宏观块材金是一种贵金属，其性质由其金属键和电子结构决定。

• 高导电导热性: 作为一种典型的金属，块材金具有极高的电导率和热导率。
• 化学惰性: 金是所有金属中化学性质最不活泼的之一，在常规环境下不被氧化，耐大多数酸的腐蚀。
• 延展性: 金是延展性最好的金属，可以被锤成极薄的金箔。

金纳米棒的独特性质完全来自于其各向异性的形貌，这使其局域表面等离激元共振（LSPR）效应相比球形颗粒发生了质的飞跃。

• 双LSPR吸收峰: 这是金纳米棒最核心、最显著的特征。由于形状的非对称性，其表面的自由电子存在两种集体振荡模式：
  • 横向等离激元共振 (TSPR): 电子沿纳米棒短轴方向的振荡，通常位于可见光区的~520 nm处，强度较弱。
  • 纵向等离激元共振 (LSPR): 电子沿纳米棒长轴方向的振荡，强度极强，是其主要光学特征。
• 长径比依赖的光学可调谐性: 纵向LSPR峰的共振波长极其敏感地依赖于纳米棒的长径比（Aspect Ratio, 长度/宽度）。通过精确地调控长径比，可以方便地将其LSPR峰从可见光区（~600 nm）一直调谐到对生物组织穿透性极佳的近红外（NIR）区域（>1200 nm）。这是金纳米棒在生物医学领域应用如此广泛的根本原因。
• 巨大的尖端电场增强: LSPR共振时，巨大的局域电场会高度集中在纳米棒的两个尖端，形成“热点”，其场增强效应远超球形颗粒。这使其成为一种性能卓越的表面增强拉曼散射 (SERS) 基底。
• 高效的近红外光热转换: 当使用近红外激光激发其纵向LSPR时，金纳米棒会高效地将吸收的光能转化为热量，使其成为一种近乎完美的纳米热源，是光热治疗 (PTT) 的核心材料。

对于金纳米棒，通过与其他材料复合构建核-壳结构或异质结构，是进一步拓展其功能、优化其性能的主要策略。

目标: 在金纳米棒（核）的表面精确地包覆上另一种材料（壳），以提高稳定性、引入新功能或优化光学特性。

• 金纳米棒@二氧化硅 (AuNR@SiO₂): 在金纳米棒表面包覆一层厚度可控的二氧化硅壳。这层壳可以：1) 极大地提高其热稳定性，防止其在激光照射下熔融变形；2) 提供一个化学惰性且易于功能化的表面，用于连接各种生物分子；3) 精确地调控其LSPR峰位。
• 金纳米棒@银 (AuNR@Ag): 在金纳米棒表面包覆一层银壳，可以显著增强其表面增强拉曼散射 (SERS) 效应，获得更高的检测灵敏度。

目标: 利用金纳米棒的尖端具有高化学活性的特点，选择性地在其尖端生长上另一种功能材料，形成“哑铃状”的异质结构。

• 金-铂/钯 (Au-Pt/Pd) 纳米哑铃: 通过控制反应条件，可以将铂(Pt)或钯(Pd)等催化活性金属选择性地沉积在金纳米棒的两个尖端。这样既保留了金纳米棒的光学特性，又引入了高催化活性的位点，可用于构建光热协同催化体系。

与金纳米颗粒类似，金纳米棒在纳米尺度下也展现出优异的催化性能。其独特的形貌和光学特性进一步赋予了其在催化领域的新机遇。

• 高指数晶面与尖端效应: 金纳米棒的表面（特别是两个尖端）富含高能量、高活性的高指数晶面和低配位数原子。这些位点被认为是催化反应的活性中心，因此金纳米棒在很多反应中（如选择性氧化、还原）表现出比球形颗粒更高的催化活性。

这是金纳米棒在催化领域最前沿、最独特的应用，旨在利用其LSPR效应来驱动或加速化学反应。

• 光热效应: 利用金纳米棒在光照下产生的局部高温（可达数百摄氏度），可以直接为催化反应提供能量，替代传统的高能耗外部加热。这是一种高效、节能的“绿色”催化模式。
• 热电子注入: LSPR衰变产生的“热电子”具有很高的能量，可以直接注入到吸附在金表面的反应物分子的反键轨道上，从而活化化学键、降低反应能垒，实现传统热催化难以实现的反应路径。

金纳米棒（AuNRs）可调谐的近红外LSPR特性和巨大的尖端电场增强效应，使其成为用于深层组织成像和超灵敏检测的理想探针。

• 光声成像 (PAI) 造影剂: 这是AuNRs在生物成像中最重要、最有优势的应用。
  • 原理: AuNRs在近红外“生物窗口”区域具有极强的光吸收。当脉冲激光照射时，富集在组织深处的AuNRs吸收光能并瞬时产热，引起周围组织的热弹性膨胀并产生可被检测的超声波信号。
  • 优势: 光声成像结合了光学成像的高对比度和超声成像的深穿透深度，可以实现对活体动物体内深层组织（如肿瘤、血管）的高分辨率、高信噪比成像。AuNRs是目前性能最好的PAI造影剂之一。
• 双光子荧光成像: 尽管金的荧光量子产率很低，但它具有可观的双光子吸收截面。利用这一点，可以通过双光子显微镜对AuNRs进行深层组织成像。

• 表面增强拉曼散射 (SERS): AuNRs两个尖端产生的巨大“热点”效应，使其成为性能卓越的SERS基底。通过在其表面修饰特异性识别分子（如抗体、核酸适配体），可以构建出能够检测痕量甚至单个目标分子的SERS探针，用于癌症标志物、病毒、农药残留等的超灵敏检测。

金纳米棒（AuNRs）是纳米医学领域中研究最深入、应用最广泛的诊疗一体化平台之一，其核心应用是基于其高效的近红外光热转换效应。

这是AuNRs在癌症治疗中最具革命性的应用。

• 原理:
  1. 将表面经过PEG化和靶向修饰的AuNRs通过静脉注射，利用EPR效应和主动靶向使其在肿瘤部位高效富集。
  2. 使用低功率的近红外激光（其波长与AuNRs的纵向LSPR峰匹配）照射肿瘤区域。激光可以无害地穿透数厘米厚的正常组织。
  3. 肿瘤内的AuNRs吸收光能并高效地将其转化为热量，使肿瘤局部温度在几分钟内快速升高至42-50°C，从而选择性地、精准地烧蚀癌细胞，而对周围正常组织损伤极小。

利用PTT产生的局部高温，可以实现药物的时空精准释放。

• 原理: 将化疗药物通过一种热敏感的化学键或包裹在一个热敏感的聚合物壳中，连接到AuNRs的表面。在正常体温下，药物被牢固地锁住。只有当近红外激光照射、AuNRs产热时，局部的高温才会导致化学键断裂或聚合物壳坍塌，从而在肿瘤部位原位释放药物。这种策略可以实现光热-化疗协同治疗，极大地提高疗效并降低毒副作用。

与金纳米颗粒一样，AuNRs的高原子序数使其能够作为一种高效的放疗增敏剂，在放疗时增强对肿瘤细胞的杀伤效果。

金纳米棒（AuNRs）的生物安全性是其临床转化的关键。其毒性评估不仅要考虑金核本身，更要重点关注其表面配体和形貌的影响。

• CTAB的细胞毒性: 这是AuNRs毒理学评估中最核心、最需要关注的问题。AuNRs的标准合成方法中使用的形状导向剂——十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）——是一种阳离子表面活性剂，具有很强的细胞毒性，它会破坏细胞膜的完整性。因此，用于任何生物应用的AuNRs，都**必须**通过充分的纯化（如多次离心）或表面配体交换，将残留的CTAB去除或用生物相容的配体（如PEG）覆盖。

• 不可生物降解: 与金纳米颗粒一样，AuNRs在体内是不可生物降解的，存在长期蓄积于肝、脾等器官的风险。
• 形状对清除的影响: AuNRs的棒状形态可能会影响其在体内的清除动力学。如何设计能够被机体有效清除（如通过肾脏或肝胆系统）的AuNRs，是当前研究的一个热点和难点。

• 热损伤评估: 在进行光热治疗时，必须精确控制激光功率和照射时间，以确保产生的热量能够杀死癌细胞，同时又不会对肿瘤周围的关键正常组织（如大血管、神经）造成不可逆的损伤。

高质量、单分散的金纳米棒的合成，几乎完全依赖于一种精巧的多步策略——种子介导生长法。

这是制备各向异性金纳米结构（特别是金纳米棒）最核心、最主要的方法。

• 原理:
  1. 晶种制备: 首先，使用强还原剂（如冰冷的硼氢化钠）快速还原氯金酸，制备出尺寸极小（~2-4 nm）、表面包裹有柠檬酸根或CTAB的球形金纳米颗粒。这些颗粒将作为后续各向异性生长的“晶种”。
  2. 生长液制备: 在一个独立的烧杯中，配制含有大量金盐（HAuCl₄）、一种弱还原剂（通常是抗坏血酸, AA）、少量硝酸银（AgNO₃）和一种形状导向剂（最常用的是十六烷基三甲基溴化铵, CTAB）的生长液。
  3. 生长: 将微量的晶种溶液快速注入到无色的生长液中并静置。晶种作为成核中心，金离子在弱还原剂的作用下缓慢地在其表面还原、沉积。在这个过程中：
     • CTAB分子会自组装成棒状胶束，并与Au⁺和Br⁻形成复合物，选择性地吸附在金晶体的{110}和{100}等侧面晶面上，抑制这些晶面的生长。
     • Ag⁺离子会欠电位沉积在{110}和{100}晶面上，进一步强化了CTAB的吸附和抑制作用。
     • 最终，金原子只能沿着未被完全覆盖的[100]方向快速生长，从而形成一维的棒状结构。
• 长径比调控: 通过精确地调控生长液中晶种的用量、硝酸银的浓度和pH值等参数，可以方便地控制金纳米棒的最终长径比，从而实现对其LSPR峰位在近红外区的精确调谐。

对金纳米棒（AuNRs）的精确表征是理解和应用其独特光学性质的基础。对其光学光谱和各向异性形貌的表征尤为重要。

• LSPR吸收光谱: 紫外-可见-近红外吸收光谱 (UV-Vis-NIR) 是表征AuNRs**最重要、最快捷**的技术。
  • 双峰特征: 一份高质量的AuNRs样品的光谱必须包含两个清晰可辨的LSPR峰：位于~520 nm附近的横向峰 (TSPR) 和位于更长波长（通常在600-1200 nm）的纵向峰 (LSPR)。
  • 纵向峰位: 纵向LSPR峰的峰位直接反映了纳米棒的平均长径比，是评价其是否适用于近红外应用（如PTT）的核心参数。
  • 峰形与纯度: 纵向峰的半峰宽反映了长径比分布的均一性。横向峰与纵向峰的强度比值可以粗略地评估样品中副产物（如球形颗粒）的含量。

• 形貌、尺寸与长径比: 透射电子显微镜 (TEM) 是直接观察AuNRs形貌的金标准。通过统计大量的TEM照片，可以得到精确的长度分布、宽度分布和长径比分布，并判断样品中是否存在球、立方体等杂质。
• 晶体结构: X射线衍射 (XRD)。用于确认AuNRs为面心立方（FCC）的晶体结构。

• 表面电荷: Zeta电位。用于测量颗粒表面的电荷情况。由CTAB稳定的AuNRs表面包裹着双电层，通常带很强的正电荷（如+40 mV），这是其在水中稳定分散的原因。

金纳米棒的表面工程是其从实验室走向生物医学应用最关键的一步。其核心任务是**去除有毒的CTAB配体**，并代之以生物相容的功能性分子。

由于CTAB具有强细胞毒性，因此对其进行替换是所有后续功能化的前提。

• 方法:
  • 离心洗涤: 通过多次高速离心-重分散的步骤，可以去除大部分物理吸附在CTAB双电层外层的CTAB分子，但这通常无法完全去除紧密结合的内层。
  • 配体交换: 这是最彻底、最常用的方法。利用硫醇化学，将AuNRs与过量的、功能化的硫醇配体（如PEG-SH, MUA）混合孵育。由于Au-S键的强度远高于Au-Br（CTAB）的相互作用，硫醇配体可以不可逆地取代CTAB，从而实现表面化学性质的彻底改变。

• 聚乙二醇化 (PEGylation): 这是金纳米棒生物应用中必不可少的一步。通过配体交换将末端带有硫醇基的聚乙二醇（PEG-SH）链连接到AuNRs表面。PEG层可以：1) 赋予AuNRs优异的生理环境稳定性；2) 有效“屏蔽”金表面，阻止蛋白吸附，躲避免疫系统清除，实现长循环；3) 显著降低其细胞毒性。
• 生物偶联 (Bioconjugation): 在PEG链的另一端可以预留活性基团（如-COOH, -NH₂, -N₃）。利用这些活性基团，可以通过成熟的偶联化学，进一步将抗体、多肽、核酸（Aptamer）等生物识别分子连接上去，从而赋予AuNRs主动靶向特定肿瘤细胞的能力，进一步提高治疗的精准性。