科学家首次揭示金纳米颗粒的结构。（图片来源：《科学》杂志）

作者：任霄鹏

　　纳米颗粒的广泛应用，并不意味着科学家对它们的微观结构已经了如指掌。美国斯坦福大学Roger Kornberg领导的研究团队利用X射线结晶学技术，首次成功解析了科研中常用的一种金纳米颗粒的精确三维结构。相关论文以封面文章形式发表在2007年10月19日的《科学》杂志上。

　　由于金的活动性弱且对空气和光线都不敏感，实验室中常将金纳米颗粒作为示踪剂，用于探测样本中是否存在特定DNA或蛋白质。为防止不同金纳米颗粒的原子间形成化学键，科学家通常在其表面覆盖一层保护性分子层，最常用的是含硫分子团（硫醇）。通过改造这些硫醇分子团，使其具有特殊的绑定位点或荧光标记，可以极大方便金纳米颗粒的观察与区分。

　　然而，长期以来科学家对金纳米颗粒的微观结构缺乏清晰认识。部分观点认为金纳米颗粒是胶质的，形状杂乱、大小不一；另一些观点则推测它们是具有统一尺寸和结构的离散分子。本研究通过制备单层硫醇保护的金纳米颗粒晶体，并利用X射线结晶学技术成像，一举澄清了这一争议。

　　研究人员发现，该金纳米颗粒由102个金原子和44个硫醇分子组成，金原子排列成球状。三维高清图像显示，颗粒中心的原子排列与金块几乎无异，但中心周围环绕着两个“盖子”，每个都由15个轻微扭曲的金原子构成。更关键的是，硫醇分子团并非如传统模型所预测的那样直接与金表面绑定，而是与最外层金原子形成一体，仅与中心金原子发生微弱相互作用。此外，金纳米颗粒展现出显著的手性特征，这与金原子和硫醇分子团的排列方式密切相关。

　　美国佐治亚理工学院的Robert Whetten评价道：“如果一种物质的组成和结构得到确定，化学家可能会以截然不同的方式对其进行处理。这是一项应该被写入教科书的重要发现。”这一研究不仅填补了纳米颗粒结构认知的空白，还为其在生物医学成像、靶向药物递送等领域的应用提供了分子层面的指导，同时有望打消公众对纳米颗粒潜在毒性的疑虑。后续研究在此基础上不断深化，进一步揭示了不同尺寸金纳米颗粒的结构多样性。