[发明专利]具有可控的表面修饰与功能化的稳定的胶体金纳米颗粒

说明书

技术领域

本发明涉及用于自顶向下制造稳定的胶体金纳米颗粒的方法和通过所述方法制备的稳定的胶体金纳米颗粒的表面修饰和/或功能化。

背景技术

胶体金是金纳米颗粒在分散介质中的分散体，所述分散介质通常为水但还可使用如下面所讨论的其它介质。由于其独特的物理、化学和表面性质如：（i）取决于尺寸和形状的强烈光学消光和散射，其从紫外辐射（UV）波长一直到近红外（NIR）波长为可调的；（ii）用于与功能性配体缀合的大表面区；和（iii）在体内很少或没有长期毒性或其它不利的影响，使它们在生命系统中接受程度高，因此一个世纪以来金纳米颗粒已经吸引了科学家的大量兴趣。胶体金纳米颗粒，在本说明书和权利要求书中也称为金纳米胶体，现正被广泛研究其在各种各样的生物和医学应用中潜在的用途。应用包括作为成像剂、感应剂、基因调节剂、定向给药载体和在光响应性疗法中的使用。在胶体金用于应用前，这些应用中的大部分需要胶体金经历表面修饰（在本发明的说明书和权利要求中也称为表面功能化）。

目前，通过使用标准的湿化学柠檬酸钠还原四氯金酸（HAuCl₄）方法制备绝大部分的金纳米胶体。这种方法导致合成了用带负电荷的柠檬酸根离子封盖（capped）或覆盖的具有5-200nm直径的球形金纳米颗粒。通过提供静电斥力，柠檬酸根离子封盖防止了纳米颗粒聚集。一旦形成并且在它们用于生物和医学应用前，就通常通过功能性配体分子与纳米颗粒的表面的缀合，用柠檬酸钠封盖的金纳米颗粒必须经历进一步的表面功能化。

用于形成胶体金的其它湿化学方法包括Brust法、Perrault法和Martin法。Brust法依赖于氯金酸与甲苯中的四辛基溴化铵和硼氢化钠的反应。Perrault法使用氢醌来还原包含金纳米颗粒种子（seed）的溶液中的HAuCl₄。Martin法利用由NaBH₄还原水中的HAuCl₄，其中稳定剂HCl和NaOH以精确比例存在。所有的湿化学方法都依赖于首先用强酸将金（Au）转换成原子式HAuCl₄，然后使用这种原子式在自下向上型的过程中积累纳米颗粒。所有的方法都需要稳定剂的存在以防止金纳米颗粒聚集并且从溶液沉淀。一旦形成稳定的纳米颗粒，在纳米颗粒可用于它们许多潜在的应用前还必须进行表面功能化。这些表面修饰还不能导致金纳米颗粒的胶体悬浮和沉淀的不稳定。已发现配体交换反应是用于包括金纳米胶体的各种无机胶体纳米颗粒的表面修饰的特别有力的方法，并且它们被广泛用于制备具有各种芯部材料和官能团的有机和水溶性纳米颗粒。

进行包括胶体金颗粒的配体交换反应的最困难的方面之一是在反应期间保持金的胶体悬浮液的稳定。如大量的报道协议Woehrle,G.H.,Brown,L.O.,和Hutchison,J.E.,J.Am.Chem.Soc.,Vol.127(2005),2172-2183；Liao,H.,和Hafner J.H.,Chem.Mater.,Vol.17(2005),4636-4641；Ojea-Jimenez,I.和Puntes,V.,J.Am.Chem.Soc.,Vol.131(2009),13320-13327所反映的，为了确保完成配体交换反应并且为了避免金纳米颗粒的沉淀，如参考金表面上的配体覆盖区（footprint）的文献值发现的，在纳米颗粒的表面上通常有必要使用比形成单层所需的量非常大的过量，有时候超过10倍过量的配体。在金纳米胶体中留下过量的未反应的游离配体是不期望的，因为它可能会干扰或改变所形成的金纳米颗粒缀合体的预期功能。然而，移除过量的游离配体而不引起聚集或导致金纳米颗粒缀合体的明显损失是不容易的。当从湿化学制备的胶体金开始时，产生具有多于一种类型的与之结合的配体的金纳米颗粒也是非常困难的。因为必须以这样大的过量即通常超过基于覆盖区分析形成单层所需的量1000％的过量添加配体，所以用目前的胶体金系统不可能制备要么每个纳米颗粒具有确定数目的配体（这对于许多应用和基础研究是有益的），要么具有多种配体的金纳米颗粒。最后，由于缀合效率低，因而配体交换反应不是用于将珍贵的生物分子如适体或载体缀合至金纳米颗粒上的好方法。