金纳米簇制备及应用研究
(完整word版)金属纳米材料的应用研究
金属纳米材料的应用与研究【前言】著名科学家费曼于1959年所作的《在底部还有很大空间》的演讲中，以“由下而上的方法”(bottom up) 出发，提出从单个分子甚至原子开始进行组装，以达到设计要求。
他说道，“至少依我看来，物理学的规律不排除一个原子一个原子地制造物品的可能性。
”并预言，“当我们对细微尺寸的物体加以控制的话，将极大得扩充我们获得物性的范围。
”[1]1974年，科学家唐尼古奇最早使用纳米技术一词描述精密机械加工。
1982年，科学家发明研究纳米的重要工具－－扫描隧道显微镜，使人类首次在大气和常温下看见原子，为我们揭示一个可见的原子、分子世界，对纳米科技发展产生了积极促进作用。
1990年7月，第一届国际纳米科学技术会议在美国巴尔的摩举办，标志着纳米科学技术的正式诞生。
【摘要】纳米技术是当今世界最有前途的决定性技术。
文章简要地概述了纳米技术，纳米材料的结构和特殊性质以及纳米纳米材料各方面的性能在实际中的应用，并展望了纳米材料的应用前景。
1．纳米科学和技术1.1 纳米科技的定义纳米科技是20世纪80年代末诞生并正在崛起的新科技，是一门在0.1~ 100 nm尺度空间内，研究电子、原子和分子运动规律和特性的高技术学科。
其涵义是人类在纳米尺寸（10-9--10-7m）范围内认识和改造自然，最终目标是通过直接操纵和安排原子、分子而创造特定功能的新物质。
纳米科技是现代物理学与先进工程技术相结合的基础上诞生的，是一门基础研究与应用研究紧密联系的新兴科学技术。
其中纳米材料是纳米科技的重要组成部分。
1.2 纳米科技的内容纳米科技主要包含：纳米物理学；纳米电子学；纳米材料学；纳米机械学；纳米生物学；纳米显微学；纳米计量学；纳米制造学……1.3 纳米科技的内涵第一：纳米科技不仅仅是纳米材料的问题。
目前科技界普遍公认的纳米科技的定义是：在纳米尺度上研究物质的特性和相互作用以及如何利用这些特性和相互作用的具有多学科交叉性质的科学和技术。
8.1金纳米团簇
8.1⾦纳⽶团簇⾦纳⽶团簇1 ⾦属纳⽶团簇概述在各种最新开发的纳⽶材料中，⾦属纳⽶团簇在最近⼆⼗年内取得了巨⼤的进展。
⾦属纳⽶团簇通常⼩于2纳⽶，这⼀尺⼨相当于电⼦的费⽶波长，导致粒⼦的连续态密度分裂成离散的能级，⼀些独特的光学和电⼦性能由此产⽣，包括HOMQ-LUMO跃迁、光致发光、光学⼿性、磁性以及量⼦化充电等。
最近⼏年，贵⾦属纳⽶团簇，如Au、Ag团簇由于其合成简单、⽣物相容性好、稳定性好等优点，得到了⼴泛的研究，同时也有其他⼀些⾦属被合成出纳⽶团簇，如Cu和Pt，只是相对于Au、Ag纳⽶团簇，Cu、Pt纳⽶团簇的种类要少的多，特别是Cu在空⽓中对氧⽓较为敏感，因此想要制作出⼩于2纳⽶的铜团簇极具挑战性，⽽Pt团簇的合成⽅法⽬前还尚未成熟。
最近，过渡⾦属团簇也被研究者所报导，如铁和镍。
团簇的溶解度受配体极性和溶剂种类的控制，与疏⽔配体保护的纳⽶团簇相⽐，亲⽔配体保护的团簇在⽔中具有更好的溶解性，含羧基和磺酸基的亲⽔性配体可⽤于表⾯改性，增加团簇的⽔溶性，有助于扩展其⽣物应⽤。
不仅如此，由于⽔溶性配体的富电⼦性，⽔溶性团簇常常展现出⽐⾮⽔溶性团簇更强的荧光，这⼀性质也极⼤地扩展了⽔溶性团簇的⽣物应⽤。
近年来，以⽔溶性荧光团簇为荧光材料的研究发展迅速，⽔溶性团簇的应⽤也从最初的⾦属离⼦检测、细胞荧光成像发展到药物的递送、抗菌及癌症等重要疾病的治疗。
相较于其他荧光材料，⽔溶性团簇有着其独特的优势。
例如，相⽐于传统的有机染料荧光分⼦，团簇的光稳定性更加优异，光漂⽩性更低，更有利于进⾏⽣物样本中的长时间的荧光跟踪：相⽐于半导体量⼦点荧光材料，⽔溶性荧光团簇的潜在⽣物毒性更低，具有良好的⽣物相容性：相⽐于⼤尺⼨的纳⽶颗粒，⽔溶性团簇具有极⼩的尺⼨，这有助于其通过多种⽣物屏蔽，可以更容易地达到⽣物组织深处，较⼩的尺⼨也更有利于团簇从⽣物体中代谢出来。
⽽且，⽔溶性团簇的原⼦精确特性，有助于我们从原⼦层⾯更好地理解和解释团簇与⽣物体中⽣物分⼦的相互作⽤，更有助于团簇的理论与应⽤的发展。
纳米团簇研究新进展及其在分析化学中的应用
第17卷 第2期大学化学2002年4月今日化学 纳米团簇研究新进展及其在分析化学中的应用胡效亚Ξ 陈洪渊ΞΞ(南京大学化学化工学院 南京210093) 在对自然世界客观规律的探索中,研究对象的三维空间尺寸从大的方面说,利用射电天文望远镜已将视野延伸到200亿光年之遥的广漠太空;从小的空间而言,对“基本粒子”的穷究越来越往更小的单元延伸。
17世纪的自然科学家依靠个人的努力即可对宏观世界揭示出具有普遍意义的科学定律和自然界的基本规律,如今则需要学科渗透、交叉和联合。
化学家长期以分子、原子作为研究对象,曾忽略了对分子以上层次的研究。
如今,尽管包括化学家在内的广大科学家对分子以上、100nm以下的尺寸范围即介观层次的纳米微粒的艰辛研究已有二三十年,取得了可喜的成绩,但还仅仅处于起步阶段。
纳米粒子以其在三维空间中特殊范围的尺寸,展现了人们还不太熟悉的世界的另一面,给人类带来了新的认识、新的惊喜和新的希望,也将给我们的生活和社会带来新的色彩和变化。
从前科学家以宏观世界为基础建立的力学体系和以微观世界为基础建立的量子物理学和量子化学等一系列理论和规则,对介于宏观和微观之间的所谓介观世界(如纳米材料和超分子材料等)是否适用,需要重新认识和研究。
如今纳米材料正在各个领域被广泛地研究和应用,如量子器件、能量贮存、催化反应、新型材料、生物医学检测和宇航工业等等。
下面仅就纳米材料特性及其组装和在分析化学方面的应用研究的最新进展作一简要介绍。
1 纳米粒子的特性 现在普遍认为直径在1～100nm尺寸的颗粒属纳米粒子的范畴。
这段尺寸的粒子的物理和化学性质与大于100nm以上的粒子有着明显的区别,但对其性质远没有深入研究。
迄今人工合成的最新枝状化合物的最大尺寸还只能达到10nm,而光刻的最小尺寸也只能接近100nm (Intel公司Pentium III微处理器使用的光刻技术达到180nm),胶体粒子和纳米团簇的尺寸大体位于这一间隙。
JPCC一篇关于合成荧光金纳米簇的Most-Accessed Articles
J. Phys. Chem. C, 111 (33), 12194 -12198, 2007. 10.1021/jp071727dNanoparticle-Free Synthesis of Fluorescent Gold Nanoclusters at Physiological TemperatureYuping Bao, Chang Zhong,Dung M. Vu,Jamshid P. Temirov,R. Brian Dyer,*and Jennifer S. Martinez*先介绍一下贵金属的发光特性的研究背景。
早在1969年，Mooradian就发现bulk态的金，银，铜等贵金属呈现较弱的荧光，量子产率约在10-10数量级。
后来研究发现随着金属材料的尺寸逐步减小，直至纳米级别时，金属的发光效率有明显增强，特别是在其尺寸接近电子的费米波长的级别（小于1nm）时，这些贵金属纳米簇（如金，银）会呈现较强的荧光性质。
这些发光的金属纳米簇具有很多优于传统的荧光团的性质，如尺寸小，好的光稳定性，大的Stokes位移等，在单分子光谱，荧光成像，光电器件上都有可观的应用前景。
在这一领域，目前是GIT的Dickson教授研究小组做的最多，也最出色，特别是他的弟子Jie Zheng在2002到2004年期间，发展了利用枝状化合物（dendrimer）为模板成功制备强荧光的金、银纳米簇，相关工作发表在JACS （2002，124，13982；2003，125，7780），Phys. Rev. Let.（2004, 077402）上，毕业后又于2007年在Annu. Rev. Phy s. Chem. （2007，58, 409）上写了篇综述。
Zheng的博士论文（Fluorescent noble metal nanoclusters）我在“博士论文/材料”已共享（/bbs/thread-9869-1-1.html）。
金纳米簇制备及应用
金银纳米簇制备方法的研究进展及在生物分析中应用
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可调控荧光： 当金属颗粒尺寸与电子的费米波长相当时，因为量子 尺寸效应，使能级变得不连续，就可受激发生电子跃迁 而产生较强荧光。因此与传统的有机荧光染料和量子点 相比，MNCs 不仅具有尺寸依赖且可调的荧光
优点：
1.尺寸依赖且可调的荧光 2.斯托克位移较大
3.高量子效率
4.合成方法简便 5.生物相容性好
二、细胞标记及成像
AuNCs 具有荧光染料、QDs 等标记物所不具备的优点如 粒径小、无毒、生物相容性好，使其成为一种理想的荧光探 针。
由于红光比蓝光或绿光穿透组织更有效，并且能减少组织 损伤，降低机体的自发荧光干扰等。因此，近红外激发和发射 荧光具有临床应用价值。转换纳米粒子（UCNP）可以通过一 个非线性光学过程将较低能量的近红外辐射转化为较高能量的 可见光。
Trend in the ligands used for NMQCs synthesis
Applications in biomedical analysis
一、生物活性小分子检测 1、H2O2 2、葡萄糖 3、胆固醇、尿素、氨基酸及其衍生物、多巴胺等 二、细胞标记及成像 1、体外细胞标记成像 2、活体成像
体外细胞标记成像
Retnakumari 等[77]制备了牛血清白蛋白（BSA）包被 的金纳米团簇，并通过氨基将叶酸（folic acid，FA）与 BSA 连接，特异地标记了口腔癌细胞 （oral cancer KB cells）和乳腺癌细胞（ breast adenocarcinoma MCF-7）。 Chen等人用一种近红外荧光染料，亲水性ICG 衍生物 MPA 标记叶酸修饰的金簇用于肿瘤的近红外成像，随后， 他们又用阿霉素轭合叶酸修饰的金簇用于体内靶向的治疗。
金属纳米团簇综述
金属纳米团簇综述一、金属纳米团簇团簇，也称超细小簇。
团簇是由几个乃至上千个原子、分子或离子通过物理或化学结合力组成的相对稳定的微观或亚微观聚集体，其物理和化学性质随所含的原子数目而变化。
团簇的空间尺度是几埃至几百埃的范围，用无机分子来描述显得太小，用小块固体描述又显得太大，许多性质既不同于单个原子分子，又不同于固体和液体，也不能用两者性质的简单线性外延或内插得到。
因此，人们把团簇看成是介于原子、分子与宏观固体物质之间的物质结构的新层次，是各种物质由原子分子向大块物质转变的过渡状态。
而金属纳米团簇是团簇的一种，其一般由少则数个、多则上百个原子组成，其尺寸与电子费米波长相当，并且因为其超小尺寸、冷光性、耐光性和生物相容性的特点，近年来成为纳米材料的明星成员。
二、金属纳米团簇的合成方法与机理1、直接合成法以制备Au(I)举例，在硫醇配体的存在下，Au(III)会被转化成Au(I)-SR络合物，然后通过还原剂(NaBH4)直接将Au(I)-SR络合物还原成团簇。
根据报道，在合成用谷胱甘肽(GSH)保护的金纳米团簇时，采用这种方法，虽然合成步骤比较方便，但是合成的团簇的尺寸比较分散，包括了Au10(SG)10、Au15(SG)13、Au15(SG)14、Au22(SG)16、Au22(SG)17等等，并且产率很低。
值得一提的是，在这种方法中，有两个关键的步骤：1）热力学选择：即通过反应温度的控制，从而控制反应过程中的某一产物的形成；2）动力学控制：即通过还原剂的强弱以及加入的快慢等来控制产物的形成，比如强还原剂LiAlH4、NaBH4，温和还原剂NaBH3CN、CO等等。
Figur1.1 NaBH4直接将Au(I)-SR络合物还原成团簇示意图。
Figue1.2 通过还原合成[Au25(SR)18]-团簇示意图。
2、种子生长法种子生长法即采用较小尺寸金属纳米团簇作为种子，逐步生长为较大尺寸金属纳米团簇的方法。
多肽修饰的金纳米簇及其设备制作方法以及在肿瘤治疗中的应用与制作流程
图片简介:本技术公开一种多肽修饰的金纳米簇及其制备方法以及在肿瘤治疗中的应用，涉及肿瘤治疗领域，该多肽修饰的金纳米簇包括金纳米簇和在金纳米簇表面修饰的谷胱甘肽和多肽TAT，是一种水溶性好、光稳定性强、表面易修饰、生物相容性好的材料，其具有催化过氧化氢分解产生氧气的能力。
由于肿瘤组织微环境中过氧化氢水平较高，金纳米簇可以通过催化过氧化氢分解产生氧气来缓解肿瘤组织中的乏氧情况，增强光动力效果。
技术要求1.一种多肽修饰的金纳米簇，其特征在于，包括金纳米簇和在金纳米簇表面修饰的谷胱甘肽和多肽TAT，该多肽TAT包括RKKRRQRRR片段、YRG片段以及半胱氨酸或硫辛酸，其中RKKRRQRRR片段为一种带有正电荷的穿膜肽，YRG片段连接RKKRRQRRR片段和半胱氨酸或硫辛酸，半胱氨酸或硫辛酸对RKKRRQRRR片段进行巯基修饰以使其连接到金纳米簇上。
2.如权利要求1所述的多肽修饰的金纳米簇，其特征在于，YRG片段为一个，或者为多个顺次连接。
3.一种多肽修饰的金纳米簇的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：配置四氯金酸水溶液和谷胱甘肽水溶液，按照四氯金酸与谷胱甘肽的摩尔比1:1-1:3将四氯金酸溶液加入到谷胱甘肽溶液中搅拌；再向溶液中加入强碱，调节pH至10-12，进行第一次避光搅拌，得到澄清的黄色溶液；向黄色溶液中加入有机溶剂析出固体并离心收集，将固体分散于水中，得到金纳米簇溶液；按照金与多肽TAT摩尔比1:0.04-1:0.08向金纳米簇溶液中加入多肽TAT，进行第二次避光搅拌，得到多肽修饰的金纳米簇溶液；该多肽TAT包括RKKRRQRRR片段、YRG片段以及半胱氨酸或硫辛酸，其中RKKRRQRRR片段为一种带有正电荷的穿膜肽，YRG片段连接RKKRRQRRR片段和半胱氨酸或硫辛酸，半胱氨酸或硫辛酸对RKKRRQRRR片段进行巯基修饰以使其连接到金纳米簇上。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，配置20-30mM四氯金酸水溶液和50-80mM谷胱甘肽水溶液。
沸石限域的金属纳米簇高熵、多效催化剂
沸石限域的金属纳米簇高熵、多效催化剂沸石限域的金属纳米簇高熵、多效催化剂是当前纳米科技领域的一项重要研究课题。
本文将针对这一课题进行全面分析，介绍其原理、应用及其在化学催化领域中的指导意义。
首先，我们来了解一下沸石限域的金属纳米簇高熵、多效催化剂的基本原理。
沸石是一种具有特殊多孔结构的晶体，其内部具有一系列微小的孔道和通道，能够将催化剂分子尺寸限制在纳米尺度。
金属纳米簇是由几个金属原子组成的超小尺寸金属粒子，其具有高度的活性和选择性催化性能。
沸石限域技术将金属纳米簇引入沸石中的微孔和通道中，形成纳米尺度的催化剂，可有效提高催化剂表面积和反应活性。
沸石限域的金属纳米簇高熵、多效催化剂在各个领域中具有广泛应用。
首先，在能源领域，该催化剂可用于燃料电池中的氧还原反应，提高反应速率和效果；其次，在环境保护领域，该催化剂可用于有机废气的净化，将有害物质转化为无害物质，有效改善空气质量；此外，在有机合成和药物合成领域，该催化剂也具有重要的应用价值，可以提高化学反应的效率、选择性和产率。
此外，沸石限域的金属纳米簇高熵、多效催化剂在化学催化领域中具有重要的指导意义。
首先，它为我们设计高效、低成本的催化剂提供了新的思路和方法。
通过合理设计和调控金属纳米簇的成分、大小和分布，可以优化催化剂的活性和选择性，实现高效催化反应。
其次，它为催化剂的反应机理和活性位点的研究提供了新的平台。
利用沸石的限域效应，可以将催化剂的活性位点限制在纳米尺度，实现对反应中间体和过渡态的精确控制，有助于理解催化剂的整体性能和反应机理。
综上所述，沸石限域的金属纳米簇高熵、多效催化剂是一种具有广泛应用和重要指导意义的纳米材料。
在能源、环境保护、有机合成和药物合成等领域都具有重要的应用价值，并为我们设计高效催化剂和研究催化反应的机理提供了新的思路和平台。
相信随着对该催化剂的深入研究，我们可以进一步发展出更加高效、环保和可持续的催化技术，推动化学科学和工业的发展。
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γ 射线,电子,微波等辐照 高温气化
水溶液中的银离子
无污染、分散性好
稳定性较好的 荧光AgNCs
2、化学法
1、化学还原法：
金属前体
还原剂 聚集
金属原子
2、反向微乳法：
0.05mol/L HAuCl4水溶液和 水相：
0.4 mol/L NaBH4水溶液
缓慢加入
成核生长成 原子团簇
H2O2
Zhang 等[14]HRP为模板原位合成了双功能型的HRPAuNCs，该金纳米团簇既保留了HPR的高催化活性，又 具有金纳米团簇的发光性质。H2O2能够氧化模板HRP和 AuNCs之间的Au-S产生二硫化物，使得AuNCs表面的保 护剂（HRP）不足而导致荧光猝灭。该法检测过氧化氢的 检测限为30nM。
Thank you!
人有了知识，就会具备各种分析能力， 明辨是非的能力。 所以我们要勤恳读书，广泛阅读， 古人说“书中自有黄金屋。 ”通过阅读科技书籍，我们能丰富知识， 培养逻辑思维能力； 通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平， 培养文学情趣； 通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。 有许多书籍还能培养我们的道德情操， 给我们巨大的精神力量， 鼓舞我们前进。
体外细胞标记成像
Retnakumari 等[77]制备了牛血清白蛋白（BSA）包被 的金纳米团簇，并通过氨基将叶酸（folic acid，FA）与 BSA 连接，特异地标记了口腔癌细胞 （oral cancer KB cells）和乳腺癌细胞（ breast adenocarcinoma MCF-7）。 Chen等人用一种近红外荧光染料，亲水性ICG 衍生物 MPA 标记叶酸修饰的金簇用于肿瘤的近红外成像，随后， 他们又用阿霉素轭合叶酸修饰的金簇用于体内靶向的治疗。
应用：
1、荧光检测金属离子 2、细胞成像 3、生物标记
制备方法
1、物理法 2、化学法 3、综合法
1、物理法
1、惰性气体蒸发法：
金属及其化合物 成核生长成 原子团簇
2、光还原法：
胺存在下：
Ag+CH
3COOF3
自由基还原 紫外线或光
成核生长成 原子团簇
良好的光稳定性、pH响应、电致发光
3、辐照法：
Ｒesearch progress in preparation methods of gold and silver nanoclusters and their applications in biomedical analysis
金银纳米簇制备方法的研究进展及在生物分析中应用
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Liu 等用胰岛素成功合成了金纳米团簇，合成后胰岛素分子 仍保留其生物活性。他们还发现通过观察C2C12肌细胞对 胰岛素-金纳米簇的摄取效率能够区分分化与未分化的 C2C12肌细胞。
Lin 等在正常及癌细胞的标记方面做了较多的研究。他们将 核定位信号（nuclear-localization signal，SV40 NLS） 修饰的疏基十一烷酸-金纳米簇（NLS-MUA-Au NCs）用 于HeLa 细胞的染色，结果显示NLS-MUA-Au NCs 在细胞 质和核内均呈均匀分布，实现了细胞的核标记和细胞内成 像。
二、细胞标记及成像
AuNCs 具有荧光染料、QDs 等标记物所不具备的优点如 粒径小、无毒、生物相容性好，使其成为一种理想的荧光探 针。
由于红光比蓝光或绿光穿透组织更有效，并且能减少组织 损伤，降低机体的自发荧光干扰等。因此，近红外激发和发射 荧光具有临床应用价值。转换纳米粒子（UCNP）可以通过一 个非线性光学过程将较低能量的近红外辐射转化为较高能量的 可见光。
zhenglei
金属纳米簇(MNCs)
成分：
几个到几十个金属原子构成的相对稳定的纳米结构，其尺寸一般为几 个纳米.
可调控荧光：
当金属颗粒尺寸与电子的费米波长相当时，因为量子尺寸效应，使 能级变得不连续，就可受激发生电子跃迁而产生较强荧光。因此与 传统的有机荧光染料和量子点相比，MNCs 不仅具有尺寸依赖且可调 的荧光
葡萄糖
Qiao[43]等人设计了卵清蛋白（OVA）稳定的金簇比率荧 光探针，以茜素红硼酸为相应信号特异性识别葡萄糖并可 猝灭567 nm处的荧光信号，保留610 nm的荧光信号，以 监测大鼠脑缺血时脑中葡萄糖浓度水平。
其他
报道应用于胆固醇、尿素、氨基酸及其衍生物（如半胱氨 酸、谷胱甘肽等）、多巴胺、三磷酸腺苷、维他命B12、 微生物、蛋白质 、克仑特罗、三聚氰胺、戊二醛、溶菌酶、 环丙沙星、槲皮素等。
可调控荧光： 当金属颗粒尺寸与电子的费米波长相当时，因为量子 尺寸效应，使能级变得不连续，就可受激发生电子跃迁 而产生较强荧光。因此与传统的有机荧光染料和量子点 相比，MNCs 不仅具有尺寸依赖且可调的荧光
优托克位移较大
3.高量子效率
4.合成方法简便 5.生物相容性好
表面钝化剂 和偶联剂：
1，6-二巯 基己烷
强荧光的双 硫醇-AuNCs
3、模板合成法 4、单分子层保护法 5、配体蚀刻法
3、综合法
1、超声波化学合成法
超声辐照，牛血清白蛋白作为还原剂和保护剂，简便快速地合成了 强荧光的AuNCs
2、微波溶剂热合成法
研究热点
1、完善优化合成条件 2、增加合成的纳米簇种 3、提高纳米簇的各项性能 4、增强抗干扰检测能力，适应复杂环境 5、以及降低成本以适合大规模工业生产
Trend in the ligands used for NMQCs synthesis
Applications in biomedical analysis
一、生物活性小分子检测 1、H2O2 2、葡萄糖 3、胆固醇、尿素、氨基酸及其衍生物、多巴胺等 二、细胞标记及成像 1、体外细胞标记成像 2、活体成像
活体成像
He 和 Wang 等首次将金纳米团簇注入到小鼠体内，成功实 现了活体内的肿瘤荧光成像。该小组以 BSA-Au NCs 为标记材 料，通过背部皮下组织和肌肉分别注入患有肿瘤的 BALB/c 雌 性裸鼠体内.
Sun等将铁蛋白制备的金纳米团簇通过侧尾静脉注射方式注 入到小鼠体内进行活体成像。他们发现 30 分钟后，注入金纳 米团簇的小鼠的脊椎两侧出现一个肾形荧光区域，并可保持至 少7小时可见。 Huang等发现2 nm的硫普罗宁保护的金纳米团簇通过单次 静脉注射后，其高度积累于肿瘤组织中。此外，硫普罗宁保护 的金纳米团簇广泛分布于肿瘤细胞的细胞质与细胞核中，而直 径为15 nm的金纳米粒子则仅仅只存在于细胞质中。