宏观块材金铜合金（如K金）是一种历史悠久的贵金属材料，其性质随组分变化。

• 可调的颜色与硬度: 铜的加入可以改变金的颜色（从黄色变为玫瑰金色）并显著提高其硬度和耐磨性。
• 可调的化学稳定性: 金的加入显著提高了铜的抗氧化和抗腐蚀能力。

当金和铜在纳米尺度形成合金时，其性质并非两种金属的简单加和，而是涌现出独特的、可通过组分精确调控的协同效应。

• 组分可调的LSPR: 这是金铜合金纳米颗粒最核心的特性。其LSPR吸收峰的位置可以通过精确地调控金铜摩尔比，在纯铜（~570 nm）和纯金（~520 nm）之间连续可调。这为比色传感和光学标签的设计提供了极大的灵活性。
• 协同增强的催化性能: 由于金和铜原子在合金表面的协同作用（电子效应和系综效应），Au-Cu合金纳米颗粒在许多催化反应中（如CO₂还原、选择性氧化）表现出比纯金或纯铜高得多的催化活性和选择性。
• 相变与有序结构: 与FePt类似，Au-Cu合金也存在有序-无序相变。通过高温退火，化学无序的A1相可以转变为化学有序的L1₀（AuCu）或L1₂（AuCu₃, Au₃Cu）相。这种有序化会显著影响其催化和光学性质。

对于金铜合金，其功能拓展主要通过引入第三种金属形成三元合金或构建更复杂的核-壳结构来实现。

目标: 将第三种金属原子（如Pd, Ag）引入金铜合金晶格中，形成三元合金纳米颗粒，以引入全新的催化功能或进一步调控光学特性。

• Au-Cu-Pd: 将具有优异加氢或C-C偶联活性的钯（Pd）引入，可以获得兼具高催化活性、高稳定性和低成本的多功能催化剂。

目标: 利用廉价的铜纳米颗粒作为核，在其表面精确地包覆上一层金壳，或反之。

• 铜@金 (Cu@Au): 在铜核表面包覆一层化学惰性的金壳，可以有效地保护铜核不被氧化，从而获得一种稳定的、低成本的导电或光学材料。

金铜合金纳米颗粒是一种极具潜力的低成本、高活性催化剂，其核心优势在于协同催化效应和独特的产物选择性。

这是Au-Cu纳米催化剂最重要的应用之一，旨在结合金和铜的优点。

• 协同效应: 纯铜可以将CO₂深度还原为多碳产物（如乙烯、乙醇），但需要很高的过电位；纯金只能将CO₂还原为CO。Au-Cu合金催化剂可以在更低的过电位下，高选择性地将CO₂转化为多碳产物。金的引入被认为可以稳定关键的反应中间体，从而促进C-C键的形成。

• 协同催化: Au-Cu合金纳米颗粒在醇类、苯乙烯等分子的选择性氧化反应中，以及在炔烃的选择性加氢反应中，都表现出比纯金或纯铜高得多的催化活性和对目标产物更高的选择性。

金铜合金纳米颗粒（Au-Cu NPs）凭借其可调的光学特性和优异的稳定性，在生物传感和成像领域是一种极具吸引力的多功能探针。

• 原理: Au-Cu NPs的LSPR峰位可以通过组分精确调控，这为设计多色生物传感器提供了可能。其颜色同样对其聚集状态和周围介质的折射率敏感，可用于构建检测DNA、蛋白质、金属离子等的比色传感器。
• 优势: 相比于纯银，Au-Cu合金具有高得多的化学稳定性；相比于纯金，其成本更低。

• 光声成像 (PAI) / 光热成像 (PTI): 通过将Au-Cu合金制备成棒状、笼状等各向异性结构，同样可以使其LSPR峰红移至近红外区，用于深层组织的光声成像和光热成像。

金铜合金纳米颗粒（Au-Cu NPs）在治疗领域的核心应用是其作为一种兼具高稳定性与高效杀菌能力的纳米抗菌剂，以及一种高效的光热治疗剂。

Au-Cu NPs旨在结合铜的广谱抗菌性和金的生物惰性，以期获得一种更安全、更长效的抗菌材料。

• 协同抗菌机理:
  1. 铜离子（Cu²⁺）释放: 合金中的铜组分仍然可以缓慢氧化并释放出具有强生物活性的Cu²⁺。
  2. 活性氧（ROS）生成: 合金表面可以催化产生活性氧，对细菌造成氧化损伤。
  3. 稳定性与长效性: 合金中金的存在可以钝化铜的表面，减缓铜离子的释放速率，从而在降低其对正常细胞的急性毒性的同时，实现更长效的抗菌效果。

通过将Au-Cu合金制备成LSPR峰位于近红外区的纳米结构，可以作为一种低成本、高效率的光热治疗剂，用于肿瘤的烧蚀治疗。

金铜合金纳米颗粒（Au-Cu NPs）的生物安全性是一个需要综合评估的复杂问题，其毒性主要来自于其铜组分的离子释放。

• 核心毒性机制: Au-Cu NPs对哺乳动物细胞的毒性，主要来自于其在生理环境中铜组分的缓慢氧化溶解并释放出的铜离子（Cu²⁺）。Cu²⁺具有很强的细胞毒性，能够诱导剧烈的氧化应激。
• 金的减毒效应: 这是Au-Cu合金相比于纯CuNPs的一个潜在优势。合金中金的存在可以提高颗粒的整体电化学电位，从而抑制铜的氧化和离子释放。因此，在相同尺寸下，Au-Cu合金的细胞毒性通常低于纯铜纳米颗粒。

• 生物持久性: Au-Cu NPs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。

高质量、组分均一的金铜合金纳米颗粒的合成，其核心在于确保金和铜两种前驱体能够同步还原并均匀混合，同时必须防止铜的氧化。

这是制备金铜合金纳米颗粒最核心、最主流的方法。

• 原理:
  1. 反应体系: 在水溶液或有机溶剂中，将金的前驱体（通常是HAuCl₄）和铜的前驱体（通常是CuCl₂或Cu(acac)₂）按照预设的摩尔比预先混合。
  2. 惰性气氛保护: 为了防止铜在反应过程中被氧化，整个反应过程通常需要在惰性气氛（如氮气N₂或氩气Ar）的保护下进行。
  3. 同步还原: 将一种还原剂（如柠檬酸钠、NaBH₄或油胺）加入到混合盐溶液中，同时将金离子和铜离子同步还原为金属原子。
  4. 合金形成: 由于金和铜的晶格结构相同（FCC）且晶格常数相近，新生成的金原子和铜原子会倾向于共结晶，形成一个均一的固溶体，即合金。
  5. 稳定剂: 反应中通常需要加入稳定剂（如柠檬酸钠、PVP、油胺），以控制尺寸并防止颗粒团聚。
• 组分调控: 通过精确地调控初始溶液中金盐和铜盐的摩尔比，可以方便地控制最终合金纳米颗粒的元素组成。

对金铜合金纳米颗粒（Au-Cu NPs）的精确表征是确认其合金结构和独特光学/催化性质的关键。对其光学光谱和元素分布的表征尤为重要。

• LSPR吸收光谱: 紫外-可见吸收光谱 (UV-Vis) 是判断是否成功形成合金的最重要、最快捷的初步证据。
  • 单一LSPR峰: 一份高质量的Au-Cu合金样品的光谱必须只包含一个LSPR吸收峰。如果光谱中出现两个独立的峰，则说明产物是金和铜纳米颗粒的物理混合物。
  • 峰位与组分的关系: 该单一LSPR峰的位置应该位于纯金（~520 nm）和纯铜（~570 nm）之间，并随着组分变化而系统性地移动。
• 元素组成与分布: 配备有能量色散X射线谱(EDX)的透射电子显微镜 (TEM-EDX) 是确认合金结构的金标准。
  • 元素映射 (Mapping): 通过对单个纳米颗粒进行EDX元素映射分析，可以直观地看到金和铜两种元素是否在整个颗粒中均匀分布。
• 晶体结构: X射线衍射 (XRD)。用于确认Au-Cu合金为面心立方（FCC）的晶体结构。其衍射峰的位置应该位于纯金和纯铜的衍射峰之间，并基本符合维加德定律（Vegard's law）。对于有序相，还会出现额外的超晶格衍射峰。

金铜合金纳米颗粒的表面工程是其实现稳定应用的前提，其核心任务是防止铜的氧化/浸出和提高生物相容性。

在金铜合金纳米颗粒表面包覆一层致密的保护壳，是解决其氧化和离子浸出问题的最有效策略。

• 贵金属包覆: 在Au-Cu核表面包覆一层薄薄的金（Au）或铂（Pt）壳，可以有效地保护其不被氧化，同时赋予其更优异的催化或光学特性。
• 碳/石墨烯包覆: 在Au-Cu纳米颗粒表面包覆一层石墨烯或非晶碳。这层碳壳不仅能提供优异的化学保护，而且本身导电、生物相容性好。

• 硫醇化学: 利用金/铜与硫之间可以形成稳定的金属-硫键，将末端带有硫醇基的聚乙二醇（PEG-SH）等分子连接到Au-Cu NPs表面，可以极大地提高其在生理环境中的稳定性和生物相容性，并降低其细胞毒性。