3.1 金纳米粒子性质.doc

金纳米粒子性质 1 金纳米粒子类型 不同形状的金纳米粒子对应着不同的应用目的。目前为止，人们已经制备了多种不同形状的金纳米粒子，主要有棒状，球状，壳状，笼状，多面体，星状等，不同形状的金纳米粒子有着自身独特的优势。例如棒状的金纳米粒子具有良好的光热性能，而笼状的金纳米粒子更适合于内部物质的负载等。 根据金纳米粒子的尺寸可以将其分为金纳米团簇及金纳米晶，通常来说，金属粒子具有一定的导电性，而当金纳米粒子的尺寸小于2 nm时，金纳米粒子的性质由原来的金属导电性质变为了绝缘体性质，因此这个尺寸被称为临界尺寸。通过这个临界尺寸可以将金纳米粒子分成两类：尺寸小于2 nm的金纳米粒子，被称为金纳米团簇；而金粒子的粒径尺寸大于2 nm时，通常被称为金纳米晶。 2 金纳米粒子特性 块状的金在通常被认为是惰性金属，而纳米金却显示出了区别于宏观尺寸的高活性。金纳米粒子作为纳米材料中的贵金属纳米粒子的一类，金纳米粒子除了具有纳米材料的普遍特性之外还具有自身独特的性质，主要表现在以下几个方面： 2.1 表面等离子体共振特性 金纳米粒子具有表面等离子体共振效应(surface plasmon resonance，SPR)。金粒子具有较高的比表面积，其表面自由电子较多，自由电子受到原子核的正电荷束缚较小，电子云在表面自由运动，当表面的电子云产生相对于核的位移时，来自电子和核之间的库仑引力会产生一个恢复力，从而产生表面电子云的震荡，振荡频率由四个因素决定：电子密度、有效电子质量电荷分布的形状和大小。表面等离子体（surface plasmons），又被称为表面等离子体激元，是由于金属粒子表面的自由电子的集体谐振而产生。当金属纳米粒子被一定波长的光照射后，入射的光子与表面自由电子相互作用，入射的光子与金属表面自由电子耦合后产生的疏密波。当入射光的振动频率与金属粒子表面的自由电子谐振频率相同时产生的共振被称为表面等离子体共振。 金纳米粒子的表面等离子体共振对光子产生的吸收能够使用UV-vis-vis光谱检测，通过不同的吸收峰值反映金纳米粒子的形貌，大小等特性，实心球形的金纳米粒子具有一个单峰，不同尺寸的金纳米粒子具有的峰位不同，而金棒具有两个典型的吸收峰，分别为横向和纵向，而笼状的金粒子的吸收峰也有别于球状和棒状，而即使同为球形金粒子，壳层结构的金粒子的吸收峰也有很大的区别。金纳米粒子的这种表面等离子体共振特性被广泛应用与检测，传感，光热等领域。 金属表面带有大量的自由电子，自由电子激发后产生集体震荡，称为表面等离子体。纳米尺寸的金属材料，对表面等离子体产生一种不同于宏观材料的束缚（即局域）。纳米尺寸的金材料在光照下，表面自由电子产生的集体震荡称为局部表面等离子共振（localized surface plasmon resonance, LSPR）。一般来说，这一过程包括两种类型的光－物质相互作用：散射，即入射光以相同的频率再福射到所有方向；吸收，即入射光被表面等离子体吸收而转化成热能。这两个过程一起导致入射光的消光或衰减，这使得我们看到的金纳米材料的溶液呈现出不同颜色，并使得金纳米材料具有光热转化能力。金纳米材料的LSPR性质（如LSPR峰的位置，光散射与吸收的比例）与材料的尺寸、形状、结构有关，依据金纳米材料的几何形状，其LSPR性质可通过麦克斯韦方程（Maxwell equations）推算得出。同时，金纳米材料的LSPR性质也会受到颗粒间距离及周围环境等因素的影响。 由于在水和生物组织，波长位于近红外区域（near-infrared region, NIR, 650-900nm）的光吸收和散射较低，该区域的光具有更好的组织穿透能力，因化LSPR峰位于近红外区域的金纳米材料更适合于生物医学领域的应用。传统的球形金纳米颗粒，可通过控制其尺寸来调整其LSP民光谱的形状和峰的位置。但是，仅仅改变金纳米颗粒的尺寸，对其LSPR峰的影响非常小，很难得到峰值位于近红外区的颗粒。例如，直径为50 nm的球形金纳米颗粒LSPR峰位于520 nm处，而直径为100 nm的球形金纳米颗粒LSPR峰位仅红移到550 nm处。而通过对非球形金纳米颗粒进行精确的形貌控制，如改变其形状，多枝结构的角锐度，棒状结构的纵横比，中空结构的壳层厚度等，对其LSPR峰的调节效果却十分显著。以金纲米棒为例，其圆柱状结构的长轴和短轴显示出不同的表面等离子共振频率，形成纵向和横向两个LSPR峰。提离金纳米棒的纵横比（纵轴长度：横轴长度），其横向LSPR峰位置保持在约520 nm化而纵向LSPR峰的位置明显红移。例如，Wu等报道的金纳米棒纵横比在2.1到3.5之间调节化相应的纵向LSPR峰位于600 nm到800 nm之间。因此，通过精确的形貌控制，可以得到多种形态、尺寸各异，吸收峰可