种子介导法合成可调长径比金纳米棒用于增强近红外光声成像

摘要

通过改进的种子介导法，利用抗坏血酸作为形貌导向剂，成功制备了可调长径比的金纳米棒。通过调节抗坏血酸用量，纳米棒长径比从 8.5 调至 15.6，纵向表面等离子体共振峰覆盖近红外（NIR）窗口（约 680–1100 nm）。经巯基聚乙二醇（SH-PEG）表面功能化后，纳米棒展现出优异的生物相容性和胶体稳定性，成为有前景的 NIR 光声造影剂。体外和体内实验显示，相较于对照组，造影度提升 3.1 倍，信噪比（SNR）提高 5.6 倍，凸显了可调吸收对光声成像（PAI）的显著优势。

研究背景

一维纳米结构——纳米线、纳米棒、纳米管、纳米带——凭借各向异性几何形状，适用于纳米器件和生物医学应用。金纳米棒（AuNRs）因其形依赖的表面等离子体共振（SPR）、简便合成和易于表面修饰，成为 PAI 和光热治疗的理想造影剂。最新进展实现了通过控制长径比精准调节纵向 SPR，使共振落入生物组织光学窗口（700–950 nm 和 1000–1350 nm）。然而，可规模化制备宽近红外吸收的高长径比 AuNRs 仍具挑战。

本工作报道了一种直观的种子介导法，通过调节抗坏血酸浓度获得长径比 8.5–15.6 的 AuNRs。所得纳米棒呈现可调 NIR 吸收带（680–1100 nm），经 PEG 修饰后表现出可忽略细胞毒性和稳健的体内成像性能。

实验部分

金纳米棒合成

改进的种子介导法遵循既有流程。简述：10.3 mL 0.025 M HAuCl₄ 与 3.644 g CTAB 混合，稀释至 2.5×10⁻³ M HAuCl₄ 和 0.1 M CTAB，分装至烧瓶 A–D。向烧瓶 A 加入 350 µL 冰冷 0.01 M NaBH₄ 种子液，搅拌 3 min。依次将烧瓶 A、B、C 的 0.4 mL 等分液转移至 B、C、D，各加 25 µL 0.1 M 抗坏血酸（AA）。5 秒搅拌后，向烧瓶 D 加入 4 mL 烧瓶 C 溶液和 250 µL AA，28 °C 静置 12 h。沉淀经蒸馏水反复洗涤去除多余 CTAB，得典型纳米棒（AuTR）。

通过在四步序列中改变 AA 体积——分别为 35、30、20、15 µL——分别获得长径比 8.5、10.5、12.5、15.6 的纳米棒。

AuNRs 表面修饰

SH-PEG（10 mg/1 mL 水）超声 10 min，再在超声下用 50 mL 0.1 M NaBH₄ 还原 15 min 破坏二硫键二聚体。洗净的 AuNRs 与 SH-PEG 溶液（10 mL）混合搅拌 5 min，静置 5 h。离心洗涤纯化得最终产物。

表征方法

SEM（JEOL JSM-7001F）和 TEM（JEOL 2100F, 200 kV）观察形貌。UV-Vis 分光光度计（Shimadzu 3100）记录吸收谱。光声信号用旋转扫描 PA 系统测量，配备 Surelite I-20 激光器、Surelite OPO Plus、Olympus PMUT V310-SU 换能器及数据采集硬件。

细胞活力实验

所有程序经太原理工大学 IACUC 批准。HeLa 细胞与 AuNRs（0.25–1.0 nM）共孵育 24 h，MTT 法和光学显微镜评估活力。

体外与体内 PAI

琼脂模体（2 g 琼脂/100 mL 水）加热搅拌浇铸于 4.5 cm 模具。内填鲜牛血或混合 AuTR-PEG（1 nM）的血液的 0.9 mm 玻璃毛细管模拟血管。680 nm 或 800 nm 激光（11 mJ cm⁻²）照射。动物成像：小鼠异氟烷/氯醛麻醉、去毛、涂耦合剂。静脉注射 1 nM AuTR-PEG 后，800 nm 和 680 nm 成像脑血管。24 h 后再次注射切换波长成像。

结果与讨论

高分辨 TEM 确认均匀 AuTRs，直径 22±1.5 nm，长度 290±13 nm（长径比 ≈13.2）。HRTEM 显示（110）晶格条纹（1.44 Å），指示沿 [110] 方向生长。

UV-Vis 谱显示双峰：横向峰近 520 nm，纵向峰随长径比从 8.5 增至 15.6 而从 ~680 nm 红移至 1100 nm，匹配生物 NIR 窗口。SH-PEG 修饰仅导致峰强度轻微下降（~5%），位置不变。

体外 PA 实验显示信号随 AuTR 浓度线性相关。800 nm 激发下，AuTR 产生的 PA 信号比单纯血液增强 2.3 倍；Au rod 1（长径比 8.5）在 680 nm 下增强 2.1 倍。多波长 PA 谱与光学吸收匹配，证实 SPR 与 PA 性能的相关性。

MTT 实验显示 AuTR-PEG 在 1 nM 下细胞活力 >95%，而未修饰 AuTR 同浓度下活力降至 71%，证明 PEGylation 的保护作用。

体内成像证实 AuTR-PEG（800 nm）和 Au rod 1-PEG（680 nm）显著增强血管造影：AuTR-PEG/800 nm 组造影度提升 3.1 倍、SNR 提升 5.6 倍；Au rod 1-PEG/680 nm 组分别达 3.6 倍和 5.7 倍。

结论

我们开发了一种可规模化的种子介导合成法，制备长径比 8.5–15.6 的金纳米棒，纵向 SPR 可调 680–1100 nm。SH-PEG 功能化赋予优异生物相容性和稳定性，实现稳健的 NIR 光声造影。体外和体内结果确认 PAI 中卓越的造影度和 SNR，验证了这些纳米棒作为跨越第一 NIR 窗口的多功能成像剂的潜力，可用于脑血管疾病诊断等应用。

缩略语

1D

一维

AA

L(+)-抗坏血酸

AuNR

金纳米棒

AuTR

典型金纳米棒

CTAB

十六烷基三甲基溴化铵

DNA

脱氧核糖核酸

MTT

甲基噻唑基二唑

NIR

近红外

NRs

纳米棒

OPO

光学参量振荡器

PA

光声

PAI

光声成像

SAED

选区电子衍射

SEM

扫描电子显微镜

SH-PEG

巯基聚乙二醇

SNR

信噪比

SPR

表面等离子体共振

TEM

透射电子显微镜