金纳米粒子的表面修饰方法有哪些

  金纳米粒子（AuNPs）的表面修饰是调控其理化性质、降低毒性、赋予靶向 / 功能化能力的核心手段，修饰的本质是通过共价键 / 非共价键在 AuNPs 表面连接功能基团 / 分子，解决裸 AuNPs 易团聚、生物相容性差、无特异性的问题。其修饰方法按结合作用力、操作原理可分为共价键修饰、非共价键修饰、原位包覆 / 生长修饰三大核心类别，还有衍生的后功能化修饰，覆盖生物医学、催化、光学等所有应用场景，以下是详细分类及具体方法：

一、共价键修饰（主流，稳定性强，生物医学核心用）

利用 AuNPs 表面金原子（Au⁰）的强配位能力，与含巯基、氨基等基团的分子形成稳定共价键，是 AuNPs 经典、常用的修饰方式，键能高、不易脱落、修饰后稳定性佳，也是降低 AuNPs 毒性的核心方法。

✅ 1. 巯基（-SH）共价修饰（Au-S 键，黄金标准，占 90% 以上应用）

Au-S 键是金纳米粒子表面修饰的核心化学键（键能≈120 kJ/mol），巯基分子可自发、不可逆地吸附在 AuNPs 表面，形成致密的单分子层，是生物医学、催化领域的常用修饰方法，操作简单、条件温和（室温、水溶液即可）。

常用修饰分子：

✔️ 亲水功能巯基（降毒性 / 提分散性）：巯基 PEG（mPEG-SH）、巯基葡聚糖、巯基柠檬酸（常用，修饰后 AuNPs 水溶强，毒性几乎消除）；

✔️ 活性功能巯基（接生物分子）：巯基乙酸、巯基丙酸、巯基乙胺（表面带 - COOH/-NH₂活性基团，可进一步偶联抗体 / 药物）；

✔️ 疏水功能巯基（油相分散）：十二烷基硫醇、正辛基硫醇（修饰后 AuNPs 可分散在甲苯 / 氯仿中，用于催化 / 光学器件）。

核心优势：修饰层致密、稳定，耐酸碱 / 高离子强度，长期存放不脱落；

典型应用：生物医用 AuNPs 的基础修饰、靶向给药载体、高稳定性催化 AuNPs。

✅ 2. 氨基（-NH₂）/ 羧基（-COOH）共价偶联（衍生修饰，接生物大分子）

若 AuNPs 表面已带 - COOH/-NH₂（如柠檬酸修饰 AuNPs 带 - COOH），可通过酰胺化反应共价连接含氨基 / 羧基的生物分子，实现功能化嫁接，无需直接用巯基分子，适合修饰抗体、蛋白、核酸等敏感生物大分子。

核心反应：

✔️ EDC/NHS 活化法：EDC 活化 AuNPs 表面 - COOH，生成活性酯，再与目标分子的 - NH₂反应形成酰胺键（常用的生物分子偶联方法）；

✔️ 戊二醛交联法：戊二醛作为桥联剂，一端连 AuNPs 表面 - NH₂，另一端连蛋白 / 抗体的 - NH₂，形成席夫碱键。

典型应用：免疫检测用 AuNPs（接抗体 / 抗原）、靶向治疗 AuNPs（接多肽 / 核酸）。

✅ 3. 膦基 / 硒基共价修饰（小众，高稳定性）

含膦基（-PH₂）、硒基（-SeH）的分子可与 AuNPs 形成Au-P/Au-Se 键，键能比 Au-S 键更高，适合 ** 苛刻环境（高温、强酸碱、高离子）** 下的应用，缺点是修饰分子成本高、水溶性差，仅用于特种催化 / 工业场景。

二、非共价键修饰（✅ 简便 / 温和，无损伤，适合敏感分子）

利用静电作用、疏水作用、氢键 /π-π 堆叠等弱相互作用，将修饰分子吸附在 AuNPs 表面，无需形成共价键，操作简单、条件最温和（常温常压，无需活化剂），且不会破坏 AuNPs 的形貌 / 光学性质，适合修饰蛋白、酶、DNA 等不耐受化学反应的敏感分子，缺点是修饰层稳定性稍弱（遇高盐易脱落）。

✅ 1. 静电吸附修饰（常用非共价方法）

裸 AuNPs 经柠檬酸还原后，表面自带柠檬酸根负电荷，可通过正负电荷吸引，将带相反电荷的分子吸附在表面，是最易操作的修饰方式，无任何副反应。

正向吸附（负电 AuNPs 吸正电分子）：

✔️ 阳离子聚合物：聚乙烯亚胺（PEI）、聚赖氨酸（PLL）、壳聚糖（带 - NH₃⁺），修饰后 AuNPs 带正电，可吸附负电 DNA/RNA，用于基因递送；

✔️ 阳离子表面活性剂：十六烷基三甲基溴化铵（CTAB），修饰后 AuNPs 可稳定在油相，用于制备棒状 / 星状 AuNPs；

反向吸附（正电 AuNPs 吸负电分子）：若 AuNPs 表面修饰 PEI 带正电，可吸附肝素、核酸、羧基蛋白等负电分子，用于生物抗凝 / 检测。

核心优势：10 分钟即可完成修饰，无需纯化，适合快速实验。

✅ 2. 疏水作用 / 范德华力修饰（油相 AuNPs 专用）

针对表面修饰烷基硫醇 / 长链疏水基团的油相 AuNPs，可通过疏水链的相互缠绕、范德华力，将疏水功能分子（如染料、催化剂、聚合物）吸附在表面，实现功能化，主要用于有机催化、光学传感场景。

典型例子：十二烷基硫醇修饰的油相 AuNPs，可吸附苯环类催化分子，提升加氢催化效率。

✅ 3. 氢键 /π-π 堆叠修饰（生物大分子专属，无损伤）

利用 AuNPs 表面分子与生物大分子之间的氢键、π-π 共轭作用实现吸附，不破坏生物分子的活性，是修饰酶、蛋白、DNA/RNA 的非共价方法。

氢键修饰：AuNPs 表面的 - OH/-COOH/-NH₂与蛋白 / 酶的肽键、羟基形成氢键，如葡聚糖修饰 AuNPs 吸附葡萄糖氧化酶，保持酶的催化活性；

π-π 堆叠修饰：AuNPs 表面的芳香族基团（如苯环）与 DNA 碱基、蛋白芳香氨基酸（苯丙氨酸、酪氨酸）的 π 电子共轭堆叠，如石墨烯修饰 AuNPs 吸附 DNA，用于核酸检测。

三、原位包覆 / 生长修饰（✅ 耐用，核壳结构）

在 AuNPs 表面原位生长 / 包覆一层连续的无机 / 有机外壳，形成核壳结构（Au@X），属于整体表面修饰，修饰层是致密的薄膜而非单分子层，稳定性、耐腐蚀性、生物相容性好，适合长期体内应用、苛刻催化环境、高浓度离子场景。

✅ 1. 无机氧化物包覆（Au@SiO₂/Au@TiO₂，光学 / 催化专用）

在 AuNPs 表面原位水解硅源 / 钛源，形成致密的 ** 二氧化硅（SiO₂）/ 二氧化钛（TiO₂）** 外壳，是常用的无机包覆方法。

Au@SiO₂：核心优势是光学性质稳定、耐酸碱 / 高盐、可修饰孔道，SiO₂外壳可进一步接巯基 / 氨基分子，用于表面增强拉曼（SERS）传感、光学检测；

Au@TiO₂：用于光催化，TiO₂外壳吸收光能，Au 核提升光生电子分离效率，增强降解污染物的能力。

✅ 2. 聚合物包覆（Au@聚合物，生物医学核心，降毒 + 增溶）

在 AuNPs 表面原位聚合 / 包覆一层水溶性聚合物，形成柔性聚合物外壳，兼具高稳定性和高生物相容性，是体内应用 AuNPs 的主流修饰方式。

常用聚合物：PVP（聚乙烯吡咯烷酮）、壳聚糖、聚乙二醇（PEG）、聚丙烯酸；

核心优势：聚合物外壳隔绝 AuNPs 与生物分子接触，消除毒性，同时提升血液循环半衰期（PEG 包覆后 AuNPs 体内半衰期可达 7 天），避免被肝脾快速清除。

✅ 3. 金属 / 合金包覆（Au@Ag/Au@Pt，光学 / 催化专用）

在 AuNPs 表面原位沉积银、铂、钯等金属，形成金属核壳结构，主要用于调控 AuNPs 的表面等离子体共振（SPR）光学性质或催化活性。

例子：Au@Ag 核壳纳米粒子，颜色可从红色调至绿色 / 蓝色，用于光学编码检测；Au@Pt 核壳粒子，Pt 壳提升加氢催化效率，Au 核降低 Pt 用量。

四、后功能化修饰（✅ 衍生修饰，靶向 / 多功能化，实用核心）

属于二次修饰方法，先通过上述 3 类方法完成 AuNPs 的基础修饰（如 PEG 化、羧基化），再在基础修饰层上连接靶向分子 / 功能分子，实现 “基础稳定 + 精准功能"，是生物医学靶向治疗、精准检测的核心技术，也是目前 AuNPs 修饰的主流应用形式。

典型后功能化场景：

PEG 修饰 AuNPs → 接抗体 / 多肽 / 适配体：实现肿瘤靶向递送，仅识别肿瘤细胞，减少对正常细胞的接触；

羧基化 AuNPs → 接药物分子（紫杉醇、顺铂）：实现药物负载，构建 AuNPs - 药物复合体系，用于化疗；

氨基化 AuNPs → 接荧光染料 / 磁性粒子：实现多模态成像（光学 + 核磁），用于疾病精准诊断。

✨ 金纳米粒子表面修饰的核心要点（必看）

修饰目的优先级：降毒性（PEG / 柠檬酸）> 提分散性（亲水基团）> 赋功能（靶向 / 催化）> 改性质（光学 / 电学）；

修饰后关键表征：zeta 电位（判断电荷，±20 mV 以上分散性好）、粒径（判断是否团聚）、红外光谱（验证修饰基团）；

稳定性关键：生物医用优先选巯基 PEG 修饰，工业催化优先选SiO₂/ 聚合物包覆，快速实验优先选静电吸附；

总结：不同修饰方法的核心对比