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金纳米粒子：从可控合成到聚合物复合材料及传感器件构筑的深度探究

一、引言

1.1研究背景与意义

在纳米材料的广阔领域中，金纳米粒子（AuNPs）凭借其独特且卓越的性质，成为了科研与应用的焦点。金纳米粒子通常是指尺寸处于纳米量级（1-100nm）的金颗粒，其存在纳米金粉体和纳米金胶体两种重要形式。这些微小的粒子不仅在基础科学研究中发挥着关键作用，更在众多前沿领域展现出了巨大的应用潜力。

金纳米粒子具有显著的表面效应，由于其尺寸极小，比表面积很大，大量的原子处于粒子表面，赋予了其与宏观金截然不同的特性。表面等离子体共振效应（SPR）是其重要特征之一，当纳米金粒子受到光照射时，其表面的自由电子会发生集体振荡，与入射光的频率产生共振，从而使纳米金粒子在特定波长处产生强烈的吸收峰。这种特性使得金纳米粒子在生物传感、光学成像等领域有着广泛应用。例如，在生物传感中，通过将特定的生物分子修饰在纳米金粒子表面，利用其表面等离子体共振对周围环境变化的敏感性，能够实现对生物分子的高灵敏度检测。

此外，金纳米粒子还具有良好的生物相容性、化学稳定性以及独特的光学、电学和催化性能。在生物医学领域，其可作为药物载体，将药物精准地输送到病变部位，表面易于修饰各种靶向分子，能够实现对肿瘤细胞等特定目标的靶向递送，提高药物疗效的同时减少对正常组织的副作用。在医学成像中，由于其良好的X射线吸收特性，可作为对比剂用于计算机断层扫描（CT）成像，增强图像的对比度，有助于医生更准确地诊断疾病。在催化领域，纳米尺寸的金粒子展现出独特的催化活性，在一氧化碳氧化反应中，负载在特定载体上的金纳米粒子能够在较低温度下高效催化一氧化碳与氧气反应生成二氧化碳，可用于汽车尾气净化等环保领域。

然而，要充分发挥金纳米粒子的这些优异性能，实现其在各领域的广泛应用，关键在于对其进行可控合成。金纳米粒子的性质与其尺寸、形状、结构以及表面状态密切相关，不同的应用场景往往对金纳米粒子有着特定的要求。例如，在生物医学应用中，需要精确控制金纳米粒子的尺寸和表面性质，以确保其生物相容性和靶向性；在催化领域，特定形状和结构的金纳米粒子可能具有更高的催化活性和选择性。目前，虽然已经发展了多种金纳米粒子的合成方法，但要实现对其尺寸、形状和结构的精确控制，仍然面临着诸多挑战。

将金纳米粒子与聚合物复合制备成复合材料，能够综合两者的优点，进一步拓展其应用范围。聚合物具有良好的柔韧性、成膜性和可加工性，与金纳米粒子复合后，可以改善金纳米粒子的分散性和稳定性，同时赋予复合材料新的功能。例如，金纳米粒子/聚合物复合材料在传感器、催化、光学器件等领域展现出了独特的性能和应用潜力。在传感器方面，该复合材料可以结合金纳米粒子的高灵敏度和聚合物的选择性，实现对各种物质的快速、准确检测。

基于金纳米粒子及其聚合物复合材料构建传感器件，具有重要的现实意义和应用价值。传感器作为一种能够感知外界信息并将其转换为可检测信号的装置，在环境监测、食品安全、生物医学诊断等领域发挥着至关重要的作用。金纳米粒子由于其独特的物理化学性质，如表面等离子体共振效应、催化活性和生物相容性等，使其成为构建高性能传感器的理想材料。通过将金纳米粒子与聚合物复合，并结合先进的传感技术，可以制备出具有高灵敏度、高选择性、快速响应和良好稳定性的传感器件，满足不同领域对传感器的需求。例如，在环境监测中，可以用于检测空气中的有害气体、水中的重金属离子和有机污染物等；在食品安全领域，可以实现对农药残留、兽药残留和微生物等的快速检测；在生物医学诊断方面，能够用于疾病标志物的检测、早期疾病诊断和生物分子的分析等。

1.2国内外研究现状

在金纳米粒子合成方面，国内外学者进行了大量研究并取得了丰富成果。化学还原法是常用的制备手段之一，通过在溶液中使用还原剂将金离子还原成金原子，进而聚合成纳米金粒子，常用的还原剂有柠檬酸钠、硼氢化钠等。张淑娟教授课题组发现乙酰丙酮(AcAc)可实现AuNPs的一体化合成和功能化，AcAc在合成和功能化AuNPs中能起到多重作用，作为还原剂，在热力学和光化学体系中均能还原氯金酸生成AuNPs；作为封端剂，可调节所得AuNPs的溶解度和胶体稳定性；作为可交换配体，实现AuNPs的合成后修饰功能调节。物理方法如蒸发-冷凝法，是在高真空环境下将金蒸发，然后使其在冷阱上冷凝成纳米粒子，这种方法制备的金纳米粒子纯度高，但设备昂贵，产量较低。

在金纳米粒子与聚合物复合材料制备方面，也有众多研究。将金纳米粒子和金属有机框架材料(MOFs)进行复合，制备方法可分为M0FS-金纳米粒子原位合成法、先制备金纳米颗粒再进行外延生长形成复合材料以及一步合成法制备金纳米粒子/M0FS复合材料。通过这些方法制