金奈米顆粒：特性與應用

Introduction

膠體金奈米顆粒因其與可見光互動所產生的鮮豔色彩，已被藝術家使用了數個世紀。最近，這些獨特的 光電特性已被研究並應用在高科技應用上，例如有機光電、感官探針、治療劑、生物和醫療應用的藥物傳輸、電子導體和催化作用。金奈米顆粒的光學和電子特性可透過改變尺寸、形狀、表面化學或聚集狀態來調整。

金奈米粒子的光電特性

金奈米粒子與光的互動強烈受制於其環境、大小和物理尺寸。在膠體奈米粒子附近傳播的光線的振盪電場會與自由電子互動，造成與可見光頻率共振的電子電荷協調振盪。這些共振振盪稱為表面等離子。對於細小 (~30 nm) 的單分散金奈米顆粒而言，表面等離子共振現象會導致吸收光譜中藍綠色部分 (~450 nm) 的光，同時反射紅色光 (~700 nm)，產生豐富的紅色。隨著顆粒尺寸的增加，表面等離子共振相關吸收的波長會轉向更長、更紅的波長。然後紅光被吸收，藍光被反射，產生淺藍色或紫色的溶液（圖 1）。隨著顆粒尺寸朝體積極限持續增加，表面等離子共振波長會進入光譜的紅外線部分，而大部分可見光波長會被反射，使奈米顆粒呈現透明或半透明的顏色。表面等離子共振可透過改變奈米微粒的尺寸或形狀來調整，進而產生具有量身訂做光學特性的微粒，適用於不同的應用。

圖 1. 各種尺寸單分散金奈米粒子的顏色

在金溶液中加入過量的鹽時，也會出現這種現象。金納米粒子的表面電荷變成中性，導致納米粒子聚集。因此，溶液的顏色會從紅色變成藍色。為了減少聚集，金奈米顆粒多樣化的表面化學特性使其可以塗覆聚合物、小分子和生物辨識分子。這種表面修飾使金奈米顆粒能夠廣泛地應用於化學、生物、工程和醫療等領域。金奈米粒子的典型特性如表 1所示。

表一 金奈米顆粒的產品特性

直徑	奈米粒子 /mL	摩爾延伸 (M-1cm-1)	產品編號
5 nm	5.47 x 1013	515-520 nm	1.10 x 107	741949 (Surfactant Stabilized) 752568 (PBS)
10 nm	5.98 x 1012	515-520 nm	1.01 x 108	741957  (Surfactant Stabilized) 752584 (PBS)
15 nm	1.64x1012	520	3.67x108	777137 (Surfactant Stabilized) 777099 (PBS)
20 nm	6.54 x 1011	524 nm	9.21 x 108	741965 (Surfactant Stabilized) 753610 (PBS)
30 nm	1.79 x 1011	526 nm	3.36 x 109	741973 (Surfactant Stabilized) 753629 (PBS)
40 nm	7.15 x 1010	530 nm	8.42 x 109	741981 (Surfactant Stabilized) 753637 (PBS)
50 nm	3.51 x 1010	535 nm	1.72 x 1010	742007 (Surfactant Stabilized) 753645 (PBS)
60 nm	1.96 x 1010	540 nm	3.07 x 1010	742015 (Surfactant Stabilized) 753653 (PBS)
80 nm	7.82 x 109	553 nm	7.70 x 1010	742023 (Surfactant Stabilized) 753661 (PBS)
100 nm	3.84 x 109	572 nm	1.57 x 1011	742031 (Surfactant Stabilized) 753688 (PBS)
150 nm	3.60 x 109	未測量	-	742058 (Surfactant Stabilized)
200 nm	1.9 x 109	未測量	-	742066 (Surfactant Stabilized)
250 nm	7.1 x 108	未測量	-	742074 (Surfactant Stabilized)
300 nm	4.5 x 108	未測量	-	742082 (Surfactant Stabilized)
400 nm	1.9 x 108	未測量	-	742090 (Surfactant Stabilized)

應用

金奈米顆粒的應用範圍正在快速增長，包括：

1. 電子 - 金奈米顆粒被設計用作從可印刷油墨到電子芯片的導體。¹隨著電子世界變得越來越小，奈米顆粒成為晶片設計的重要元件。
2. 光動力療法 - 近紅外線吸收金奈米粒子（包括金奈米殼和奈米棒）在 700 到 800 nm 波長的光激發下會產生熱能。² 當光線照射到含有金奈米粒子的腫瘤時，粒子會迅速升溫，殺死腫瘤細胞，這種治療方法也稱為熱療法。
3. 治療劑傳輸 - 治療劑也可以塗佈在金奈米粒子的表面。³金納米粒子的大表面面積與體積比使其表面能夠塗覆數百種分子（包括治療劑、靶向劑和防污聚合物）。
4. 傳感器 - 金納米粒子可用於各種傳感器。^{spectroscopy，利用金奈米顆粒做為基板，以量測化學鍵的振動能量。這種策略也可用於檢測蛋白質、污染物和其他無標籤分子。}
5. 探針 - 金奈米粒子也會散射光線，並在暗視場顯微鏡下產生一系列有趣的顏色。⁵ 此外，金奈米粒子的密度相對較高，因此可作為透射電子顯微鏡的探針。
6. 診斷 - 金奈米粒子也可用於檢測診斷心臟疾病、癌症和傳染病的生物標記。⁶它們在橫向流免疫分析中也很常見，一個常見的家用例子是家庭懷孕檢測。
7. 催化 - 金奈米粒子在許多化學反應中被用作催化劑。⁷ 金奈米粒子的表面可用於選擇性氧化，或在某些情況下，其表面可還原反應（氮氧化物）。金奈米粒子正被開發應用於燃料電池。這些技術將有助於汽車和顯示器產業。

Quality Advantage

我們很榮幸能與 Cytodiagnostics 合作，提供廣泛的金奈米微粒產品組合，專門用於生命科學和材料科學領域的高科技應用。金奈米顆粒的直徑大小從 5 nm 到 400 nm 不等，具有多種溶劑成分的多種表面功能。

儘管球形金奈米粒子傳統上是使用還原劑合成，例如硼氫化鈉，而 Cytodiagnostics 擁有專屬製程和配方，可製備出高球形金奈米粒子，且不需使用刺激性還原劑。與其他金奈米粒子相比，這些奈米粒子具有許多優點，包括：

1. 窄尺寸分佈 - 基於動態光散射 (DLS) 和 TEM 分析。每一批產品都經過 DLS 和 UV-Vis 光譜的驗證（圖 2）。

圖 2. DLS 與 UV-Vis 光譜顯示 Cytodiagnostics 出品的精確金奈米顆粒。

 

2. 一致的尺寸和形狀 -即使超過 100 nm，CV（方差係數）仍為 10%。5 nm 和 400 nm 奈米微粒的範例如下 圖 3所示。

圖 3. CV <8% 的 5 nm (左) 和 400 nm (右) 金奈米微粒的 TEM 影像。

 

奈米金箔

圖 4. 100 奈米金奈米雛菊的 TEM

與相同核心直徑的球形金奈米粒子相比，Gold NanoUrchins 具有獨特的光學特性。與球形顆粒相比，金奈米Urchin穗狀凹凸不平的表面會導致表面等離子體峰紅移，並在金奈米Urchin穗狀凹凸不平的頂端產生更大的電磁場增強。舉例來說，100nm 球形金奈米粒子的 SPR 峰值在 570nm 處，而 100nm 金奈米超微粒子的 SPR 峰值則在 680nm 左右， 圖 4.

。

圖 5. 左 - 100 nm 金奈米赭素 (藍) 和 100 nm 標準金奈米顆粒 (綠) 的 UV-VIS 光譜。請注意 SPR 峰的紅移。右圖 - 直徑從 50 nm 到 100 nm 金奈米顆粒的 UV-VIS 光譜。

Outlook

金奈米顆粒是用途廣泛的多用途材料，由於合成程序發達，因此具有特性良好的電子和物理特性。此外，它們的表面化學特性也很容易修改。這些特性使金奈米粒子成為學術研究中應用最廣泛的奈米材料之一，也是全球醫療照護設備和工業產品中不可或缺的元件。我們提供廣泛的金奈米顆粒，供全球研究界使用，有助於增加其在高科技應用中的採用。

參考資料

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