CN107849726A - 单分散贵金属纳米晶体的双锥体模板化合成 - Google Patents

单分散贵金属纳米晶体的双锥体模板化合成 Download PDF

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Abstract

本发明提供从混合的贵金属纳米晶体样品形成贵金属双锥体纳米晶体样品的方法，所述样品具有很低的尺寸和形状多分散性。样品包括那些，其包含高纯度、实质上单分散、等离子体的金双锥体纳米晶体。本发明还提供用贵金属双锥体纳米晶体充当种子颗粒生长次级成对金属纳米晶体的方法。与其所生长自的种子双锥体纳米晶体相似，次级纳米晶体是成对的纳米晶体并且还可以具有的特征是很低的尺寸和形状多分散性。通过这些方法生长的次级成对纳米晶体包括扩大的金属双锥体纳米晶体和具有各向异性"哑铃"形状的纳米晶体，其具有各种尖端几何形状。本发明还提供用贵金属双锥体纳米晶体作为等离子体加热器经由等离子体‑光热辐射‑至‑热转化来加热反应溶液的方法。

Description

单分散贵金属纳米晶体的双锥体模板化合成
与相关申请的交叉引用
本申请要求于2015年6月8日提交的U.S.临时专利申请no.62/172,481的优先权，通过援引将其全部内容并入本文。
有关政府权利
本发明是在美国政府支持下进行的，the National Institute of Health拨款编号NIH 5T32GM008720。所述政府对本发明具有某些权利。
背景技术
贵金属纳米粒子已变为发展中的纳米技术领域的组成部分，具有各式各样的可能应用，包括表面增强拉曼光谱、药物递送和治疗、催化和非线性光学器件。由于局部表面等离子体共振(LSPR)和局域场增强的结构-和尺寸-依赖性特征，精确设计和合成纳米结构使得可能运用和操纵金属材料的光学特性。此外，以高收率获得单分散胶体纳米粒子的能力是这些物质广泛应用的关键步骤。金双锥体已显示值得注意的尺寸和形状单分散性。通过理论计算，在双锥体中期望的是比纳米棒或其它形状中更强的局域场增强，原因是尖锐的端部。然而，直接合成仅产生大致30％的双锥体，而其它形状杂质是纳米棒(～10％)和假球形颗粒(～60％)。(参见，Liu,M.&Guyot-Sionnest,P.Mechanism of silver(i)-assistedgrowth of gold nanorods and bipyramids.J.Phys.Chem.B 109,22192-22200(2005).)收率已用表面活性剂鲸蜡基三丁基溴化铵稍加改善，但是高纯度金双锥体仍未用单独的合成途径实现。(参见，Kou,X.et al.Growth of gold bipyramids with improved yieldand their curvature-directed oxidation.Small 3,2103-2113(2007).)
核酸扩增方法代表对化学家、生物学家和医学科学家重要且有价值的工具并且在全部研究领域都有广泛用途。聚合酶链反应(PCR)是这些技术的金标准并且已几乎普遍用于许多学科的应用。(参见，Ishmael F.T.,Stellato C.,Principles and applicationsof polymerase chain reaction:basic science for the practicingphysician.Annals of Allergy,Asthma&Immunology.2008；101(4):437-43.)PCR在完成人类基因组计划当中发挥无价的作用并且提供了原先无法获得的基因和遗传信息(参见，Adams M.,Kelley J.,Gocayne J.,Dubnick M.,Polymeropoulos M.,Xiao H.,Merril C.,Wu A.,Olde B.,Moreno R.,et al.,Complementary DNA sequencing:expressedsequence tags and human genome project.Science.1991；252(5013):1651-6.)另外，PCR目前应用的范围是早期实时检测生物学有关的分子至合成自组装的核酸骨架(参见，Garibyan L.,Avashia N.,Polymerase Chain Reaction.J Invest Dermatol.2013；,133(3):e6；和Buβkamp H.,Keller S.,Robotta M.,Drescher M.,Marx A.,A new buildingblock for DNA network formation by self-assembly and polymerase chainreaction.Beilstein Journal of Organic Chemistry.2014；10:1037-46.)。尽管该技术成功用于许多领域，其确实受到一种主要限制：需要热循环。对于热循环方案和昂贵大型仪器设备比如能够提供精确温度控制的热循环控制装置的需求大大地限制该测试的可移动性和阻止其用于即时检测(point-of-care)方案。额外地，本领域需要增加PCR过程的速度和因此产生的效率。在发现和鉴定新爆发的接触传染物比如Ebola和Zika危机中早期检测，快速诊断和高移动性是必需的(参见，Kurosaki Y.,Takada A.,Ebihara H.,Grolla A.,Kamo N.,Feldmann H.,Kawaoka Y.,Yasuda J.,Rapid and simple detection of Ebolavirus by reverse transcription-loop-mediated isothermal amplification.Journalof Virological Methods.2007；141(1):78-83.)
发明概要
在此提供从混合的贵金属纳米晶体样品形成贵金属双锥体纳米晶体样品的方法，其具有很低的尺寸和形状多分散性。还提供用贵金属双锥体纳米晶体充当种子颗粒来生长次级成对金属纳米晶体的方法。与所生长自的种子双锥体纳米晶体类似，次级纳米晶体是成对的纳米晶体，其特征是很低的尺寸和形状多分散性。还提供用贵金属双锥体纳米晶体充当等离子体加热器经由等离子体-光热辐射-至-热的转化来加热反应溶液的方法。这些应用包括核酸扩增方案比如PCR，和分步热诱导酶促反应方案。
从包含金属双锥体纳米晶体和至少一种额外类型的金属纳米晶体的初始样品形成金属双锥体纳米晶体样品的方法的一种实施方式包括下述步骤：形成初始样品和苄基二甲基十六烷基氯化铵的水溶液；将水溶液保持在一定温度下持续一定时间段，其足以允许金属双锥体纳米晶体从水溶液絮凝出来；和从溶液分离絮凝的金属双锥体纳米晶体，提供金属纳米晶体样品，其中至少85％的金属纳米晶体是金属双锥体纳米晶体。
从成对的金属双锥体纳米晶体生长次级成对金属纳米晶体的方法的一种实施方式包括下述步骤：形成溶液，其包含种子金属双锥体纳米晶体，至少一种阳离子季铵表面活性剂，金属前体分子和还原剂；和将溶液保持在还原剂还原前体分子中的金属且金属沉积在种子金属双锥体纳米晶体上的条件下，由此生长次级成对金属纳米晶体。
从成对的金属双锥体纳米晶体生长次级成对金属纳米晶体的方法的又一实施方式包括下述步骤：形成溶液，其包含种子金属双锥体纳米晶体，至少一种阳离子季铵表面活性剂，和氧化蚀刻剂；将溶液保持在氧化蚀刻剂氧化种子金属双锥体纳米晶体的条件下以形成成对的金属纳米棒纳米晶体；形成溶液，其包含成对的金属纳米棒纳米晶体，至少一种阳离子季铵表面活性剂，金属前体分子和还原剂；和将溶液保持在还原剂还原前体分子中的金属且金属沉积在成对的金属纳米棒纳米晶体上的条件下，由此生长次级成对金属纳米晶体。
在方法的某些实施方式中仅使用单一的阳离子季铵表面活性剂，而在某些实施方式中使用二元阳离子季铵表面活性剂。
能够生长自成对的金属双锥体纳米晶体的成对的金属纳米晶体包括成对的纳米棒纳米晶体，成对的拉长式双锥体纳米晶体，成对的球形多面体纳米晶体，成对的双平截头体纳米晶体，成对的具有哑铃状的纳米晶体，包含成对的双平截头体状主体和双锥体状末端，成对的具有哑铃状的金属纳米晶体，包含成对的双平截头体状主体和多个成对的棒状末段，和成对的具有哑铃状的金属纳米晶体，包含成对的双平截头体状主体和多个成对的球状末端。
光热地加热包含化学反应物的反应混合物的方法的一种实施方式包括：将反应混合物与金属双锥体纳米晶体接触；和用辐射来辐射金属双锥体纳米晶体，其中所述金属双锥体纳米晶体吸收辐射和经由光热辐射-至-热的转化加热反应混合物。化学反应物能够包含例如生物分子比如DNA分子和/或酶。金属双锥体纳米晶体可以作为金属纳米晶体样品的一部分加入，其中至少85％的金属纳米晶体是金属双锥体纳米晶体，所述金属双锥体纳米晶体具有小于8％的多分散性。所述方法能够用来在反应溶液中调节各种化学反应。
光热地调节化学反应的方法的一种实施方式包括：(a)制备反应溶液，其包含：两种或更多种化学反应物和金属纳米晶体样品，其中至少85％的金属纳米晶体是等离子体金属双锥体纳米晶体，所述等离子体金属双锥体纳米晶体具有小于8％的多分散性；和(b)用电磁光谱可视区域、电磁光谱红外区域、或者这两个区域的波长的辐射来辐射反应溶液，其中所述等离子体金属双锥体纳米晶体吸收辐射并且经由等离子体光热辐射-至-热的转化将反应溶液加热至调节两种或更多种化学反应物之间的化学反应的温度。
扩增靶标核酸分子的方法的一种实施方式包括：(a)制备反应溶液，其包含：靶标核酸分子；引物核酸链；游离核苷酸；核酸聚合酶；和金属纳米晶体样品，其中至少85％的金属纳米晶体是等离子体金属双锥体纳米晶体，所述等离子体金属双锥体纳米晶体具有小于8％的多分散性；和(b)使反应溶液循环通过多个光热循环。各光热循环包含：(i)用电磁光谱可视区域、电磁光谱红外区域、或者这两个区域的波长的辐射来辐射反应溶液，其中所述等离子体金属双锥体纳米晶体吸收辐射并且经由等离子体光热辐射-至-热的转化将反应溶液加热至导致靶标核酸分子变性的温度；和(ii)将反应溶液冷却至引物核酸链退火为变性的靶标核酸分子的温度，并且起始自退火的引物核酸链合成新的核酸链以形成新的靶标核酸分子。
热控制酶促反应的方法的一种实施方式包括：(a)制备反应溶液，其包含酶，底物分子和金属纳米晶体样品，其中至少85％的金属纳米晶体是等离子体金属双锥体纳米晶体，所述等离子体金属双锥体纳米晶体具有小于8％的多分散性；和(b)用电磁光谱可视区域、电磁光谱红外区域、或者这两个区域的波长的辐射来辐射反应溶液，其中所述等离子体金属双锥体纳米晶体吸收辐射并且经由等离子体光热辐射-至-热的转化将反应溶液从第一温度加热至第二温度，其中所述酶在第一温度是与所述底物分子形成酶-底物复合物并将所述底物分子转化为产物分子的活性形式，而酶在第二温度是失活的和自底物分子解离。
在某些实施方式中，反应溶液的辐射能够用范围从可见(400nm)到红外(1200nm)波长的光源提供，原因是所描述的双锥体纳米晶体能够吸收可见至红外的光，其取决于双锥体纳米晶体的结构和尺寸。
在参考下述附图、详述和所附权利要求后，本发明的其它主要特征和优势对本领域技术人员来说将变得明显。
附图说明
本发明的示例性实施方式此后将参照附图描述，其中相同数字表示相同要素。
图1.金属双锥体纳米晶体形状控制的示意代表。(金属双锥体纳米晶体在本文也称为金属双锥体。)显示产生源自双锥体的独特结构的各种途径。
图2A.双锥体的示意图解，其是通过用苄基二甲基十六烷基氯化铵(BDAC)耗尽絮凝而纯化得到的。图2B.双锥体的UV-Vis-NIR光谱，其是通过用BDAC耗尽絮凝而纯化得到的。图2C.双锥体的透射电子显微镜(TEM)图像，其是通过用BDAC耗尽絮凝而纯化得到的。图2D.从最初的图2C种子金属双锥体纳米晶体再生长的各种尺寸的双锥体的TEM图像。示于小图1-5的双锥体相应于图2E的轨迹6-10。图2E.纯化(1-5；上部小图)的和再生长的双锥体(6-10；下部小图)的标准化的消光谱图。插图显示经纯化的双锥体的纵向表面等离子体共振(LSPR)的放大谱。对于1至10，LSPR峰的半最大值全宽(FWHM)经测分别是58，60，63，60，59，73，113，121，126和154nm或者21.4，20.7，19.7，20.7，21.0，17.0，11.0，10.3，9.8和8.1eV。
图3A.单分散结构的TEM图像，其再生长自纯化的双锥体种子，使用一元(也称为单一)表面活性剂(1-5；左侧小图)和二元表面活性剂(6-10；右侧小图)。阴影箭头指出再生长的特定条件。(也参见表1的详细条件)。全部比例条对于低和高放大率分别是200nm和50nm。图3B.用单一表面活性剂再生长的结构的标准化UV-Vis-NIR谱图(1-5相应于图3A中的1-5)。图3C.分别用二元表面活性剂再生长的结构的标准化UV-Vis-NIR谱图(6-10相应于图3A中的6-10)。参见表3的详细尺寸度量。
图4A.双锥体的环状五-四面体成对的示意图解。灰色区域显示与生长方向垂直的双锥体截面。各成对平面标记为T1至T5。右侧示意图显示双锥体在基底上相对电子束方向的绝大多数可能取向。图4B.图3A小图1再生长的双锥体的HR-TEM图像。图4C.图3A小图2再生长的双锥体的HR-TEM图像。图4D.图3A小图3再生长的双锥体的HR-TEM图像。图4E.图3A小图7再生长的双锥体的HR-TEM图像。图4F.图3A小图8再生长的双锥体的HR-TEM图像。图4G.图3A小图9再生长的双锥体的HR-TEM图像。图4H.图3A小图6再生长的双锥体的HR-TEM图像。图4I。图3A小图10再生长的双锥体的HR-TEM图像。在颗粒尖端和中部白色方块标记的区域显示测量网格边缘的位置。全部比例条是20nm。
图5A.在120℃用BDAC氧化蚀刻的结构的TEM图像，得自加热10、30和90分钟，示于小图1至3。下部小图是较低放大率图像。全部比例条对于高和低放大率分别是50nm和200nm。图5B.增加加热时间所得的蚀刻结构的标准化UV-Vis-NIR谱图。
图6A.单分散纳米棒的TEM(左栏)和HR-TEM(中栏和右栏)图像，其用单一表面活性剂再生长自图5A小图3的氧化蚀刻的纳米棒。图6B.单分散纳米棒的TEM(左栏)和HR-TEM(中栏和右栏)图像，其用二元表面活性剂再生长自图5A小图3的氧化蚀刻的纳米棒。阴影箭头指出再生长的特定条件。(也参见表1的详细条件。)在颗粒尖端和中部用白色方块标记的区域显示测量网格边缘的位置。图6C.用单一表面活性剂(1-5相应于图6A中1-5)和二元表面活性剂(6相应于图6B中6)再生长的结构的标准化UV-Vis-NIR谱图。参见表3的详细尺寸度量。低至高放大率的比例条是200nm，50nm，和20nm和1nm。
图7A.纯化双锥体(1-5相应于110，100，95，70和60μL种子溶液)的TEM图像。比例条是100nm。图7B.纯化所用的BDAC浓度随LSPR变化。图7C.纯化所用的BDAC浓度随双锥体长度变化。图7D.TEM图像，显示在尝试纯化>100nm的合成双锥体时双锥体和假球形杂质两者的共絮凝。比例条是200nm。也参见补充注释1的详细解释。
图8A.扩大双锥体的TEM图像，其得自用不同浓度的反应物(H+、Ag+和种子颗粒)再生长，使用100μL种子(小图1-4)和5μL种子(小图5-6)。图8B.双锥体的TEM图像，其用不同量的AgNO3(小图1-3)和HCl(小图4-6)再生长。也参见表1的详细合成条件。在含有0.1M鲸蜡基三甲基溴化铵(CTAB)的生长溶液中的金前体高浓度(>10mM)能够导致形成CTAB-Au复合物，其能够影响双锥体的结晶结构，引起粗糙表面(图8A小图1-4)。额外地，种子溶液体积过小能够导致不稳定生长和收获不希望形状的杂质(小图5-6in图8A)。图8A和图8B中的全部比例条分别是200nm和50nm。
图9A.结构的TEM图像，其用4mM HAuCl4、4mM AgNO3、1N HCl和40mM抗坏血酸的生长溶液在0.9mL的0.1M单一表面活性剂BDAC存在下再生长。图9B.结构的TEM图像，其用4mMHAuCl4、4mM AgNO3、1N HCl和40mM抗坏血酸的生长溶液在0.9mL的0.1M单一表面活性剂CTAB存在下再生长。图9C.结构的TEM图像，其用4mM HAuCl4、4mM AgNO3、1N HCl和40mM抗坏血酸的生长溶液在0.9mL的0.1M单一表面活性剂鲸蜡基三甲基氯化铵(CTAC)存在下再生长。为了制备用于在BDAC或CTAC中再生长的种子，将100μL双锥体种子于8,000g离心8分钟，用1mMBDAC或CTAC洗涤，重复两次，然后再分散于100μL的1mM BDAC或CTAC中以继续再生长。BDAC和CTAB图像中的比例条是50nm，CTAC图像中是200nm。
图10A.双锥体的TEM图像，其用2mM HAuCl4、2mM AgNO3、1N HCl和20mM抗坏血酸的生长溶液，和二元表面活性剂BDAC/CTAB再生长。图10B.双锥体的TEM图像，其用2mMHAuCl4、2mM AgNO3、1N HCl和20mM抗坏血酸的生长溶液和二元表面活性剂CTAC/BDAC再生长。图10C.双锥体的TEM图像，其用CTAC/CTAB二元条件再生长，并且示例性示意图指出表面活性剂结合至双锥体表面。黑色表面活性剂代表CTAB，暴露区域代表CTAC结合的表面，CTAC可能负责尖端部位的特定生长，原因是其更弱的结合。图10D.双锥体的TEM图像，其用与图10C小图4等量的CTAB的再生长，不含CTAC或BDAC。观察到仅最低量的尖端过度生长。全部比例条是200nm。
图11.双锥体的TEM图像，其用生长溶液剩余的Au3+氧化蚀刻。再生长溶液含有2mMHAuCl4(50μL)，2mM AgNO3(10μL)，1N HCl(20μL)和10mM抗坏血酸(8μL)，以及0.9mL的0.1MCTAB。应注意在该情况中[抗坏血酸]/[HAuCl4]摩尔比是0.8，而标准生长溶液中是1.6。
图12A.结构的TEM图像，其如图3A小图7用二元表面活性剂再生长，使用不同量的AgNO3且不加HCl。再生长溶液包含2mM HAuCl4(50μL)，20μL纳米纯水(代替1N HCl(20μL))和10mM抗坏血酸(8μL)，以及浓度1mM(左侧小图)、2mM(中心小图)和4mM(右侧小图)的10μLAgNO3，其中二元表面活性剂[CTAC]：[CTAB]＝90:1。图12B.再生长结构的TEM图像，如图3A小图6，使用更多的HCl。再生长条件等同于图3A小图6所用的那些，但使用30μL的1N HCl。图12C.结构的TEM图像，其用二元表面活性剂[CTAC]：[CTAB]＝900:1再生长。再生长条件等同图3A中所用的那些：特别地，1是标准生长溶液，2不含HCl，3不含AgNO3，4不含HCl且不含AgNO3，而5具有5x AgNO3。对于低和高放大率图像全部比例条分别是200nm和50nm。
图13.双锥体环状五-四面体成对的示意图解。各成对平面标记为T1至T5。两个灰色区域显示与生长方向垂直的双锥体截面以及T4和T5之间的中间平面。公式显示所测图4A取向1结构尖端角(θ)和平均步长(s)之间的关系。
图14A.在纯化之后和在室温储存50天之后的双锥体的UV-Vis-NIR谱图。图14B.UV-Vis-NIR谱图，来自在100mM CTAB存在下于120℃氧化蚀刻双锥体。在10，15，30，90，300和900分钟之后，用室温水将小瓶冷却以停止氧化过程。图14C.谱图，来自在120℃与100mM、1M、0.1mM CTAB加热10分钟。
图15A.结构的TEM图像，其用标准生长溶液(小图1)和不含AgNO3的生长溶液(小图2)再生长自图5A小图2的蚀刻米状颗粒，使用CTAB单一表面活性剂(也参见表1的细节)。图15B.从图5A小图3蚀刻棒状颗粒再生长的结构的TEM图像，使用标准生长溶液，其中二元表面活性剂[CTAC]：[CTAB]＝90:1。全部比例条是200nm。
图16.示意图显示含有靶标核酸分子和双锥体纳米晶体的溶液暴露于IR发光二极管(LED)发射体。IR LED开关循环。在接通时，溶液加热和DNA发生变性。在断开时，溶液冷却和引物发生退火。一旦退火则发生聚合酶延伸。IR LED然后再接通和再加热溶液以促进变性。该过程超快速地循环。在退火阶段期间，蓄积的产品能够通过荧光染料检测，其被不同LED激发且通过光敏二极管检测。
图17.示意图显示两个LED、风扇冷却系统和光电二极管检测器的设置，用于图16的反应流程。双锥体纳米晶体被第一LED激发和提供均匀和局部的加热。
图18.图显示在图16反应流程期间两个LED和风扇的时间用途。也显示反应溶液中的温度波动。通过第一LED激发导致温度增加。在溶液达到希望温度之后，LED关闭且风扇开始冷却溶液。一旦溶液充分冷却，则打开第二LED以激发荧光染料，提供放大的实时数据。在溶液冷却至希望温度时，风扇关闭且再次打开第一LED以再加热溶液，促进热循环。
图19A.二氧化硅包覆的金双锥体纳米晶体(AuBP-二氧化硅颗粒)的吸收谱，显示峰值为～875nm。图19B.AuBP-二氧化硅颗粒的TEM图像。比例条＝50nm。
图20A.AuBP-二氧化硅颗粒的吸收谱，显示峰值为～780nm。图20B.反应溶液温度变化图，用850nm LED辐射，开1W和关0W注入流。
图21.聚二乙醇化的双锥体-二氧化硅核-壳纳米粒子的UV-Vis谱图，用10倍稀释样品测量。
图22.溶液的加热和冷却速率图，所述溶液包含去离子水中的聚二乙醇化的双锥体-二氧化硅核-壳纳米晶体，其最大峰波长846nm。
图23A.溶液的加热和冷却速率图，所述溶液包含聚二乙醇化的双锥体-二氧化硅核-壳纳米晶体，其光学密度为14.1和21.5。图23B.包含聚二乙醇化的双锥体-二氧化硅核-壳纳米晶体的14.1OD样品的热循环，电流从0.4A(底部小图)多至1.5A(顶部小图)。图23C.包含聚二乙醇化的双锥体-二氧化硅核-壳纳米晶体的14.1OD样品的热循环，电流从0.4A(底部小图)多至1.5A(顶部小图)。图23D.样品的加热和冷却速率图，所述样品包含聚二乙醇化的双锥体-二氧化硅核-壳纳米晶体和具有6.3、14.1和21.5的光学密度，使用5、10和25μl(分别12、15和30μl液体蜡)。
图24A.在LED辐射90个循环之前双锥体纳米晶体的形态。图24B。在LED辐射90个循环之后双锥体纳米晶体的形态。图24C.在LED辐射之前和在LED辐射之后的吸光度图。
图25A.显示包含0.1％BSA的RT-PCR反应溶液的核酸扩增图，通过实时(RT)荧光测量，随循环数变化。图25B.显示包含0.1％BSA的RT-PCR反应溶液的核酸扩增图，通过实时荧光测量，随时间变化。图25C.显示包含0.3％BSA的RT-PCR反应溶液的核酸扩增图，通过实时荧光测量，随循环数变化。图25D.显示包含0.3％BSA的RT-PCR反应溶液的核酸扩增图，通过实时荧光测量，随时间变化。图25E.显示包含0.5％BSA的RT-PCR反应溶液的核酸扩增图，通过实时荧光测量，随循环数变化。图25F.显示包含0.5％BSA的RT-PCR反应溶液的核酸扩增图，通过实时荧光测量，随时间变化。
图26A.表1.部分1.单一或二元表面活性剂所用的再生长条件。总反应体积在全部试验中保持不变(1.088mL)。*AA＝抗坏血酸，BP＝双锥体，pH＝计算值。图26B.表1.部分2.单一或二元表面活性剂所用的再生长条件。总反应体积在全部试验中保持不变(1.088mL)。*AA＝抗坏血酸，BP＝双锥体，pH＝计算值。
发明详述
本文提供从混合贵金属纳米晶体样品形成贵金属双锥体纳米晶体样品的方法，其具有很低的尺寸和形状多分散性。样品包括那些，其包含高纯度的、实质上单分散的、等离子体金双锥体纳米晶体。还提供用贵金属双锥体纳米晶体充当种子颗粒生长次级成对金属纳米晶体的方法。与它们生长自的种子双锥体纳米晶体类似，次级纳米晶体是成对的纳米晶体，特征是很低的尺寸和形状多分散性。通过这些方法生长的次级成对纳米晶体包括扩大的金属双锥体纳米晶体、双平截头体形纳米晶体、球形多面体，拉长式双锥体和具有各向异性"哑铃"状的纳米晶体，其具有各种尖端几何形状。还提供用贵金属双锥体纳米晶体充当等离子体加热器进行热诱导化学反应比如核酸扩增和分步热诱导酶促反应的方法。
贵金属双锥体是成五对的晶体，在面心立方结构中包含10个高指数小平面，如图4A显示。双锥体的特征是长轴沿其长度(图4A中表示的生长方向[110])而短轴沿其宽度。
用本方法，能够从初始样品中分离高纯度的、实质上单分散的贵金属双锥体纳米晶体，所述初始样品包含各种尺寸和形状的贵金属纳米晶体的混合物，包括纳米棒和纳米球(例如假球形纳米晶体)。制备所述混合金属纳米晶体样品的方法是已知的。(参见，Liu,M.&Guyot-Sionnest,P.Mechanism of silver(i)-assisted growth of gold nanorodsand bipyramids.J.Phys.Chem.B 109,22192-22200(2005).)从包括至少一种额外类型的金属纳米晶体的初始样品形成高纯度金属双锥体纳米晶体样品的方法的一种实施方式包括下述步骤：形成初始样品和苄基二甲基十六烷基氯化铵(BDAC)的水溶液；将水溶液保持在一定温度下持续一定时间段，其足以允许金属双锥体纳米晶体经由耗尽絮凝从水溶液絮凝出来；和从溶液分离絮凝的金属双锥体纳米晶体。这些方法的某些实施方式能够提供最终的金属纳米晶体样品，其中至少75％的金属纳米晶体是金属双锥体纳米晶体。这包括实施方式，其提供最终的金属纳米晶体样品，其中至少80％、至少85％或至少90％的金属纳米晶体是金属双锥体纳米晶体。此外，方法能够提供最终的金属纳米晶体样品，具有不大于10％的纳米晶体尺寸多分散性。这包括方法的实施方式，其提供最终的金属纳米晶体样品，具有不大于8％，不大于5％，不大于3％和不大于2％的纳米晶体尺寸多分散性。确定金属双锥体纳米晶体纯度和样品多分散性的方法描述于实施例1。
絮凝的金属双锥体纳米晶体的平均长度合意地低于约100nm，原因是这些一般能够与更高程度的样品形状均匀性的其它金属纳米晶体分离。例如，具有约65nm至约95nm长度的实质上尺寸单分散的金双锥体纳米晶体能够以85％或更高纯度获得。从溶液絮凝出的双锥体纳米晶体长度能够通过调节生长溶液中BDAC表面活性剂的浓度而控制。
一旦形成，初始的纯化双锥体纳米晶体能够用作种子晶体，以进行种子-介导的次级成对金属纳米晶体生长，如下文所述。次级成对金属纳米晶体可以具有这样的长度，其大于它们生长自的种子双锥体纳米晶体长度。例如，次级纳米晶体可以生长为实质上单分散的大于100nm、大于150nm或大于200nm的长度。这些次级金属纳米晶体可以生长为不大于10％的纳米晶体尺寸多分散性。这包括方法的实施方式，其提供次级金属纳米晶体样品，具有不大于8％，不大于5％，不大于3％和不大于2％的纳米晶体尺寸多分散性。
一般地，从金属双锥体纳米晶体生长次级成对金属纳米晶体的方法包括下述步骤：形成溶液，其包含种子金属双锥体纳米晶体，至少一种阳离子季铵表面活性剂，金属前体分子和还原剂；和将溶液保持在还原剂还原前体分子中的金属的条件下，从而金属沉积在种子金属双锥体纳米晶体上，由此生长次级成对金属纳米晶体。CTAC，CTAB，BDAC和这些当中两种或更多种的混合物是可以用于纳米晶体生长溶液当中的阳离子季铵表面活性剂的实例。次级纳米晶体生长方法的某些实施方式使用单一表面活性剂，其是仅单一的表面活性剂以便形成次级纳米晶体，是扩大的双锥体纳米晶体。生长方法的其它实施方式使用二元表面活性剂，其是两种表面活性剂的混合物以便形成具有哑铃状的次级纳米晶体。
金属前体分子是包含一价或多价态金属的分子，其可通过生长溶液中的还原剂还原。金属前体分子可以是例如含金属的无机或有机的酸或盐。氯金酸(HAuCl4)是金前体分子的实例，其能够用来从金双锥体种子纳米晶体生长次级成对金纳米晶体。其它金前体分子包括氯化金(I)，氯化金(III)，和氯化金(III)钾。
还原剂还原金属前体分子中的金属。L-抗坏血酸是适用于前体分子的还原剂的实例。其它包括盐酸羟胺，氢醌，柠檬酸，胺，苯胺，吡啶和甘氨酸。还原剂在生长溶液中的浓度可以足够高以完全还原金属前体分子。另选地，金属前体分子可以过量提供以允许在次级纳米晶体生长之前蚀刻种子纳米晶体，如下文详述。
除了种子双锥体纳米晶体、金属前体分子和还原剂之外，次级生长溶液还可以包含pH调节剂，银盐或两者。pH调节剂，可以是强酸比如盐酸(HCl)，其降低生长溶液pH和减缓还原剂还原金属前体分子的速率。降低还原速率能够导致次级成对金属纳米晶体具有比在更高pH的类似反应条件下制备的次级成对金属纳米晶体更高的长径比。
银盐在生长溶液中提供一价银离子，其引起薄膜(例如单层)银在种子双锥体纳米晶体小平面上的欠电势沉积。硝酸银(AgNO3)是上述银盐的实例。其它实例包括水可溶的盐氟化银、乙酸银和硫酸银。该银膜使得其所沉积至的小平面稳定化，和因此影响次级纳米晶体在那些小平面上的生长速率。作为结果，银盐能够用来定制次级成对金属纳米晶体的最终形状。比如说，在用于生长次级成对金属纳米晶体的方法的某些实施方式中，银盐与二元表面活性剂系统组合使用从而促进种子双锥体纳米晶体尖端部的侧面过度生长。该在实施例1中说明。
用于生长和絮凝初始金属双锥体纳米晶体和用于生长次级成对金属纳米晶体的最佳条件将取决于各种因素，包括种子纳米晶体和次级纳米晶体的希望尺寸和单分散性以及次级纳米晶体的希望形状。例如，种子纳米晶体和次级纳米晶体能够在位于或接近室温的温度生长(例如温度范围是约20℃至约40℃，包括约25℃至约35℃范围的温度)，使用1天(24小时)或更少的反应时间(例如约1小时至约12小时的反应时间)。然而，能够应用超出这些范围的反应温度和时间。如上文所述，生长溶液的pH能够影响纳米晶体的速率和形状，和因此应相应地选择。仅举例说明，在本方法的某些实施方式中纳米晶体生长溶液pH值的范围是约1.5至约4。这包括方法的实施方式，其中生长溶液pH值的范围是约1.7至约3.7。此外，在给定生长溶液包括的具体反应物及其在溶液中的浓度还能够加以选择以定制生长的纳米晶体的最终形状和尺寸。虑及各种反应物和及其在生长溶液中的浓度的效果指导提供于实施例1。
取决于次级金属纳米晶体的希望形状，生长溶液可以包括仅单一的阳离子季铵表面活性剂或可以包括阳离子季铵表面活性剂的组合。例如，通过使用CTAB或又一季铵表面活性剂充当单一表面活性剂，扩大的金属双锥体纳米晶体能够生长自种子金属双锥体纳米晶体。次级金属双锥体纳米晶体保留种子双锥体纳米晶体的形状，但在至少一个尺度上比其更大。次级双锥体晶体的生长可以是各向同性的，其沿双锥体长轴和短轴均匀生长。另选地，生长可以是各向异性的，其沿双锥体的长轴或短轴更快生长以提供分别具有比其种子双锥体纳米晶体更高或更低长径比的次级双锥体纳米晶体。
与之相对，二元表面活性剂能够用来生长具有哑铃状的次级成对金属纳米晶体。哑铃状纳米晶体包含中央部分或"主体"，在各末段以各种尖端结构封端，其中在纳米晶体中在主体部分与各尖端结构之间变窄。哑铃的主体部分一般是双平截头体形并且是成五对的10个小平面。本身多个成对的尖端结构可以是棒状、球形(包括假球形)或双锥体，取决于反应溶液和条件，如实施例1中说明。哑铃状纳米晶体在图1右侧图示地说明。
二元表面活性剂包含第一阳离子季铵表面活性剂和第二阳离子季铵表面活性剂，所述第二阳离子季铵表面活性剂具有比所述第一阳离子季铵表面活性剂更低的种子金属双锥体纳米晶体结合亲和力。例如，为了生长金纳米晶体，CTAC和CTAB能够分别用作第一和第二季铵表面活性剂，其中CTAB具有比CTAC更低的金双锥体结合亲和力。在生长次级纳米晶体期间，具有更低种子金属双锥体纳米晶体结合亲和力的表面活性剂在双锥体尖端部局域化，其与双锥体晶体其余部分相比在双锥体尖端部引起增强的过度生长。两种表面活性剂的摩尔比能够在宽范围变化，但是第一阳离子季铵表面活性剂一般以更高浓度存在。比如说，第一和第二阳离子季铵表面活性剂的摩尔比能够是约9:1至9000:1。这包括生长溶液的实施方式，其中第一和第二阳离子季铵表面活性剂的摩尔比是约90:1至900:1。
如前文讨论，pH调节剂和/或银盐能够加至生长溶液以便定制哑铃的尖端几何形状。此外，两种表面活性剂的比率和各种反应物的浓度能够加以调节以提供成对的纳米晶体哑铃，其具有希望的尺寸和尖端几何。比如说，次级纳米晶体生长溶液可以包含银盐比如硝酸银，以便生长具有双锥体形末端的哑铃状次级纳米晶体。另选地，the次级纳米晶体生长溶液可以包含pH调节剂，比如HCl，以便生长具有多个成对棒状末端的哑铃状次级纳米晶体。如果pH调节剂和银盐都包括在生长溶液中，则能够生长具有双锥体或球形末端的哑铃状纳米晶体。虑及各种反应物及其在生长溶液中的浓度效果的指导提供于实施例1中。
任选地，金属双锥体种子纳米晶体能够在生长次级纳米晶体之前氧化蚀刻的。该氧化蚀刻步骤使得可能生长甚至更多品种形状的次级成对金属纳米晶体。从而，从金属双锥体纳米晶体生长次级成对金属纳米晶体的方法的某些实施方式包括下述步骤：形成第一溶液，其包含种子金属双锥体纳米晶体，至少一种阳离子季铵表面活性剂和氧化蚀刻剂；将第一溶液保持在氧化蚀刻剂氧化种子金属双锥体纳米晶体的条件下以形成成对的金属纳米棒纳米晶体；形成第二溶液，其包含成对的金属纳米棒纳米晶体，至少一种阳离子季铵表面活性剂，金属前体分子和还原剂；和将第二溶液保持在还原剂还原前体分子中的金属和金属沉积在成对的金属纳米棒纳米晶体上的条件下，由此生长次级成对金属纳米晶体。蚀刻步骤利用双锥体纳米晶体小平面和尖锐尖端的高能量特性，其使得它们易被蚀刻、甚至通过弱氧化剂蚀刻。适宜的氧化蚀刻剂的实例包括溶解的分子氧和多价金属离子。后者可以存在于溶液中，原因是生长溶液中金属前体分子的不完全还原。例如，Au3+阳离子可以用作金双锥体纳米晶体的氧化蚀刻剂。
一旦形成成对的金属纳米棒纳米晶体，表面活性剂选择、生长溶液组成和生长溶液中反应物的浓度能够加以定制以调节从纳米棒生长的次级成对金属纳米晶体的尺寸和形状。例如，具有拉长式双锥体形状的次级金纳米晶体能够用单一阳离子季铵表面活性剂比如CTAB和银盐比如硝酸银生长自纳米棒纳米晶体，在次级纳米晶体生长溶液中进行。具有球形多面体形状的次级金纳米晶体能够用单一阳离子季铵表面活性剂比如CTAB和pH调节剂比如HCl生长自纳米棒纳米晶体，在次级纳米晶体生长溶液中进行。具有双平截头体形状的次级金纳米晶体能够用单一阳离子季铵表面活性剂比如CTAB、pH调节剂比如HCl、和银盐比如硝酸银生长自纳米棒纳米晶体，在次级纳米晶体生长溶液进行。双平截头体形、拉长式双锥体形和球形多面体形纳米晶体的示意图解显示在图1下部左侧。
正如种子金属双锥体纳米晶体，种子金属纳米棒纳米晶体能够与二元表面活性剂相组合以生长哑铃状次级纳米晶体。生长自种子纳米棒纳米晶体的哑铃状次级纳米晶体可以具有比它们所生长自的纳米棒纳米晶体更短的长度和/或更低的长径比。
还提供将高度尺寸单分散的贵金属双锥体纳米晶体和/或自其生长的次级成对金属纳米晶体的用于等离子体加热应用中的方法。金属双锥体纳米晶体的等离子体光热活性是辐射源激发其电子的结果，并且由于纳米晶体中存在多个阱状态，所吸收的能量以非辐射方式发射为热量。因为本文描述的方法能够提供金属纳米晶体样品，其包含高纯度水平和很低多分散性的等离子体金属双锥体纳米晶体，它们能够在等离子体加热应用中实现精确热控制。
在等离子体加热应用中，贵金属双锥体纳米晶体(和/或由其生长的次级成对金属纳米晶体)包括在包含至少两种化学反应物的反应溶液中，其发生热调节反应以产生一种或多种反应产物。在用辐射来辐射反应溶液，其被贵金属双锥体纳米晶体吸收并将其激发，纳米晶体将吸收的光能转化为热能，由此增加反应溶液的温度。温度变化能够加以定制以调节两种反应物之间的反应。取决于溶液中特别的反应性种类，温度变化能够诱导化学反应开始，停止化学反应，或改变化学反应的速率即提高或降低反应速率。反应溶液可以是例如水溶液或包含一种或多种有机溶剂的非水溶液。
金属双锥体纳米晶体的光学和等离子体特性将直接对应于纳米晶体的尺寸和长度。这点由其正确，原因是纳米晶体是各向异性的，具有多于一个定义尺度。尤其是，对于双锥体来说，横(短)轴和纵(长)轴能够在非常不同的电磁光谱区域具有吸光。从而，对于给定等离子体加热应用的吸光度特征能够通过定制所用双锥体纳米晶体的尺寸和尺度来选择性地微调。例如，对于实施例2的金双锥体，纵向峰显示相对横向峰3倍的吸光度并且发生在近红外(NIR)或IR范围，这指出采用金纳米晶体的光热应用的入射光也在NIR或IR。
等离子体金属双锥体纳米晶体能够用物质包覆，所述物质增强其热稳定性，增强其水分散性，和/或赋予表面电荷以便降低其在溶液中聚结的倾向。表面包衣还可以用来提供纳米晶体上的反应性表面官能团，其能够与基底官能团反应以形成在纳米晶体与基底之间的共价连接。包衣合意地是薄膜，其覆盖纳米晶体表面的至少一部分，保持双锥体纳米晶体的整体形状。对于期望用于生物医药应用的纳米晶体，包衣也合意地是生物可相容的。
硅石(二氧化硅)是能够用作包衣的物质的实例。二氧化硅包衣是生物可相容的，向纳米晶体提供增加的溶液稳定性，和提供反应性表面官能化。二氧化硅包覆的纳米晶体保留在最初合成中实现的高水平单分散性，但是更稳健和抵抗基于溶液的降解。二氧化硅包覆的金双锥体纳米晶体用于精确控制反应溶液温度的用途在实施例2和3中举例说明。如那些实例中所展示，通过控制激发脉冲长度和频率，能够实现精确固定的反应温度条件。
等离子体金属双锥体纳米晶体在反应溶液中的最佳浓度至少部分取决于期望应用的热需求。比如说，在某些应用中等离子体金属双锥体纳米晶体以提供1至5溶液光密度的浓度存在。这包括溶液，其中等离子体金属双锥体纳米晶体以提供2至4光密度的浓度。确定溶液光密度的方法描述于下文实施例2。
等离子体加热应用，其中金属双锥体纳米晶体(和/或由其生长的次级成对金属纳米晶体)能够用来经由等离子体-光热辐射-至-热的转化加热反应溶液，包括用于扩增核酸分子的方法。金属双锥体纳米晶体能够用来在两种方案中产生热量：等温扩增方案、包括链替代扩增和滚环扩增，以及热循环扩增方案比如PCR。在核酸扩增方法中，金属双锥体纳米晶体包括在扩增反应溶液中。反应溶液然后用可见和/或红外辐射来辐射，其被金属双锥体纳米晶体吸收，晶体将辐射转化为热能，由此升高反应溶液温度和诱导核酸扩增过程开始。
用双锥体纳米晶体的等离子体光热特性精确控制溶液温度的能力对热循环PCR是高度希望的，其中常规热循环方案需要大型且昂贵的控温仪器设备，这大大地限制PCR测试的可移动性并且阻止其用于即时检测方案。此外，因为等离子体金属双锥体纳米晶体吸收电磁光谱的IR区域(也即700nm至1000μm)、包括电磁光谱的NIR区域(也即700nm至2μm)，纳米晶体的光热活化能够完成而不降解反应溶液中的酶、核酸或其它生物分子。
扩增反应溶液的组成取决于所进行的扩增类型。然而，反应溶液一般将包括等离子体金属双锥体纳米晶体，待扩增的靶标核酸分子，引物核酸链，游离核苷酸，和核酸聚合酶比如DNA或RNA聚合酶。反应溶液中可以存在的额外组分包括缓冲液，稳定化反应物和/或减少扩增抑制的添加剂，和使得实时监测核酸复制成为可能的荧光探针。等离子体金属双锥体纳米晶体能够作为金属纳米晶体样品的一部分加入，其包含高纯度和很低多分散性的金属双锥体纳米晶体。比如说，加至反应溶液的金属纳米晶体样品能够包含至少85％等离子体金属双锥体纳米晶体，所述等离子体金属双锥体纳米晶体具有小于8％的多分散性。具有很小尺寸和形状多分散性的高纯金属双锥体纳米晶体样品能够用本文描述的和实施例1中举例说明的方法得自混合贵金属纳米晶体样品。
因为光激活的热循环PCR取决于在两种或更多种不同的反应温度之间的精确和重复循环，通过高纯和高度单分散的金属双锥体纳米晶体提供的精确热控制非常适合该应用。经由光激活的热循环PCR扩增靶标核酸分子的方法的一种实施方式图示于图16。该方法包括制备反应溶液的步骤，其包含：靶标核酸分子1602；引物核酸链1604；游离核苷酸(未显示)；DNA聚合酶(未显示)；和包含等离子体金属双锥体纳米晶体1606(小图(a))的金属纳米晶体样品，然后使得反应溶液循环通过多个光热循环1607。各光热循环包括用来自入射光源1608的入射辐射来辐射反应溶液的步骤，其中等离子体金属双锥体纳米晶体吸收入射辐射和经由等离子体光热辐射-至-热的转化将反应溶液加热至导致靶标核酸分子变性的第一温度(小图(b))；然后将反应溶液冷却至引物核酸链退火为变性靶标核酸分子的较低温度(小图(c))和起始自退火的引物核酸链合成新核酸链(小图(d))以形成新的靶标核酸分子1610(小图(e))。
核酸扩增设备的一种实施方式的示意图示于图17。设备包括容器1701比如小瓶中的反应溶液1700。IR光源1708位于反应溶液1700上方，使得其配置为辐射反应溶液和诱导等离子体加热。设备可以任选地包括聚焦光学装置比如透镜1703，其配置为将入射辐射1705聚焦在反应溶液1700上，以及风扇1707，其配置为将空气导向容器1701以增加冷却速率。在示于图17的实施方式中，核酸分子用荧光探针标记并且设备包括第二光源1709，其配置为辐射反应溶液1700和激发探针。设备还包括检测器1711比如CCD照相机，其配置为检测和监测激发探针发出的荧光1713。
图18的图显示在PCR热循环期间光源、检测器和风扇随反应溶液温度变化的时间应用。出于举例目的，该实例中的光源是LED和检测器是CCD照相机。然而，能使用其它光源比如IR激光和检测器比如光电倍增管。如图所示，第一LED(LED 1)激发反应溶液中的等离子体金属双锥体纳米晶体导致溶液温度上升。在溶液达到双链变性的希望温度之后，关闭LED 1和风扇开始冷却溶液。一旦溶液达到第二希望温度，将打开第二LED(LED 2)以激发结合至核酸分子的荧光染料分子从而提供扩增过程的实时监测。在溶液充分冷却的情况下，关闭风扇和再次打开LED 1以继续热循环。核酸扩增方案的循环数取决于所希望的复制度。
在循环的第一阶段(图16小图(b))期间，将反应快速加热至诱导双链靶标核酸分子变性的温度，准备用于引物杂交。一般地，该温度的范围是约90至约95℃。在循环的下一阶段，将反应冷却至温度，其使得便于引物核酸链退火为分开的变性靶标核酸分子链并且促进核酸分子经由起始自退火的引物核酸链生长而延伸。在PCR扩增方法的某些实施方式中，引物核酸链退火为变性的靶标核酸分子和核酸链延伸在单一温度的单一步骤中进行，一般温度范围是约70至约75℃。另选地，退火和延伸步骤能够在两个不同温度进行，其中前者一般在约40至约70℃的温度进行而后者一般在约70至约75℃的温度进行。
因为金属双锥体纳米晶体是很有效的等离子体加热器，光热循环能够很短暂。例如，在扩增靶标核酸分子方法的某些实施方式中，光热循环以至少3个光热循环/分钟的速率进行。这包括方法的实施方式，其中光热循环以至少2个光热循环/分钟的速率进行。一旦光热循环已完成，反应溶液能够冷却至室温(也即，～23℃)或更低以用于贮藏或下游处理比如凝胶电泳分析。
其中金属双锥体纳米晶体(和/或由其生长的次级成对金属纳米晶体)能够用来经由等离子体-光热辐射-至-热的转化加热反应溶液的其它等离子体加热应用包括进行热控制酶促反应的方法。在热控制的酶促反应中，金属双锥体纳米晶体包括在反应溶液中，其包含一种或多种酶和底物分子，然后用可见和/或红外辐射对其辐射。辐射被金属双锥体纳米晶体吸收和转化为热能，由此将反应溶液温度从酶呈活性形式的初始温度提高至酶呈无活性形式的较高温度。在酶呈活性的情况下，其与底物分子形成酶-底物复合物并且底物分子作为与酶相互作用的结果转化为新产物。在酶失活的情况下，底物分子自酶解离并且酶促反应停止。如果具有不同的活化和失活温度的多个不同酶存在于反应溶液中的情况下，通过等离子体金属双锥体在溶液中光热加热能够用来以分步方式升高反应溶液的温度，从而在各温度使得不同酶选择性地活化和失活。能够使用各种酶和底物分子。适宜的底物分子的实例包括生物分子比如核酸分子，包括DNA和RNA分子。用两种不同酶的选择性和分步活化来分步消化质粒DNA底物分子在实施例3中举例说明。
实施例
实施例1：合成金属双锥体纳米晶体和次级成对金属纳米晶体。
该实施例展示通过耗尽絮凝纯化一系列的金双锥体尺寸，使用苄基二甲基十六烷基氯化铵(BDAC)充当表面活性剂，并且显示纯化产品能够进一步用作种子以生长具有高度尺寸和形状单分散性的其它次级成对金属纳米晶体。
结果
纯化和扩大双锥体。金双锥体根据Liu和Guyot-Sionnest方法合成，使用种子介导的生长和随后通过耗尽絮凝纯化。选择BDAC用于纯化的原因是在相同浓度比CTAB显著更高的胶束浓度(大致2.6倍高，参见补充注释1)。(参见，Liu,M.&Guyot-Sionnest,P.Mechanismof silver(i)-assisted growth of gold nanorods and bipyramids.J.Phys.Chem.B109,22192-22200(2005).)高胶束浓度诱导在显著更低的表面活性剂浓度絮凝，帮助避免一般在高表面活性剂浓度能够发生的某些问题比如高溶液粘度、溶解度问题、和从球形胶束向棒状或蠕虫状胶束的不可预测的转变。图2B显示代表性UV-Vis谱图和图2C显示大于90％高度纯化的金双锥体的TEM图像(也参见图2D小图1-5和图7A的其它尺寸)。纯化运用耗尽吸引力来选择性地絮凝高面部表面积的纳米颗粒，在该情况中是双锥体。吸引力强度与在两个纳米粒子接近期间产生的纯水体积成比例，其类似地与纳米粒子的可能接触面积成比例。因此，具有较大可能接触面积的颗粒比如双锥体将选择性地絮凝，而具有低可能接触面积的那些比如球形杂质将保留在上清液中(1：合成的双锥体，2：上清液，3：纯化的双锥体，也参见图7A和详细程序的方法和TEM图像)。大于100nm的双锥体逐渐变得难以从假球形杂质分离，原因是双锥体和假球形杂质的面部表面积均增加，引起不希望的共絮凝(图7D)。
用TEM来确定纳米晶体的形状纯度和多分散性。纯度通过获得TEM图像并计数至少200个纳米晶体的相对纯度来确定。多分散性获得如下：从TEM图像测量至少50个代表性的纳米晶体长度和宽度。测量能够通过设备上的图像捕获软件或用ImageJ程序获得。
在获得纯单分散金双锥体之后，以类似种子介导生长的过程从所述双锥体合成具有新形状或不同尺寸的各种其它金纳米结构。因为该情况中所用的"种子"是单分散，通过这些转化获得的产品也是形状和尺寸单分散，其中多分散性的范围是仅2-5％。通过将纯化的双锥体用作种子，合成和分离的尺寸局限能够被克服，允许将颗粒尺寸增加到超过100nm仍具有高纯度。图2D的TEM图像、图2E的UV-Vis谱图、轨迹6-10显示一系列尺寸范围的再生长双锥体，其是通过加入不同量的双锥体种子或调节反应物在生长溶液中的浓度而获得的。(参见表1，图26A部分1和2和图26B和表2的合成条件和详细尺寸测量。)LSPR峰的半最大值全宽(FWHM)是58至153nm，和这些比纳米棒(～100-200nm或6.2-12.4eV)有利的值也确认双锥体的单分散性。还观察到在通过改变pH或生长溶液中的AgNO3量再生长期间长径比能够稍有改变(图8B)。(参见，Ye,X.,Zheng,C.,Chen,J.,Gao,Y.&Murray,C.B.Using binarysurfactant mixtures to simultaneously improve the dimensional tunability andmonodispersity in the seeded growth of gold nanorods.Nano Lett.13,765-771(2013)和Chen,H.,Shao,L.,Li,Q.&Wang,J.Gold nanorods and their plasmonicproperties.Chem.Soc.Rev.42,2679-2724(2013).)
双锥体哑铃。除了扩大双锥体之外，改变合成条件再生长双锥体引入添加金纳米粒子工具箱的数种新结构，而且还提供对更简单形状的纳米结构所未实现的生长机理的深入了解。金纳米球和金纳米棒的再生长得到充分研究，并且纳米棒转化为哑铃已充分揭示纳米粒子生长条件的复杂性。然而，纳米球和纳米棒均未能提供双锥体所提供的复杂晶体小平面和成对形状。双锥体的再生长首先用不同的表面活性剂(CTAB，鲸蜡基三甲基氯化铵(CTAC)和BDAC)以及其混合物来比较。对于具有单独表面活性剂的标准生长溶液，尺寸增进相对任何结构变化占优势。使用CTAB的双锥体尺寸增进提供最佳形状均匀性和表面平滑度，与BDAC和CTAC两者相比(图3A小图1和图9A、9B和9C)。这些结果能够解释如下：考虑CTAB和BDAC的不同的结合亲和力即Br->Cl-，以及在Ag+离子存在下向金表面的欠电势沉积程度。(参见，Liu,M.&Guyot-Sionnest,P.Mechanism of silver(i)-assisted growth of goldnanorods and bipyramids.J.Phys.Chem.B 109,22192-22200(2005)；Nikoobakht,B.&El-Sayed,M.A.Preparation and growth mechanism of gold nanorods(nrs)using seed-mediated growth method.Chem.Mater.15,1957-1962(2003)；Langille,M.R.,Personick,M.L.,Zhang,J.&Mirkin,C.A.Defining rules for the shape evolution of goldnanoparticles.J.Am.Chem.Soc.134,14542-14554(2012)和Lohse,S.E.,Burrows,N.D.,Scarabelli,L.,L.M.&Murphy,C.J.Anisotropic noble metalnanocrystal growth:The role of halides.Chem.Mater.26,34-43(2013).)用CTAC再生长引起随机的形状生长和团聚，原因是与CTAC离心除去剩余CTAB降低颗粒稳定性。根据用阳离子首基和溴阴离子作为平衡部分生长纳米棒的报告，更大的首基导致更高长径比的纳米棒并减缓生长速率，意味着更高的结合亲和力和引起在颗粒表面更稳定的双层。(参见，Kou,X.et al.growth of gold bipyramids with improved yield and theircurvature-directed oxidation.Small 3,2103-2113(2007)；Nikoobakht,B.&El-Sayed,M.A.Preparation and growth mechanism of gold nanorods(nrs)using seed-mediatedgrowth method.Chem.Mater.15,1957-1962(2003)；Kou,X.et al.growth of goldnanorods and bipyramids using cteab surfactant.J.Phys.Chem.B 110,16377-16383(2006)和Kou,X.et al.One-step synthesis of large-aspect-ratio single-crystalline gold nanorods by using ctpab and ctbab surfactants.Chem.Eur.J.13,2929-2936(2007).)该观察和文献的结果表明在Ag+离子存在下表面活性剂亲和力能扩展至CTAB>BDAC>CTAC。
对三种可能的二元表面活性剂组合进行系统研究，其是CTAB/CTAC，CTAB/BDAC和BDAC/CTAC(分别图10C、10B和10A)。尽管改变摩尔比，对BDAC/CTAB或CTAC/BDAC分别并未观察到和仅观察到一些尖端过度生长。有趣地，二元系统中表面活性剂的摩尔比显示对双锥体再生长的巨大影响，特别是在尖端区域。先前，充当封端剂的混合表面活性剂已被用于调节金纳米棒的长径比，金纳米棒和四面体状金纳米的镶Ag过度生长。(参见，Nikoobakht,B.&El-Sayed,M.A.Preparation and growth mechanism of gold nanorods(nrs)usingseed-mediated growth method.Chem.Mater.15,1957-1962(2003)；Kou,X.et al.One-step synthesis of large-aspect-ratio single-crystalline gold nanorods byusing ctpab and ctbab surfactants.Chem.Eur.J.13,2929-2936(2007)；Park,K.&Vaia,R.A.Synthesis of complex au/ag nanorods by controlledovergrowth.Adv.Mater.20,3882-3886(2008)和Ali Umar,A.&Oyama,M.High-yieldsynthesis of tetrahedral-like gold nanotripods using an aqueous binarymixture of cetyltrimethylammonium bromide andhexamethylenetetramine.Cryst.growth Des.9,1146-1152(2008).)然而，各组分在生长中的角色由于相互作用的复杂性而仍模糊不清。如先前提及，CTAB的结合亲和力大于CTAC。然而，随CTAC:CTAB比率增加到90:1至900:1，存在其中CTAC占据的某些表面积的平衡。明显地，CTAC局域化至尖端区域，在此CTAB相对CTAC的优先结合最低。在该情况下，在CTAC封端的保护更少的末端处的生长引起所观察到的尖端过度生长，其利用卤化物的形状导向特性。在比率过高或过低或者使用纯CTAB的情况下，并未观察到尖端生长，原因是尺寸增进因表面均匀覆盖单一表面活性剂而变为主要生长模式(图3A小图1和图10C和10D)。
通过仔细修饰反应条件，哑铃状双锥体的尖端形状能加以控制以进一步确认生长溶液组分的作用。图3B和3C显示各种单分散的再生长结构的TEM图像和UV-Vis-NIR谱图，其生长自使用单一(图3B)或二元(图3C)表面活性剂的双锥体。用二元表面活性剂观察到双锥体尖端的显著变化，包括球形、棒状和双锥体状尖端。在这些实验中的双锥体标准生长溶液由下述组成：91.9μM的HAuCl4，18.4μM的AgNO3，0.0184N的HCl和147μM的L-抗坏血酸。[抗坏血酸]/[HAuCl4]摩尔比是1.6(图3A-3C)以确保Au3+完全还原至Au0。如果使用更少的抗坏血酸，则剩余Au3+充当氧化剂并且蚀刻过程变得占优势、引起缩短的双锥体(图11)。在这些反应中形状变化的主要因素是HCl和AgNO3。有报告的是，Au3+还原速率能够通过增加溶液pH而增加，其能够导致沿现有晶体面的快速沉积，导致纳米棒在全部方向生长，具有更短长径比。(参见，Kim,F.,Sohn,K.,Wu,J.&Huang,J.Chemical synthesis of gold nanowires inacidic solutions.J.Am.Chem.Soc.130,14442-14443(2008)和Sohn,K.etal.Construction of evolutionary tree for morphological engineering ofnanoparticles.ACS Nano 3,2191-2198(2009).)对于标准生长溶液的情况生长溶液pH是1.74和对于不含HCl的生长溶液则是3.62。在这两种条件下，Ag+的还原能够忽略，原因是增加的抗坏血酸氧化还原电位。银单层能够在生长期间通过欠电势沉积而沉积在金的特定表面上，从而稳定化表面和减缓生长速率。在结构中全部小平面的生长速率能够取决于银离子欠电势沉积的表面覆盖程度而改变，因此特定小平面的不同生长速率将确定纳米粒子的最终结构。
图3A小图2和图3A小图7中的结果显示沿短轴的优势生长，具有尖锐顶点。与在标准生长溶液中生长相比，不用HCl在pH 3.62在双锥体的全部方向期望更快的生长速率。然而，尖端部生长速率大大抑制，因为Ag+离子的存在能够容易地访问尖端区域，引起欠电势沉积。尖端区域的高曲度引起比双锥体各面更低的表面活性剂堆积密度，留出Ag+沉积在表面活性剂间区域的额外空间。这引起沿双锥体长轴形成的梯级式小平面，由此锐化两个双锥体尖端。二元表面活性剂生长显示在尖端部比单一表面活性剂情况增加的过度生长，原因是其具有更低CTAB层覆盖，加速沿尖端区域的生长。对于二元表面活性剂，加入不含HCl的或多或少的AgNO3引起很少的伸长和不受限的宽度生长，特别是在尖端，这指出沿长轴生长的增加抑制能够大大改变颗粒形状(图12A)。
类似地，在不含AgNO3的pH 1.76实验中，由于不存在Ag+离子而期望快速生长，然而其比不含HCl和AgNO3的情况更慢，原因是pH对降低抗坏血酸还原能力的效果。由于低pH且不存在Ag+离子，反应以允许受控生长的速率进行，通常在该pH产生双锥体的梯级式晶体小平面，引起纳米棒状结构的受促进生长。在不用Ag+离子阻断某些生长小平面的情况下，在单一CTAB表面活性剂系统中生长的双锥体合成出低长径比(～2.3)和劣限定的尖端；由于单一表面活性剂的均匀覆盖和缺少Ag+欠电势沉积，生长在全部方向均匀发生(图3A小图3)。有趣地，在二元表面活性剂系统中形成棒状尖端(图3A小图8)。类似上述情况，据信尖端区域的过度生长诱导自二元系统中降低的CTAB表面覆盖。在不存在Ag+的情况下，过度生长加速且绕过梯级式结构从而在尖端形成棒状结构。
图3A小图4和图3A小图9显示不用HCl且AgNO3的双锥体再生长。在该情况下，期望比不用HCl或不用AgNO3的前两种情况显著更快的生长速率。由于显著更快的沉积和不存在Ag+抑制，快速加入Au0原子在双锥体的梯级式表面的全部方向均匀发生。对于单一和二元表面活性剂系统，这使得颗粒保持其最初的双锥体形状。二元表面活性剂的长径比稍高于单一表面活性剂情况，原因是如上文所提及的减少的CTAB覆盖，引起在尖端生长的少许优势并获得稍拉长的颗粒。
同时，额外的AgNO3(5x标准生长条件)显示在二元表面活性剂中尖端区域的显著形态变化，提供CTAB在尖端比单一表面活性剂更低的覆盖。等同双锥体的不同结晶结构在两个尖端形成(图3A小图10)。然而，从单一CTAB表面活性剂观察到可忽视变化。这些结果指出的是，CTAC表面活性剂的不足保护能够对Ag+欠电势沉积生长的抑制更敏感，导致更容易接触尖端，引起显著形状变化。在该情况下加入更多酸引起单一和二元表面活性剂两者可忽视的变化(图8A和8B和图12B)。图3B和3C的UV-Vis-NIR谱图反映再生长双锥体的各种结构的变化，取决于生长条件。因为大多数再生长结构显示长度变化，观察到窄宽度纵向等离子体峰的显著峰位移。
使用单一和二元表面活性剂的单个再生长双锥体的结晶结构通过高分辨率TEM(HR-TEM)(图4B-4I)和快速傅里叶变换(FFT)图谱(未显示)确定。图4B显示HR-TEM图像，用单一表面活性剂和标准生长溶液再生长获得的扩大双锥体。FFT图谱显示颗粒尖端和中部的透明网格边缘(lattice fringes)。显示的是，两个边缘与生长轴平行且沿长轴成对。网格边缘的间距通过直接测量确认为0.234nm，相应于双锥体(111)小平面。FFT图谱显示双锥体衍射图谱，相应于图4A取向1。FFT图谱中的编号反射相应于网格参数：d111＝0.234nm，d220＝0.143nm，d222＝0.118nm，d200和d020＝0.204nm，d311＝0.122nm，d400＝0.102nm，d420＝0.091nm。反射编号(311)和(220)散射自T3和T4。反射编号(020)和(220)来自T1。未编号的剩余反射受多种散射效果诱导。全部测量值在整体数据±2％误差范围内并与所报告的结果相符，指出再生长的双锥体是成五对的面心立方结构。用单一或二元表面活性剂再生长的全部双锥体经确认具有与图4B双锥体相同FFT图谱。图4B中的双锥体尖端角(θ)经测量是27.02±1.35°，其相应于(117)高指数小平面，平均步长(s)为～3.5个原子(图13A)。然而，该高指数小平面的身份变化，原因是尖端角不同于双锥体。如果尖端角小于图4B双锥体，平均步长(s)能够是>3.5，其能够编号为{11l}，其中l>7。类似地，在尖端角大于双锥体的情况下，平均步长(s)能够是<3.5，其能够编号为{11l}，其中l<7。有趣地，哑铃状双锥体的HR-TEM图像(图4H)和FFT显示在两个尖端的成多对的球形结构。相应于图4H的FFT中的圆周反射分别对应网格参数：d111＝0.229nm，d220＝0.143nm和d200＝0.203nm。
双锥体的氧化蚀刻。金双锥体还能够用溶于溶液的分子氧发生氧化蚀刻。金原子的循环氧化和还原能够通过时间依赖性陈化过程缓慢改造纳米粒子。添加剂氧化剂比如过氧化氢已显示加速蚀刻过程和通过原子加减改造纳米粒子，但是引起劣形状和尺寸分散性的纳米粒子。利用金双锥体的纯度及其固有的单分散性，已使得该蚀刻过程适于产生其它单分散结构。因为双锥体小平面和尖锐尖端的高能特性，这些高度反应性颗粒易受蚀刻剂氧的影响，尽管其是弱氧化剂。如图5A所示，双锥体在尖端开始蚀刻和随反应进行连续雕刻为米粒状和最终棒状，其在120℃和在0.1M BDAC存在下进行。图5B中的UV-Vis谱图显示与TEM图像的结构变化相符的连续变化。在保护剂和蚀刻剂BDAC存在下，纯化的金双锥体促进四个Au0原子四电子氧化为Au+，形成氯化金盐和同时将分子氧还原为水。系统的高温然后使得在纳米粒子表面歧化，使Au0原子沉积回表面的低能和低缺陷区域。该过程循环，连续除去缺陷区域的原子和将其替换在无缺陷区域，直至颗粒到达能量最低，在该情况是金纳米棒。在室温下，仍发生相似的动力学过程，但是引起每天小于数纳米的LSPR峰蓝移(图14A)。这指出反应的热力学性质，并且双锥体蚀刻为纳米棒能通过升高温度而进一步加速。在CTAB用作保护性剂和蚀刻剂的情况下，反应减缓，需要长几乎一个数量级来获得与图5A小图2中类似的结构(图14B，其中从左到右的时间间隔是：在热之前；10分钟；15分钟；30分钟；90分钟；300分钟；和900分钟)。值得注意的是，蚀刻反应速率能够通过将浓度降低至表面活性剂的临界胶束浓度(1mM)而增加，其引起纳米粒子对氧化种类的保护减少(图14C)。
为了将再生长策略拓展至其它结构，用单分散的蚀刻结构作为种子合成再生长结构，使用单一和二元表面活性剂。图6A-6C显示再生长结构的TEM图像和UV-Vis谱图，其用蚀刻的棒状颗粒作种子。用单一和二元表面活性剂从蚀刻颗粒的生长行为经确认非常相似，可能是由于不存在影响金双锥体尖端的尖锐端部。有趣地，在标准生长溶液用于再生长的情况下蚀刻的米粒状颗粒能够回复至最初双锥体结构(图15A和15B)。另一方面，用标准生长溶液不能完全将棒状颗粒的再生长回复为双锥体，而是形成双平截头体，最终缺少双锥体的尖锐端部(图6A小图1)。用与双锥体相同的生长条件，用蚀刻颗粒合成了双平截头体至短哑铃的新类型的纳米结构，其等离子体共振覆盖500nm至800nm的短波区域。用单一或二元表面活性剂从蚀刻棒状颗粒再生长的全部结构也经确认具有与图4B双锥体相似的FFT图谱。
讨论
再生长策略成功合成了基于双锥体形状的各种新金纳米粒子几何形状。双锥体的纯度和单分散性引起类似纯且均匀的一系列产品，其包括扩大的双锥体，具有球形、尖锐和棒状端部的哑铃，双平截头体，和球形多面体。在单一表面活性剂中的双锥体再生长能够可控地微调，以提供大于200nm的长度和NIR范围内的纵向等离子体共振峰，以及允许控制长径比。用二元表面活性剂系统再生长提供对特定表面活性剂在颗粒表面上局域化的深入了解。在与改变酸和银浓度相组合的情况下提供产生独特几何形状的机会。此外，双锥体结构的高能特性允许可控的氧化蚀刻，仅用分子氧作为蚀刻剂，产生高度单分散的纳米米和纳米棒结构，其是额外用相同程序再生长的。最终，起始自高度单分散但成对的双锥体结构的各种生长条件允许产生宽范围尺寸和形状的贵金属纳米粒子，其具有尚无先例的窄分布。
方法
材料和设备。全部化学品购自商业供应商和不加进一步纯化地使用。鲸蜡基三甲基溴化铵(CTAB，Bioxtra，≥99.0％)，苄基二甲基十六烷基氯化铵(BDAC，阳离子洗涤剂)，鲸蜡基三甲基氯化铵，柠檬酸三钠盐二水合物(≥99.5％，BioUltra，用于分子生物学)(CTAC，≥98.0％)，四氯金酸氢盐三水合物(HAuCl4·3H2O)，L-抗坏血酸(Bioxtra，≥98.0％)购自Sigma Aldrich.，硝酸银(AgNO3，≥99.8％)，硼氢化钠(NaBH4，≥99％)购自Fluka。盐酸(HCl，1N)购自Fisher Scientific。纳米纯的水(18.2MΩ，BarnsteadNanopure，Thermo Scientific，MA，USA)用于全部实验。玻璃小瓶购自Kimble chase(4和20mL，NJ，USA)。全部玻璃仪器用新鲜制备的王水(HCl：HNO3，3:1体积比)清洁，随后用足量水冲洗。RCT Basic(IKA，NC，US)用于磁力搅拌。UV-Vis-NIR谱图用Synergy H4(Biotek，VT，USA)和Cary 5000UV-Vis-NIR(Agilent，CA，USA)测量。Formvar/碳-包覆的铜栅极(TedPella，Inc.Redding，CA，USA)和TEM(Tecnai G2 F30 Super Twin显微镜，300kV和TecnaiG2 Spirit，200kV，FEI，OR，USA)用于TEM分析。
合成和纯化金双锥体。金双锥体根据文献程序合成。(参见，Liu,M.&Guyot-Sionnest,P.Mechanism of silver(i)-assisted growth of gold nanorods andbipyramids.J.Phys.Chem.B 109,22192-22200(2005).)简言之，用18.95ml超纯水、0.25ml的10mM HAuCl4和0.5ml新鲜制备的10mM枸橼酸钠制备金种子，随后在室温下在500rpm磁力搅拌下加入0.3ml新鲜和冰冷的10mM NaBH4。搅拌反应混合物2小时，在使用前陈化一周(在陈化之后，种子溶液稳定1个月并且为合成双锥体提供可重现结果)。双锥体在溶液中生长，所述溶液含有10mL的0.1M CTAB、0.5mL的0.01M HAuCl4、0.1mL的0.01M AgNO3、0.2mL的1NHCl、0.08mL的0.1M抗坏血酸、和变化量的种子溶液；显示种子体积为110、100、95、80和60μL，相应于图7A小图1-5和表2。于400rpm温和搅拌溶液，保持在30℃油浴中2小时。在30℃于13,000g离心胶体15分钟，用10mL的1mM CTAB洗涤，进行两次。在除去上清液之后，将沉淀再分散在3mL的1mM CTAB溶液中以进一步纯化。将各体积的0.5M BDAC溶液和超纯水加入3mL的粗制双锥体溶液，获得具有希望BDAC浓度的10mL的溶液。希望的BDAC浓度取决于金双锥体的尺寸和通过实验测定(图7B和7C)。所用BDAC浓度是230、260、310、320和350mM，分别相应于用60、70、95、100和110μL种子溶液制备的双锥体。混合溶液，在30℃在温育器中静置11小时。仔细除去所得粉色上清液，将3mL的1mM CTAB加入小瓶以再分散沉淀。然后超声小瓶1分钟。所得纯化溶液(褐色)于8,000g离心8分钟，用1mL的1mM CTAB洗涤，重复两次，除去过量BDAC。最终，将纯化双锥体再分散于1.5mL的1mM CTAB溶液，用于全部再生长反应。用80μL种子溶液制备的图2C的纯化双锥体用作全部再生长反应的种子。
控制双锥体尺寸。金双锥体的尺寸能够用不同的生长溶液浓度或不同量的纯化种子溶液来控制。对于再生长溶液的典型制备，将0.9mL的0.1M CTAB溶液在30℃油浴中保持5分钟，于400rpm磁力搅拌。然后按表1详述依次加入HAuCl4、AgNO3、HCl和抗坏血酸并保持5分钟。最终，加入一定量的纯化-双锥体种子溶液(表1)并保持2小时。为了保持反应体积不变，用1mM CTAB将变化量的纯化-双锥体种子溶液调节至0.1mL。所得溶液于7,000g离心8分钟，用1mM CTAB洗涤，重复两次，然后再分散于1mM CTAB以进一步表征。
控制纳米粒子形状。各种尖端和独特结构形状能够用单一或二元表面活性剂以及修饰的生长溶液来控制，如表1详述。使用单一表面活性剂的程序类似双锥体的扩大，除了视条件加入化学品。为了不用HCl、AgNO3或两者合成，替代将相同体积的纳米纯水加入再生长溶液。对于过量的AgNO3，对于相同体积使用比标准再生长溶液更高浓度的溶液。将1mMCTAB中的100μL纯化-双锥体种子溶液加入制备的再生长溶液并保持2小时。对于用二元表面活性剂的再生长溶液的典型制备，将0.1M CTAC在30℃油浴中保持5分钟，于400rpm磁力搅拌。100μL纯化-双锥体种子溶液于7,000g离心和再分散于0.1mL的希望浓度的CTAB溶液中，以调节在表面活性剂比率(CTAC与CTAB)。如上文加入具有纯化-双锥体种子的反应物并在30℃保持2小时以完成反应。所得溶液于7,000g离心8分钟，用1mM CTAB洗涤，重复两次，然后再分散于1mM CTAB中以进一步表征。
双锥体的氧化蚀刻。为了氧化蚀刻，将1mM CTAB中的100μL纯化双锥体加至900μL的不含其它试剂的100mM BDAC溶液。具螺帽玻璃小瓶用聚四氟乙烯带密封以预防在加热期间蒸气渗漏。将密封小瓶置于在120℃预热的油浴中并保持在300rpm磁力搅拌下(在加热密封容器时需小心：在烧瓶内部形成压力。适当密封小瓶也是控制反应速度的关键，原因是任何渗漏都将加速反应。)在10、15、30、60、90和210分钟之后，用水浴将小瓶冷却至室温以停止氧化过程。所得溶液于8,000g离心8分钟，用1mM CTAB洗涤，重复两次，然后再分散于100μL的1mM CTAB中以进一步再生长和表征。参见表1的详细再生长条件。
补充注释1.耗尽絮凝的概念首先由Asakura和Oosawa在1958提供，并且由Park在2010用于纳米粒子的纯化技术。(参见，Asakura,S.&Oosawa,F.Interaction betweenparticles suspended in solutions of macromolecules.J.Polym.Sci.33,183-192(1958)和Park,K.,Koerner,H.&Vaia,R.A.Depletion-induced shape and sizeselection of gold nanoparticles.Nano Lett.10,1433-1439(2010).)待纯化的第一纳米粒子系统牵涉纳米棒和纳米球。Park引入模型来预测纳米粒子会何时开始絮凝。如下式1所示的简化公式将有效胶束浓度和纳米粒子接触面积与电位关联U。在|U|≈4-5kBT的情况下，颗粒开始从溶液絮凝出来。(参见，Leal-Calderon,F.et al.Aggregation phenomenain water-in-oil emulsions.Langmuir 12,872-874(1996).)
在上述公式1中，rm是表面活性剂胶束的半径，A是纳米粒子的可能接触面积，c是表面活性剂浓度，cmc是表面活性剂的临界胶束浓度，n是表面活性剂胶束的团聚数，N0是Avogadro常数，kB是Boltzmann常数，和T是温度。出于计算双锥体接触面积的意图，假定形状是具有10个相等三角面的五边形双锥体。表面活性剂胶束的常数全部得自文献来源。
选择BDAC用于耗尽絮凝的原因是其比CTAB更高的有效胶束浓度。对于BDAC，rm＝2.4nm，cmc＝0.0005M，n＝62而对于CTAB，rm＝3.0nm，cmc＝0.001M，n＝162。这获得大致2.6倍高的有效胶束浓度，而絮凝能力大致是2.09倍高(由于较小胶束尺寸)。高胶束浓度是必需的，原因是具有10个等同面的双锥体实际上具有与相似尺寸的本质上具有5个面的纳米棒相比相对低的接触面积。
纯化双锥体的范围仅从68nm扩展至95nm，而通过种子介导生长可获得的双锥体的范围则扩展至范围更短和更长的尺寸。更短的双锥体难以纯化，原因是纯化必需的相应BDAC浓度为约400mM或更多。在该高浓度，粘度过高从而不允许絮凝在合理的时间范围发生。对于合成的大于95nm的双锥体，假球形杂质也成比例地更大。随这些杂质长得更大，它们变得偏离球形且更具小平面。这些小平面变得足够大，从而它们开始与双锥体共絮凝，这基于尺寸选择性有效阻止了任何可能的纯化。
表2.该表显示长度和宽度、长径比(AR)和纵向表面等离子体共振(LSPR)峰的概要，相应于图2E的消光谱图1-10。
表3.再生长结构(双锥体和氧化蚀刻的纳米棒)的尺度，采用单一和二元表面活性剂。*STDEV＝标准偏差，PD＝多分散性，AR＝长径比。
实施例2：IR光诱导的PCR。
该实施例说明金双锥体纳米晶体在光激活PCR中的用途。
双锥体-二氧化硅核-壳纳米晶体的合成及其聚二乙醇化。
原硅酸四乙酯(TEOS，试剂级，98％)购自Sigma Aldrich。甲氧基-聚(乙二醇)-硅烷(MW＝5000)购自Laysan Bio。全部化学品购自商业供应商和不加进一步纯化地使用。纳米纯水(18.2MΩ，Barnstead Nanopure，Thermo Scientific，MA，USA)用于全部实验。RCTBasic和加热块(IKA，NC，US)用于磁力搅拌和加热。
双锥体在溶液中生长，其含有10mL的0.1M CTAB，0.5mL的0.01M HAuCl4，0.1mL的0.01M AgNO3，0.2mL的1N HCl，0.08mL的0.1M抗坏血酸，和30μl种子溶液。将纯化的双锥体再分散于1.5mL的1mM CTAB溶液，有待用于二氧化硅包衣。对于合成双锥体-二氧化硅核-壳纳米晶体，在5ml小瓶中将1mM CTAB中的500μL双锥体溶液与500μL去离子水混合。在该溶液中，加入1.3μl的0.1M NaOH以调节pH为10-10.4，然后在30℃加入8μl TEOS(20％v/v，在乙醇中)，同时快速搅拌1分钟。在加入TEOS之后，温和搅拌溶液过夜。溶液于1,500g离心15分钟，用1mL去离子水(重复两次)和乙醇(重复两次)洗涤，然后再分散于950μl乙醇中。
为了聚二乙醇化，将50μl的10mM甲氧基-聚(乙二醇)-硅烷的乙醇溶液加入并保持涡流搅拌2小时。最终，所得溶液于1,500g离心10分钟，用1mL的乙醇(重复两次)和去离子水(重复两次)洗涤，然后再分散于去离子水中。在洗涤步骤之间需要超声数秒。为了确定纳米晶体的光密度，用UV-2401PC(Shimadzu，Kyoto，Japan)和吸收池(超微池，体积＝50μl，光路＝10mm，Mullheim，德国)测量UV-Vis谱图。谱图示于图21。
通过LED等离子体加热双锥体-二氧化硅核-壳纳米晶体。
将红外LED(850nm峰波长，装载于金属核PCB上，700mA正向电流，12.4V正向电压，LZ4-00R608，LED Engine，CA，USA)用于双锥体-二氧化硅核-壳纳米晶体的等离子体加热，用来源计控制(Keithley-2636A，Tektronix，Inc.，OR，USA)。将20.0mm Focus Spot Top透镜光线偶合(10356，Carclo Optics，PA，USA)用来使光聚焦在样品上。将蓝色LED(5mm，480nm峰波长，3.2V正向电压，20mA正向电流，4.1cd，C503B-BCN-CV0Z0461，CREE，Inc.，NC，USA)和FITC激发滤光器(中心波长＝475nm，带宽＝35nm，MF475-35，Thorlabs，Inc.，NJ，USA)用于激发SYBR绿色I，和将光谱仪(USB4000，Ocean Optics，Inc.，FL，USA)用于检测实时PCR的荧光信号。用USB-型热电偶测量装置(USB-TC01，National Instruments，TX，USA)和类型-k绝缘热电偶(5SC-TT-K-40-36，OMEGA Engineering，INC.CT，USA)测量和记录温度。LED、来源计、荧光测量、冷却风扇和温度测量的热循环用LabVIEW程序控制。
观察到的是，各向异性金核-二氧化硅壳双锥体纳米晶体在不同电磁光谱区域具有吸光度，其中对于示于图19B的双锥体纳米晶体横向(短轴)和纵向(长轴)分别具有的峰值为约520nm和约875nm(图19A)。还观察到的是，通过控制LED脉冲长度和频率能够实现不同的固定温度条件。例如，对于具有示于图20A的吸光谱的金核-二氧化硅壳双锥体纳米晶体，实现60℃和65℃溶液温度，如图20B所示。
为了确定加热和冷却速率，使用在去离子水中最大峰波长846nm的聚二乙醇化的双锥体-二氧化硅核-壳纳米晶体，在72℃至95℃进行30个热循环。将5μl不同光学密度的纳米晶体和12μl液体蜡(CHO-1411，Bio-Rad Laboratories，Inc.，CA，USA)用来确定冷却和加热速率，取决于纳米晶体的光学密度，如图22所示。将10μl光学密度14.1和21.5的纳米晶体(12μl液体蜡)用来确定冷却和加热速率，取决于注入流，如图23A所示。14.1OD和21.5OD样品的热循环分别示于图23B和23C，用于0.4A电流。光学密度6.3、14.1和21.5的5、10和25μl(分别12、15和30μl液体蜡)的样品用来确定冷却和加热速率，取决于取样容积。结果示于图23D。
双锥体纳米晶体在LED辐射之前和在LED辐射之后进行90个循环(图24C)，和并未显示其形态变化(图24A，之前；和图24B，之后)。
实时PCR研究。
M13mp18单链DNA(100个碱基对长度的扩增子)购自New England BioLabs，Inc.和用作聚合酶链反应的模板。HPLC纯化的正向引物(TCCTCAAAGCCTCTGTAGCCGTTGCT)和反向引物(GCTTGCAGGGAGTTAAAGGCCGCTT)购自Integrated DNA Technologies。KAPA2G快速DNA聚合酶(5U/μl)，KAPA2G缓冲剂A(5X)和KAPA dNTP混合物(各10mM)购自KAPA Biosystems。SYBR绿I(×10,000)得自Molecular Probes,Inc。
对于图25A-25F中的RT-PCR，用于等离子体PCR的反应混合物含有14.1OD的双锥体-二氧化硅核-壳纳米晶体，KAPA2G缓冲剂A(1X)，dNTPs(0.2μM各)，正向引物(5μM)，反相引物(5μM)，KAPA2G快速DNA聚合酶(0.2U/μl)，BSA(0.1％，图25A和图25B；0.3％，图25C和图25D；0.5％，图25E和图25F；按vol/vol)，M13mp18单链DNA模板(0.1μg/ml)，SYBR绿I(1.5X)。RT-PCR用72-95℃热循环进行40个循环。反应通过实时荧光在75℃监测。采集时间0.5s。
对于凝胶电泳，琼胶糖HS粉末购自Denville Scientific，Inc。10×TBE缓冲剂购自Bio-Rad实验室，Inc.和稀释至0.5的最终浓度。水中的PAGE GelRed核酸凝胶染料10,000X购自Biotium，Inc。凝胶加载染料紫(×6)得自New England BioLabs，Inc.
DNA片段经由(1％)琼胶糖凝胶电泳分离。凝胶通过将琼胶糖溶于0.5×TBE缓冲剂制备。为了加载样品，将DNA以等体积比与琼胶糖凝胶加载染料混合，和凝胶电泳在于90V运行。为了可视化DNA，凝胶在新鲜制备3×PAGE GelRed核酸溶液染色5分钟，经由Gel Doc XR+系统，Bio-Rad Laboratories，Inc成像。
实施例3：热控制的酶促反应。
该实施例说明金双锥体纳米晶体在DNA质粒两步消化的光激活热控制中的用途。(聚二乙醇化的核-壳纳米晶体的合成描述于实施例2。)
为了DNA消化，质粒pBR322 DNA，4,361碱基对长度的双链循环，和限制性内切酶EcoRI-HF(100,000单元/ml)和BsmI(10,000单元/ml)购自New England BioLabs，Inc。10×CutSmart缓冲剂与限制性内切酶一起供给。
将1μg pBR322 DNA质粒与10×CutSmart缓冲剂(1×最终浓度)、100单元EcoRI-HF限制性内切酶、和10单元BsmI限制性内切酶混合，在37℃消化15分钟(EcoRI-HF酶的最佳条件)，然后将温度提高至65℃持续15分钟(灭活EcoRI-HF酶的BsmI酶的最佳条件)，总消化时间30分钟。加热至80℃持续20分钟使BsmI酶失活。所得DNA片段在琼胶糖凝胶电泳中运行和用Gel Doc XR+系统，Bio-Rad Laboratories，Inc成像。
"示例性"在本文中用来意指用于实例、例子或图解。本文描述为"示例性"的任何方面或设计不一定解释为相对其它方面或设计优选或有利。此外，为了该公开意图和除非另有指定，"一"或"一种"意指"一种或多种"。
本发明示例性实施方式的前文描述已出于图解和描述意图展示。其并不期望是穷举的或将本发明限制为公开的精确形式，并且鉴于上述教导修饰和变化是可能的或者可以从本发明的实践中获得。选择和描述实施方式的目的是解释本发明原理并且充当本发明的实际应用以使得本领域技术人员能够在各种实施方式中运用本发明并且预期适于特定用途的各种修饰。期望的是，本发明范围通过所附权利要求书及其等价物来定义。

Claims (48)

1.从包含金属双锥体纳米晶体和至少一种额外类型的金属纳米晶体的初始样品形成金属双锥体纳米晶体样品的方法，所述方法包括：
形成包含初始样品和苄基二甲基十六烷基氯化铵的水溶液；
将水溶液保持在一定温度下持续一定时间段，其足以允许金属双锥体纳米晶体从水溶液絮凝出来；和
从水溶液分离絮凝的金属双锥体纳米晶体，提供金属纳米晶体样品，其中至少85％的金属纳米晶体是金属双锥体纳米晶体。
2.权利要求1的方法，其中所述金属双锥体纳米晶体具有小于100nm的平均长度和小于8％的尺寸多分散性。
3.权利要求1的方法，其中所述金属双锥体纳米晶体是金双锥体纳米晶体。
4.从金属双锥体纳米晶体生长次级成对金属纳米晶体的方法，所述方法包括：
形成溶液，其包含种子金属双锥体纳米晶体，至少一种阳离子季铵表面活性剂，金属前体分子和还原剂；和
将溶液保持在还原剂还原前体分子中的金属且金属沉积在种子金属双锥体纳米晶体上的条件下，由此生长次级成对金属纳米晶体。
5.权利要求4的方法，其中所述种子金属双锥体纳米晶体和所述次级成对金属纳米晶体具有小于8％的多分散性，所述种子金属双锥体纳米晶体具有小于100nm的平均长度，和所述次级成对金属纳米晶体具有大于100nm的平均长度。
6.权利要求4的方法，其中所述溶液还包含在溶液中提供一价银离子的银盐，降低溶液pH的和降低金属前体分子还原速率的pH调节剂，或其组合。
7.权利要求6的方法，其中所述金属是金，所述银盐是硝酸银，和所述pH调节剂是盐酸。
8.权利要求4的方法，其中所述溶液仅包含单一的阳离子季铵表面活性剂。
9.权利要求8的方法，其中所述次级成对金属纳米晶体保留种子金属双锥体纳米晶体的双锥体形状。
10.权利要求4的方法，其中所述溶液包含第一阳离子季铵表面活性剂和第二阳离子季铵表面活性剂，所述第二阳离子季铵表面活性剂比所述第一阳离子季铵表面活性剂更低的种子金属双锥体纳米晶体结合亲和力。
11.权利要求10的方法，其中所述第一阳离子季铵表面活性剂是鲸蜡基三甲基氯化铵和所述第二阳离子季铵表面活性剂是鲸蜡基三甲基溴化铵。
12.权利要求11的方法，其中鲸蜡基三甲基氯化铵与鲸蜡基三甲基溴化铵的摩尔比范围是9:1至900:1。
13.权利要求10的方法，其中所述溶液还包含在溶液中提供一价银离子的银盐，降低溶液pH的和降低金属前体分子还原速率的pH调节剂，或其组合。
14.权利要求13的方法，其中所述金属是金，所述银盐是硝酸银，和所述pH调节剂是盐酸。
15.权利要求10的方法，其中所述次级成对金属纳米晶体是哑铃状。
16.权利要求13的方法，其中所述溶液包含所述银盐和所述次级成对金属纳米晶体是哑铃状纳米晶体，其包含双平截头体状主体和双锥体状末端。
17.权利要求13的方法，其中所述溶液包含所述pH调节剂和所述次级成对金属纳米晶体是哑铃状纳米晶体，其包含双平截头体状主体和多个成对的棒状末端。
18.权利要求13的方法，其中所述溶液包含所述pH调节剂和所述银盐，和所述次级成对金属纳米晶体是哑铃状纳米晶体，其包含双平截头体状主体和多个成对的球状末端。
19.从金属双锥体纳米晶体生长次级成对金属纳米晶体的方法，所述方法包括：
形成溶液，其包含种子金属双锥体纳米晶体，至少一种阳离子季铵表面活性剂和氧化蚀刻剂；
将溶液保持在氧化蚀刻剂氧化种子金属双锥体纳米晶体的条件下以形成成对的金属纳米棒纳米晶体；
形成溶液，其包含成对的金属纳米棒纳米晶体，至少一种阳离子季铵表面活性剂，金属前体分子和还原剂；和
将溶液保持在还原剂还原前体分子中的金属且金属沉积在成对的金属纳米棒纳米晶体上的条件下，由此生长次级成对金属纳米晶体。
20.权利要求19的方法，其中所述氧化蚀刻剂是溶解的分子氧。
21.权利要求19的方法，其中所述种子金属双锥体纳米晶体和所述次级成对金属纳米晶体具有小于8％的尺寸多分散性。
22.权利要求19的方法，其中所述溶液仅包含单一的阳离子季铵表面活性剂和还包含在溶液中提供一价银离子的银盐，降低溶液pH的和降低金属前体分子还原速率的pH调节剂，或其组合。
23.权利要求22的方法，其中所述金属是金，所述银盐是硝酸银，和所述pH调节剂是盐酸。
24.权利要求22的方法，其中所述溶液包含所述银盐和所述次级成对金属纳米晶体是狭长双锥体纳米晶体。
25.权利要求22的方法，其中所述溶液包含所述pH调节剂和所述次级成对金属纳米晶体是球形多面体纳米晶体。
26.权利要求22的方法，其中所述溶液包含所述银盐和所述pH调节剂并且所述次级成对金属纳米晶体是金属双平截头体纳米晶体。
27.权利要求19的方法，其中所述溶液包含第一阳离子季铵表面活性剂和第二阳离子季铵表面活性剂，所述第二阳离子季铵表面活性剂具有比所述第一阳离子季铵表面活性剂更低的对成对的金属纳米棒纳米晶体的结合亲和力。
28.权利要求27的方法，其中所述第一阳离子季铵表面活性剂是鲸蜡基三甲基氯化铵和所述第二阳离子季铵表面活性剂是鲸蜡基三甲基溴化铵。
29.权利要求27的方法，其中所述溶液还包含在溶液中提供金属离子的银盐，降低溶液pH的pH调节剂，或其组合。
30.权利要求29的方法，其中所述金属是金，所述银盐是硝酸银，和所述pH调节剂是盐酸。
31.权利要求27的方法，其中所述次级成对金属纳米晶体是哑铃状。
32.权利要求31的方法，其中所述次级成对金属纳米晶体是哑铃状纳米晶体，其包含双平截头体状主体和双锥体状末端。
33.具有哑铃状的成对的金属纳米晶体，其包含双平截头体状主体和双锥体状末端。
34.具有哑铃状的成对的金属纳米晶体，其包含双平截头体状主体和多个成对的棒状末端。
35.具有哑铃状的成对的金属纳米晶体，其包含双平截头体状主体和多个成对的球状末端。
36.成对的金属纳米晶体，选自成对的纳米棒纳米晶体，成对的狭长双锥体纳米晶体，成对的球形多面体纳米晶体，和成对的双平截头体纳米晶体。
37.光热地调节化学反应的方法，所述方法包括：
制备反应溶液，其包含：两种或更多种化学反应物和金属纳米晶体样品，其中至少85％的金属纳米晶体是等离子体金属双锥体纳米晶体，所述等离子体金属双锥体纳米晶体具有小于8％的多分散性；和
用电磁光谱可视区域、电磁光谱红外区域、或者这两个区域的波长的辐射来辐射反应溶液，其中所述等离子体金属双锥体纳米晶体吸收辐射并且经由等离子体光热辐射-至-热的转化将反应溶液加热至调节两种或更多种化学反应物之间的化学反应的温度。
38.放大靶标核酸分子的方法，所述方法包括：
制备反应溶液，其包含：靶标核酸分子；引物核酸链；游离核苷酸；核酸聚合酶；和金属纳米晶体样品，其中至少85％的金属纳米晶体是等离子体金属双锥体纳米晶体，所述等离子体金属双锥体纳米晶体具有小于8％的多分散性；和
使反应溶液循环通过多个光热循环，各光热循环包括：
用电磁光谱可视区域、电磁光谱红外区域、或者这两个区域的波长的辐射来辐射反应溶液，其中所述等离子体金属双锥体纳米晶体吸收辐射并且经由等离子体光热辐射-至-热的转化将反应溶液加热至导致靶标核酸分子变性的温度；和
将反应溶液冷却至引物核酸链退火为变性靶标核酸分子的温度，并且起始自所述退火的引物核酸链合成新的核酸链以形成新的靶标核酸分子。
39.权利要求38的方法，其中所述反应溶液包含结合至靶标核酸分子的荧光探针分子并且所述方法还包括激发荧光探针分子和监测所得荧光。
40.权利要求38的方法，其中所述等离子体金属双锥体纳米晶体是金双锥体纳米晶体。
41.权利要求40的方法，其中所述金双锥体纳米晶体被二氧化硅包覆。
42.权利要求40的方法，其中所述反应溶液具有范围2至4的光密度。
43.权利要求38的方法，其中以至少2个光热循环/分钟的速率使所述反应溶液循环通过光热循环。
44.热控制酶促反应的方法，所述方法包括：
制备反应溶液，其包含：酶；底物分子；和金属纳米晶体样品，其中至少85％的金属纳米晶体是等离子体金属双锥体纳米晶体，所述等离子体金属双锥体纳米晶体具有小于8％的多分散性；和
用电磁光谱可视区域、电磁光谱红外区域、或者这两个区域的波长的辐射来辐射反应溶液，其中所述等离子体金属双锥体纳米晶体吸收辐射并且经由等离子体光热辐射-至-热的转化将反应溶液从第一温度加热至第二温度，其中酶在第一温度是活性形式，其与底物分子形成酶-底物复合物并将底物分子转化为产物分子，而酶在第二温度是失活的并且自底物分子解离。
45.权利要求44的方法，其中所述底物分子是DNA质粒和所述酶是DNA消化酶。
46.权利要求44的方法，其中所述反应溶液还包含第二酶，其在第一温度是不与底物分子形成酶-底物复合物的无活性形式，但是在第二温度转化为活性形式，所述活性形式与产物分子形成酶-底物复合物并将产物分子转化为新的产物分子。
47.光热地加热包含DNA分子的反应混合物的方法，所述方法包括：
将反应混合物与金属双锥体纳米晶体接触；和
用辐射来辐射金属双锥体纳米晶体，其中所述金属双锥体纳米晶体吸收辐射并经由光热辐射-至-热的转化加热反应混合物。
48.光热地加热包含酶的反应混合物的方法，所述方法包括：
将反应混合物与金属双锥体纳米晶体接触；和
用辐射来辐射金属双锥体纳米晶体，其中所述金属双锥体纳米晶体吸收辐射并经由光热辐射-至-热的转化加热反应混合物。
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