คอลลอยด์ทองคำคือสารละลายหรือสารแขวนลอยคอลลอยด์ของอนุภาคนาโนทองคำในของเหลว ซึ่งโดยทั่วไปคือน้ำ^{[ 1 ]}คอลลอยด์มักมีสีแดงไวน์ (สำหรับอนุภาคทรงกลมที่มีขนาดเล็กกว่า 100  นาโนเมตร ) หรือสีม่วงน้ำเงิน (สำหรับอนุภาคทรงกลมขนาดใหญ่หรือนาโนแท่ง ) ^{[ 2 ]} เนื่องจาก คุณสมบัติ ทางแสง [ ^{3 ] ทาง}อิเล็กทรอนิกส์ และการจดจำโมเลกุล อนุภาคนาโนทองคำจึงเป็นหัวข้อของการวิจัยจำนวนมาก โดยมีศักยภาพหรือการใช้งานที่คาดหวังไว้มากมายในหลากหลายสาขา รวมถึงกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนอิเล็กทรอนิกส์^{[ 4 ]}นาโนเทคโนโลยีวิทยาศาสตร์วัสดุ^{[ 5 ]}และ^ชีวการแพทย์^{[ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 9} ]

คุณสมบัติของอนุภาคนาโนทองคำคอลลอยด์ และศักยภาพในการใช้งาน ขึ้นอยู่กับขนาดและรูปร่างของอนุภาคเป็นอย่างมาก^{[ 10 ]}ตัวอย่างเช่น อนุภาครูปแท่งมีทั้ง จุดสูงสุด ของการดูดซับ ตามแนวขวางและตามแนวยาว และความไม่สมมาตรของรูปร่างส่งผลต่อการประกอบตัวเองของ อนุภาค ^{[ 11 ]}

มีการใช้ทองคำคอลลอยด์เป็นวิธีการย้อมสีแก้ว มาตั้งแต่สมัยโบราณ โดยทองคำคอลลอยด์ถูกนำมาใช้ใน ถ้วยไลเคอร์กัสในศตวรรษที่ 4 ซึ่งเปลี่ยนสีไปตามตำแหน่งของแหล่งกำเนิดแสง^{[ 12 ] [ 13 ]}

ในยุคกลางทองคำที่ละลายได้ ซึ่งเป็นสารละลายที่มีเกลือทองคำมีชื่อเสียงในด้านคุณสมบัติในการรักษาโรคต่างๆ ในปี ค.ศ. 1618 ฟรานซิส แอนโทนีนักปรัชญาและสมาชิกในวงการแพทย์ ได้ตีพิมพ์หนังสือชื่อPanacea Aurea, sive tractatus duo de ipsius Auro Potabili ^{[ 14 ]} (ภาษาละติน: ยาทองคำ หรือการรักษาด้วย ทองคำ ที่ดื่มได้ สองวิธี) หนังสือเล่มนี้แนะนำข้อมูลเกี่ยวกับการก่อตัวของทองคำคอลลอยด์และการใช้ทางการแพทย์ ประมาณครึ่งศตวรรษต่อมา นิโคลัส คัลเปปเปอร์นักพฤกษศาสตร์ชาวอังกฤษได้ตีพิมพ์หนังสือในปี ค.ศ. 1656 ชื่อ^Treatise of Aurum Potabile [ ^{15 ]}ซึ่งกล่าวถึงเฉพาะการใช้ทองคำคอลลอยด์ทางการแพทย์เท่านั้น

ในปี ค.ศ. 1676 โยฮันน์ คุงเคลนักเคมีชาวเยอรมัน ได้ตีพิมพ์หนังสือเกี่ยวกับการผลิตกระจกสี ในหนังสือของเขาชื่อ^Valuable Observations or Remarks About the Fixed and Volatile Salts-Auro and Argento Potabile, Spiritu Mundi and the Like [ ^{16 ]}คุงเคลสันนิษฐานว่าสีชมพูของ Aurum Potabile มาจากอนุภาคทองคำโลหะขนาดเล็ก ซึ่งมองไม่เห็นด้วยตาเปล่า ในปี ค.ศ. 1842 จอห์น เฮอร์เชลได้คิดค้นกระบวนการถ่ายภาพที่เรียกว่าคริโซไทป์ (จากภาษากรีกχρῡσόςซึ่งหมายถึง "ทองคำ") ซึ่งใช้ทองคำคอลลอยด์ในการบันทึกภาพลงบนกระดาษ

การประเมินทางวิทยาศาสตร์สมัยใหม่ของทองคำคอลลอยด์ไม่ได้เริ่มต้นจนกระทั่ง งาน ของไมเคิล ฟาราเดย์ในช่วงทศวรรษ 1850 ^{[ 17 ] [ 18 ]}ในปี 1856 ในห้องปฏิบัติการชั้นใต้ดินของสถาบันหลวงฟาราเดย์ได้สร้างสารละลายสีแดงทับทิมโดยบังเอิญในขณะที่กำลังติดชิ้นส่วนของแผ่นทองคำลงบนสไลด์กล้องจุลทรรศน์^{[ 19 ]}เนื่องจากเขาสนใจในคุณสมบัติของแสงและสสารอยู่แล้ว ฟาราเดย์จึงทำการวิจัยคุณสมบัติทางแสงของทองคำคอลลอยด์ต่อไป เขาเตรียมตัวอย่างทองคำคอลลอยด์บริสุทธิ์ตัวแรก ซึ่งเขาเรียกว่า 'ทองคำที่แบ่ง' ในปี 1857 เขาใช้ฟอสฟอรัสเพื่อลดสารละลายของทองคำคลอไรด์ ทองคำคอลลอยด์ที่ฟาราเดย์สร้างขึ้นเมื่อ 150 ปีก่อนยังคงมีฤทธิ์ทางแสงอยู่ เป็นเวลานานที่องค์ประกอบของทองคำ 'ทับทิม' ยังไม่ชัดเจน นักเคมีหลายคนสงสัยว่ามันเป็น สารประกอบ ทองคำ ดีบุก เนื่องจากวิธีการเตรียม^{[ 20 ] [ 21 ]}ฟาราเดย์ตระหนักว่าสีนั้นเกิดจากขนาดที่เล็กจิ๋วของอนุภาคทองคำ เขาตั้งข้อสังเกตถึง คุณสมบัติ การกระเจิงแสงของอนุภาคทองคำขนาดเล็กที่แขวนลอย ซึ่งปัจจุบันเรียกว่าปรากฏการณ์ฟาราเดย์-ทินดอลล์^{[ 18 ]}

ในปี พ.ศ. 2441 Richard Adolf Zsigmondyได้เตรียมคอลลอยด์ทองคำชนิดแรกในสารละลายเจือจาง^{[ 22 ]}นอกจาก Zsigmondy แล้วTheodor Svedbergผู้คิดค้นอัลตราเซนตริฟิวจ์และGustav Mieผู้ให้ทฤษฎีเกี่ยวกับการกระเจิงและการดูดกลืนโดยอนุภาคทรงกลมก็มีความสนใจในการสังเคราะห์และคุณสมบัติของคอลลอยด์ทองคำเช่นกัน^{[ 11 ] [ 23 ]}

ด้วยความก้าวหน้าของเทคโนโลยีการวิเคราะห์ต่างๆ ในศตวรรษที่ 20 การศึกษาเกี่ยวกับอนุภาคนาโนทองคำจึงเร่งตัวขึ้น วิธีการทางกล้องจุลทรรศน์ขั้นสูง เช่นกล้องจุลทรรศน์แรงอะตอมและกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนมีส่วนช่วยอย่างมากในการวิจัยอนุภาคนาโน เนื่องจากสังเคราะห์ได้ง่ายและมีความเสถียรสูง อนุภาคทองคำชนิดต่างๆ จึงได้รับการศึกษาเพื่อการใช้งานในทางปฏิบัติ อนุภาคนาโนทองคำประเภทต่างๆ ถูกนำไปใช้ในอุตสาหกรรมหลายแห่งแล้ว

คอลลอยด์ทองคำถูกใช้โดยศิลปินมานานหลายศตวรรษเนื่องจากปฏิสัมพันธ์ของอนุภาคนาโนกับแสงที่มองเห็นได้ อนุภาคนาโนทองคำดูดซับและกระจายแสง^{[ 24 ]}ส่งผลให้เกิดสีต่างๆ ตั้งแต่สีแดงสด (อนุภาคขนาดเล็ก) ไปจนถึงสีน้ำเงิน สีดำ และสุดท้ายคือสีใสและไม่มีสี (อนุภาคขนาดใหญ่) ขึ้นอยู่กับขนาด รูปร่าง ดัชนีหักเหเฉพาะที่ และสถานะการรวมตัวของอนุภาค สีเหล่านี้เกิดขึ้นเนื่องจากปรากฏการณ์ที่เรียกว่าการสั่นพ้องของพลาสมอนบนพื้นผิวเฉพาะที่ (LSPR) ซึ่งอิเล็กตรอนนำไฟฟ้าบนพื้นผิวของอนุภาคนาโนจะสั่นในลักษณะการสั่นพ้องกับแสงที่ตกกระทบ

โดยทั่วไปแล้ว ความยาวคลื่นของแสงที่ถูกดูดซับจะเพิ่มขึ้นตามขนาดของอนุภาคนาโนที่เพิ่มขึ้น^{[ 25 ]}ทั้ง ความถี่ เรโซแนนซ์ของพลาสมอนบนพื้นผิวและความเข้มของการกระเจิงขึ้นอยู่กับขนาดรูปร่าง องค์ประกอบและสภาพแวดล้อมของอนุภาคนาโน ปรากฏการณ์นี้สามารถวัดปริมาณได้โดยใช้ ทฤษฎี การกระเจิงของ Mieสำหรับอนุภาคนาโนทรงกลม อนุภาคนาโนที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 30–100 นาโนเมตรสามารถตรวจจับได้ง่ายด้วยกล้องจุลทรรศน์ และอนุภาคที่มีขนาด 40 นาโนเมตรสามารถตรวจจับได้ด้วยตาเปล่าเมื่อความเข้มข้นของอนุภาคอยู่ที่ 10 ⁻⁴  M หรือมากกว่า การกระเจิงจากอนุภาคนาโนขนาด 60 นาโนเมตรนั้นแรงกว่าการปล่อยแสงจากโมเลกุลฟลูออเรสซีน ประมาณ 10 ^{5 เท่า [ 26 ]}

การเปลี่ยนแปลงสีที่ปรากฏของสารละลายอนุภาคนาโนทองคำอาจเกิดจากสภาพแวดล้อมที่คอลลอยด์ทองคำแขวนลอยอยู่^{[ 27 ] [ 28 ]}คุณสมบัติทางแสงของอนุภาคนาโนทองคำขึ้นอยู่กับดัชนีหักเหใกล้พื้นผิวอนุภาคนาโน ดังนั้นโมเลกุลที่ยึดติดโดยตรงกับพื้นผิวอนุภาคนาโน (เช่น ลิแกนด์ของอนุภาคนาโน) และตัวทำละลาย ของอนุภาคนาโน อาจส่งผลต่อคุณสมบัติทางแสงที่สังเกตได้^{[ 27 ]}เมื่อดัชนีหักเหใกล้พื้นผิวทองคำเพิ่มขึ้น LSPR จะเลื่อนไปยังความยาวคลื่นที่ยาวขึ้น^{[ 28 ]}นอกเหนือจากสภาพแวดล้อมของตัวทำละลาย แล้ว จุดสูงสุดของการดูดกลืนแสงยังสามารถปรับได้โดยการเคลือบอนุภาคนาโนด้วยเปลือกที่ไม่นำไฟฟ้า เช่นซิลิกาโมเลกุลชีวภาพหรืออะลูมิเนียมออกไซด์^{[ 29 ]}

เมื่ออนุภาคนาโนทองคำรวมตัวกัน คุณสมบัติทางแสงของอนุภาคจะเปลี่ยนไป เนื่องจากขนาด รูปร่าง และ สภาพแวดล้อม ไดอิเล็กทริกของ อนุภาคที่มีประสิทธิภาพ เปลี่ยนแปลงไป^{[ 30 ]}

คอลลอยด์ทองคำและอนุพันธ์ต่างๆ เป็นหนึ่งในฉลากที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุดสำหรับแอนติเจนในกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน ทางชีววิทยามานานแล้ว [ ^{31 ] [ 32 ] [ 33 ] [ 34 ] [ 35 ] อนุภาคคอลลอยด์ทองคำสามารถยึดติดกับโพรบทาง ชีววิทยา}แบบดั้งเดิมหลายชนิด เช่นแอนติบอดีเลคติน ซูเปอร์แอนติเจนไกลแคนกรดนิวคลีอิก [ ^{36 ]}และตัวรับ อนุภาคที่มีขนาดแตกต่างกันสามารถแยกแยะได้ง่ายในภาพจุลทรรศน์อิเล็กตรอน ทำให้สามารถทำการทดลองติดฉลากหลายชนิดพร้อมกัน^{ได้[ 37 ]}

นอกจากโพรบทางชีวภาพแล้ว อนุภาคนาโนทองคำยังสามารถถ่ายโอนไปยังพื้นผิวแร่ต่างๆ เช่น ไมกา ซิลิคอน ผลึกเดี่ยวและทองคำ(III) แบนราบระดับอะตอม เพื่อสังเกตภายใต้กล้องจุลทรรศน์แรงอะตอม (AFM) ^{[ 38 ]}

อนุภาคนาโนทองคำสามารถใช้เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการกระจายตัวทางชีวภาพของยาไปยังอวัยวะ เนื้อเยื่อ หรือเซลล์ที่เป็นโรค เพื่อปรับปรุงและกำหนดเป้าหมายการส่งยา^{[ 39 ] [ 40 ]} การส่งยาโดยใช้อนุภาคนาโนเป็นไปได้ก็ต่อเมื่อการกระจายตัวของยาด้วยวิธีอื่นไม่เพียงพอ กรณีเหล่านี้รวมถึงการกำหนดเป้าหมายยาที่ไม่เสถียร ( โปรตีน siRNA DNA ) การส่งยาไปยังบริเวณที่ เข้าถึงยาก (สมอง จอประสาทตา เนื้องอก ออร์แกเนลล์ภายในเซลล์) และยาที่มีผลข้างเคียงร้ายแรง (เช่น ยาต้านมะเร็ง) ประสิทธิภาพของอนุภาคนาโนขึ้นอยู่กับขนาดและฟังก์ชันการทำงานของพื้นผิวในอนุภาค นอกจากนี้ การปลดปล่อยยาและการแตกตัวของอนุภาคอาจแตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับระบบ (เช่น โพลิเมอร์ที่ย่อยสลายได้ทางชีวภาพที่ไวต่อ pH) ระบบการส่งยาด้วยนาโนที่เหมาะสมที่สุดจะช่วยให้มั่นใจได้ว่ายาที่ออกฤทธิ์จะพร้อมใช้งาน ณ ตำแหน่งที่ออกฤทธิ์ในเวลาและระยะเวลาที่ถูกต้อง และความเข้มข้นของยาควรอยู่เหนือความเข้มข้นที่มีประสิทธิภาพขั้นต่ำ (MEC) และต่ำกว่าความเข้มข้นที่เป็นพิษขั้นต่ำ (MTC) ^{[ 41 ]}

กำลังมีการศึกษาอนุภาคนาโนทองคำในฐานะตัวนำส่งยา เช่นPaclitaxel ^[ 42 ^]การบริหารยาที่ไม่ชอบน้ำจำเป็นต้องมีการห่อหุ้มระดับโมเลกุลและพบว่าอนุภาคขนาดนาโนมีประสิทธิภาพเป็นพิเศษในการหลีกเลี่ยง^ระบบ เรติ คู โลเอนโดเธล

ในการวิจัยมะเร็ง คอลลอยด์ทองคำสามารถใช้เพื่อกำหนดเป้าหมายเนื้องอกและให้การตรวจจับโดยใช้ SERS ( surface enhanced Raman spectroscopy ) ในร่างกายอนุภาคนาโนทองคำเหล่านี้ถูกล้อมรอบด้วยตัวรายงานรามาน ซึ่งให้การปล่อยแสงที่สว่างกว่าควอนตัมดอท ถึง 200 เท่า พบว่าตัวรายงานรามานมีความเสถียรเมื่ออนุภาคนาโนถูกห่อหุ้มด้วย สารเคลือบ โพลีเอทิลีนไกลคอล ที่ดัดแปลงด้วยไทออล ซึ่งช่วยให้เข้ากันได้และหมุนเวียนในร่างกายเพื่อกำหนดเป้าหมายเซลล์เนื้องอกโดยเฉพาะ อนุภาคทองคำ ที่เคลือบด้วย โพลีเอทิลีน ไกลคอลจะถูกเชื่อมต่อกับแอนติบอดี (หรือชิ้นส่วนแอนติบอดี เช่น scFv) ที่ต่อต้านตัวรับปัจจัยการเจริญเติบโตของผิวหนังเช่น ซึ่งบางครั้งมีการแสดงออกมากเกินไปในเซลล์ของมะเร็งบางชนิด การใช้ SERS อนุภาคนาโนทองคำที่เคลือบด้วย PEG เหล่านี้สามารถตรวจจับตำแหน่งของเนื้องอกได้^{[ 43 ]}

อนุภาคนาโนทองคำสะสมอยู่ในเนื้องอกเนื่องจากการรั่วไหลของหลอดเลือดในเนื้องอก และสามารถใช้เป็นสารเพิ่มความคมชัดสำหรับการสร้างภาพที่ดีขึ้นในระบบโทโมกราฟีเชิงแสงแบบเวลาจริงโดยใช้เลเซอร์พัลส์สั้นสำหรับการตรวจหามะเร็งผิวหนังในแบบจำลองหนู พบว่าอนุภาคนาโนทองคำทรงกลมที่ฉีดเข้าทางหลอดเลือดดำทำให้โปรไฟล์เวลาของสัญญาณแสงสะท้อนกว้างขึ้นและเพิ่มความคมชัดระหว่างเนื้อเยื่อปกติโดยรอบกับเนื้องอก^{[ 44 ]}

อนุภาคนาโนทองคำแสดงให้เห็นถึงศักยภาพในการเป็นพาหะนำส่งโอลิโกนิวคลีโอไทด์ siRNA เข้าสู่เซลล์ โดยให้ผลการรักษาที่มีประสิทธิภาพสูงสุด

อนุภาคนาโนทองคำแสดงศักยภาพในการเป็นพาหะนำส่งภายในเซลล์สำหรับโอลิโกนิวคลีโอไทด์แอนติเซนส์ (ดีเอ็นเอสายเดี่ยวและสายคู่) โดยให้การป้องกันนิวคลีเอส ภายในเซลล์ และง่ายต่อการปรับแต่งเพื่อการกำหนดเป้าหมายที่เลือกได้^{[ 45 ]}

นาโนแท่งทองคำกำลังถูกศึกษาในฐานะตัวแทนความร้อนจากแสงสำหรับการใช้งานในร่างกายนาโนแท่งทองคำเป็นอนุภาคนาโนทองคำรูปแท่งที่มีอัตราส่วนความยาวต่อเส้นผ่านศูนย์กลางที่ปรับแถบเรโซแนนซ์พลาสมอนพื้นผิว (SPR) จากความยาวคลื่นที่มองเห็นได้ไปจนถึงใกล้อินฟราเรด การลดทอนแสงทั้งหมดที่ SPR ประกอบด้วยทั้งการดูดซับและการกระเจิง สำหรับนาโนแท่งที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางตามแนวแกนเล็กกว่า (~10 นาโนเมตร) การดูดซับจะเด่นกว่า ในขณะที่สำหรับนาโนแท่งที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางตามแนวแกนใหญ่กว่า (>35 นาโนเมตร) การกระเจิงอาจเด่นกว่า ด้วยเหตุนี้ สำหรับการศึกษาในร่างกาย นาโนแท่งทองคำที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางเล็กจึงถูกใช้เป็นตัวแปลงความร้อนจากแสงใกล้อินฟราเรดเนื่องจากมีพื้นที่หน้าตัดการดูดซับสูง^{[ 46 ]}เนื่องจากแสงใกล้อินฟราเรดสามารถส่งผ่านผิวหนังและเนื้อเยื่อของมนุษย์ได้ง่าย นาโนแท่งเหล่านี้จึงสามารถใช้เป็นส่วนประกอบในการทำลายเซลล์มะเร็งและเป้าหมายอื่นๆ ได้ เมื่อเคลือบด้วยพอลิเมอร์ พบว่านาโนแท่งทองคำสามารถหมุนเวียนในร่างกายได้โดยมีครึ่งชีวิตนานกว่า 6 ชั่วโมง ระยะเวลาคงอยู่ในร่างกายประมาณ 72 ชั่วโมง และมีการดูดซึมน้อยมากหรือไม่มีเลยในอวัยวะภายในใดๆ ยกเว้นตับ^{[ 47 ]}

แม้ว่านาโนแท่งทองคำจะประสบความสำเร็จอย่างไม่ต้องสงสัยในฐานะตัวแทนความร้อนจากแสงในการวิจัยก่อนคลินิกแต่ก็ยังไม่ได้รับการอนุมัติให้ใช้ในทางคลินิกเนื่องจากขนาดเกินเกณฑ์การขับถ่ายทางไต^{[ 48 ] [ 49 ]}ในปี 2019 มีการรายงานสถาปัตยกรรมพลาสมอนิก ขนาดเล็กพิเศษระดับนาโนที่ดูดซับ NIR เป็นครั้งแรก ซึ่งรวมเอาคุณสมบัติต่างๆ เข้าด้วยกัน ได้แก่ (i) การแปลง ความร้อนจากแสง ที่เหมาะสม สำหรับ การรักษา ด้วยความร้อนสูง (ii) ความเป็นไปได้ของ การรักษา ด้วยความร้อนจากแสง หลายครั้ง และ (iii) การขับถ่ายส่วนประกอบทางไตหลังจากการรักษา^{[ 50 ]}

มีความสนใจอย่างมากในการใช้ทองคำและอนุภาคนาโนที่มีอะตอมหนักอื่นๆ เพื่อเพิ่มปริมาณรังสีที่ส่งไปยังเนื้องอก^{[ 51 ]}เนื่องจากอนุภาคนาโนทองคำถูกดูดซึมโดยเนื้องอกมากกว่าเนื้อเยื่อปกติที่อยู่ใกล้เคียง ปริมาณรังสีจึงเพิ่มขึ้นอย่างเลือกสรร ประสิทธิภาพทางชีวภาพของการบำบัดประเภทนี้ดูเหมือนจะเกิดจากการสะสมของปริมาณรังสีเฉพาะที่ใกล้กับอนุภาคนาโน^{[ 52 ]}กลไกนี้เหมือนกับที่เกิดขึ้นใน การ บำบัด ด้วยไอออนหนัก

นักวิจัยได้พัฒนาวิธีการที่เรียบง่ายและราคาไม่แพงสำหรับการตรวจจับไฮโดรเจนซัลไฟด์(H₂O) ในสถานที่จริง₂Sที่มีอยู่ในอากาศโดยอาศัยคุณสมบัติป้องกันการรวมตัวของอนุภาคนาโนทองคำ (AuNPs) การละลายH₂การเติม Sลงในสารละลายบัฟเฟอร์ด่าง อ่อนๆ จะทำให้เกิด HS- ซึ่งสามารถทำให้ AuNPs มีความเสถียรและคงสีแดงไว้ได้ ทำให้สามารถตรวจจับระดับความเป็นพิษของH ได้ด้วยสายตา₂ส . ^{[ 53 ]}

อนุภาคนาโนทองคำถูกรวมเข้ากับไบโอเซนเซอร์เพื่อเพิ่มความเสถียร ความไว และความจำเพาะ^{[ 54 ]}คุณสมบัติของอนุภาคนาโน เช่น ขนาดเล็ก อัตราส่วนพื้นผิวต่อปริมาตรสูง และพลังงานพื้นผิว สูง ช่วยให้สามารถตรึงโมเลกุลชีวภาพได้หลากหลายชนิด โดยเฉพาะอย่างยิ่ง อนุภาคนาโนทองคำยังสามารถทำหน้าที่เป็น "สายอิเล็กตรอน" เพื่อขนส่งอิเล็กตรอน และผลการขยายสัญญาณของแสงแม่เหล็กไฟฟ้าทำให้สามารถทำงานเป็นตัวขยายสัญญาณได้^{[ 55 ] [ 56 ]}ไบโอเซนเซอร์ที่ใช้พื้นฐานอนุภาคนาโนทองคำประเภทหลัก ได้แก่ ไบโอเซนเซอร์แบบออปติคอลและไบโอเซนเซอร์แบบอิเล็กโทรเคมี

อนุภาคนาโนทองคำช่วยเพิ่มความไวของเซนเซอร์แสงในการตอบสนองต่อการเปลี่ยนแปลงของดัชนีหักเหเฉพาะที่ มุมของแสงตกกระทบสำหรับเรโซแนนซ์พลาสมอนบนพื้นผิว ซึ่งเป็นการปฏิสัมพันธ์ระหว่างคลื่นแสงและอิเล็กตรอนนำไฟฟ้าในโลหะ จะเปลี่ยนแปลงไปเมื่อมีสารอื่นจับกับพื้นผิวโลหะ^{[ 57 ] [ 58 ]}เนื่องจากทองคำมีความไวต่อค่าคงที่ไดอิเล็กตริกของสิ่งแวดล้อมมาก^{[ 59 ] [ 60 ]}การจับของสารวิเคราะห์จะทำให้ SPR ของอนุภาคนาโนทองคำเปลี่ยนไปอย่างมีนัยสำคัญ จึงทำให้สามารถตรวจจับได้อย่างไวขึ้น อนุภาคนาโนทองคำยังสามารถขยายสัญญาณ SPR ได้อีกด้วย^{[ 61 ]}เมื่อคลื่นพลาสมอนผ่านอนุภาคนาโนทองคำความหนาแน่นของประจุในคลื่นและอิเล็กตรอนในทองคำจะโต้ตอบกันและส่งผลให้เกิดการตอบสนองพลังงานที่สูงขึ้น ซึ่งเรียกว่าการจับคู่อิเล็กตรอน^{[ 54 ]}เมื่อทั้งสารวิเคราะห์และตัวรับชีวภาพจับกับทองคำ มวลที่ปรากฏของสารวิเคราะห์จะเพิ่มขึ้นและจึงขยายสัญญาณ^{[ 54 ]} คุณสมบัติเหล่านี้ถูกนำมาใช้สร้างเซนเซอร์ DNA ที่มีความไวมากกว่าเซนเซอร์ที่ไม่มี Au NP ถึง 1,000 เท่า^{[ 62 ]}เซนเซอร์วัดความชื้นยังถูกสร้างขึ้นโดยการเปลี่ยนแปลงระยะห่างระหว่างอะตอมของโมเลกุลตามการเปลี่ยนแปลงความชื้น การเปลี่ยนแปลงระยะห่างนี้จะส่งผลให้ LSPR ของ Au NP เปลี่ยนแปลงไปด้วย^{[ 63 ]}

เซนเซอร์ทางเคมีไฟฟ้าแปลงข้อมูลทางชีวภาพเป็นสัญญาณไฟฟ้าที่สามารถตรวจจับได้ การนำไฟฟ้าและความเข้ากันได้ทางชีวภาพของ Au NP ทำให้มันทำหน้าที่เป็น "สายอิเล็กตรอน" ^{[ 54 ]}มันถ่ายโอนอิเล็กตรอนระหว่างอิเล็กโทรดและตำแหน่งที่ใช้งานของเอนไซม์^{[ 64 ]}สามารถทำได้สองวิธี: ติด Au NP เข้ากับเอนไซม์หรืออิเล็กโทรด อิเล็กโทรดแบบชั้นเดียว GNP-glucose oxidase ถูกสร้างขึ้นโดยใช้วิธีการทั้งสองนี้^{[ 65 ]} Au NP ช่วยให้เอนไซม์มีอิสระในการวางแนวมากขึ้น จึงทำให้การตรวจจับมีความไวและเสถียรมากขึ้น Au NP ยังทำหน้าที่เป็นแพลตฟอร์มสำหรับการตรึงเอนไซม์ โมเลกุลชีวภาพส่วนใหญ่จะเสียสภาพหรือสูญเสียกิจกรรมเมื่อมีปฏิสัมพันธ์กับอิเล็กโทรด^{[ 54 ]}ความเข้ากันได้ทางชีวภาพและพลังงานพื้นผิวสูงของ Au ช่วยให้สามารถจับกับโปรตีนจำนวนมากโดยไม่เปลี่ยนแปลงกิจกรรมและส่งผลให้เซนเซอร์มีความไวมากขึ้น^{[ 66 ] [ 67 ]}นอกจากนี้ Au NP ยังเร่งปฏิกิริยาทางชีวภาพอีกด้วย^{[ 68 ] [ 69 ]}อนุภาคนาโนทองคำที่มีขนาดต่ำกว่า 2 นาโนเมตรแสดงกิจกรรมเร่งปฏิกิริยาต่อการออกซิเดชันของสไตรีน^{[ 70 ]}

อนุภาคนาโนทองคำได้รับการเคลือบด้วยเปปไทด์และไกลแคนเพื่อใช้ในวิธีการตรวจจับทางภูมิคุ้มกัน^{[ 71 ]}ความเป็นไปได้ในการใช้อนุภาคนาโนไกลโคในELISAนั้นไม่คาดคิดมาก่อน แต่วิธีนี้ดูเหมือนจะมีความไวสูง ดังนั้นจึงมีศักยภาพในการพัฒนาการทดสอบเฉพาะเพื่อการวินิจฉัยแอนติบอดีในซีรั่มของผู้ป่วย^{[ 72 ]}

อนุภาคนาโนทองคำที่เคลือบด้วยลิแกนด์อินทรีย์ เช่น โมเลกุลอัลคาเนไทออล สามารถรวมตัวกันเองเป็นชั้นโมโนเลเยอร์ขนาดใหญ่ (>cm² ⁾ได้ โดยเตรียมอนุภาคเหล่านี้ในตัวทำละลายอินทรีย์ เช่น คลอโรฟอร์มหรือโทลูอีนก่อน แล้วจึงกระจายตัวเป็นชั้นโมโนเลเยอร์บนพื้นผิวของเหลวหรือพื้นผิวของแข็ง ฟิล์มบางๆ ของอนุภาคนาโนที่เกิดขึ้นที่ส่วนต่อประสานเหล่านี้มีความสัมพันธ์อย่างใกล้ชิดกับ ชั้นโมโนเลเยอร์ของ แลงมัวร์-บลอดเจ็ตต์ที่สร้างจากสารลดแรงตึงผิว

คุณสมบัติทางกลของชั้นโมโนเลเยอร์ของอนุภาคนาโนได้รับการศึกษาอย่างกว้างขวาง สำหรับทรงกลมขนาด 5 นาโนเมตรที่เคลือบด้วยโดเดคาเนไทออล ค่าโมดูลัสของยังของชั้นโมโนเลเยอร์อยู่ในระดับ GPa ^{[ 73 ]}กลไกของเมมเบรนถูกควบคุมโดยปฏิสัมพันธ์ที่แข็งแกร่งระหว่างเปลือกของลิแกนด์บนอนุภาคที่อยู่ติดกัน^{[ 74 ]}เมื่อเกิดการแตกหัก ฟิล์มจะแตกในแนวตั้งฉากกับทิศทางของความเครียดที่ความเค้นแตกหัก 11 2.6 MPa ซึ่งเทียบได้กับฟิล์มพอลิเมอร์ที่เชื่อมโยงกัน^{[ 75 ]}เมมเบรนอนุภาคนาโนแบบตั้งอิสระแสดงความแข็งแกร่งในการดัดงอในระดับ 10  eV ซึ่งสูงกว่าที่คาดการณ์ไว้ในทฤษฎีสำหรับแผ่นต่อเนื่องที่มีความหนาเท่ากัน เนื่องจากข้อจำกัดโครงสร้างจุลภาคแบบไม่เฉพาะที่ เช่น การเชื่อมต่อแบบไม่เฉพาะที่ขององศาอิสระการหมุนของอนุภาค^{[ 76 ]}ในทางกลับกัน พบว่าความต้านทานต่อการดัดงอจะลดลงอย่างมากในชั้นโมโนเลเยอร์ของอนุภาคนาโนที่รองรับอยู่ที่ส่วนต่อประสานระหว่างอากาศกับน้ำ ซึ่งอาจเป็นเพราะการบดบังปฏิสัมพันธ์ของลิแกนด์ในสภาพแวดล้อมที่เปียก^{[ 77 ]}${\displaystyle \pm }$${\displaystyle ^{5}}$

ในการ สังเคราะห์คอลลอยด์ทองคำหลายประเภท อินเทอร์เฟ ซ ของอนุภาคนาโนสามารถแสดงลักษณะที่แตกต่างกันอย่างมาก ตั้งแต่อินเทอร์เฟซที่คล้ายกับโมโนเลเยอร์ที่ประกอบตัวเองไปจนถึงขอบเขตที่ไม่เป็นระเบียบโดยไม่มีรูปแบบที่ซ้ำกัน^{[ 78 ]}นอกเหนือจากอินเทอร์เฟซ Au-Ligand แล้ว การเชื่อมต่อของลิแกนด์ที่อินเทอร์เฟซกับหมู่ ฟังก์ชันต่างๆ (ตั้งแต่โมเลกุลอินทรีย์ขนาดเล็กไปจนถึงพอลิเมอร์ ไปจนถึง DNA และ RNA) ทำให้คอลลอยด์ทองคำมีฟังก์ชันการทำงานมากมาย

หลังจากสังเคราะห์อนุภาคนาโนในขั้นต้นแล้ว ลิแกนด์ทองคำคอลลอยด์มักจะถูกแลกเปลี่ยนกับลิแกนด์ใหม่ที่ออกแบบมาสำหรับการใช้งานเฉพาะ ตัวอย่างเช่น อนุภาคนาโน Au ที่ผลิตผ่านวิธีการแบบ Turkevich (หรือการลดซิเตรต) สามารถทำปฏิกิริยาได้ง่ายผ่านปฏิกิริยาแลกเปลี่ยนลิแกนด์ เนื่องจากพันธะที่ค่อนข้างอ่อนระหว่างกลุ่มคาร์บอกซิลและพื้นผิวของอนุภาคนาโน^{[ 79 ]}การแลกเปลี่ยนลิแกนด์นี้สามารถสร้างการเชื่อมต่อกับโมเลกุลชีวภาพจำนวนมาก ตั้งแต่ DNA ไปจนถึง RNA โปรตีน และพอลิเมอร์ (เช่นPEG ) เพื่อเพิ่มความเข้ากันได้ทางชีวภาพและฟังก์ชันการทำงาน ตัวอย่างเช่น ลิแกนด์ได้รับการแสดงให้เห็นว่าช่วยเพิ่มกิจกรรมเร่งปฏิกิริยาโดยการเป็นตัวกลางในการโต้ตอบระหว่างสารดูดซับและพื้นผิวทองคำที่ใช้งานอยู่สำหรับปฏิกิริยาออกซิเดชันเฉพาะ^{[ 80 ]}การแลกเปลี่ยนลิแกนด์ยังสามารถใช้เพื่อส่งเสริมการถ่ายโอนเฟสของอนุภาคคอลลอยด์ได้อีกด้วย^{[ 78 ]}การแลกเปลี่ยนลิแกนด์ยังสามารถทำได้กับ NPs ที่ถูกตรึงด้วยอัลเคนไทออลซึ่งผลิตขึ้นจากวิธีการสังเคราะห์แบบ Brust แม้ว่าจะต้องใช้อุณหภูมิที่สูงขึ้นเพื่อส่งเสริมอัตราการหลุดออกของลิแกนด์^{[ 81 ] [ 82 ]}วิธีการทางเลือกสำหรับการทำงานเพิ่มเติมทำได้โดยการเชื่อมต่อลิแกนด์กับโมเลกุลอื่น ๆ แม้ว่าวิธีนี้อาจทำให้ความเสถียรของคอลลอยด์ของ Au NPs เสียหายได้^{[ 83 ]}

ในหลายกรณี เช่น ในการใช้งานเร่งปฏิกิริยาที่อุณหภูมิสูงต่างๆ ของ Au การกำจัดลิแกนด์ที่ปิดคลุมจะทำให้ได้คุณสมบัติทางกายภาพและเคมีที่พึงประสงค์มากขึ้น^{[ 84 ]}การกำจัดลิแกนด์ออกจากทองคำคอลลอยด์ในขณะที่ยังคงจำนวนอะตอม Au ต่อ Au NP ให้คงที่อาจทำได้ยากเนื่องจากคลัสเตอร์เปล่าเหล่านี้มีแนวโน้มที่จะรวมตัวกัน การกำจัดลิแกนด์สามารถทำได้บางส่วนโดยการล้างลิแกนด์ที่ปิดคลุมส่วนเกินออกไปทั้งหมด แม้ว่าวิธีนี้จะไม่มีประสิทธิภาพในการกำจัดลิแกนด์ที่ปิดคลุมทั้งหมดก็ตาม บ่อยครั้งที่การกำจัดลิแกนด์ทำได้ภายใต้อุณหภูมิสูงหรือการระเหยด้วย แสง ตามด้วยการล้าง หรืออีกทางเลือกหนึ่งคือสามารถกัดลิแกนด์ออกด้วยไฟฟ้าเคมี ได้ ^{[ 85 ]}

โครงสร้างที่แม่นยำของลิแกนด์บนพื้นผิวของอนุภาคนาโนทองคำคอลลอยด์ส่งผลต่อคุณสมบัติของอนุภาคนาโนทองคำคอลลอยด์ รูปแบบการจับยึดและการจัดเรียงตัวของลิแกนด์ที่ปิดคลุมบนพื้นผิวของอนุภาคนาโนทองคำคอลลอยด์มักจะแตกต่างอย่างมากจากการดูดซับแบบจำลองพื้นผิวขนาดใหญ่ ส่วนใหญ่เนื่องมาจากความโค้งสูงที่สังเกตได้บนพื้นผิวของอนุภาคนาโน^{[ 78 ]}อินเทอร์เฟซไทโอเลต-ทองคำในระดับนาโนได้รับการศึกษามาเป็นอย่างดี และพบว่าลิแกนด์ไทโอเลตดึงอะตอม Au ออกจากพื้นผิวของอนุภาคเพื่อสร้างรูปแบบ "staple" ที่มีลักษณะ Thiyl-Au(0) ที่สำคัญ^{[ 86 ] [ 87 ]}ในทางกลับกัน พื้นผิวซิเตรต-ทองคำได้รับการศึกษาน้อยกว่าเนื่องจากรูปแบบการจับยึดของซิเตรตกับพื้นผิวทองคำโค้งมีจำนวนมาก การศึกษาที่ดำเนินการในปี 2014 ระบุว่าการจับกันของซิเตรตที่ต้องการมากที่สุดนั้นเกี่ยวข้องกับกรดคาร์บอกซิลิกสองชนิด และหมู่ไฮดรอกซิลของซิเตรตจะจับกับอะตอมโลหะบนพื้นผิวสามอะตอม^{[ 88 ]}

เนื่องจากมีการศึกษาอนุภาคนาโนทองคำ (AuNPs) เพิ่มเติมสำหรับการส่งยาแบบกำหนดเป้าหมายในมนุษย์ จึงจำเป็นต้องพิจารณาถึงความเป็นพิษของอนุภาคเหล่านี้ โดยส่วนใหญ่แล้ว มีการแนะนำว่า AuNPs มีความเข้ากันได้ทางชีวภาพ^{[ 89 ]}แต่จำเป็นต้องกำหนดความเข้มข้นที่ทำให้เกิดความเป็นพิษ และหากความเข้มข้นเหล่านั้นอยู่ในช่วงความเข้มข้นที่ใช้ ความเป็นพิษสามารถทดสอบได้ทั้งในหลอดทดลองและในร่างกายผล การทดสอบความเป็นพิษ ในหลอดทดลองอาจแตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับชนิดของอาหารเลี้ยงเซลล์ที่มีองค์ประกอบโปรตีนต่างกัน วิธีที่ใช้ในการกำหนดความเป็นพิษของเซลล์ (สุขภาพของเซลล์ ความเครียดของเซลล์ จำนวนเซลล์ที่ถูกนำเข้าไปในเซลล์) และลิแกนด์ที่ปิดในสารละลาย^{[ 90 ]} การประเมิน ในร่างกาย สามารถกำหนดสุขภาพโดยทั่วไปของสิ่งมีชีวิต (พฤติกรรมผิดปกติ การลดน้ำหนัก อายุขัยเฉลี่ย ) รวมถึงความเป็นพิษเฉพาะเนื้อเยื่อ (ไต ตับ เลือด) และการอักเสบและการตอบสนองต่อออกซิเดชัน^{[ 90 ]} การทดลอง ในหลอดทดลองเป็นที่นิยมมากกว่า การทดลอง ในร่างกายเนื่องจาก การทดลอง ในหลอดทดลองทำได้ง่ายกว่าการทดลองในร่างกาย^{[ 90 ]}

แม้ว่า AuNPs เองจะดูเหมือนมีความเป็นพิษต่ำหรือแทบไม่มีเลย และเอกสารทางวิชาการแสดงให้เห็นว่าความเป็นพิษนั้นเกี่ยวข้องกับลิแกนด์มากกว่าตัวอนุภาคเอง แต่การสังเคราะห์ AuNPs นั้นเกี่ยวข้องกับสารเคมีที่เป็นอันตรายโซเดียมโบโรไฮไดรด์ ซึ่งเป็นสารเคมีที่รุนแรง ถูกนำมาใช้เพื่อลดไอออนทองคำให้เป็นโลหะทองคำ^{[ 91 ]}ไอออนทองคำมักมาจากกรดคลอโรออริกซึ่งเป็นกรดที่มีฤทธิ์รุนแรง^{[ 92 ]}เนื่องจากความเป็นพิษและอันตรายสูงของสารเคมีที่ใช้ในการสังเคราะห์ AuNPs จึงเกิดความต้องการวิธีการสังเคราะห์ที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมมากขึ้น

ลิแกนด์ที่ปิดคลุมบางส่วนที่เกี่ยวข้องกับ AuNPs อาจเป็นพิษ ในขณะที่บางส่วนไม่เป็นพิษ ในนาโนแท่งทองคำ (AuNRs) พบว่ามีความเป็นพิษต่อเซลล์สูงที่เกี่ยวข้องกับ AuNRs ที่เสถียรด้วย CTABที่ความเข้มข้นต่ำ แต่เชื่อว่า CTAB อิสระเป็นสาเหตุของความเป็นพิษ^{[ 92 ] [ 93 ]}การดัดแปลงที่เคลือบ AuNRs เหล่านี้ช่วยลดความเป็นพิษในเซลล์มะเร็งลำไส้ใหญ่ของมนุษย์ (HT-29) โดยป้องกันไม่ให้โมเลกุล CTAB หลุดออกจาก AuNRs กลับเข้าไปในสารละลาย^{[ 92 ]} ความเป็นพิษของลิแกนด์ยังสามารถพบได้ใน AuNPs เมื่อเปรียบเทียบกับความเป็นพิษ 90% ของ HAuCl ₄ที่ความเข้มข้นเดียวกัน พบว่า AuNPs ที่มีปลายคาร์บอกซิเลตไม่เป็นพิษ^{[ 94 ]} AuNPs ขนาดใหญ่ที่เชื่อมต่อกับไบโอติน ซิสเทอีน ซิเตรต และกลูโคส ไม่เป็นพิษต่อเซลล์มะเร็งเม็ดเลือดขาวของมนุษย์ ( K562 ) ที่ความเข้มข้นสูงถึง 0.25 M ^{[ 95 ]}นอกจากนี้ นาโนสเฟียร์ทองคำที่เคลือบด้วยซิเตรต (AuNSs) ได้รับการพิสูจน์แล้วว่าเข้ากันได้กับเลือดของมนุษย์และไม่ก่อให้เกิดการรวมตัวของเกล็ดเลือดหรือการตอบสนองทางภูมิคุ้มกัน^{[ 96 ]}อย่างไรก็ตาม พบว่าอนุภาคนาโนทองคำที่เคลือบด้วยซิเตรตขนาด 8-37 นาโนเมตรเป็นพิษร้ายแรงต่อหนู ทำให้มีอายุขัยสั้นลง ป่วยหนัก เบื่ออาหารและน้ำหนักลด ผมเปลี่ยนสี และเกิดความเสียหายต่อตับ ม้าม และปอด อนุภาคนาโนทองคำสะสมอยู่ในม้ามและตับหลังจากเดินทางผ่านส่วนหนึ่งของระบบภูมิคุ้มกัน^{[ 97 ]} มีมุมมองที่หลากหลายสำหรับ AuNPs ที่ดัดแปลงด้วย โพลีเอทิลีนไกลคอล (PEG) พบว่า AuNPs เหล่านี้เป็นพิษต่อตับของหนูเมื่อฉีดเข้าไป ทำให้เซลล์ตายและเกิดการอักเสบเล็กน้อย^{[ 98 ]}อย่างไรก็ตาม AuNPs ที่เชื่อมต่อกับโคพอลิเมอร์ PEG แสดงความเป็นพิษต่อเซลล์ลำไส้ใหญ่ของมนุษย์ ( Caco-2 ) น้อยมาก ^{[ 99 ]} ความเป็นพิษของ AuNP ยังขึ้นอยู่กับประจุโดยรวมของลิแกนด์ด้วย ในบางขนาด AuNSs ที่มีลิแกนด์ประจุบวกจะเป็นพิษต่อเซลล์ไตของลิง (Cos-1) เซลล์เม็ดเลือดแดงของมนุษย์ และ E. coli เนื่องจาก AuNSs มีปฏิสัมพันธ์กับเยื่อหุ้มเซลล์ที่มีประจุลบ ในขณะที่ AuNSs ที่มีลิแกนด์ประจุลบพบว่าไม่เป็นพิษในสิ่งมีชีวิตเหล่านี้^{[ 94 ]} นอกเหนือจาก การทดลอง ในร่างกายและนอกร่างกาย ที่กล่าวถึงก่อนหน้านี้แล้ว ยังมีการทดลองที่คล้ายคลึงกันอื่นๆ อีกด้วย Alkylthiolate-AuNPs ที่มีปลายลิแกนด์ trimethlyammonium เป็นตัวกลางในการเคลื่อนย้าย DNA ข้ามเยื่อหุ้มเซลล์ของสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมในหลอดทดลองในระดับสูงซึ่งเป็นอันตรายต่อเซลล์เหล่านี้^{[ 100 ]}อาการกระจกตาขุ่นในกระต่ายได้รับการรักษาในร่างกายโดยใช้อนุภาคนาโนทองคำที่หุ้มด้วยโพลีเอทิลีนไมน์ซึ่งได้รับการถ่ายทอดยีนที่ส่งเสริมการสมานแผลและยับยั้งการเกิดพังผืด ที่กระจกตา ^{[ 101 ]}

ความเป็นพิษในระบบบางระบบอาจขึ้นอยู่กับขนาดของอนุภาคนาโนด้วย พบว่า AuNS ขนาด 1.4 นาโนเมตรมีความเป็นพิษต่อเซลล์มะเร็งผิวหนังของมนุษย์ (SK-Mel-28) เซลล์มะเร็งปากมดลูกของมนุษย์ ( HeLa ) เซลล์ ไฟโบรบลาสต์ ของหนู (L929) และมาโครฟาจ ของหนู (J774A.1) ในขณะที่ AuNS ขนาด 0.8, 1.2 และ 1.8 นาโนเมตรมีความเป็นพิษน้อยกว่าถึงหกเท่า และ AuNS ขนาด 15 นาโนเมตรไม่มีความเป็นพิษ^{[ 94 ]}มีหลักฐานบางอย่างเกี่ยวกับการสะสมของ AuNP หลังจากการฉีดใน การศึกษา ในร่างกายแต่สิ่งนี้ขึ้นอยู่กับขนาดเป็นอย่างมาก พบว่า AuNP ขนาด 1.8 นาโนเมตรถูกดักจับเกือบทั้งหมดในปอดของหนู^{[ 102 ]}พบว่า AuNP ขนาดต่างๆ สะสมอยู่ในเลือด สมอง กระเพาะอาหาร ตับอ่อน ไต ตับ และม้าม^{[ 103 ] [ 104 ]}

การตรวจสอบ ความปลอดภัยทางชีวภาพและพลศาสตร์ทางชีวภาพของโครงสร้างนาโนขนาดเล็กพิเศษที่ย่อยสลายได้ทางชีวภาพแสดงให้เห็นว่าอนุภาคนาโนทองคำสามารถหลีกเลี่ยงการสะสมของโลหะในสิ่งมีชีวิตได้โดยการขับออกทางไต^{[ 105 ] [ 106 ]}

โดยทั่วไป อนุภาคนาโนทองคำจะถูกผลิตในของเหลว ("วิธีการทางเคมีในของเหลว") โดยการลดกรดคลอโรออริก ( H[AuCl] )₄] ). เพื่อป้องกันไม่ให้อนุภาคจับตัวกัน จึงมีการเติมสารทำให้คงตัว ซิเตรตทำหน้าที่ทั้งเป็นสารรีดิวซ์และสารทำให้คอลลอยด์คงตัว

สามารถปรับแต่งด้วยลิแกนด์อินทรีย์ต่างๆ เพื่อสร้างไฮบริดอินทรีย์-อนินทรีย์ที่มีฟังก์ชันการทำงานขั้นสูงได้^{[ 17 ]}

วิธีการง่ายๆ นี้ริเริ่มโดย J. Turkevich และคณะในปี 1951 ^{[ 107 ] [ 108 ]}และได้รับการปรับปรุงโดย G. Frens ในช่วงทศวรรษ 1970 ^{[ 109 ] [ 110 ]} วิธี นี้ผลิตอนุภาคนาโนทองคำทรงกลมที่มีขนาดสม่ำเสมอปานกลางประมาณ 10–20 นาโนเมตรในเส้นผ่านศูนย์กลาง สามารถผลิตอนุภาคขนาดใหญ่ขึ้นได้ แต่จะส่งผลเสียต่อความสม่ำเสมอและรูปร่าง ในวิธีนี้กรดคลอโรออริก ที่ร้อน จะถูกบำบัดด้วย สารละลาย โซเดียมซิเตรตทำให้เกิดคอลลอยด์ทองคำ ปฏิกิริยา Turkevich ดำเนินไปโดยการก่อตัวของนาโนไวร์ ทองคำชั่วคราว นาโนไวร์ทองคำเหล่านี้เป็นสาเหตุที่ทำให้สารละลายปฏิกิริยามีสีเข้มก่อนที่จะเปลี่ยนเป็นสีแดงทับทิม^{[ 111 ]}

สารเคลือบผิวถูกใช้ในระหว่างการสังเคราะห์อนุภาคนาโนเพื่อยับยั้งการเจริญเติบโตและการรวมตัวของอนุภาค สารเคมีจะปิดกั้นหรือลดปฏิกิริยาที่บริเวณรอบนอกของอนุภาค สารเคลือบผิวที่ดีจะมีแรงดึงดูดสูงต่อนิวเคลียสใหม่^{[ 112 ]}ไอออนซิเตรตหรือกรดแทนนิกทำหน้าที่ทั้งเป็นสารลดและสารเคลือบผิว^{[ 113 ] [ 114 ]}โซเดียมซิเตรตน้อยลงส่งผลให้อนุภาคมีขนาดใหญ่ขึ้น

วิธีนี้ถูกค้นพบโดย Brust และ Schiffrin ในช่วงต้นทศวรรษ 1990 ^{[ 115 ]}และสามารถใช้ในการผลิตอนุภาคนาโนทองคำในของเหลวอินทรีย์ที่ไม่สามารถผสมกับน้ำได้ตามปกติ (เช่นโทลูอีน ) โดยเกี่ยวข้องกับปฏิกิริยาของ สารละลาย กรดคลอโรออริกกับ สารละลายเตตระออก ทิลแอมโมเนียมโบรไมด์ (TOAB) ในโทลูอีนและโซเดียมโบโรไฮไดรด์เป็นสารป้องกันการจับตัวเป็นก้อนและสารลดปฏิกิริยาตามลำดับ

ในที่นี้ อนุภาคนาโนทองคำจะมีขนาดประมาณ 5–6 นาโนเมตร^{[ 116 ]} NaBH ₄เป็นตัวรีดิวซ์ และ TOAB เป็นทั้งตัวเร่งปฏิกิริยาการถ่ายโอนเฟสและตัวทำให้เสถียร

TOAB ไม่ได้จับกับอนุภาคนาโนทองคำอย่างแน่นหนานัก ดังนั้นสารละลายจะค่อยๆ รวมตัวกันในช่วงเวลาประมาณสองสัปดาห์ เพื่อป้องกันปัญหานี้ สามารถเพิ่มสารยึดเกาะที่แข็งแรงกว่า เช่นไทออล (โดยเฉพาะอัลคาเนไทออล ) ซึ่งจะจับกับทองคำ ทำให้ได้สารละลายที่คงตัวเกือบถาวร^{[ 117 ] [ 118 ]}อนุภาคนาโนทองคำที่ได้รับการปกป้องด้วยอัลคาเนไทออลสามารถตกตะกอนและละลายใหม่ได้ ไทออลเป็นสารยึดเกาะที่ดีกว่าเนื่องจากมีความสัมพันธ์ที่แข็งแรงกับพันธะทองคำ-กำมะถันที่เกิดขึ้นเมื่อสารทั้งสองทำปฏิกิริยากัน^{[ 119 ]}เตตระโดเดแคนไทออลเป็นสารยึดเกาะที่แข็งแรงที่ใช้กันทั่วไปในการสังเคราะห์อนุภาคขนาดเล็ก^{[ 120 ]} สารถ่ายโอนเฟสบางส่วนอาจยังคงจับอยู่กับอนุภาคนาโนที่บริสุทธิ์ ซึ่งอาจส่งผลต่อคุณสมบัติทางกายภาพ เช่นความสามารถในการละลายเพื่อกำจัดสารนี้ให้ได้มากที่สุด อนุภาคนาโนจะต้องได้รับการทำให้บริสุทธิ์เพิ่มเติมโดยการสกัดแบบซอกซ์เล็ต

วิธีการนี้ ซึ่งค้นพบโดย Perrault และ Chan ในปี 2009 ^{[ 121 ]}ใช้ไฮโดรควินอนเพื่อลด HAuCl ₄ในสารละลายน้ำที่มีเมล็ดอนุภาคนาโนทองคำขนาด 15 นาโนเมตร วิธีการสังเคราะห์แบบใช้เมล็ดนี้คล้ายกับวิธีการที่ใช้ในการพัฒนาฟิล์มถ่ายภาพ ซึ่งเม็ดเงินภายในฟิล์มจะเติบโตผ่านการเติมเงินที่ลดลงบนพื้นผิวของพวกมัน ในทำนองเดียวกัน อนุภาคนาโนทองคำสามารถทำงานร่วมกับไฮโดรควินอนเพื่อเร่งปฏิกิริยาการลดไอออนทองคำบนพื้นผิวของพวกมัน การมีสารทำให้คงตัว เช่น ซิเตรต ส่งผลให้เกิดการตกตะกอนของอะตอมทองคำบนอนุภาคอย่างควบคุมได้ และการเติบโต โดยทั่วไป เมล็ดอนุภาคนาโนจะผลิตโดยใช้วิธีซิเตรต วิธีไฮโดรควินอนช่วยเสริมวิธีของ Frens ^{[ 109 ] [ 110 ]}เนื่องจากเป็นการขยายช่วงของขนาดอนุภาคทรงกลมแบบโมโนดิสเปอร์สที่สามารถผลิตได้ ในขณะที่วิธีการของ Frens เหมาะสำหรับอนุภาคขนาด 12–20 นาโนเมตร วิธีการไฮโดรควินอนสามารถผลิตอนุภาคที่มีขนาดอย่างน้อย 30–300 นาโนเมตรได้

วิธีการง่ายๆ นี้ ซึ่งค้นพบโดย Martin และ Eah ในปี 2010 ^{[ 122 ]}ทำให้เกิดอนุภาคนาโนทองคำ "เปลือย" ที่มีขนาดใกล้เคียงกันในน้ำ การควบคุมสัดส่วนการลดอย่างแม่นยำโดยการปรับอัตราส่วนของไอออน NaBH ₄ -NaOH ต่อไอออน HAuCl ₄ -HCl ภายใน "โซนที่เหมาะสม" พร้อมกับการให้ความร้อน ทำให้สามารถปรับเส้นผ่านศูนย์กลางได้ระหว่าง 3–6 นาโนเมตร อนุภาคในน้ำมีความเสถียรในรูปคอลลอยด์เนื่องจากมีประจุสูงจากไอออนส่วนเกินในสารละลาย อนุภาคเหล่านี้สามารถเคลือบด้วยฟังก์ชันไฮโดรฟิลิกต่างๆ หรือผสมกับลิแกนด์ไฮโดรโฟบิกสำหรับการใช้งานในตัวทำละลายที่ไม่เป็นขั้ว ในตัวทำละลายที่ไม่เป็นขั้ว อนุภาคนาโนยังคงมีประจุสูง และรวมตัวกันเองบนหยดของเหลวเพื่อสร้างฟิล์มโมโนเลเยอร์ 2 มิติของอนุภาคนาโนที่มีขนาดใกล้เคียงกัน

Bacillus licheniformisสามารถใช้ในการสังเคราะห์นาโนคิวบ์ทองคำที่มีขนาดระหว่าง 10 ถึง 100 นาโนเมตร^{[ 123 ]}โดยปกติอนุภาคนาโนทองคำจะถูกสังเคราะห์ที่อุณหภูมิสูงในตัวทำละลายอินทรีย์หรือใช้สารเคมีที่เป็นพิษ แบคทีเรียผลิตอนุภาคเหล่านี้ได้ในสภาวะที่อ่อนโยนกว่ามาก

สำหรับอนุภาคที่มีขนาดใหญ่กว่า 30 นาโนเมตร การควบคุมขนาดอนุภาคด้วยค่า polydispersity ต่ำของอนุภาคนาโนทองคำทรงกลมยังคงเป็นเรื่องท้าทาย เพื่อให้สามารถควบคุมโครงสร้างของ NP ได้อย่างสูงสุด Navarro และคณะได้ใช้กระบวนการ Turkevitch-Frens ที่ดัดแปลงโดยใช้โซเดียมอะเซทิลอะเซโทเนตเป็นสารลดแรงตึงผิวและโซเดียมซิเตรตเป็นสารทำให้เสถียร^{[ 124 ]}

อีกวิธีหนึ่งสำหรับการสร้างอนุภาคทองคำในเชิงทดลองคือการใช้คลื่นเสียง (sonolysis ) วิธีแรกในประเภทนี้คิดค้นโดย Baigent และ Müller ^{[ 125 ] งานนี้เป็นผู้บุกเบิกการใช้คลื่นเสียงเพื่อให้พลังงานสำหรับกระบวนการที่เกี่ยวข้องและทำให้สามารถสร้างอนุภาคทองคำที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางต่ำกว่า 10 นาโนเมตร ได้}ในอีกวิธีหนึ่งที่ใช้คลื่นเสียง คือ ปฏิกิริยาของสารละลาย HAuCl ₄ ในน้ำ กับกลูโคส [ ^{126 ]}สารลดแรง คืออนุมูลไฮดรอกซิลและ อนุมูลไพโรไลซิสของน้ำตาล(ที่เกิดขึ้นในบริเวณส่วนต่อประสานระหว่างโพรงที่ยุบตัวและน้ำส่วนใหญ่) และรูปร่างที่ได้คือนาโนริบบอนที่มีความกว้าง 30–50 นาโนเมตรและความยาวหลายไมโครเมตร ริบบอนเหล่านี้มีความยืดหยุ่นสูงและสามารถโค้งงอได้ด้วยมุมที่มากกว่า 90° เมื่อแทนที่กลูโคสด้วยไซโคลเดกซ์ทริน (โอลิโกเมอร์ของกลูโคส) จะได้อนุภาคทองคำทรงกลมเท่านั้น ซึ่งบ่งชี้ว่ากลูโคสมีความสำคัญในการกำหนดรูปร่างให้เป็นแบบริบบอน

^{Sakai และคณะ [ 127 ]}ได้พัฒนาวิธีการสังเคราะห์อนุภาคนาโนทองคำที่ประหยัด เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม และรวดเร็วโดยใช้บล็อกโคพอลิเมอร์ในวิธีการสังเคราะห์นี้ บล็อกโคพอลิเมอร์ทำหน้าที่สองอย่างคือเป็นตัวรีดิวซ์และตัวทำให้เสถียร การก่อตัวของอนุภาคนาโนทองคำประกอบด้วยสามขั้นตอนหลัก ได้แก่ การรีดิวซ์ไอออนเกลือทองคำโดยบล็อกโคพอลิเมอร์ในสารละลายและการก่อตัวของคลัสเตอร์ทองคำ การดูดซับบล็อกโคพอลิเมอร์บนคลัสเตอร์ทองคำ และการรีดิวซ์ไอออนเกลือทองคำเพิ่มเติมบนพื้นผิวของคลัสเตอร์ทองคำเหล่านี้เพื่อการเติบโตของอนุภาคทองคำทีละขั้นตอน และสุดท้ายคือการทำให้เสถียรโดยบล็อกโคพอลิเมอร์ แต่วิธีนี้มักมีผลผลิต (ความเข้มข้นของอนุภาคนาโน) ที่จำกัด ซึ่งไม่เพิ่มขึ้นตามความเข้มข้นของเกลือทองคำที่เพิ่มขึ้น Ray และคณะ^{[ 128 ]}ได้ปรับปรุงวิธีการสังเคราะห์นี้โดยการเพิ่มผลผลิตของอนุภาคนาโนหลายเท่าที่อุณหภูมิห้อง

• คอลลอยดัลซิลเวอร์
• ไฟว์ลิงหรือเรียกอีกอย่างว่าอนุภาคนาโนทรงสิบเหลี่ยม
• นาโนแท่งทองคำ
• อนุภาคนาโนทองคำในเคมีบำบัด
• นาโนเอนไซม์
• การทดสอบโปรตีนด้วยคอลลอยด์ทองคำ

วิกิมีเดียคอมมอนส์มีสื่อที่เกี่ยวข้องกับทองคำคอลลอยด์

• Moriarty, Philip. "Au – อนุภาคนาโนทองคำ" . Sixty Symbols . Brady Haranสำหรับมหาวิทยาลัยนอตติงแฮม .
• วิธีการสังเคราะห์อนุภาคนาโนทองคำโดยใช้ซิเตรตและไฮโดรควินอนแบบทีละขั้นตอนมีให้ดูได้ที่นี่