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。

金纳米星的独特性质完全来自于其多分支、尖端锋利的星状形貌，这使其局域表面等离激元共振（LSPR）效应达到了极致。

• “避雷针”效应与巨大的电磁场增强: 这是金纳米星最核心、最显著的特征。其锋利的尖端具有极小的曲率半径，在光场作用下，会产生强大的“避雷针”效应，将电磁场能量高度束缚和集中在尖端区域，形成强度极高的“热点” (Hot Spots)。这种电磁场增强效应远超球形或棒状颗粒，使其成为目前已知的性能最强的表面增强拉曼散射 (SERS) 基底之一。
• 高度可调谐的近红外LSPR: 金纳米星的LSPR主要由其分支尖端的等离激元杂化耦合决定。其共振波长极其敏感地依赖于核的尺寸、分支的数量、长度和尖锐度。通过精确调控这些参数，可以方便地将其LSPR峰从可见光区（~600 nm）一直调谐到第一近红外（NIR-I, 700-900 nm）甚至第二近红外（NIR-II, 1000-1700 nm）窗口。NIR-II窗口的光在生物组织中具有更低的散射和自发荧光，穿透深度更深，因此金纳米星是用于深层组织成像和治疗的理想材料。
• 极高的光热转换效率: 由于在近红外区具有极强的吸收截面，金纳米星是一种极其高效的纳米热源，其光热转换效率通常优于相同LSPR峰位的金纳米棒。

对于金纳米星，通过与其他材料复合构建核-壳结构或异质结构，是进一步稳定其结构、优化其性能的主要策略。

目标: 在金纳米星（核）的表面精确地包覆上另一种材料（壳），以钝化尖端、提高稳定性并引入新功能。

• 金纳米星@二氧化硅 (AuNS@SiO₂): 在金纳米星表面包覆一层厚度可控的二氧化硅壳。这层壳可以：1) 钝化和保护其锋利且高活性的尖端，防止其在复杂生理环境中发生形变或被腐蚀，从而提高其胶体和光学稳定性；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) 作为一个间隔层，精确调控其SERS效应。
• 金纳米星@聚合物: 利用各种功能性聚合物（如聚多巴胺PDA）对金纳米星进行包覆，可以提高其生物相容性，并方便地负载化疗药物，用于构建多功能诊疗平台。

金纳米星因其独特的形貌，被认为是所有金纳米结构中催化活性最高的材料之一。

• 高密度活性位点: 金纳米星的多个分支和锋利尖端，使其表面富含大量的低配位数原子（如角、边、台阶原子）。这些原子具有很高的表面能和不饱和的化学键，被认为是催化反应的活性中心。因此，金纳米星在很多反应中（如硝基苯酚还原、醇类氧化）表现出比球形或棒状颗粒高得多的催化活性。

金纳米星强大的LSPR效应使其在光催化领域具有无与伦比的优势。

• 高效的光能捕获与转换: 金纳米星可以像一个高效的“纳米天线”，捕获光子能量，并通过光热效应或热电子注入两种途径来驱动或加速化学反应。其极高的光热转换效率和巨大的电磁场增强效应，使得这两个过程的效率都远高于其他形貌的金纳米颗粒。这使其在太阳能驱动的化学合成和环境净化等领域具有巨大潜力。

金纳米星（AuNSs）是目前已知的性能最强大的等离激元纳米探针之一，其在生物传感和成像领域的应用主要集中于实现极致的灵敏度和更深的组织穿透。

• 表面增强拉曼散射 (SERS) “王者”: 这是AuNSs在传感领域最核心、最强大的应用。
  • 原理: AuNSs锋利尖端产生的巨大“避雷针”效应，可以将其附近分子的拉曼散射信号放大超过10¹⁰倍，稳定地实现单分子检测。
  • 应用: 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血清中痕量癌症标志物、病毒核酸、细菌等的SERS探针，其灵敏度远超传统的ELISA等方法。

• 第二近红外（NIR-II）光声成像 (PAI) 造影剂: AuNSs的LSPR峰可以被方便地调谐到NIR-II窗口（1000-1700 nm）。相比于NIR-I窗口，NIR-II的光在生物组织中具有更低的散射、可忽略的自发荧光和更深的穿透深度。因此，AuNSs是用于实现高分辨率、高信噪比、深层组织（如脑部血管、深部肿瘤）光声成像的理想造影剂。

金纳米星（AuNSs）因其无与伦比的光热转换效率，被认为是用于肿瘤光热治疗（PTT）的“终极武器”之一。

AuNSs在PTT领域的优势在于其极高的光热转换效率和在NIR-II窗口的工作能力。

• 原理:
  1. 将LSPR峰位于近红外窗口的AuNSs通过静脉注射，使其在肿瘤部位富集。
  2. 使用匹配的、低功率密度的近红外激光照射肿瘤区域。
  3. AuNSs吸收光能并以极高的效率将其转化为热量，使肿瘤局部温度快速升高，从而选择性地、精准地烧蚀癌细胞。
• 核心优势:
  • 高光热转换效率: AuNSs的光热转换效率可高达90%以上，这意味着可以用更低的激光功率达到同样的治疗效果，从而降低对正常组织的潜在损伤。
  • NIR-II窗口治疗: 利用NIR-II窗口的AuNSs进行PTT，可以治疗更深部位的肿瘤，这是金纳米棒等传统PTT试剂难以实现的。

AuNSs强大的成像和治疗功能使其成为构建诊疗一体化（Theranostics）平台的完美选择。同一个AuNSs探针，可以首先通过光声成像或SERS成像**精确定位**肿瘤的位置和边界，然后用同一束激光、或切换到更高功率，**原位启动**光热治疗，实现诊断与治疗的完美结合。

金纳米星（AuNSs）的生物安全性评估比球形或棒状颗粒更为复杂，其核心顾虑在于其锋利的尖端可能带来的额外物理损伤。

• 尖端的物理损伤风险: AuNSs的多个锋利尖端，在与细胞膜相互作用时，可能会像“海胆”一样，通过物理穿刺的方式破坏细胞膜的完整性，导致细胞内容物泄漏和细胞死亡。这种机械损伤是其区别于光滑表面纳米颗粒的独特毒性机制。
• 尖端的化学反应性: 尖端富含的低配位数原子不仅催化活性高，化学反应性也高。这可能导致它们更容易与生物分子（如含硫蛋白）发生非预期的相互作用，或在细胞内酸性/氧化性环境下更容易发生微量的降解。

• 生物持久性: 与所有金纳米材料一样，AuNSs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。
• 表面配体毒性: 许多AuNSs的合成方法（如种子法）同样会使用具有细胞毒性的CTAB，因此在使用前必须被充分地去除或替换。

通过表面工程，特别是用二氧化硅或PEG进行包覆，可以有效地“钝化”其锋利的尖端，在保留其核心光学特性的同时，显著降低其物理损伤风险，提高其生物相容性。

金纳米星的合成通常依赖于对各向异性生长的精确控制，旨在从一个各向同性的核上生长出多个分支。

这是制备高质量金纳米星最常用的方法，是金纳米棒合成方法的延伸和演变。

• 原理:
  1. 晶种制备: 首先，制备出尺寸均一的球形金纳米颗粒作为“晶种”（核）。
  2. 生长液制备与生长: 将晶种注入到含有大量金盐、一种弱还原剂（通常是抗坏血酸, AA）和一种形貌控制剂的生长液中。与金纳米棒不同的是：
     • 通常不使用或使用极低浓度的CTAB，而是使用PVP或不使用表面活性剂。
     • 银离子（Ag⁺）在这里扮演了至关重要的角色。Ag⁺会选择性地沉积在金晶种的{100}晶面上，抑制这些面的生长，从而迫使金原子在未被覆盖的{111}晶面顶点处优先沉积，最终从顶点处生长出多个分支，形成星状结构。
     • 通过精确调控pH值和银离子的浓度，可以精细地控制分支的数量、长度和尖锐度。

一些简便的一锅法也被开发出来，特别是一种广受欢迎的“绿色”合成法。

• HEPES缓冲液法: 在室温下，将氯金酸（HAuCl₄）直接加入到生物缓冲液HEPES中。HEPES分子在这里扮演了多重角色：它既是一种温和的还原剂，能将Au³⁺还原，又是一种稳定剂和形貌导向剂，能引导金纳米星的形成。这种方法无需额外添加任何有毒的表面活性剂，操作极其简便。

对金纳米星（AuNSs）的精确表征是理解和应用其强大光学性质的基础。对其光学光谱和复杂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AuNSs**最重要、最快捷**的技术。
  • 宽的近红外吸收峰: AuNSs的光谱特征是一个从可见光区延伸至近红外区的非常宽阔且强烈的吸收带。其峰位直接反映了分支的长度和尖锐度，是评价其是否适用于近红外应用（如PTT, PAI）的核心参数。
  • 峰形与均一性: 吸收峰的平滑程度和主要峰位的明确性，可以反映样品形貌的均一性。

• 形貌与尺寸: 透射电子显微镜 (TEM) 和 扫描电子显微镜 (SEM) 是直接观察AuNSs星状形貌的金标准。通过TEM和SEM照片，可以得到关于核的尺寸、分支的数量、长度、宽度和尖锐度等关键的结构信息。
• 晶体结构: X射线衍射 (XRD)。用于确认AuNSs为面心立方（FCC）的晶体结构。

• 拉曼光谱: 将AuNSs与一种或多种拉曼探针分子（如罗丹明6G, 4-MBA）混合，通过测量其拉曼光谱，可以评估其SERS增强效果。通过计算增强因子（Enhancement Factor, EF），可以定量地比较不同AuNSs样品的SERS性能。

金纳米星的表面工程极具挑战性，也至关重要。其核心任务是在保留其优异光学特性的同时，**钝化其高活性的尖端**，提高其稳定性并实现生物相容性。

AuNSs的锋利尖端在带来优异性能的同时，也使其热力学上不稳定，容易在储存或应用中发生形变而导致性能衰减。

• 二氧化硅包覆: 在AuNSs表面包覆一层超薄的二氧化硅（SiO₂）壳，是提高其稳定性的最有效方法之一。SiO₂壳可以物理性地保护其尖端结构，防止其在加热或复杂介质中发生重构，同时提供了一个易于功能化的表面。
• 致密的硫醇自组装单层膜 (SAMs): 利用硫醇化学，在AuNSs表面形成一层致密的PEG-SH等配体层，也可以在一定程度上钝化其尖端，提高其胶体稳定性。

• 聚乙二醇化 (PEGylation): 这是金纳米星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AuNSs表面。PEG层可以：1) 赋予AuNSs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（特别是尖端相关的）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AuNSs主动靶向特定肿瘤细胞的能力，进一步提高治疗和诊断的精准性。