EPPS-和MOPS-Au NSs在各自缓冲范围内的pH依赖性形成过程。(a)不同pH值下溶液的照片（pKa±0.7）；(b)对应不同pH条件下合成的Au NSs吸收光谱的峰值波长。

• 关键参数：

• pH值：当pH=12~12.5时，NH₂OH·HCl还原效率最高，生成尺寸均一的Au NSs。

• 还原剂浓度： C₆H₆O₂用量从50 μL增至1000 μL时，Au NSs尺寸从100 nm增至150 nm。

• 优缺点：操作简单但重复性较差，易受环境因素（温度、离子强度）干扰。

1.1.2 种子介导生长法

• 核心步骤：先合成Au纳米颗粒种子（如球形、棒状），再通过外延生长形成分支结构。使用PVP/DMF体系调控Au³⁺还原速率，可获得高单分散性Au NSs（分支长度45~116 nm）。

• 形貌调控：

• 表面活性剂选择：CTAB促进轴向生长，PVP抑制团聚，二者协同优化分支密度。

• 晶体取向：{111}晶面优先吸附CTAB，导致各向异性生长形成星状结构。

• 优势：尺寸可控（70~400 nm），重复性高，但需多步纯化。

Au NSs的合成与调控是多尺度协同作用的结果，需综合化学动力学（还原速率）、晶体生长热力学（晶面取向）及表界面化学（配体吸附）机制。未来研究应聚焦原子级精准合成与跨学科应用集成。

2. 金纳米星的特性

Au NSs相较于其他等离激元纳米结构拥有更高的比表面积和更多的等离激元热点。由于其表面可进行更丰富的晶体刻面修饰和复杂的组合，其较大的比表面积使得Au NSs在传感和催化反应等领域展现出巨大的潜力。此外，Au NSs分支的高度全方位取向，表现出各向同性的等离激元特性，使得Au NSs在功能多样性上优于其他等离激元结构。更重要的是，Au NSs拥有大量的等离激元热点，从而能够显著增强电场的强度。

图3（a）纳米球、（b）纳米棒、（c）纳米三角形、（d）纳米立方体、（e）纳米三脚体及（f）纳米星与光相互作用时的模拟电场分布

3、应用

与其他等离子体纳米结构相比，等离子体纳米星不仅拥有卓越的比表面积，而且在受到适当电磁波刺激时，能够引发局域表面等离子体共振，形成大量的热点，显著放大电场。这些特性使得Au NSs成为众多以LSPR增强效应为基础的应用领域中的理想结构之选。近年来，有关金纳米星的应用研究报道层出不穷，这些研究涵盖了从实时图像引导的多功能抗癌治疗到针对破坏性病毒 SARS-CoV2 的超灵敏现场检测，再到多模态多路脑成像等多个领域。同时，Au NSs也在抗癌治疗、病毒检测、脑成像、能源催化剂以及太阳能电池等多个关键领域也展现出了巨大的潜力。

4. 总结

未来需开发低成本、高重复性的绿色的金纳米星合成方法，并探索金纳米星在mRNA递送、免疫治疗等新领域的应用。 临床转化方面需要重点解决长期毒性和体内代谢问题。

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