贵金属纳米颗粒合成的先进策略综述

摘要

贵金属在人类历史上扮演了重要角色几个世纪；然而，随着纳米技术和材料科学的最新进展相结合，为学术界和工业界提供了新的研究机遇，催生了一系列先进应用，包括医学应用。过去几十年来，贵金属纳米颗粒（NMNPs）因其在个性化医疗和诊断中的重要性，在生物医学领域备受关注。特别是铂、金和银纳米颗粒凭借极其多样的工业应用（包括抗菌抗病毒剂、诊断、药物载体和成像探针等生物医学应用）占据主导地位。它们对腐蚀和氧化极端条件的优异抵抗力备受推崇。值得注意的是，过去二十年来，开发出更具成本效益和稳健的NMNP合成新策略取得了巨大进展，这些方法提供了具有高度可调理化、光学和热学性质及生物化学功能的材料。因此，开发出了与聚合物、石墨烯、碳纳米管、量子点及核壳系统结合的新型先进混合NMNPs，其增强的理化特性带来了卓越的诊断和治疗应用。本综述旨在总结NMNPs（Au、Ag和Pt）合成的当前进展。

引言

贵金属的使用由来已久，可追溯至古埃及文明，始终被视为权力和财富的象征。因此，它们以昂贵艺术品、钱币、珠宝等形式见诸史册[1]。由于在地壳中的稀缺性，这些金属通常比其他金属更昂贵[2, 3]。凭借其坚固的本质、对腐蚀和氧化极端条件的抵抗力，它们广泛应用于航空航天、汽车、化工、能源、电气电子工业，更重要的是医疗保健领域（从手术器械到成像对比增强剂）[4, 5]。

过去二十年来，纳米技术被证明是最具前景的未来技术，提供了无限可能。学术界和工业界的多学科支持使其成为发展最快、成果最丰硕的领域[6,7,8]。目前，在纳米尺度合成和控制金属的技术飞跃，为个性化医疗、诊断和治疗的进步提供了巨大研究机遇[9,10,11]。由于令人印象深刻的理化性质和相比块体材料更大的表面积体积比，金属纳米颗粒（MNPs）成为研究最广泛的对象。就生物医学应用而言，NMNPs因其对恶劣环境的抵抗力成为自然选择。它们已应用于高灵敏度诊断分析、放疗中的热消融增强剂，以及药物和基因递送载体[3, 12, 13]。

纳米技术与材料科学的近期融合，促成了具有高度增强的热、催化、电学、光学和力学性能的新纳米复合材料的开发，优于单一组分。值得注意的是，基于NMNPs的复合材料因其令人印象深刻的理化性质而在修饰纳米尺度构建模块和催化（主要是电催化）、光学、纳米医学及环境保护等广泛应用中发挥关键作用，获得了极大研究兴趣[14,15,16,17]。胶体状态的贵金属因其在治疗和诊断中的有效性，成为深入研究的主题[2, 18]。同样，石墨烯氧化物和还原石墨烯氧化物[14, 19, 20]、量子点[21,22,23]及碳纳米管[24,25,26]合成工艺的改进，为NMNCs的形成提供了更可行有效的方法。

由于Au和PtNPs及NMNPs的微小尺寸、大表面积体积比及协助高电子转移过程的能力，它们是电化学传感器的理想候选材料[27,28,29]。NMNPs的光学性质是许多研究的主题，特别是Ag和AuNPs。这些NPs能对不同波长的光产生不同响应（Au从可见光区到近红外区的广泛散射），因此被用作表面增强拉曼光谱（SERS）、局域表面等离子体共振及其他共振散射光谱的信号增强剂[30,31,32,33]。得益于AuNPs可广泛调控的光学性质和生物相容性，它们被应用于肿瘤的光热治疗和体内成像（光声成像）[34,35,36]。最近，AgNPs也展现出在光热治疗中的潜力，通常作为Ag核壳系统或复合材料（与还原石墨烯氧化物/碳纳米管复合）应用[37,38,39]。NMNPs与细胞组织的生物相容性为诊断开辟了广阔应用前景[14]。NMNPs和NMNCs（特别是石墨烯）基生物传感器在提高准确性和特异性方面发挥了关键作用，优于现有的生物分子诊断方法[40, 41]。通常，Au和PtNPs因其吸附生物分子的能力及卓越的导电性和稳定性，被用于开发新型生物传感器和探针[42,43,44,45]。因此，NMNPs本身或以NMNCs形式被用作免疫传感器[46]、生物分子检测[47]和纳米探针（用于体内细胞成像、追踪及研究疾病进展发病机制）[2, 6, 48]。尽管NMNPs和NMNCs具有所有这些优势，但关于它们在人体内安全性的疑问和争论依然存在[49,50,51]。

本综述将调查NMNPs（Ag、Au和Pt）及NMNCs（含Ag、Au和Pt）的合成方法及其在生物医学应用中作为治疗和诊断的当前发展，包括NMNCs与NMNPs表现出的协同效应带来的性能改进，这是材料研究的当前热点话题。

NMNPs合成的当前趋势

NMNPs的合成方法

纳米颗粒的制备基本遵循两种不同途径：(1) 自上而下（破坏性方法）和 (2) 自下而上（构建性方法）（图1）。

自上而下工艺涉及利用各种物理化学方法将块体材料破碎成纳米尺寸的较小颗粒。相反，自下而上方法通过原子、分子或团簇的自组装生成NPs。自上而下方法涉及切割、研磨和成型材料以达到所需秩序和形状的外部可控过程。热解[61, 62]、纳米光刻[63, 64]、热解离[65]和辐射诱导法[66,67,68]等多种物理方法属于此类。然而，这种方法存在一个主要局限：所得MNPs的表面结构不完美，严重影响其物理化学性质[1]。此外，该方法在合成过程中需要维持高压高温条件，消耗巨大能量，导致工艺昂贵。

在自下而上方法中，NPs通过化学和生物程序由相应原子、团簇和分子组装而成。自下而上方法被证明更具优势，因为它能更好地控制最终产物形成，获得更均匀的尺寸、形状（物理参数）和化学组成。此外，该方法通常成本更低。自下而上方法通常是湿化学合成工艺，如化学[69, 70]、电化学[71,72,73]、声化学[74, 75]和绿色合成[76, 77]。在自下而上方法中，从反应混合物（有毒化学品、有机溶剂和试剂）中纯化合成颗粒是一个主要挑战，除绿色合成方法外，这给其生物医学应用蒙上阴影。

自上而下方法

溅射法

溅射法是最常用的合成协议之一，包括由离子碰撞基底产生的薄层NP沉积，随后进行退火。该方法也称为物理气相沉积（PVD）法[78, 79]。其效率主要取决于层厚度、基底类型、退火时间和温度等因素，这些因素直接影响NPs的尺寸和形状[55, 80, 81]。

微图案化

微图案化是生物传感器、微阵列、组织工程和细胞研究中常用的技术[82]，也用于MNPs合成。该技术本质上等同于印刷过程，利用光束或电子束将材料切割或成型为所需形状和尺寸，从合适的前驱体合成纳米结构阵列。这是一种低温、非真空方法，利用光刻进行MNPs合成，采用激光烧结MNP墨水[83, 84]。除光刻外，还开发了扫描、软纳米压印、胶体、纳米球和电子束光刻等多种光刻技术[2, 57, 85, 86]。

机械研磨

机械研磨通常被视为自上而下工艺的代表，因为它涉及将块体材料直接破碎成微/纳米结构。在机械研磨中，滚筒/球的动能传递给块体材料，导致晶粒尺寸减小[87]。磨机类型、研磨气氛、研磨介质、强度、时间和温度等参数在控制NPs形状和尺寸方面起关键作用[88, 89]。为克服这些限制，开发了振动磨、滚筒磨、振动磨、搅拌磨和行星磨等不同技术。

激光烧蚀

激光烧蚀因其处理速度快、对颗粒尺寸形状控制更好、产率高且长期稳定性好，被认为是传统化学方法的合适替代方案[78, 90,91,92]。在激光烧蚀过程中，固体表面（通常是纯金属板）被激光束照射，产生低通量等离子体羽流，最终蒸发或升华形成NPs[93]。在较高通量下，材料转化为等离子体。无需去除多余试剂，且可在水性和有机溶剂中合成金属纳米颗粒，使激光烧蚀法在生物医学应用中得以实施，如生物分子与MNPs的原位偶联，已被证明比标准技术更有效[54, 94, 95]。

热解法

热分解是另一种常用技术，单独使用或与其他物理方法结合用于MNP合成[78]。这是一个吸热化学分解过程，利用热量断裂化合物化学键，导致前驱体分解，迫使其发生化学反应生成NPs及其他以灰烬形式存在的副产物。通过进一步处理获得的固体灰烬可回收NPs。热解法常用于贵金属MNPs制备[56, 96, 97]。过度能耗是该方法最重要的缺点之一。

化学气相沉积

该方法也称为真空沉积法，气态反应物与促进基底超热的其他气体分子结合，以薄膜形式沉积在基底上。反应过程中，基底与混合气体接触，导致离子还原[78]。反应产物通常为薄膜形式，需刮取NPs。该方法产生高纯度、均匀、无孔隙的纳米颗粒，因此在电子和半导体工业中极为重要。尽管有这些巨大优势，但该方法存在主要缺点：需要制造薄膜的特殊设备和反应室，且反应的气态副产物极具毒性[98]。

自下而上方法

溶液中金属离子还原

该方法利用各种化学还原剂在稳定剂存在下，在有利反应参数（pH、温度等）条件下将金属离子从离子盐中还原。由于其极简便性，这是所有自下而上方法中最常用、最可靠的方法[2, 99]。该过程中可用的还原剂种类繁多，常用的包括柠檬酸钠[10, 100]、单宁酸[99]、硼氢化钠[101]、肼、氢气、氢化铝锂，醇类也可使用[2, 60]。同样，稳定剂选择也很多，一般分两类：(1) 低分子量（如柠檬酸盐、SDS、壳聚糖等）和 (2) 高分子量（如淀粉、吐温、PVP、PEG、DISPERBYK等）。低分子量稳定剂（通常为带电去污剂）倾向于改变合成颗粒表面电荷并维持排斥力防止团聚；但这类稳定剂通常难以有效抵御环境应力因素（特别是储存温度和光照变化）。高分子量稳定剂通常包裹颗粒，保护它们免受环境应力影响，已被证明比低分子量稳定剂更有效。尽管有优势，但由于稳定剂在颗粒表面形成厚层阻碍溶解，其生物应用和催化性能存疑[102, 103]。就颗粒尺寸和形状的均一性而言，化学还原法是明显的赢家。因为通过改变反应参数（pH和还原剂与稳定剂的比率）可轻松调控还原过程。Tyagi团队利用柠檬酸还原法在室温、pH 3下，柠檬酸与AuCl₃摩尔比2:1和5:1时，分别制得平均尺寸28和25 nm的AuNPs[104]。该pH下反应比其他pH值快得多。他们还展示了在pH 3-6范围内（柠檬酸与AuCl₃摩尔比2:1），可形成棱柱、棒状和球状等不同形状的AuNPs。Agnihotri等人[105]采用类似柠檬酸还原法合成AgNPs，在最高柠檬酸钠浓度（4.28×10⁻³ mol dm⁻³）下获得平均尺寸5 nm颗粒。柠檬酸浓度升高时尺寸增大（1.77×10⁻² mol dm⁻³时达100 nm）。Hou等人[106]描述了用于电催化应用的高稳定性单分散Pt纳米颗粒水溶胶合成。

微乳液法

基于微乳液的金属NPs制备正成为极具研究价值的课题，也成为一种能更好控制合成纳米颗粒尺寸和形状等物理特性的有效方法。微乳液本质上是两种不相混液体在表面活性剂存在下的混合物。这些系统通常具有超低界面张力、巨大界面积和热力学稳定性[107]。Muñoz-Flores团队[58, 108, 109]首次描述了基于微乳液的NMNPs合成，制备了铂、钯和铑NPs。在基于微乳液的NPs合成中，制备两个单独的微乳液，一个含离子盐，另一个含在两亲环境中产生的还原剂。乳液碰撞导致反应物混合，将盐中的离子还原为中性原子，进而形成纳米颗粒[2]。水包油体系通常用于金属纳米颗粒合成，该方法产生的纳米颗粒以乳液形式存在，通常热力学稳定。根据需要，可通过改变表面活性剂与油的比例来定制工艺，合成特定类型纳米颗粒，从而控制颗粒尺寸和形状[110]。

电化学方法

电化学过程常用于NMNPs和纳米复合材料的合成，主要利用其催化性能，近期也用于生物医学应用作为生物传感器[111]。电化学方法由Reetz和Helbig于1994年首创，他们在电解质存在下，从阳极溶解纯金属片，在电化学池阴极实现金属盐沉积以生成纳米颗粒[2, 112]。该方法有效性取决于还原剂性质、金属纯度和稳定剂、电解质选择、浓度比和温度等参数，这些直接影响NPs的物理参数[53]。目前，利用电化学方法合成纳米复合材料（特别是含石墨烯的）优于NPs合成[113]。

辐射诱导合成方法

该方法利用电离辐射（特别是伽马辐射，包括X射线和紫外光）合成金属纳米颗粒。与传统NP合成方法相比，该方法被证明效率极高，能提供完全还原、高纯度（无副产物）的金属纳米颗粒。该主题在多篇综述中有详细阐述[59, 66, 114, 115]。在此过程中，含还原剂和稳定剂的水溶液经辐射介导的辐射分解，形成NPs。辐照过程中水分子分解，生成瞬态产物，作为强氧化或还原剂将金属离子还原为中性金属原子，进而成核形成NPs。同步加速器X射线技术可实时监测胶体NPs的生长轨迹[116]。NPs合成的关键物理参数包括辐射剂量、体系pH和合成所用溶剂类型[117]。最近，辐射诱导合成用于生产吐温80稳定的AgNPs用于抗菌应用[118]。

微波诱导绿色合成方法

微波辅助合成也称为一锅法合成，涉及从盐和表面活性剂溶液合成NPs。这是一种高度可靠、快速简便的方法，支持对合成NPs形态的控制[2]。该方法基于偶极相互作用（分子倾向于排列并随微波振荡电场振荡，碰撞摩擦产生热量）和离子传导（电场产生离子运动，分子试图适应快速变化的场，引起瞬时过热）产生加热效应，导致金属离子还原为NPs[119, 120]。微波辐照时间和反应物浓度主要决定NPs的形态参数。最近，通过在合成不同阶段注入腐植酸多阴离子，控制了微波辅助合成制备的超顺磁性磁铁矿NPs的单分散性和晶粒尺寸等物理性质[121]。微波诱导电放电也用于在无溶剂或表面活性剂条件下从金属颗粒合成Cu、Ni和Zn纳米颗粒[122]。

绿色合成方法

化学合成中化学品的过度使用几乎危及NMNPs生物应用的未来。这促使人们探索化学品用量极少的生态方法。利用植物提取物、微生物和生物聚合物的绿色合成方法已被证明是替代化学NP合成方法的有力候选者（图2）[123]。得益于更简单环保的方法论，过去二十年相关出版物呈指数级增长[52, 124, 125]。

生物系统合成NMNPs

开发经济环保方法的探索导致了微生物作为纳米颗粒合成潜在候选者的研究[126, 127]。生物系统是原子和分子分层组织的杰出范例，吸引研究人员利用微生物作为纳米材料制备的潜在细胞工厂。原核生物（细菌）和真核生物（藻类、真菌和植物）均用于NPs的绿色合成[123]。

细菌合成纳米颗粒

反复暴露于金属丰富环境中的细菌常发展出对这些极端条件的抗性[128]。因此，原核生物成为生产纳米材料的自然选择。Klaus等人[129]利用从银矿分离的金属积累细菌Pseudomonas stutzeri AG259，制备了尺寸高达200 nm的胞内金属银纳米晶体。Shahverdi等人[130]首次报道了NPs的胞外合成，利用革兰氏阴性菌（Enterobacter cloacae、Escherichia coli和Klebsiella pneumonia）的各种培养上清液还原水溶性Ag⁺离子制备AgNPs。合成速率远快于胞内合成，Ag⁺离子遇到细胞滤液后5分钟内即完成AgNPs合成。微生物Bacillus licheniformis和Bacillus clausii产生的胞外还原酶将银离子还原为中性银，形成纳米级颗粒。这些微生物的蛋白质分析显示，NADH依赖性还原酶在银离子生物还原为银纳米颗粒中起关键作用。还原酶从NADH氧化为NAD⁺获取电子。氧化过程中酶也同时被氧化，导致银离子还原为AgNPs。某些情况下，硝酸盐依赖性还原酶也可参与生物还原[131,132,133]。此外，多种细菌菌株（革兰氏阴性和阳性），即A. calcoaceticus、B. amyloliquefaciens、B. flexus、B. megaterium和S. aureus，也被用于AgNPs的胞外和胞内生物合成[123]。同样，AuNPs和PtNPs也通过细菌对金和铂盐的积累和还原制备。B. licheniformis、B. megaterium、Delftia sp KCM-006.、Shewanella sp.、Stenotrophomonas maltophilia和Lactobacillus sp.是一些用于生产金纳米材料的细菌示例[134, 135]。此外，Shewanella sp.和Acinetobacter calcoaceticus PUCM 1011被用于制备PtNPs[136, 137]。虽然细菌介导合成在绿色性质和对颗粒形状尺寸控制（主要在胞外合成）方面很有前景，但存在操作困难和产率低等缺点。

真菌合成

近年来，利用真核微生物合成NMNPs已成为比原核生物更好的替代方案，因其具有高胞内金属摄取能力、能合成不同化学组成NPs、单位生物量产酶量大、实验室规模易于生物质处理等优势[131]。

一般来说，真菌因其金属生物累积能力、耐受性、高结合能力和胞内摄取（如细菌）具有合成金属NPs的潜力[127]。真菌采用胞内和胞外两种方法合成NPs，因能产生大量胞外酶将Ag⁺离子转化为纳米级银颗粒，胞外合成是最常报道的机制[138,139,140]。胞内合成中，Ag⁺离子通过酶中带负电羧基与带正电Ag⁺离子的静电相互作用吸附到细胞表面。Ag⁺离子随后被细胞壁酶还原形成AgNPs，此过程中NPs形成在菌丝表面而非溶液中。2001年，Mukherjee等人[141]首次报道利用Verticillium sp胞内制备AuNPs，四氯合金酸根中Au³⁺离子在真菌细胞内被还原，形成20 nm尺寸范围颗粒。Vahabi等人[142]利用Trichoderma reesei合成AgNPs，含生物量的培养基接种AgNO₃并孵育72小时，形成5-50 nm尺寸范围AgNPs。同样，Vigneshwaran团队[138]展示了从Aspergillus flavus胞内合成AgNPs，报告细胞壁酶主要负责还原，蛋白质负责稳定。尽管具有合成快、对合成颗粒尺寸形状控制更好等优势，但胞内过程在产物回收方面存在巨大劣势，使过程困难昂贵，因为NPs结合在细胞上。因此首选胞外合成。胞外合成使用无细胞肉汤/悬浮液进行合成，更环保且成本效益高。2016年，Balakumaran团队[143]利用Aspergillus terreus无细胞悬浮液合成Au和AgNPs，分别获得8-20 nm和10-50 nm尺寸范围的球形纳米颗粒。颗粒FTIR评估确认了蛋白质与NPs的结合。

藻类合成

藻类介导的NPs合成利用四种不同方法：(1) 从培养基特定生长阶段离心收获完整藻类细胞，直接分散至金属盐水溶液；(2) 新鲜收获或冻干细胞制备的无细胞水提取物；(3) 研磨的新鲜或干燥藻类的水提取滤液或上清液；(4) 藻类肉汤的水滤液。提取物介导合成是最常报道的藻类合成机制[131, 144]。Hosea等人利用Chlorella vulgaris干细胞悬浮液观察到元素金以AuNPs形式（9-20 nm）累积，并报告金浓度随时间增加，证明藻类细胞能摄取并还原四氯合金酸中的金离子[145]。Velgosova等人[146]报道从绿藻Parachlorella kessleri水提取物合成高稳定性AgNPs，合成颗粒尺寸约20 nm，一年以上表现出优异稳定性。其他藻类如Pithophora oedogonia、Sargassum wightii和Plectonema boryanum分别成功用于构建Ag、Au和PtNPs[147,148,149]。

植物合成

植物和植物提取物介导合成是最常报道的合成方法[123, 135, 150]。这种合成称为植物合成。该方法主要优势是产物易于回收。2003年，Gardea-Torresdey团队首次阐述利用活植物系统（苜蓿芽Medicago sativa，琼脂培养基）合成金属纳米颗粒（AgNPs）。根部倾向于从培养基吸收Ag并以相同氧化态沿芽运输，在芽中Ag原子进一步排列形成AgNPs。同样，另一研究利用苜蓿植物分泌组将Au⁺还原为Au⁰，遵循类似程序制备AuNPs[151]。植物提取物介导合成利用植物组分（叶、茎、根、芽、花、树皮和种子）提取物合成NPs，主要优势是提取物同时充当还原剂和稳定剂[152]。该方法被证明是生产长期稳定性纳米颗粒最具成本效益和用户友好的方法。该方法也便于单金属和双金属颗粒合成。2016年，Balashanmugam团队展示了从Cassia roxburghii水提取物植源合成AgNPs。合成AgNPs尺寸约35 nm，一年以上表现出优异稳定性。Shankar等人[153]成功利用印楝（Azadirachta indica）叶提取物制备银、金和双金属Au/Ag核壳NPs。多种植物提取物（树皮、叶、果实和胶）被多位研究者用于生产各种NMNPs[153,154,155]。目前，光诱导纳米颗粒备受关注，因为该工艺在混合物暴露于阳光下时促进更快合成。Kumar等人[156]利用Erigeron Bonariensis水提取物合成银纳米颗粒，获得球形和椭圆形AgNPs，尺寸范围13 nm（TEM尺寸）。该合成的关键参数是光照时间和反应体系中植物提取物浓度。

结论

已开发出多种物理、化学和生物方法用于NPs合成。所有这些工艺根据纳米产品的效用和适用性被广泛使用。然而，每种现有协议都存在特定缺陷，且大多数工艺无法放大至大规模生产。因此，开发替代工艺制备具有可控可调性质的NPs仍是一个公开挑战。

缩略语

NM:

贵金属

NPs:

纳米颗粒

NMNPs:

贵金属纳米颗粒

AuNPs:

金纳米颗粒

AgNPs:

银纳米颗粒

PtNPs:

铂纳米颗粒

NMNCs:

贵金属复合材料

PVD:

物理气相沉积

SDS:

十二烷基硫酸钠

PVP:

聚乙烯吡咯烷酮

PEG:

聚乙二醇

AuCl₃:

氯化金

NADH:

烟酰胺腺嘌呤二核苷酸

TEM:

透射电子显微镜