一提金的配体就想到硫化物的时代要过去了？

金（Au）原子能吸收可见光谱中蓝紫色的光，因而宏观上在肉眼看来，黄金就呈现出互补的“黄澄澄”金色。而当金的尺寸缩小到纳米尺度时，光的吸收受到其表面等离激元共振（surface plasmon resonance, SPR）影响，通过改变纳米颗粒的大小和形状，就可能呈现出五彩斑斓的颜色。当然，除了改变颜色，表面等离激元共振还能赋予纳米金更多特殊性质。例如，长40 nm直径10 nm的金纳米棒在长轴和短轴方向的两种表面等离激元共振，使得它们除了在可见光区有一个较弱的吸收外，在近红外（NIR）区也存在强吸收。这意味着，在受到近红外光照射时，这种金纳米棒能有效的吸收光能，快速提高局部的温度。鉴于近红外光在生物体内的穿透深度能达到几个毫米，人们一直希望能用它来进行光热治疗（photothermal therapy, PTT）。然而实现这种生物医学应用有一个前提——这些金纳米颗粒在体内必须足够稳定，不会聚集。一旦聚集，它们的表面等离激元共振性质就会改变，失去吸收近红外光的能力，还可能造成额外的毒性。其中的关键是寻找能和金形成较强的相互作用的配体。在近期的Nature Chemistry 上，来自美国麻省理工学院（MIT）的Jeremiah Johnson教授（点击查看介绍）报道了一种双齿配体，包含共价连接的巯基和N-杂环卡宾（NHC），能让金纳米棒在生物环境中更加稳定。

图1. NHC+硫化物的双齿配体让金纳米棒在生物体内更稳定，从而提高在光热治疗中的使用寿命。图片来源：Nat. Chem.

过去，因为Au-S键的强度（键能约为125 kJ/mol）已经堪比一些较弱的共价键，所以一提到金的配体，最容易想到的就是含巯基的化合物。它们确实也被广泛应用于对金的表面处理上，包括胶体纳米金，以及在金的平面上形成稳定的自组装单分子层（SAM）。然而，当考虑在生物体内的光热治疗时，这样的作用还是不够。这是因为在生物体内天然的存在大量会和配体竞争的含巯基化合物，而光热治疗的过程还会产生局部的高温，让金纳米棒的有效寿命更短。

卡宾是另一种潜力巨大的配体，其中NHC因为稳定性较高且合成较为容易而受到广泛关注，同时NHC-Au的键能可达到150 kJ/mol，还超过了Au-S键。2014年，一篇同样发表在Nature Chemistry 上的研究就指出，NHC和硫醇一样能在金表面形成稳定的自组装单分子层，并且比硫醇的体系更加稳定（Nat. Chem., 2014, 6, 409）。事实上将硫醇自组装单分子层覆盖的金表面浸泡在1 mM的NHC中，24小时后在XPS上就观察不到硫化物的特征峰了。并且NHC在金表面形成的自组装单分子层能在沸腾的THF、100℃的酸（pH=2）/碱（pH=12）中保持稳定，在1%的过氧化氢中也仅有少量分解，稳定性十分出众。

图2. NHC在金表面能形成比硫化物更稳定的自组装单分子层。图片来源：Nat. Chem.

一直以来，人们也尝试用NHC做配体稳定金纳米棒，例如用NHC和十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）稳定的金纳米棒进行配体交换，或者直接还原NHC-Au小分子，但效果都不好（图3a）。Jeremiah Johnson教授等人新设计的双齿配体1-Au（图3b）巧妙的地方在于：（1）在光照下能释放出活性的巯基将整个化合物锚定到金表面（1-Au@Au），再经过还原就可得到巯基和N-杂环卡宾稳定的金纳米棒（NHC@Au-I）；（2）配体中的NHC“自带口粮”——已经预先和一个金原子配位，还原后“自带的”金原子作为吸附原子加入到表面，避免在NHC结合时重组下层表面晶格。DFT计算表明这样的设计更容易形成稳定的配位。

图3. 用NHC稳定金纳米棒的三种不同策略。图片来源：Nat. Chem.

稳定性测试表明，通过这种方法得到的NHC@Au-I（图3b）能在4 mM 谷胱甘肽（GSH）中稳定达到6天；在95℃的水中也能稳定超过5 h，优于对照的硫化物稳定的金纳米棒。同时，NHC@Au-I生物毒性较低，具有显著的近红外光热效应。进一步的光热治疗实验表明，NHC@Au-I能有效杀死乳腺癌细胞，而对照的金纳米棒效果很差。

同期Nature Chemistry 上刊载的一篇评论 [1]指出，这种双功能的NHC多齿配体非常巧妙，该策略值得拓展到其他金表面保护中。

PS：含有巯基的化合物大部分都“很有味道”，没有闻过NHC，不知道是不是会好一点？

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Robust gold nanorods stabilized by bidentate N-heterocyclic-carbene–thiolate ligands

Nat. Chem., 2019, 11, 57-63, DOI: 10.1038/s41557-018-0159-8

导师介绍

Jeremiah Johnson

https://www.x-mol.com/university/faculty/617

参考资料：

1. Surface anchors target golden bullets

https://www.nature.com/articles/s41557-018-0193-6    

（本文由荷塘月供稿）

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