小尺寸金納米棒：從精準(zhǔn)調(diào)控到多元應(yīng)用的深度剖析一、引言1.1研究背景與意義在材料科學(xué)的前沿探索中，納米材料以其獨特的物理化學(xué)性質(zhì)，如表面效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)以及量子隧道效應(yīng)等，成為了研究的焦點。這些效應(yīng)賦予了納米材料不同尋常的光學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)、力學(xué)、化學(xué)活性、催化以及超導(dǎo)等性能，使其在21世紀(jì)的眾多領(lǐng)域中發(fā)揮著不可或缺的作用。金納米材料作為納米技術(shù)中的關(guān)鍵元素，憑借其獨特的性質(zhì)和廣泛的應(yīng)用前景，備受矚目。金納米棒作為金納米材料的一種重要形態(tài)，具有從幾納米到上百納米的尺度，呈現(xiàn)出棒狀結(jié)構(gòu)。其獨特的光學(xué)性質(zhì)源于表面等離子體共振（SPR）現(xiàn)象，擁有橫向和縱向兩個表面等離子體共振吸收峰。縱向表面等離子體共振吸收峰的位置與顆粒的長徑比密切相關(guān)，通過精確控制長徑比，可實現(xiàn)縱向表面等離子體共振峰在可見光到近紅外光范圍內(nèi)的連續(xù)可調(diào)。這種精確的調(diào)諧特性，為金納米棒在眾多領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了堅實基礎(chǔ)。在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，金納米棒展現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用潛力。其可調(diào)諧的光學(xué)性質(zhì)使其成為生物成像的理想工具，能夠?qū)崿F(xiàn)對生物組織和細(xì)胞的高分辨率成像，為疾病的早期診斷提供了有力支持。在癌癥治療中，金納米棒的高光熱轉(zhuǎn)換效率可用于光熱治療，通過將光能轉(zhuǎn)化為熱能，實現(xiàn)對腫瘤細(xì)胞的精準(zhǔn)消融，同時減少對正常組織的損傷。金納米棒還可作為藥物載體，實現(xiàn)藥物的靶向遞送和控制釋放，提高治療效果。在傳感器領(lǐng)域，金納米棒的高表面電場強度增強效應(yīng)使其在表面增強拉曼散射（SERS）和熒光增強等方面具有獨特優(yōu)勢。利用SERS效應(yīng)，金納米棒能夠?qū)崿F(xiàn)對分子的高靈敏度檢測，可用于生物醫(yī)學(xué)研究、環(huán)境監(jiān)測以及食品安全檢測等領(lǐng)域，為這些領(lǐng)域的發(fā)展提供了新的技術(shù)手段。在光電器件領(lǐng)域，金納米棒的優(yōu)異電學(xué)性能，如高電導(dǎo)率和高穩(wěn)定性等，使其在電子器件、傳感器和催化劑等方面具有廣泛的應(yīng)用前景。通過合理設(shè)計和制備，金納米棒可用于構(gòu)建高性能的電子器件，提高器件的性能和效率。小尺寸金納米棒由于其更小的尺寸，具有更大的比表面積和更高的表面活性，從而在上述應(yīng)用中展現(xiàn)出更為優(yōu)異的性能。小尺寸金納米棒在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中能夠更高效地穿透生物膜，實現(xiàn)更深入的組織滲透和更精準(zhǔn)的細(xì)胞靶向。在催化領(lǐng)域，小尺寸金納米棒的高表面活性能夠顯著提高催化反應(yīng)的效率和選擇性。然而，目前小尺寸金納米棒的制備方法仍存在諸多挑戰(zhàn)，如制備過程復(fù)雜、產(chǎn)率低、尺寸分布不均勻等，這些問題嚴(yán)重限制了小尺寸金納米棒的大規(guī)模生產(chǎn)和廣泛應(yīng)用。深入研究小尺寸金納米棒的調(diào)控、制備、性質(zhì)及應(yīng)用，對于推動納米材料科學(xué)的發(fā)展，拓展其在生物醫(yī)學(xué)、傳感器、光電器件等領(lǐng)域的應(yīng)用，具有重要的理論意義和實際應(yīng)用價值。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀金納米棒由于其獨特的光學(xué)、電學(xué)、催化等性能，在生物醫(yī)學(xué)、傳感器、光電器件等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景，一直是國內(nèi)外研究的熱點。近年來，小尺寸金納米棒憑借其更大的比表面積和更高的表面活性，受到了研究人員的特別關(guān)注，相關(guān)研究在調(diào)控、制備、性質(zhì)及應(yīng)用等方面均取得了顯著進展。在調(diào)控方面，研究人員致力于探索精確控制小尺寸金納米棒尺寸、形狀和結(jié)構(gòu)的方法。國外研究中，Marray團隊通過添加芳香族化合物或油酸鈉作為共添加劑，并結(jié)合鹽酸的添加和抗壞血酸(aa)用量的減少，成功地將金納米棒的lspr最大波長擴大至1250nm附近，并且顯著改善了其單分散性、棒狀產(chǎn)率，并實現(xiàn)了直徑的精確控制，即在25nm以下和30nm以上。國內(nèi)杭州師范大學(xué)黃又舉教授團隊提出了三元表面活性劑(十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)、油酸鈉(NaOL)和水楊酸鈉(NaSal)介導(dǎo)的納米晶核生長新策略，在膠束空間限制下精確合成了超小納米金棒。通過改變?nèi)砻婊钚詣┑恼{(diào)控，可顯著提高納米金棒的純度，可接近100%，并且直徑可動態(tài)控制在6、8和11納米，進而實現(xiàn)納米金棒長徑比的調(diào)節(jié)，達(dá)到局域等離子共振吸收在700-1147納米的寬近紅外窗口。在制備方法上，晶種生長法是目前合成金納米棒最常用的方法之一，國內(nèi)外眾多研究基于此方法進行改進和優(yōu)化。Zubarev團隊提出了一種使用對苯二酚(hq)作為還原劑合成金納米棒的新方法，在hq濃度是aa的約9倍時，該方法顯著降低了非棒狀副產(chǎn)物的生成，金的轉(zhuǎn)化率幾乎達(dá)到100％，同時極大地改善了金納米棒的性能，包括提高了單分散性和實現(xiàn)了最大lspr波長達(dá)到1230nm。國內(nèi)有研究采用非晶種生長法制備金納米棒，該方法由于制備過程中無需加入晶種，具有工藝流程簡單，重現(xiàn)性好，制得的金納米棒尺寸小等優(yōu)點。還有研究通過研究十六烷基三甲基溴化銨、抗壞血酸、NaBH4和AgNO3的用量，以及攪拌時間、反應(yīng)時間對無種子生長法制備金納米棒的影響，篩選出了最佳制備條件，在室溫為28℃，CTAB濃度為0.1mol/L、AgNO3濃度為96μmol/L、AA濃度為0.97mmol/L、NaBH4濃度為1.5μmol/L，攪拌25s等最佳條件下，只需反應(yīng)6h就能夠成功制備出長徑比為5且形貌均勻、分散性和穩(wěn)定性良好、軸寬較小的金納米棒。對于小尺寸金納米棒的性質(zhì)研究，國內(nèi)外都集中在其獨特的光學(xué)、電學(xué)和催化性能等方面。在光學(xué)性質(zhì)上，小尺寸金納米棒相比大尺寸金納米棒擁有更大的吸收截面和更高的光熱效率，其共振波長可以在更寬的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。華東師大精密光譜科學(xué)與技術(shù)國家重點實驗室武愕教授和吳伯濤副研究員團隊在單顆粒尺度上構(gòu)建了不同構(gòu)型的等離激元金納米棒天線，實現(xiàn)了對單納米顆粒上轉(zhuǎn)換發(fā)光的強度增強與偏振態(tài)的激活調(diào)制。在電學(xué)性質(zhì)方面，金納米棒的高電導(dǎo)率和穩(wěn)定性使其在電子器件中有潛在應(yīng)用，研究小尺寸金納米棒的電學(xué)性質(zhì)有助于進一步優(yōu)化器件性能。在催化性能上，小尺寸金納米棒的高表面活性能夠顯著提高催化反應(yīng)的效率和選擇性，相關(guān)研究為其在催化領(lǐng)域的應(yīng)用提供了理論基礎(chǔ)。在應(yīng)用領(lǐng)域，小尺寸金納米棒在生物醫(yī)學(xué)、傳感器和光電器件等方面展現(xiàn)出獨特優(yōu)勢。生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，由于其尺寸小，能夠更高效地穿透生物膜，實現(xiàn)更深入的組織滲透和更精準(zhǔn)的細(xì)胞靶向，可用于生物成像、藥物遞送和癌癥治療等。加拿大的SonaNanotech公司專注于金納米顆粒的研發(fā)與生產(chǎn)，其金納米棒技術(shù)獨創(chuàng)性地不含CTAB（十六烷基三甲基銨），有效消除了傳統(tǒng)金納米桿技術(shù)在醫(yī)療應(yīng)用中的毒性風(fēng)險，在生物成像、藥物遞送和癌癥診斷等方面具有廣泛的應(yīng)用前景。傳感器領(lǐng)域，利用小尺寸金納米棒的高表面電場強度增強效應(yīng)，可實現(xiàn)對分子的高靈敏度檢測，用于生物醫(yī)學(xué)研究、環(huán)境監(jiān)測以及食品安全檢測等領(lǐng)域。光電器件領(lǐng)域，小尺寸金納米棒的優(yōu)異電學(xué)性能使其有望用于構(gòu)建高性能的電子器件，提高器件的性能和效率。盡管小尺寸金納米棒的研究取得了一定進展，但仍存在一些挑戰(zhàn)，如制備過程復(fù)雜、產(chǎn)率低、尺寸分布不均勻等問題，限制了其大規(guī)模生產(chǎn)和廣泛應(yīng)用。未來的研究需要進一步優(yōu)化制備方法，深入探究其性質(zhì)與應(yīng)用之間的關(guān)系，以推動小尺寸金納米棒在更多領(lǐng)域的實際應(yīng)用。1.3研究內(nèi)容與方法1.3.1研究內(nèi)容本研究聚焦于小尺寸金納米棒，從調(diào)控機制、制備工藝、性質(zhì)探究以及應(yīng)用拓展四個關(guān)鍵方面展開深入研究。在小尺寸金納米棒的調(diào)控機制研究中，深入剖析表面活性劑、還原劑、添加劑以及反應(yīng)條件等因素對小尺寸金納米棒尺寸、形狀和結(jié)構(gòu)的精確調(diào)控機制。通過改變表面活性劑的種類和濃度，探究其在膠束形成過程中對金納米棒生長空間的影響，以及如何通過膠束的空間限制作用實現(xiàn)對金納米棒尺寸和形狀的精準(zhǔn)控制。研究不同還原劑的還原能力和反應(yīng)速率對金納米棒生長的影響，揭示還原劑在金納米棒成核和生長過程中的作用機制。分析添加劑如硝酸銀、鹽酸等對金納米棒生長的促進或抑制作用，明確添加劑在調(diào)控金納米棒結(jié)構(gòu)和性能方面的關(guān)鍵作用。在制備工藝的優(yōu)化與創(chuàng)新方面，基于晶種生長法進行深入改進，通過精確控制各反應(yīng)參數(shù)，如晶種的濃度和尺寸、生長液中各成分的比例、反應(yīng)溫度和時間等，實現(xiàn)小尺寸金納米棒的可控制備。探索新型的制備方法，如非晶種生長法、光化學(xué)合成法等，研究這些方法在制備小尺寸金納米棒時的優(yōu)勢和局限性，開發(fā)出高效、簡便、可大規(guī)模制備小尺寸金納米棒的新方法。在小尺寸金納米棒的性質(zhì)研究方面，全面探究其獨特的光學(xué)、電學(xué)、催化等性能。在光學(xué)性質(zhì)上，研究小尺寸金納米棒的表面等離子體共振特性，包括共振波長、吸收截面和光熱轉(zhuǎn)換效率等，分析其與尺寸、形狀和結(jié)構(gòu)之間的內(nèi)在關(guān)系，為其在生物醫(yī)學(xué)成像、光熱治療等領(lǐng)域的應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。在電學(xué)性質(zhì)上，測量小尺寸金納米棒的電導(dǎo)率、載流子遷移率等參數(shù)，研究其在電子器件中的潛在應(yīng)用，如納米導(dǎo)線、傳感器等。在催化性能上，以典型的催化反應(yīng)為模型，研究小尺寸金納米棒的催化活性、選擇性和穩(wěn)定性，揭示其高表面活性在催化反應(yīng)中的作用機制。在應(yīng)用拓展研究方面，探索小尺寸金納米棒在生物醫(yī)學(xué)、傳感器和光電器件等領(lǐng)域的創(chuàng)新應(yīng)用。在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，利用小尺寸金納米棒的高細(xì)胞攝取效率和良好的生物相容性，開發(fā)新型的生物成像探針，實現(xiàn)對生物組織和細(xì)胞的高分辨率成像；構(gòu)建基于小尺寸金納米棒的藥物遞送系統(tǒng)，實現(xiàn)藥物的靶向遞送和控制釋放，提高癌癥治療效果。在傳感器領(lǐng)域，基于小尺寸金納米棒的高表面電場強度增強效應(yīng)，開發(fā)高靈敏度的傳感器，用于生物分子、環(huán)境污染物等的快速檢測。在光電器件領(lǐng)域，將小尺寸金納米棒應(yīng)用于納米天線、發(fā)光二極管等器件的制備，研究其對器件性能的提升作用，推動光電器件的小型化和高性能化。1.3.2研究方法本研究綜合運用實驗研究和理論分析相結(jié)合的方法，確保研究的全面性和深入性。在實驗研究方面，采用多種實驗技術(shù)進行小尺寸金納米棒的制備和表征。通過晶種生長法、非晶種生長法等方法進行小尺寸金納米棒的合成，利用透射電子顯微鏡（TEM）、掃描電子顯微鏡（SEM）等微觀表征技術(shù)，精確觀察小尺寸金納米棒的尺寸、形狀和結(jié)構(gòu)，獲取其微觀形貌信息。運用紫外-可見-近紅外分光光度計等光學(xué)表征手段，測量小尺寸金納米棒的光學(xué)吸收光譜，研究其表面等離子體共振特性。借助電化學(xué)工作站等電學(xué)測試設(shè)備，測定小尺寸金納米棒的電學(xué)性能參數(shù)，如電導(dǎo)率、電容等。通過催化反應(yīng)實驗，評估小尺寸金納米棒的催化活性和選擇性。在理論分析方面，運用分子動力學(xué)模擬、有限元分析等理論計算方法，深入研究小尺寸金納米棒的生長機制和性能調(diào)控原理。通過分子動力學(xué)模擬，從原子層面揭示金原子在表面活性劑膠束中的擴散和聚集過程，以及金納米棒的成核和生長機制。利用有限元分析方法，模擬小尺寸金納米棒在外部電場、磁場等作用下的響應(yīng)特性，研究其光學(xué)、電學(xué)性能與結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，為實驗研究提供理論指導(dǎo)和預(yù)測。二、小尺寸金納米棒的調(diào)控機制2.1影響小尺寸金納米棒尺寸與形貌的因素小尺寸金納米棒的尺寸與形貌對其物理化學(xué)性質(zhì)和應(yīng)用性能有著至關(guān)重要的影響。在制備過程中，多種因素相互作用，共同決定了小尺寸金納米棒最終的尺寸與形貌。深入研究這些影響因素，對于實現(xiàn)小尺寸金納米棒的精準(zhǔn)調(diào)控和可控制備具有重要意義。2.1.1表面活性劑的作用表面活性劑在小尺寸金納米棒的制備過程中起著關(guān)鍵作用，它不僅能夠影響金納米棒的生長維度，還能對其尺寸和形貌進行精細(xì)調(diào)控。陽離子表面活性劑CTAB是合成金納米棒時最常用的表面活性劑之一。在金納米棒的生長過程中，CTAB分子會形成膠束結(jié)構(gòu)，金離子在膠束內(nèi)部被還原成金原子，并逐漸聚集形成金納米顆粒。CTAB分子的長鏈烷基部分會吸附在金納米顆粒的表面，形成一層保護膜，阻止金納米顆粒的團聚。由于CTAB分子在金納米顆粒表面的吸附具有一定的方向性，它會引導(dǎo)金原子沿著特定的方向沉積，從而促進金納米棒的生長。研究表明，通過調(diào)節(jié)CTAB的濃度，可以改變膠束的大小和形狀，進而影響金納米棒的尺寸和長徑比。當(dāng)CTAB濃度較高時，形成的膠束尺寸較小，金原子在膠束表面的沉積速度相對較慢，有利于形成短而粗的金納米棒；反之，當(dāng)CTAB濃度較低時，膠束尺寸較大，金原子的沉積速度加快，容易形成長而細(xì)的金納米棒。陰離子表面活性劑油酸鈉在金納米棒的制備中也有獨特的作用。油酸鈉分子中的羧酸根離子可以與金離子發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)，形成一種穩(wěn)定的絡(luò)合物。這種絡(luò)合物的形成會改變金離子的還原電位，從而影響金納米棒的生長過程。與CTAB不同，油酸鈉在金納米顆粒表面的吸附方式較為靈活，它可以通過羧酸根離子與金原子的配位作用，在金納米顆粒表面形成一層相對疏松的保護膜。這種保護膜對金原子的沉積方向限制較小，使得金納米棒的生長更加多樣化。在一些研究中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)在CTAB體系中加入適量的油酸鈉時，可以調(diào)節(jié)金納米棒的生長方向，使得金納米棒的長徑比得到進一步優(yōu)化，同時還能提高金納米棒的單分散性?；旌媳砻婊钚詣┑氖褂脼榻鸺{米棒的尺寸與形貌調(diào)控提供了更多的可能性。通過將陽離子表面活性劑和陰離子表面活性劑按一定比例混合，可以充分發(fā)揮兩種表面活性劑的優(yōu)勢，實現(xiàn)對金納米棒生長維度的更精確控制。杭州師范大學(xué)黃又舉教授團隊提出的三元表面活性劑介導(dǎo)的納米晶核生長新策略，在膠束空間限制下精確合成了超小納米金棒。通過改變?nèi)砻婊钚詣ㄊ榛谆寤@CTAB、油酸鈉NaOL和水楊酸鈉NaSal）的調(diào)控，可顯著提高納米金棒的純度，可接近100%，并且直徑可動態(tài)控制在6、8和11納米，進而實現(xiàn)納米金棒長徑比的調(diào)節(jié)，達(dá)到局域等離子共振吸收在700-1147納米的寬近紅外窗口。在這種混合表面活性劑體系中，不同表面活性劑分子之間會發(fā)生相互作用，形成一種復(fù)雜的膠束結(jié)構(gòu)。這種膠束結(jié)構(gòu)不僅能夠提供更多的生長位點，還能通過不同表面活性劑分子對金原子沉積的協(xié)同作用，實現(xiàn)對金納米棒尺寸和形貌的精細(xì)調(diào)控。2.1.2還原劑的影響還原劑在金納米棒的生長過程中扮演著重要角色，其還原能力和反應(yīng)速率對金納米棒的尺寸和形貌有著顯著影響。強還原劑硼氫化鈉（NaBH_4）具有很強的還原能力，能夠迅速將金離子還原為金原子。在金納米棒的制備過程中，硼氫化鈉通常用于制備金納米種子。由于其還原速度極快，在短時間內(nèi)會產(chǎn)生大量的金原子，這些金原子會迅速聚集形成小尺寸的金納米種子。這些金納米種子的尺寸和數(shù)量對后續(xù)金納米棒的生長起著關(guān)鍵的起始作用。研究表明，當(dāng)使用硼氫化鈉制備金納米種子時，其用量和加入速度會影響種子的尺寸和分布。如果硼氫化鈉用量過多或加入速度過快，會導(dǎo)致金原子的快速聚集，形成尺寸較大且分布不均勻的金納米種子，進而影響最終金納米棒的尺寸和形貌。弱還原劑抗壞血酸（AA）的還原能力相對較弱，反應(yīng)速率較為溫和。在金納米棒的生長階段，抗壞血酸常被用作還原劑，它能夠緩慢地將金離子還原為金原子，并使金原子在金納米種子的表面逐漸沉積，從而實現(xiàn)金納米棒的生長。由于抗壞血酸的還原過程較為緩慢，金原子在金納米種子表面的沉積更加均勻，有利于形成尺寸均一、形貌規(guī)則的金納米棒。通過調(diào)節(jié)抗壞血酸的濃度和加入時間，可以精確控制金原子的沉積速度和量，從而實現(xiàn)對金納米棒長徑比和尺寸的調(diào)控。當(dāng)抗壞血酸濃度較低時，金原子的沉積速度較慢，金納米棒的生長速度也較慢，有利于形成長徑比較大的金納米棒；反之，當(dāng)抗壞血酸濃度較高時，金原子的沉積速度加快，金納米棒的生長速度也加快，容易形成短徑比較小的金納米棒。在一些研究中，還會采用雙還原劑體系，即先使用強還原劑硼氫化鈉制備金納米種子，再利用弱還原劑抗壞血酸進行金納米棒的生長。這種雙還原劑體系結(jié)合了兩種還原劑的優(yōu)點，既能夠快速產(chǎn)生金納米種子，又能實現(xiàn)金納米棒的緩慢、均勻生長，從而制備出尺寸和形貌都較為理想的金納米棒。2.1.3添加劑的功能添加劑在小尺寸金納米棒的制備過程中對其尺寸和形貌的調(diào)控起著重要作用，其中硝酸銀是一種常用的添加劑。硝酸銀在金納米棒的生長過程中能夠調(diào)節(jié)晶面的生長速度，從而影響金納米棒的尺寸和形貌。在金納米棒的生長體系中，銀離子會吸附在金納米顆粒的特定晶面上，形成一層銀原子的吸附層。由于銀原子與金原子之間的相互作用，這層吸附層會改變金原子在不同晶面上的沉積速率，從而打破金納米顆粒各向同性的生長模式，促進金納米棒的形成。研究表明，硝酸銀的濃度對金納米棒的長徑比有著顯著影響。當(dāng)硝酸銀濃度較低時，銀原子在金納米顆粒晶面上的吸附量較少，對晶面生長速度的影響較小，金納米棒的長徑比相對較?。浑S著硝酸銀濃度的增加，銀原子在晶面上的吸附量增多，對晶面生長速度的調(diào)節(jié)作用增強，金納米棒的長徑比逐漸增大。但當(dāng)硝酸銀濃度過高時，過多的銀原子會在金納米顆粒表面形成一層較厚的銀膜，這不僅會阻礙金原子的進一步沉積，還可能導(dǎo)致金納米棒的生長受到抑制，甚至形成其他形狀的金納米結(jié)構(gòu)。除了硝酸銀，其他添加劑如鹽酸、溴化鉀等也能對金納米棒的尺寸和形貌產(chǎn)生影響。鹽酸可以調(diào)節(jié)反應(yīng)體系的pH值，進而影響金離子的還原速度和表面活性劑的活性，從而間接影響金納米棒的生長。溴化鉀中的溴離子可以與金離子形成絡(luò)合物，改變金離子的存在形式和反應(yīng)活性，對金納米棒的生長過程產(chǎn)生調(diào)控作用。通過合理選擇和控制添加劑的種類和用量，可以實現(xiàn)對小尺寸金納米棒尺寸和形貌的精確調(diào)控，為其在不同領(lǐng)域的應(yīng)用提供多樣化的材料選擇。2.2反應(yīng)條件對小尺寸金納米棒生長的影響在小尺寸金納米棒的制備過程中，反應(yīng)條件對其生長過程有著至關(guān)重要的影響，這些條件的細(xì)微變化都可能導(dǎo)致金納米棒最終的尺寸、形貌和結(jié)構(gòu)產(chǎn)生顯著差異。深入研究反應(yīng)條件對小尺寸金納米棒生長的影響，對于實現(xiàn)其精準(zhǔn)制備和性能調(diào)控具有重要意義。2.2.1溫度的效應(yīng)溫度在小尺寸金納米棒的生長過程中扮演著關(guān)鍵角色，對其生長速度、結(jié)晶質(zhì)量以及最終的尺寸和形貌都有著顯著影響。在較低溫度下，金原子的運動速度較慢，其在金納米種子表面的沉積速率也相對較低，這使得金納米棒的生長速度較為緩慢。較低的溫度還可能導(dǎo)致金原子的擴散能力受限，使得金原子在金納米種子表面的分布不夠均勻，從而影響金納米棒的結(jié)晶質(zhì)量，可能導(dǎo)致金納米棒的晶體結(jié)構(gòu)存在缺陷，影響其性能。隨著溫度的升高，金原子的運動速度加快，擴散能力增強，在金納米種子表面的沉積速率也隨之提高，金納米棒的生長速度顯著加快。適宜的溫度能夠提供足夠的能量，使得金原子在金納米種子表面能夠更均勻地沉積，有助于提高金納米棒的結(jié)晶質(zhì)量，減少晶體結(jié)構(gòu)中的缺陷，從而提升金納米棒的性能。當(dāng)溫度過高時，金原子的沉積速度過快，可能導(dǎo)致金納米棒的生長失去控制，出現(xiàn)尺寸分布不均勻、形貌不規(guī)則等問題。過高的溫度還可能引發(fā)副反應(yīng)，如表面活性劑的分解等，進而影響金納米棒的生長過程和最終性能。研究表明，在晶種生長法制備小尺寸金納米棒時，將反應(yīng)溫度控制在一定范圍內(nèi)，如25-35℃，可以獲得尺寸均勻、形貌規(guī)則的金納米棒。在這個溫度范圍內(nèi)，金原子的沉積速度適中，既能保證金納米棒的生長效率，又能確保其結(jié)晶質(zhì)量和形貌的可控性。2.2.2pH值的影響pH值對小尺寸金納米棒的生長環(huán)境有著重要影響，進而影響其尺寸和形貌。在酸性條件下，溶液中氫離子濃度較高，這可能會影響還原劑的還原能力。一些還原劑在酸性條件下的還原電位會發(fā)生變化，導(dǎo)致其還原金離子的能力增強或減弱。強還原劑硼氫化鈉在酸性條件下可能會發(fā)生分解，從而降低其還原能力，影響金納米棒的成核和生長過程。酸性環(huán)境還可能影響表面活性劑的活性和膠束結(jié)構(gòu)。陽離子表面活性劑CTAB在酸性條件下，其分子中的銨根離子可能會與氫離子發(fā)生相互作用，改變表面活性劑分子的電荷分布和空間構(gòu)型，進而影響膠束的形成和穩(wěn)定性，以及金原子在膠束表面的吸附和沉積方式，最終對金納米棒的尺寸和形貌產(chǎn)生影響。在堿性條件下，溶液中氫氧根離子濃度較高，同樣會對金納米棒的生長產(chǎn)生影響。堿性環(huán)境可能會改變金離子的存在形式，使其更容易與還原劑發(fā)生反應(yīng)，從而影響金納米棒的生長速度和結(jié)晶質(zhì)量。堿性條件還可能影響添加劑的作用效果，如硝酸銀在堿性條件下可能會形成沉淀，影響其對金納米棒生長的調(diào)控作用。研究發(fā)現(xiàn)，在制備小尺寸金納米棒時，將反應(yīng)體系的pH值控制在7-9的弱堿性范圍內(nèi)，有利于獲得尺寸均一、形貌規(guī)則的金納米棒。在這個pH值范圍內(nèi)，還原劑的還原能力較為穩(wěn)定，表面活性劑的膠束結(jié)構(gòu)也相對穩(wěn)定，能夠為金納米棒的生長提供一個適宜的環(huán)境。2.2.3反應(yīng)時間的作用反應(yīng)時間是影響小尺寸金納米棒生長過程的重要因素之一，對其尺寸和形貌有著直接的作用。在反應(yīng)初期，金原子開始在金納米種子表面沉積，金納米棒逐漸開始生長。此時，反應(yīng)時間較短，金納米棒的長度和直徑都較小。隨著反應(yīng)時間的延長，金原子持續(xù)在金納米種子表面沉積，金納米棒的長度和直徑逐漸增加，長徑比也會發(fā)生變化。適當(dāng)延長反應(yīng)時間，可以使金納米棒生長得更加充分，尺寸更加均勻。當(dāng)反應(yīng)時間過長時，金納米棒可能會發(fā)生團聚或過度生長的現(xiàn)象。團聚現(xiàn)象會導(dǎo)致金納米棒的分散性變差，影響其在后續(xù)應(yīng)用中的性能；過度生長則可能使金納米棒的尺寸超出預(yù)期范圍，形貌也可能變得不規(guī)則，從而影響其性能和應(yīng)用效果。在利用晶種生長法制備小尺寸金納米棒時，通常需要根據(jù)實驗?zāi)康暮皖A(yù)期的金納米棒尺寸，合理控制反應(yīng)時間。對于制備特定尺寸和長徑比的小尺寸金納米棒，反應(yīng)時間可能需要控制在12-24小時之間，以確保金納米棒能夠生長到合適的尺寸，同時保持良好的形貌和分散性。三、小尺寸金納米棒的制備方法3.1晶種生長法3.1.1傳統(tǒng)晶種生長法原理與步驟傳統(tǒng)晶種生長法是制備金納米棒最為常用的方法之一，其原理基于晶種的誘導(dǎo)生長以及表面活性劑對金納米棒生長方向的調(diào)控。該方法主要包括以下三個關(guān)鍵步驟：晶種的制備、生長液的配置以及金納米棒的生成。在晶種制備階段，通常將強還原劑硼氫化鈉（NaBH_4）加入到含有氯金酸（HAuCl_4）和表面活性劑十六烷基三甲基溴化銨（CTAB）的混合溶液中。硼氫化鈉具有極強的還原能力，能夠迅速將溶液中的金離子還原為金原子。在快速還原過程中，大量的金原子迅速聚集，形成尺寸較小的金納米種子。這些金納米種子的尺寸和數(shù)量對后續(xù)金納米棒的生長起著關(guān)鍵的起始作用。由于硼氫化鈉的還原速度極快，在短時間內(nèi)就會產(chǎn)生大量的金原子，這些金原子會在溶液中迅速聚集形成晶種。在強攪拌的情況下，將硼氫化鈉溶液加入到含有十六烷基溴化銨與氯金酸的混和溶液中，能夠使金原子更均勻地分散，從而得到尺寸相對均一的金納米種子。生長液的配置是晶種生長法的重要環(huán)節(jié)。生長液中通常含有氯金酸、硝酸銀（AgNO_3）、抗壞血酸（AA）以及表面活性劑CTAB。氯金酸作為金源，為金納米棒的生長提供金原子。硝酸銀在生長液中起著關(guān)鍵的調(diào)控作用，銀離子會吸附在金納米顆粒的特定晶面上，形成一層銀原子的吸附層。由于銀原子與金原子之間的相互作用，這層吸附層會改變金原子在不同晶面上的沉積速率，從而打破金納米顆粒各向同性的生長模式，促進金納米棒的形成。抗壞血酸作為弱還原劑，其還原能力相對較弱，反應(yīng)速率較為溫和。在金納米棒的生長階段，抗壞血酸能夠緩慢地將金離子還原為金原子，并使金原子在金納米種子的表面逐漸沉積，從而實現(xiàn)金納米棒的生長。表面活性劑CTAB在生長液中形成膠束結(jié)構(gòu)，不僅能夠為金原子的沉積提供場所，還能通過其分子在金納米顆粒表面的吸附，引導(dǎo)金原子沿著特定的方向沉積，從而促進金納米棒的生長。將適量的氯金酸、硝酸銀、抗壞血酸以及CTAB溶解在水中，充分?jǐn)嚢杈鶆?，確保各成分在溶液中均勻分布，為后續(xù)金納米棒的生長提供一個穩(wěn)定且適宜的環(huán)境。在金納米棒的生成階段，將制備好的晶種加入到生長液中。晶種作為金納米棒生長的核心，為金原子的沉積提供了起始位點。在生長液中，抗壞血酸緩慢地將金離子還原為金原子，這些金原子會在晶種的表面逐漸沉積，使得晶種沿著特定的方向生長，最終形成金納米棒。在這個過程中，通過控制反應(yīng)溫度、時間以及生長液中各成分的比例等條件，可以實現(xiàn)對金納米棒尺寸、長徑比和形貌的調(diào)控。將晶種溶液加入到生長液中后，在一定溫度下靜置反應(yīng)一定時間，通過調(diào)整反應(yīng)時間，可以控制金原子在晶種表面的沉積量，從而控制金納米棒的長度；通過調(diào)整生長液中硝酸銀的濃度，可以改變金原子在不同晶面上的沉積速率，進而調(diào)節(jié)金納米棒的長徑比。3.1.2改進的晶種生長法隨著對小尺寸金納米棒研究的深入，傳統(tǒng)晶種生長法逐漸暴露出一些局限性，如金納米棒的尺寸分布不夠均勻、長徑比調(diào)控不夠精確等。為了克服這些問題，研究人員對傳統(tǒng)晶種生長法進行了一系列改進，主要集中在優(yōu)化晶種、生長液組成和反應(yīng)條件等方面。在晶種優(yōu)化方面，研究人員嘗試采用不同的方法制備晶種，以獲得尺寸更均一、穩(wěn)定性更好的晶種。傳統(tǒng)的晶種制備方法可能會導(dǎo)致晶種尺寸存在一定的差異，這會影響后續(xù)金納米棒的生長均勻性。有研究采用了一種改進的晶種制備方法，通過精確控制反應(yīng)條件和試劑用量，制備出了尺寸均一的金納米晶種。在制備晶種時，對硼氫化鈉的加入速度和量進行了精確控制，使得金原子在形成晶種的過程中能夠更均勻地聚集，從而得到尺寸偏差更小的晶種。這種優(yōu)化后的晶種能夠保證金納米棒在生長過程中具有更好的一致性，減少尺寸分布的不均勻性。還有研究通過改變晶種的表面包覆劑，提高了晶種的穩(wěn)定性和與生長液的兼容性。將檸檬酸鈉包覆的多晶晶種變成CTAB包覆的單晶晶種，CTAB包覆的晶種在生長液中具有更好的分散性和穩(wěn)定性，能夠更有效地引導(dǎo)金納米棒的生長，提高金納米棒的質(zhì)量。生長液組成的優(yōu)化也是改進晶種生長法的重要方向。除了傳統(tǒng)生長液中的成分，研究人員引入了一些新的添加劑或改變了各成分的比例，以實現(xiàn)對金納米棒生長的更精確調(diào)控。在生長液中添加適量的油酸鈉（NaOL），可以與CTAB形成混合表面活性劑體系。油酸鈉中的羧酸根離子可以與金離子發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)，改變金離子的還原電位，從而影響金納米棒的生長過程。這種混合表面活性劑體系能夠提供更豐富的生長位點和更靈活的生長環(huán)境，有利于制備出尺寸更小、長徑比更精確的小尺寸金納米棒。杭州師范大學(xué)黃又舉教授團隊提出的三元表面活性劑（十六烷基三甲基溴化銨CTAB、油酸鈉NaOL和水楊酸鈉NaSal）介導(dǎo)的納米晶核生長新策略，通過改變?nèi)砻婊钚詣┑恼{(diào)控，可顯著提高納米金棒的純度，可接近100%，并且直徑可動態(tài)控制在6、8和11納米，進而實現(xiàn)納米金棒長徑比的調(diào)節(jié)，達(dá)到局域等離子共振吸收在700-1147納米的寬近紅外窗口。在反應(yīng)條件的優(yōu)化上，研究人員對反應(yīng)溫度、pH值、反應(yīng)時間等參數(shù)進行了細(xì)致的研究和調(diào)整。通過精確控制反應(yīng)溫度，可以調(diào)節(jié)金原子的運動速度和沉積速率，從而影響金納米棒的生長速度和結(jié)晶質(zhì)量。將反應(yīng)溫度控制在25-35℃的范圍內(nèi)，能夠使金原子的沉積速度適中，保證金納米棒在生長過程中具有良好的結(jié)晶質(zhì)量和尺寸均勻性。調(diào)節(jié)反應(yīng)體系的pH值也能夠影響金離子的還原速度和表面活性劑的活性，進而影響金納米棒的生長。在一些研究中，將反應(yīng)體系的pH值控制在7-9的弱堿性范圍內(nèi)，有利于獲得尺寸均一、形貌規(guī)則的金納米棒。合理控制反應(yīng)時間對于制備小尺寸金納米棒也至關(guān)重要。根據(jù)實驗?zāi)康暮皖A(yù)期的金納米棒尺寸，精確控制反應(yīng)時間，避免金納米棒出現(xiàn)團聚或過度生長的現(xiàn)象。對于制備特定尺寸和長徑比的小尺寸金納米棒，反應(yīng)時間可能需要控制在12-24小時之間，以確保金納米棒能夠生長到合適的尺寸，同時保持良好的形貌和分散性。3.1.3晶種生長法制備小尺寸金納米棒的優(yōu)勢與不足晶種生長法在制備小尺寸金納米棒方面具有顯著的優(yōu)勢。該方法能夠?qū)崿F(xiàn)對小尺寸金納米棒尺寸和形貌的精確控制。通過調(diào)整晶種的尺寸和濃度、生長液中各成分的比例以及反應(yīng)條件等參數(shù)，可以靈活地調(diào)控金納米棒的長徑比、直徑和長度等關(guān)鍵尺寸參數(shù)。在生長液中增加硝酸銀的濃度，可以促進金原子在特定晶面上的沉積，從而增大金納米棒的長徑比；通過調(diào)整CTAB的濃度，可以改變膠束的大小和形狀，進而影響金納米棒的直徑。這種精確的尺寸和形貌可控性，使得晶種生長法能夠滿足不同應(yīng)用場景對小尺寸金納米棒的特定需求。晶種生長法的產(chǎn)量相對較高，能夠滿足一定規(guī)模的實驗和應(yīng)用需求。在合適的反應(yīng)條件下，一次反應(yīng)可以生成大量的小尺寸金納米棒。這得益于該方法中生長液的設(shè)計和晶種的誘導(dǎo)作用，使得金原子能夠在相對較短的時間內(nèi)有序地沉積在晶種表面，形成大量的金納米棒。在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，需要大量的小尺寸金納米棒用于生物成像和藥物遞送等應(yīng)用，晶種生長法的高產(chǎn)量優(yōu)勢能夠較好地滿足這一需求。然而，晶種生長法也存在一些不足之處。其操作過程相對復(fù)雜，需要精確控制多個反應(yīng)參數(shù)。從晶種的制備到生長液的配置，再到金納米棒的生成，每個步驟都對實驗條件和試劑用量有著嚴(yán)格的要求。在晶種制備過程中，硼氫化鈉的加入速度和量會直接影響晶種的尺寸和質(zhì)量；在生長液配置時，各成分的比例稍有偏差，就可能導(dǎo)致金納米棒的生長出現(xiàn)異常。這對實驗人員的操作技能和實驗設(shè)備的精度都提出了較高的要求，增加了實驗的難度和成本。晶種生長法的反應(yīng)時間較長，通常需要數(shù)小時甚至數(shù)天才能完成整個制備過程。在金納米棒的生長階段，抗壞血酸的緩慢還原過程使得金原子的沉積速度較慢，需要較長時間才能生長到合適的尺寸。這不僅降低了生產(chǎn)效率，還增加了實驗過程中的不確定性。在實際應(yīng)用中，過長的反應(yīng)時間可能會限制小尺寸金納米棒的大規(guī)模生產(chǎn)和快速應(yīng)用。該方法對金種子的要求較高，金種子的質(zhì)量和穩(wěn)定性直接影響金納米棒的生長和性能。如果金種子的尺寸不均勻或穩(wěn)定性較差，會導(dǎo)致金納米棒的尺寸分布不均勻、形貌不規(guī)則等問題。制備高質(zhì)量的金種子需要嚴(yán)格控制反應(yīng)條件，這進一步增加了實驗的復(fù)雜性和成本。3.2模板法3.2.1模板法的原理與分類模板法是制備小尺寸金納米棒的重要方法之一，其基本原理是利用具有特定孔徑和形狀的多孔材料作為模板，為金納米棒的生長提供空間限制和導(dǎo)向作用。前驅(qū)體在模板的孔道內(nèi)發(fā)生反應(yīng)，通過控制反應(yīng)條件，如電化學(xué)沉積、化學(xué)還原等，使金原子在模板孔道內(nèi)逐漸沉積并生長，最終形成與模板孔道形狀和尺寸相匹配的金納米棒。當(dāng)模板為納米級多孔滲水的聚碳酸酯或氧化鋁膜時，將含有金離子的溶液引入模板孔道，通過電化學(xué)沉積的方式，在電場的作用下，金離子在孔道內(nèi)得到電子被還原為金原子，并逐漸沉積在孔道壁上，隨著沉積過程的進行，金原子不斷聚集，最終形成金納米棒。根據(jù)模板材料和制備過程的不同，模板法可分為硬模板法和軟模板法。硬模板法通常使用具有剛性結(jié)構(gòu)的多孔材料作為模板，如納米級多孔滲水的聚碳酸酯膜、氧化鋁膜等。這些模板具有明確的孔徑和形狀，能夠為金納米棒的生長提供精確的空間限制。在硬模板法中，金納米棒的生長主要通過電化學(xué)沉積或化學(xué)還原等方法實現(xiàn)。在電化學(xué)沉積過程中，將模板置于含有金離子的電解液中，通過施加電場，使金離子在模板孔道內(nèi)得到電子被還原為金原子，并逐漸沉積在孔道壁上，從而形成金納米棒。軟模板法則是利用具有自組裝特性的分子或分子聚集體作為模板，如表面活性劑膠束、生物分子等。這些軟模板具有一定的柔性和動態(tài)性，能夠在溶液中自組裝形成特定的結(jié)構(gòu)，為金納米棒的生長提供模板作用。在軟模板法中，金納米棒的生長通常通過化學(xué)還原的方式實現(xiàn)。在含有表面活性劑膠束的溶液中，加入金離子和還原劑，還原劑將金離子還原為金原子，金原子在膠束的限制作用下，在特定的方向上沉積和生長，最終形成金納米棒。3.2.2模板法制備小尺寸金納米棒的過程與特點在模板法制備小尺寸金納米棒的過程中，硬模板法的操作相對較為復(fù)雜。以使用納米級多孔滲水的聚碳酸酯膜作為模板為例，首先需要對聚碳酸酯膜進行預(yù)處理，使其表面具有良好的親水性和化學(xué)活性，以便于金離子的吸附和沉積。將聚碳酸酯膜浸泡在適當(dāng)?shù)娜芤褐校M行表面修飾，使其表面帶有一定的電荷或官能團。將經(jīng)過預(yù)處理的聚碳酸酯膜置于含有金離子的電解液中，通過電化學(xué)沉積的方式，在電場的作用下，金離子在模板孔道內(nèi)得到電子被還原為金原子，并逐漸沉積在孔道壁上。通過控制電化學(xué)沉積的時間、電流密度等參數(shù)，可以精確控制金納米棒的長度和直徑。在沉積過程中，隨著時間的增加，金原子在孔道內(nèi)不斷沉積，金納米棒的長度逐漸增加；通過調(diào)整電流密度，可以改變金原子的沉積速率，從而控制金納米棒的直徑。沉積完成后，需要將模板溶解，以得到獨立的金納米棒。通常使用適當(dāng)?shù)娜軇┗蚧瘜W(xué)試劑來溶解模板，如使用有機溶劑溶解聚碳酸酯膜。硬模板法的特點在于能夠精確控制金納米棒的尺寸和形貌。通過選擇具有特定孔徑和形狀的模板，可以制備出具有特定長徑比和直徑的小尺寸金納米棒。通過控制模板的孔徑，可以精確控制金納米棒的直徑；通過控制電化學(xué)沉積時間，可以精確控制金納米棒的長度，從而實現(xiàn)對長徑比的精確調(diào)控。硬模板法制備的金納米棒具有較好的單分散性，因為每個模板孔道內(nèi)獨立生長的金納米棒相互之間的干擾較小。這種精確的尺寸和形貌控制以及良好的單分散性，使得硬模板法制備的小尺寸金納米棒在一些對材料尺寸和形貌要求較高的領(lǐng)域，如納米電子學(xué)、生物醫(yī)學(xué)成像等，具有重要的應(yīng)用價值。軟模板法制備小尺寸金納米棒的過程相對較為溫和。以表面活性劑膠束作為軟模板為例，首先將表面活性劑溶解在溶液中，使其形成膠束結(jié)構(gòu)。在溶液中加入金離子和還原劑，還原劑將金離子還原為金原子，金原子在膠束的限制作用下，在特定的方向上沉積和生長。表面活性劑膠束中的表面活性劑分子會吸附在金原子表面，引導(dǎo)金原子沿著特定的方向沉積，從而促進金納米棒的生長。通過調(diào)節(jié)表面活性劑的濃度、種類以及反應(yīng)條件，可以實現(xiàn)對金納米棒尺寸和形貌的調(diào)控。改變表面活性劑的濃度可以改變膠束的大小和形狀，進而影響金納米棒的尺寸；改變表面活性劑的種類可以改變其對金原子的吸附和引導(dǎo)作用，從而影響金納米棒的形貌。軟模板法的特點是操作相對簡單，反應(yīng)條件較為溫和，不需要復(fù)雜的設(shè)備和工藝。軟模板法還具有較好的生物相容性，因為一些軟模板材料，如生物分子等，本身就是生物體系中的組成部分。這使得軟模板法制備的小尺寸金納米棒在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用優(yōu)勢，如用于藥物遞送、生物成像等。軟模板法在尺寸控制的精確性上相對硬模板法略遜一籌，因為軟模板的結(jié)構(gòu)相對較為靈活，對金納米棒生長的限制作用不如硬模板精確。3.2.3模板法的局限性及改進方向模板法在制備小尺寸金納米棒時存在一些局限性。硬模板法的產(chǎn)量相對較低，這是因為模板的制備過程通常較為復(fù)雜，成本較高，且模板的使用量有限，限制了金納米棒的大規(guī)模制備。在制備納米級多孔滲水的聚碳酸酯膜或氧化鋁膜時，需要采用特殊的制備工藝，如光刻、電化學(xué)刻蝕等，這些工藝不僅復(fù)雜，而且產(chǎn)量較低，導(dǎo)致模板的成本較高。模板的制備過程復(fù)雜也增加了制備小尺寸金納米棒的時間和成本。硬模板法中模板的去除過程可能會對金納米棒的表面造成損傷，影響其性能。在溶解模板時，使用的化學(xué)試劑可能會與金納米棒表面發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致表面結(jié)構(gòu)的改變，從而影響金納米棒的光學(xué)、電學(xué)等性能。軟模板法雖然操作簡單、反應(yīng)條件溫和，但在尺寸控制的精確性上相對較差。軟模板的結(jié)構(gòu)相對較為靈活，對金納米棒生長的限制作用不如硬模板精確，導(dǎo)致制備出的小尺寸金納米棒尺寸分布相對較寬，難以滿足一些對尺寸精度要求較高的應(yīng)用需求。軟模板法制備的金納米棒在穩(wěn)定性方面也可能存在一定問題，因為軟模板與金納米棒之間的相互作用相對較弱，在一些條件下可能會導(dǎo)致金納米棒的團聚或結(jié)構(gòu)變化。為了改進模板法的局限性，可以從多個方向進行探索。在硬模板法方面，可以開發(fā)新的模板制備技術(shù)，提高模板的制備效率和產(chǎn)量，降低模板成本。研究新型的多孔材料，采用更簡單、高效的制備工藝來制備模板。也可以探索更溫和的模板去除方法，減少對金納米棒表面的損傷。采用物理方法，如超聲清洗、熱分解等，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的化學(xué)溶解方法，以減少化學(xué)試劑對金納米棒表面的影響。在軟模板法方面，可以通過優(yōu)化軟模板的組成和結(jié)構(gòu)，提高其對金納米棒生長的精確控制能力。設(shè)計和合成具有特定結(jié)構(gòu)和功能的表面活性劑或生物分子，使其能夠更精確地引導(dǎo)金納米棒的生長?？梢越Y(jié)合其他技術(shù)，如電場、磁場等，來輔助軟模板對金納米棒生長的調(diào)控，進一步提高尺寸控制的精度。通過引入外部電場，可以改變金離子在軟模板中的擴散和沉積方向，從而實現(xiàn)對金納米棒生長的更精確控制。3.3其他制備方法3.3.1電化學(xué)法電化學(xué)法是制備小尺寸金納米棒的一種重要方法，其原理基于電化學(xué)沉積過程。在該方法中，通常以金板作為陽極，在電場的作用下，金板表面的金原子失去電子，以金離子（Au^{3+}）的形式進入電解液中。電解液中含有陽離子表面活性劑，如十六烷基三甲基溴化銨（CTAB），它在溶液中會形成膠束結(jié)構(gòu)。這些膠束為金納米棒的生長提供了特定的空間環(huán)境。在陰極表面，金離子得到電子被還原為金原子。由于陽離子表面活性劑膠束的存在，金原子在膠束的限制作用下，在特定的方向上逐漸沉積和聚集，從而形成小尺寸金納米棒。在含有CTAB膠束的電解液中，CTAB分子的長鏈烷基部分會吸附在金原子表面，引導(dǎo)金原子沿著特定的方向生長，促進金納米棒的形成。通過控制電化學(xué)參數(shù)，如電流密度、沉積時間、電解液濃度等，可以精確調(diào)控金納米棒的生長過程，從而實現(xiàn)對其尺寸、形貌和結(jié)構(gòu)的控制。增加電流密度可以提高金離子的還原速度，加快金納米棒的生長；延長沉積時間則可以使金納米棒生長得更長。在實際操作中，首先需要將金板和陰極電極（如鉑電極）插入含有適量CTAB和氯金酸（HAuCl_4）的電解液中。通過恒電位儀或恒電流儀控制電極之間的電位差或電流強度，使金離子在陰極表面發(fā)生還原反應(yīng)。在反應(yīng)過程中，需要不斷攪拌電解液，以保證金離子和表面活性劑在溶液中的均勻分布，同時也有助于及時補充陰極表面消耗的金離子。經(jīng)過一定時間的電化學(xué)沉積后，在陰極表面會生成小尺寸金納米棒?？梢酝ㄟ^離心、洗滌等方法將金納米棒從電解液中分離出來，得到純凈的小尺寸金納米棒產(chǎn)物。3.3.2光化學(xué)法光化學(xué)法是利用光化學(xué)反應(yīng)制備小尺寸金納米棒的一種方法，其原理基于光激發(fā)產(chǎn)生的化學(xué)反應(yīng)。在該方法中，通常以丙酮作為光敏劑，在光照條件下，丙酮分子吸收光子能量，被激發(fā)到激發(fā)態(tài)。激發(fā)態(tài)的丙酮分子具有較高的活性，能夠與溶液中的金離子發(fā)生反應(yīng)。溶液中含有氯金酸（HAuCl_4），金離子在溶液中以Au^{3+}的形式存在。在光照下，激發(fā)態(tài)的丙酮分子通過一系列的光化學(xué)反應(yīng)，將金離子逐步還原為金原子。隨著反應(yīng)的進行，金原子逐漸聚集形成金納米粒子。由于反應(yīng)體系中存在一定的空間限制和生長導(dǎo)向因素，金納米粒子會沿著特定的方向生長，最終形成小尺寸金納米棒。在具體的反應(yīng)過程中，Au^{3+}首先被部分還原為Au^{+}，丙酮在光照（hv）的作用下發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)，形成羰基自由基。這些羰基自由基具有較強的還原性，能夠進一步將Au^{+}還原為Au^{0}。Au^{0}原子逐漸凝聚成核，并在特定的條件下發(fā)生各向異性生長，形成金納米棒。研究表明，光照強度、時間以及反應(yīng)體系中各成分的濃度等因素都會對金納米棒的合成產(chǎn)生影響。增加光照強度可以加快光化學(xué)反應(yīng)的速率，縮短反應(yīng)時間；延長光照時間則可以使金納米棒生長得更加充分。在實際制備過程中，將含有氯金酸、丙酮和適量表面活性劑（如CTAB）的溶液置于光反應(yīng)器中。選擇合適的光源，如紫外燈或可見光激光器，對反應(yīng)溶液進行照射。在光照過程中，需要控制光照強度和時間，同時保持反應(yīng)溶液的溫度和pH值穩(wěn)定。經(jīng)過一定時間的光照反應(yīng)后，溶液中會生成小尺寸金納米棒。通過離心、過濾等方法對反應(yīng)產(chǎn)物進行分離和純化，即可得到純凈的小尺寸金納米棒。3.3.3各種制備方法的比較與選擇不同的制備方法在設(shè)備要求、制備過程、產(chǎn)物質(zhì)量等方面存在差異，在實際應(yīng)用中需要根據(jù)具體需求進行選擇。晶種生長法是目前應(yīng)用較為廣泛的制備方法，其設(shè)備要求相對較低，一般實驗室常用的玻璃儀器和攪拌裝置等即可滿足需求。制備過程相對復(fù)雜，需要分步驟制備晶種和生長液，且對反應(yīng)條件的控制較為嚴(yán)格。該方法的優(yōu)點是能夠精確控制小尺寸金納米棒的尺寸和形貌，產(chǎn)物的質(zhì)量較高，尺寸分布相對較窄，適合制備對尺寸和形貌要求較高的金納米棒。在生物醫(yī)學(xué)成像中，需要尺寸均一、形貌規(guī)則的金納米棒作為成像探針，晶種生長法就能夠滿足這一需求。模板法的設(shè)備要求取決于模板的制備方法和反應(yīng)類型。硬模板法通常需要一些特殊的設(shè)備，如用于制備納米級多孔滲水聚碳酸酯膜或氧化鋁膜的光刻設(shè)備、電化學(xué)刻蝕設(shè)備等，設(shè)備成本較高。制備過程較為復(fù)雜，需要先制備模板，然后在模板中進行金納米棒的生長，最后還需要去除模板。但模板法的優(yōu)勢在于能夠精確控制金納米棒的尺寸和形貌，尤其是硬模板法，通過選擇具有特定孔徑和形狀的模板，可以制備出具有特定長徑比和直徑的小尺寸金納米棒，適用于對材料尺寸和形貌精度要求極高的領(lǐng)域，如納米電子學(xué)中的納米導(dǎo)線制備。電化學(xué)法的設(shè)備要求主要包括電化學(xué)工作站、電極等，設(shè)備成本相對較高。制備過程中需要精確控制電化學(xué)參數(shù)，如電流密度、電位等，操作相對復(fù)雜。該方法能夠在電極表面直接生成金納米棒，產(chǎn)量相對較高，且可以通過控制電化學(xué)參數(shù)來調(diào)節(jié)金納米棒的生長，在一些對產(chǎn)量有要求且能夠精確控制反應(yīng)條件的情況下具有優(yōu)勢，如大規(guī)模制備用于催化反應(yīng)的金納米棒。光化學(xué)法的設(shè)備要求主要是光反應(yīng)器和光源，光源的選擇會影響設(shè)備成本，如使用紫外燈成本相對較低，而使用可見光激光器成本較高。制備過程相對簡單，只需將反應(yīng)溶液置于光反應(yīng)器中進行光照反應(yīng)即可。光化學(xué)法具有反應(yīng)速度快、產(chǎn)物形貌可控等特點，適用于需要快速制備且對產(chǎn)物形貌有一定要求的情況，如在一些對時間要求較高的實驗中制備金納米棒。在實際應(yīng)用中，若追求精確的尺寸和形貌控制，且對產(chǎn)量要求不高，晶種生長法和模板法是較好的選擇；若需要大規(guī)模制備，且能夠精確控制反應(yīng)條件，電化學(xué)法更為合適；若對制備時間有要求，且對產(chǎn)物形貌有一定控制需求，光化學(xué)法可能是最佳選擇。四、小尺寸金納米棒的獨特性質(zhì)4.1光學(xué)性質(zhì)4.1.1表面等離子體共振特性小尺寸金納米棒的表面等離子體共振（SPR）特性是其最為獨特的光學(xué)性質(zhì)之一。當(dāng)光照射到小尺寸金納米棒表面時，光子與金納米棒表面的自由電子相互作用，引發(fā)電子的集體振蕩，形成表面等離子體激元。這種集體振蕩使得金納米棒在特定波長處對光產(chǎn)生強烈的吸收和散射，從而形成表面等離子體共振峰。小尺寸金納米棒具有橫向和縱向兩個表面等離子體共振吸收峰。橫向表面等離子體共振峰通常出現(xiàn)在較短波長區(qū)域，一般在520nm左右。這是因為在橫向方向上，金納米棒的尺寸相對較小，電子的振蕩受到的限制較大，導(dǎo)致共振頻率較高，對應(yīng)較短的波長。橫向表面等離子體共振峰的位置相對較為穩(wěn)定，對金納米棒的尺寸和形狀變化相對不敏感?？v向表面等離子體共振峰則出現(xiàn)在較長波長區(qū)域，其位置與金納米棒的長徑比密切相關(guān)。隨著金納米棒長徑比的增大，縱向表面等離子體共振峰向長波長方向移動。這是因為長徑比的增加使得金納米棒在縱向方向上的尺寸增大，電子在縱向的振蕩更容易發(fā)生，共振頻率降低，從而對應(yīng)較長的波長。通過精確控制小尺寸金納米棒的長徑比，可以實現(xiàn)縱向表面等離子體共振峰在可見光到近紅外光范圍內(nèi)的連續(xù)可調(diào)。這種可調(diào)諧的縱向表面等離子體共振特性，使得小尺寸金納米棒在生物醫(yī)學(xué)成像、光熱治療等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價值。在生物醫(yī)學(xué)成像中，通過調(diào)節(jié)金納米棒的長徑比，使其縱向表面等離子體共振峰位于近紅外光區(qū)域，可以利用近紅外光對生物組織的低吸收和高穿透性，實現(xiàn)對生物組織的深層成像。4.1.2光吸收與散射特性小尺寸金納米棒的光吸收和散射特性與其尺寸、形貌密切相關(guān)。從尺寸方面來看，隨著小尺寸金納米棒尺寸的減小，其比表面積增大，表面原子所占比例增加。表面原子具有較高的活性，與光的相互作用更強，從而導(dǎo)致光吸收和散射特性發(fā)生變化。小尺寸金納米棒的吸收截面和散射截面會隨著尺寸的減小而發(fā)生改變。研究表明，在一定尺寸范圍內(nèi)，小尺寸金納米棒的吸收截面會隨著尺寸的減小而增大，這使得其對光的吸收能力增強。這是因為尺寸減小導(dǎo)致表面原子的電子云分布發(fā)生變化，電子與光子的相互作用更加顯著，從而增強了光吸收。小尺寸金納米棒的散射截面也會受到尺寸的影響，在小尺寸范圍內(nèi)，散射截面可能會呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢。當(dāng)尺寸減小到一定程度時，散射截面可能會減小，這是由于小尺寸金納米棒的量子尺寸效應(yīng)逐漸顯現(xiàn)，對光散射的影響發(fā)生改變。從形貌角度分析，小尺寸金納米棒的長徑比是影響其光吸收和散射特性的重要因素。長徑比的變化會導(dǎo)致表面等離子體共振特性的改變，進而影響光吸收和散射。當(dāng)長徑比增大時，縱向表面等離子體共振峰向長波長方向移動，這不僅改變了金納米棒對光的吸收波長，還會影響其吸收強度。長徑比的變化也會影響金納米棒的散射特性。長徑比較大的小尺寸金納米棒在特定波長下的散射強度可能會增強，這是因為其縱向尺寸的增加使得光散射的效果更加明顯。在生物成像領(lǐng)域，小尺寸金納米棒的光吸收和散射特性發(fā)揮著重要作用。由于其在近紅外光區(qū)域具有較強的光吸收和散射能力，且生物組織在該區(qū)域的背景吸收和散射較低，小尺寸金納米棒可以作為生物成像的對比劑。通過將小尺寸金納米棒標(biāo)記在生物分子或細(xì)胞上，利用其光吸收和散射特性，可以實現(xiàn)對生物分子和細(xì)胞的高對比度成像，為生物醫(yī)學(xué)研究提供重要的工具。在腫瘤成像中，將表面修飾有靶向分子的小尺寸金納米棒注入體內(nèi)，這些金納米棒可以特異性地聚集在腫瘤組織中，通過檢測其在近紅外光下的光吸收和散射信號，能夠清晰地顯示腫瘤的位置和大小。在傳感器應(yīng)用中，小尺寸金納米棒的光吸收和散射特性也具有重要意義。當(dāng)小尺寸金納米棒與目標(biāo)分子發(fā)生相互作用時，其周圍的環(huán)境會發(fā)生變化，這會導(dǎo)致表面等離子體共振特性的改變，進而引起光吸收和散射特性的變化。通過檢測這些變化，可以實現(xiàn)對目標(biāo)分子的高靈敏度檢測。在生物傳感器中，利用小尺寸金納米棒與生物分子之間的特異性相互作用，當(dāng)生物分子與金納米棒結(jié)合時，會改變金納米棒的表面等離子體共振，導(dǎo)致光吸收和散射光譜發(fā)生位移，通過檢測光譜的變化，可以實現(xiàn)對生物分子的定量檢測。4.1.3熒光特性小尺寸金納米棒的熒光特性源于其獨特的電子結(jié)構(gòu)和表面等離子體共振效應(yīng)。當(dāng)光照射到小尺寸金納米棒上時，光子激發(fā)金納米棒表面的電子，使其躍遷到激發(fā)態(tài)。處于激發(fā)態(tài)的電子具有較高的能量，在返回基態(tài)的過程中，會以輻射光子的形式釋放能量，從而產(chǎn)生熒光。表面等離子體共振效應(yīng)會增強金納米棒與光的相互作用，進一步提高熒光發(fā)射效率。在表面等離子體共振的作用下，金納米棒表面的電場強度增強，這使得電子與光子的耦合作用增強，激發(fā)態(tài)電子返回基態(tài)時更容易發(fā)射熒光。在熒光標(biāo)記領(lǐng)域，小尺寸金納米棒因其熒光特性成為一種理想的熒光標(biāo)記材料。與傳統(tǒng)的熒光染料相比，小尺寸金納米棒具有許多優(yōu)勢。金納米棒具有良好的穩(wěn)定性，不易受到環(huán)境因素的影響，如光漂白、化學(xué)降解等。這使得其在長時間的熒光檢測過程中能夠保持穩(wěn)定的熒光發(fā)射，提高檢測的準(zhǔn)確性和可靠性。小尺寸金納米棒的熒光發(fā)射波長可以通過調(diào)節(jié)其尺寸、形貌和表面修飾來實現(xiàn)調(diào)控。通過改變金納米棒的長徑比，可以調(diào)整其表面等離子體共振特性，進而改變熒光發(fā)射波長。通過表面修飾，在金納米棒表面引入特定的分子或基團，也可以改變其熒光特性，實現(xiàn)對不同熒光發(fā)射波長的需求。在生物醫(yī)學(xué)研究中，將表面修飾有生物分子的小尺寸金納米棒用于熒光標(biāo)記，可以實現(xiàn)對生物分子的特異性檢測和成像。將抗體修飾在小尺寸金納米棒表面，利用抗體與抗原的特異性結(jié)合，將金納米棒標(biāo)記在目標(biāo)抗原上，通過檢測其熒光信號，可以實現(xiàn)對目標(biāo)抗原的高靈敏度檢測和定位。在熒光檢測方面，小尺寸金納米棒的熒光特性為生物分子和化學(xué)物質(zhì)的檢測提供了新的方法。利用小尺寸金納米棒與目標(biāo)分子之間的特異性相互作用，當(dāng)目標(biāo)分子與金納米棒結(jié)合時，會改變金納米棒的熒光特性，如熒光強度、熒光發(fā)射波長等。通過檢測這些變化，可以實現(xiàn)對目標(biāo)分子的定性和定量檢測。在生物傳感器中，將小尺寸金納米棒固定在傳感器表面，當(dāng)目標(biāo)生物分子與金納米棒結(jié)合時，會引起金納米棒熒光強度的變化，通過檢測熒光強度的變化，可以實現(xiàn)對目標(biāo)生物分子的快速檢測。小尺寸金納米棒還可以與其他納米材料結(jié)合，構(gòu)建多功能的熒光檢測平臺，進一步提高檢測的靈敏度和選擇性。將小尺寸金納米棒與量子點結(jié)合，利用量子點的高效熒光發(fā)射和金納米棒的表面等離子體共振增強效應(yīng)，可以實現(xiàn)對生物分子的超靈敏檢測。4.2光熱性質(zhì)4.2.1光熱轉(zhuǎn)換原理小尺寸金納米棒的光熱轉(zhuǎn)換原理基于其表面等離子體共振效應(yīng)。當(dāng)小尺寸金納米棒受到特定波長的光照射時，光子與金納米棒表面的自由電子發(fā)生相互作用，引發(fā)電子的集體振蕩，形成表面等離子體激元。這種集體振蕩會導(dǎo)致電子的能量狀態(tài)發(fā)生變化，電子從基態(tài)被激發(fā)到激發(fā)態(tài)。處于激發(fā)態(tài)的電子具有較高的能量，它們會通過與周圍晶格的相互作用，將能量以熱的形式傳遞給晶格，從而使金納米棒的溫度升高。在這個過程中，光的能量被有效地轉(zhuǎn)化為熱能。具體來說，當(dāng)光照射到小尺寸金納米棒上時，表面等離子體共振使得金納米棒在特定波長處對光產(chǎn)生強烈的吸收。這種吸收導(dǎo)致金納米棒表面的電子被激發(fā)，電子在激發(fā)態(tài)與基態(tài)之間的躍遷過程中，會與周圍的原子或分子發(fā)生碰撞，將能量傳遞給它們，使周圍的原子或分子的熱運動加劇，從而實現(xiàn)了光熱轉(zhuǎn)換。研究表明，小尺寸金納米棒的光熱轉(zhuǎn)換效率與光的吸收效率密切相關(guān)。當(dāng)光的波長與小尺寸金納米棒的縱向表面等離子體共振峰相匹配時，金納米棒對光的吸收效率最高，光熱轉(zhuǎn)換效率也相應(yīng)提高。這是因為在共振條件下，光子與電子的相互作用最強，能夠更有效地激發(fā)電子，從而增加了能量的傳遞和轉(zhuǎn)換效率。4.2.2光熱轉(zhuǎn)換效率的影響因素小尺寸金納米棒的光熱轉(zhuǎn)換效率受到多種因素的影響，其中尺寸和形貌是重要的因素之一。從尺寸方面來看，小尺寸金納米棒的光熱轉(zhuǎn)換效率與直徑和長度密切相關(guān)。隨著直徑的減小，小尺寸金納米棒的比表面積增大，表面原子所占比例增加，表面原子的活性更高，與光的相互作用更強，從而能夠更有效地吸收光能量并將其轉(zhuǎn)化為熱能，提高光熱轉(zhuǎn)換效率。研究表明，在一定范圍內(nèi)，直徑較小的小尺寸金納米棒具有更高的光熱轉(zhuǎn)換效率。長度對光熱轉(zhuǎn)換效率也有影響，較長的金納米棒在縱向方向上能夠更有效地吸收光能量，從而提高光熱轉(zhuǎn)換效率。但當(dāng)長度過長時，可能會導(dǎo)致金納米棒的分散性變差，影響其光熱性能。形貌方面，長徑比是影響小尺寸金納米棒光熱轉(zhuǎn)換效率的關(guān)鍵因素。長徑比的變化會導(dǎo)致表面等離子體共振特性的改變，進而影響光熱轉(zhuǎn)換效率。當(dāng)長徑比增大時，縱向表面等離子體共振峰向長波長方向移動，這使得小尺寸金納米棒能夠吸收更長波長的光，而在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中，近紅外光對生物組織的穿透性較好，長徑比較大的小尺寸金納米棒能夠更好地吸收近紅外光，將其轉(zhuǎn)化為熱能，從而提高光熱治療的效果。研究還發(fā)現(xiàn)，長徑比的變化會影響金納米棒表面的電場分布，進而影響光熱轉(zhuǎn)換效率。長徑比較大的金納米棒表面電場分布更加不均勻，在特定區(qū)域能夠產(chǎn)生更強的電場增強效應(yīng)，促進光熱轉(zhuǎn)換。表面修飾也對小尺寸金納米棒的光熱轉(zhuǎn)換效率有著顯著影響。通過在小尺寸金納米棒表面修飾不同的分子或基團，可以改變其表面性質(zhì)和周圍環(huán)境，從而影響光熱轉(zhuǎn)換效率。修飾具有高吸光性能的分子，可以增強小尺寸金納米棒對光的吸收能力，進而提高光熱轉(zhuǎn)換效率。修飾具有良好生物相容性的分子，如聚乙二醇（PEG）等，可以提高小尺寸金納米棒在生物體系中的穩(wěn)定性和分散性，使其能夠更好地發(fā)揮光熱轉(zhuǎn)換作用。表面修飾還可以改變小尺寸金納米棒與周圍介質(zhì)的相互作用，影響熱能的傳遞和散失，從而對光熱轉(zhuǎn)換效率產(chǎn)生影響。4.2.3光熱性質(zhì)在治療中的應(yīng)用潛力小尺寸金納米棒的光熱性質(zhì)在癌癥光熱治療中展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。在癌癥光熱治療中，將小尺寸金納米棒通過靜脈注射等方式引入體內(nèi)，使其能夠特異性地聚集在腫瘤組織中。由于腫瘤組織具有高血管化和增強的通透性與滯留效應(yīng)（EPR效應(yīng)），小尺寸金納米棒更容易在腫瘤部位富集。當(dāng)用特定波長的近紅外光照射腫瘤組織時，聚集在腫瘤部位的小尺寸金納米棒吸收光能并將其轉(zhuǎn)化為熱能，使腫瘤組織的溫度迅速升高。當(dāng)溫度升高到一定程度（通常為42-45℃以上）時，腫瘤細(xì)胞會因熱損傷而死亡，從而達(dá)到治療癌癥的目的。與傳統(tǒng)的癌癥治療方法如化療和放療相比，基于小尺寸金納米棒的光熱治療具有諸多優(yōu)勢。光熱治療是一種微創(chuàng)治療方法，對周圍正常組織的損傷較小，能夠減少患者的痛苦和并發(fā)癥的發(fā)生。小尺寸金納米棒可以通過表面修飾靶向分子，如抗體、核酸適配體等，實現(xiàn)對腫瘤細(xì)胞的特異性靶向，提高治療的精準(zhǔn)性。在細(xì)菌感染治療方面，小尺寸金納米棒的光熱性質(zhì)也具有重要的應(yīng)用價值。細(xì)菌感染是臨床上常見的問題，傳統(tǒng)的抗生素治療面臨著細(xì)菌耐藥性等挑戰(zhàn)。利用小尺寸金納米棒的光熱性質(zhì)，可以開發(fā)新型的抗菌治療方法。將小尺寸金納米棒與細(xì)菌特異性結(jié)合，當(dāng)用近紅外光照射時，小尺寸金納米棒產(chǎn)生的熱能可以直接殺死細(xì)菌。小尺寸金納米棒還可以破壞細(xì)菌的細(xì)胞壁和細(xì)胞膜，影響細(xì)菌的代謝和生長，從而達(dá)到抗菌的效果。研究表明，小尺寸金納米棒對多種細(xì)菌，如大腸桿菌、金黃色葡萄球菌等，都具有良好的抗菌性能。在體外實驗中，當(dāng)用近紅外光照射含有小尺寸金納米棒和細(xì)菌的溶液時，細(xì)菌的存活率顯著降低。在體內(nèi)實驗中，將小尺寸金納米棒注射到感染細(xì)菌的動物模型中，經(jīng)過近紅外光照射后，感染部位的細(xì)菌數(shù)量明顯減少，炎癥反應(yīng)得到緩解。4.3表面性質(zhì)4.3.1表面電荷與Zeta電位小尺寸金納米棒表面電荷的產(chǎn)生源于其表面原子的不飽和配位以及與周圍環(huán)境的相互作用。在制備過程中，表面活性劑如十六烷基三甲基溴化銨（CTAB）會吸附在小尺寸金納米棒表面。CTAB是一種陽離子表面活性劑，其分子中的陽離子部分（十六烷基三甲基銨離子）會緊密吸附在金納米棒表面，使得小尺寸金納米棒表面帶有正電荷。由于金納米棒表面原子的電子云分布與內(nèi)部原子不同，表面原子存在未配對的電子，這些電子可以與周圍環(huán)境中的離子或分子發(fā)生相互作用，進一步影響表面電荷的分布。Zeta電位是衡量小尺寸金納米棒表面電荷性質(zhì)和穩(wěn)定性的重要參數(shù)。Zeta電位的大小反映了小尺寸金納米棒表面電荷的密度和周圍離子云的厚度。當(dāng)小尺寸金納米棒表面帶有較高密度的電荷時，其Zeta電位的絕對值較大。在CTAB穩(wěn)定的小尺寸金納米棒體系中，由于表面帶有正電荷，Zeta電位通常為正值。Zeta電位對小尺寸金納米棒的穩(wěn)定性有著至關(guān)重要的影響。根據(jù)DLVO理論，當(dāng)小尺寸金納米棒之間的靜電排斥力大于范德華吸引力時，金納米棒能夠保持穩(wěn)定的分散狀態(tài)。較高的Zeta電位意味著小尺寸金納米棒表面電荷密度大，相互之間的靜電排斥力強，從而能夠有效阻止金納米棒的團聚，保證其在溶液中的穩(wěn)定性。研究表明，當(dāng)小尺寸金納米棒的Zeta電位絕對值大于30mV時，其在溶液中具有較好的穩(wěn)定性。Zeta電位還對小尺寸金納米棒的生物相容性產(chǎn)生影響。在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中，小尺寸金納米棒需要與生物分子和細(xì)胞相互作用。如果小尺寸金納米棒的Zeta電位過高，可能會導(dǎo)致其與生物分子發(fā)生非特異性吸附，影響生物分子的活性和功能。過高的Zeta電位還可能引起細(xì)胞的應(yīng)激反應(yīng)，降低細(xì)胞的存活率。通過表面修飾等方法調(diào)節(jié)小尺寸金納米棒的Zeta電位，可以改善其生物相容性。在小尺寸金納米棒表面修飾聚乙二醇（PEG）分子，PEG分子的親水性和柔性可以降低小尺寸金納米棒表面的電荷密度，調(diào)節(jié)Zeta電位，減少非特異性吸附，提高生物相容性。4.3.2表面修飾與功能化小尺寸金納米棒的表面修飾是賦予其特定功能和改善性能的重要手段。PEG修飾是一種常用的表面修飾方法。PEG分子具有良好的親水性和生物相容性，將PEG修飾在小尺寸金納米棒表面，可以顯著改善其在水溶液中的分散性和穩(wěn)定性。PEG修飾還能降低小尺寸金納米棒與生物分子的非特異性相互作用，提高其生物相容性。在制備PEG修飾的小尺寸金納米棒時，通常采用化學(xué)偶聯(lián)的方法。首先對小尺寸金納米棒表面進行活化，使其帶有能夠與PEG分子反應(yīng)的官能團，如羧基、氨基等。將含有相應(yīng)官能團的PEG分子加入到反應(yīng)體系中，在適當(dāng)?shù)姆磻?yīng)條件下，PEG分子與小尺寸金納米棒表面的官能團發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成穩(wěn)定的化學(xué)鍵，從而實現(xiàn)PEG對小尺寸金納米棒的修飾?？贵w修飾是實現(xiàn)小尺寸金納米棒靶向功能的重要方式?？贵w具有高度的特異性，能夠與特定的抗原發(fā)生特異性結(jié)合。將抗體修飾在小尺寸金納米棒表面，可以使小尺寸金納米棒能夠特異性地識別和結(jié)合目標(biāo)細(xì)胞或生物分子，實現(xiàn)靶向輸送和檢測。在癌癥治療中，將針對癌細(xì)胞表面特定抗原的抗體修飾在小尺寸金納米棒表面，這些小尺寸金納米棒可以特異性地聚集在癌細(xì)胞周圍，提高治療的精準(zhǔn)性?？贵w修飾的過程通常需要借助交聯(lián)劑來實現(xiàn)。先將抗體與交聯(lián)劑進行反應(yīng)，使抗體表面帶有能夠與小尺寸金納米棒表面反應(yīng)的活性基團。將經(jīng)過活化的小尺寸金納米棒與帶有活性基團的抗體在適當(dāng)條件下混合反應(yīng)，通過交聯(lián)劑的作用，使抗體與小尺寸金納米棒表面形成穩(wěn)定的連接。功能化后的小尺寸金納米棒在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。在藥物遞送方面，表面修飾有靶向分子和藥物載體的小尺寸金納米棒可以將藥物精準(zhǔn)地輸送到病變部位，提高藥物的療效，減少對正常組織的副作用。在生物成像中，功能化的小尺寸金納米棒可以作為對比劑，通過其獨特的光學(xué)性質(zhì)，實現(xiàn)對生物組織和細(xì)胞的高分辨率成像。在生物檢測中，利用小尺寸金納米棒與生物分子之間的特異性相互作用，通過檢測其表面等離子體共振特性的變化，可以實現(xiàn)對生物分子的高靈敏度檢測。4.3.3表面性質(zhì)對生物相互作用的影響小尺寸金納米棒的表面性質(zhì)對其與生物分子、細(xì)胞的相互作用有著顯著影響。從表面電荷角度來看，表面帶正電荷的小尺寸金納米棒更容易與帶負(fù)電荷的生物分子如DNA、蛋白質(zhì)等發(fā)生相互作用。這種相互作用主要源于靜電吸引力，正電荷的小尺寸金納米棒與負(fù)電荷的生物分子之間的靜電作用會導(dǎo)致生物分子在金納米棒表面的吸附。在某些情況下，這種吸附可能會改變生物分子的結(jié)構(gòu)和功能。當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)吸附在帶正電荷的小尺寸金納米棒表面時，可能會導(dǎo)致蛋白質(zhì)的構(gòu)象發(fā)生變化，從而影響其生物活性。表面電荷還會影響小尺寸金納米棒與細(xì)胞的相互作用。帶正電荷的小尺寸金納米棒更容易被細(xì)胞攝取，這是因為細(xì)胞膜表面通常帶有負(fù)電荷，靜電吸引力促進了小尺寸金納米棒與細(xì)胞膜的結(jié)合和內(nèi)吞。然而，過高的表面正電荷可能會引起細(xì)胞的應(yīng)激反應(yīng)，對細(xì)胞的正常生理功能產(chǎn)生負(fù)面影響。表面修飾對小尺寸金納米棒與生物分子、細(xì)胞的相互作用也有著重要影響。經(jīng)過PEG修飾的小尺寸金納米棒，由于PEG分子的親水性和空間位阻效應(yīng)，能夠減少與生物分子的非特異性吸附。在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中，PEG修飾的小尺寸金納米棒可以避免在血液循環(huán)過程中被蛋白質(zhì)等生物分子非特異性吸附，從而延長其在體內(nèi)的循環(huán)時間。PEG修飾還能降低小尺寸金納米棒對細(xì)胞的毒性，提高其生物相容性?？贵w修飾的小尺寸金納米棒則能夠?qū)崿F(xiàn)對特定細(xì)胞或生物分子的特異性識別和結(jié)合。在癌癥診斷中，將針對癌細(xì)胞表面抗原的抗體修飾在小尺寸金納米棒表面，這些小尺寸金納米棒可以特異性地與癌細(xì)胞結(jié)合，通過檢測其光學(xué)信號，實現(xiàn)對癌細(xì)胞的高靈敏度檢測。在癌癥治療中，抗體修飾的小尺寸金納米棒可以將治療藥物精準(zhǔn)地輸送到癌細(xì)胞，提高治療效果。五、小尺寸金納米棒的多元應(yīng)用5.1生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域5.1.1生物成像小尺寸金納米棒在生物成像領(lǐng)域展現(xiàn)出獨特的優(yōu)勢，其應(yīng)用主要涵蓋熒光成像和光聲成像等技術(shù)。在熒光成像中，小尺寸金納米棒的熒光特性使其成為理想的熒光標(biāo)記材料。當(dāng)光照射到小尺寸金納米棒上時，光子激發(fā)金納米棒表面的電子，使其躍遷到激發(fā)態(tài)。處于激發(fā)態(tài)的電子在返回基態(tài)的過程中，會以輻射光子的形式釋放能量，從而產(chǎn)生熒光。這種熒光信號可用于標(biāo)記生物分子或細(xì)胞，實現(xiàn)對生物體系的可視化成像。與傳統(tǒng)的熒光染料相比，小尺寸金納米棒具有更好的穩(wěn)定性和熒光發(fā)射波長可調(diào)控性。傳統(tǒng)熒光染料易受光漂白和化學(xué)降解的影響，導(dǎo)致熒光信號不穩(wěn)定，而小尺寸金納米棒不易受到這些因素的干擾，能夠在長時間的成像過程中保持穩(wěn)定的熒光發(fā)射。通過調(diào)節(jié)小尺寸金納米棒的尺寸、形貌和表面修飾，可以實現(xiàn)熒光發(fā)射波長的精確調(diào)控，滿足不同生物成像需求。在生物醫(yī)學(xué)研究中，將表面修飾有生物分子的小尺寸金納米棒用于熒光成像，可以實現(xiàn)對生物分子的特異性檢測和成像。將抗體修飾在小尺寸金納米棒表面，利用抗體與抗原的特異性結(jié)合，將金納米棒標(biāo)記在目標(biāo)抗原上，通過檢測其熒光信號，能夠?qū)崿F(xiàn)對目標(biāo)抗原的高靈敏度檢測和定位。在光聲成像中，小尺寸金納米棒的光熱性質(zhì)發(fā)揮著關(guān)鍵作用。當(dāng)小尺寸金納米棒受到短脈沖激光照射時，由于其表面等離子體共振效應(yīng)，會吸收光能并迅速將其轉(zhuǎn)化為熱能。這種快速的熱膨脹會產(chǎn)生超聲波信號，通過檢測這些超聲波信號，就可以實現(xiàn)對小尺寸金納米棒所在位置的成像。小尺寸金納米棒在光聲成像中能夠顯著提高成像的對比度和分辨率。其在近紅外光區(qū)域具有較強的光吸收能力，而生物組織在該區(qū)域的背景吸收較低，這使得小尺寸金納米棒與周圍生物組織之間形成明顯的光吸收差異，從而提高成像對比度。小尺寸金納米棒的小尺寸特性使其能夠更準(zhǔn)確地定位生物分子或細(xì)胞，提高成像分辨率。在腫瘤光聲成像中，將表面修飾有靶向分子的小尺寸金納米棒注入體內(nèi)，這些金納米棒可以特異性地聚集在腫瘤組織中。通過短脈沖激光照射，腫瘤組織中的小尺寸金納米棒產(chǎn)生強烈的光聲信號，能夠清晰地顯示腫瘤的位置、大小和形態(tài)，為腫瘤的早期診斷和治療提供重要依據(jù)。5.1.2疾病診斷小尺寸金納米棒在疾病診斷領(lǐng)域具有重要應(yīng)用，其中基于表面等離子體共振（SPR）的生物傳感器是其重要應(yīng)用之一。當(dāng)小尺寸金納米棒與生物標(biāo)志物發(fā)生特異性相互作用時，其周圍的環(huán)境會發(fā)生變化，這會導(dǎo)致表面等離子體共振特性的改變，進而引起光吸收和散射特性的變化。通過檢測這些變化，可以實現(xiàn)對生物標(biāo)志物的高靈敏度檢測，從而為疾病診斷提供依據(jù)。在癌癥診斷中，一些腫瘤標(biāo)志物如癌胚抗原（CEA）、甲胎蛋白（AFP）等，當(dāng)它們與表面修飾有特異性抗體的小尺寸金納米棒結(jié)合時，會改變金納米棒的表面等離子體共振。這種改變會導(dǎo)致金納米棒的光吸收光譜發(fā)生位移，通過檢測光譜的變化，可以實現(xiàn)對腫瘤標(biāo)志物的定量檢測。研究表明，基于小尺寸金納米棒的生物傳感器對腫瘤標(biāo)志物的檢測靈敏度可以達(dá)到皮摩爾級別，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的檢測方法。小尺寸金納米棒還可以用于病原體的檢測。在檢測細(xì)菌或病毒時，將針對病原體表面抗原的抗體修飾在小尺寸金納米棒表面，當(dāng)金納米棒與病原體結(jié)合時，會引起表面等離子體共振的變化。通過檢測這種變化，可以快速準(zhǔn)確地判斷樣本中是否存在病原體。在新冠病毒檢測中，利用表面修飾有新冠病毒特異性抗體的小尺寸金納米棒，能夠?qū)崿F(xiàn)對新冠病毒的快速檢測，檢測時間可以縮短至幾分鐘，為疫情防控提供了有力的技術(shù)支持。5.1.3藥物遞送與治療小尺寸金納米棒作為藥物載體具有諸多優(yōu)勢，為藥物遞送與治療領(lǐng)域帶來了新的突破。其較小的尺寸使其能夠更高效地穿透生物膜，實現(xiàn)更深入的組織滲透。在腫瘤治療中，小尺寸金納米棒可以更容易地通過腫瘤組織的高通透性血管壁，進入腫瘤細(xì)胞內(nèi)部，實現(xiàn)藥物的精準(zhǔn)遞送。小尺寸金納米棒的表面易于修飾，通過修飾不同的分子或基團，可以實現(xiàn)藥物的靶向遞送和控制釋放。修飾靶向分子如抗體、核酸適配體等，可以使小尺寸金納米棒特異性地識別和結(jié)合腫瘤細(xì)胞，提高藥物在腫瘤組織中的濃度，減少對正常組織的副作用。修飾具有刺激響應(yīng)性的分子，如pH響應(yīng)性聚合物、溫度響應(yīng)性聚合物等，可以實現(xiàn)藥物在特定環(huán)境下的控制釋放。在腫瘤組織的酸性環(huán)境下，pH響應(yīng)性聚合物修飾的小尺寸金納米棒會發(fā)生結(jié)構(gòu)變化，從而釋放出負(fù)載的藥物，實現(xiàn)藥物的精準(zhǔn)釋放。在聯(lián)合治療中，小尺寸金納米棒的光熱治療與化療的結(jié)合展現(xiàn)出良好的治療效果。在光熱治療中，小尺寸金納米棒在近紅外光的照射下，能夠?qū)⒐饽苻D(zhuǎn)化為熱能，使腫瘤組織的溫度升高，從而殺死腫瘤細(xì)胞?；焺t是通過使用化學(xué)藥物來抑制或殺死腫瘤細(xì)胞。將光熱治療與化療相結(jié)合，可以發(fā)揮兩者的協(xié)同作用，提高治療效果。在一些研究中，將化療藥物負(fù)載在小尺寸金納米棒表面，當(dāng)金納米棒聚集在腫瘤組織后，通過近紅外光照射，不僅可以利用光熱效應(yīng)殺死腫瘤細(xì)胞，還可以使負(fù)載的化療藥物釋放出來，進一步增強對腫瘤細(xì)胞的殺傷作用。這種聯(lián)合治療方法能夠降低化療藥物的用量，減少化療的副作用，同時提高腫瘤的治療效果。5.2光學(xué)器件領(lǐng)域5.2.1表面增強拉曼散射（SERS）基底小尺寸金納米棒作為表面增強拉曼散射（SERS）基底，其增強拉曼信號的原理基于表面等離子體共振（SPR）效應(yīng)。當(dāng)光照射到小尺寸金納米棒表面時，光子與金納米棒表面的自由電子相互作用，引發(fā)電子的集體振蕩，形成表面等離子體激元。這種集體振蕩會導(dǎo)致金納米棒表面的電場強度顯著增強，在金納米棒表面附近形成一個高度增強的電磁場區(qū)域。當(dāng)分子吸附在金納米棒表面時，分子的拉曼散射信號會被這個增強的電磁場顯著放大。根據(jù)電磁場增強理論，拉曼散射信號的增強因子與電場強度的四次方成正比，因此表面等離子體共振引起的電場增強能夠極大地提高分子的拉曼散射強度。在分子