W18O49納米顆粒的制備及體內(nèi)外光熱生物成像研究

王 辰 ，王 寧 ，2，李 倩 ，劉 杰 ，隋 心 ，張 鈺

（1.吉林化工學院 材料科學與工程學院，吉林 吉林 132022；2.北京科技大學 材料科學與工程學院，北京 100001）

W18O49納米顆粒的制備及體內(nèi)外光熱生物成像研究

王 辰1，王 寧1，2，李 倩1，劉 杰1，隋 心1，張 鈺1

（1.吉林化工學院 材料科學與工程學院，吉林 吉林 132022；2.北京科技大學 材料科學與工程學院，北京 100001）

為了簡化W18O49納米顆粒的制備工藝流程，以WCl6為鎢源，采用一步水熱合成方式，制備出了具有類似納米束捆綁結(jié)構(gòu)的W18O49納米顆粒。其相組成、顯微組織形貌、吸收光譜、光熱性能分別通過X射線衍射儀（XRD）、透射電鏡（TEM）、分光光度計（UV-Vis-NIR）和熱成像儀（PTI）進行檢測。結(jié)果表明，W18O49納米顆粒物相結(jié)構(gòu)單一、純度高、穩(wěn)定性好、形貌均勻。其吸收光譜帶在780～1 100 nm之間。在980 nm近紅外光照射下，W18O49納米顆粒甲醇溶液具有明顯的升溫現(xiàn)象，光熱轉(zhuǎn)換能力強。W18O49納米顆粒在500 μg/mL范圍內(nèi)L929細胞存活率均高于94%，說明其具有良好的生物相容性。W18O49納米顆粒在激光照射下呈現(xiàn)梯度熱像，說明其生物體內(nèi)外熱成像能力強。

W18O49；光熱；納米顆粒；水熱合成；體內(nèi)成像；體外成像

0 引言

近年來，低價氧化鎢（WO3-x）因其獨特的物理化學性質(zhì)，在場發(fā)射、光催化、氣敏器件及電致變色器件等領(lǐng)域成為備選材料[1-5]。其中，W18O49由于其自身特殊的結(jié)構(gòu)缺陷和性能，引起了科研人員的廣泛興趣。在報道過的所有低價氧化鎢（WO3-x）材料中，僅有W18O49能夠以純氧化物形式存在，且具有較多的氧缺陷[6]。另外，W18O49包含混合價態(tài)鎢離子，這使其具有很好的近紅外光屏蔽能力[7]。Wang等人[8]將WCx薄膜退火，并伴隨采用直接氧化等工藝合成了W18O49納米線。Lee 等人[9]將 W（CO）6、Me3NO·2H2O和油胺在250～270℃下反應(yīng)，高溫熱解后得到W18O49納米棒膠體。迄今為止，W18O49納米材料可以通過多種方式合成，但是產(chǎn)物大部分呈一維及二維形式，而三維粉體顆粒的合成還不夠成熟[10]。為此，低毒、設(shè)備要求低、工藝簡單的W18O49納米粉體制備工藝亟待開發(fā)。本研究以WCl6為鎢源，采用水熱合成法一步實現(xiàn)了W18O49納米粉體顆粒的合成。除對W18O49納米顆粒的相結(jié)構(gòu)、顯微形貌及光譜吸收進行了表征外，還對其在紅外激光照射下的光熱轉(zhuǎn)換能力進行了評估。

1 試驗

1.1 W18O49納米顆粒的制備

W18O49納米顆粒合成工藝流程如圖1所示。取0.119 g氯化鎢粉末溶解于20 mL異丙醇中，磁力攪拌15 min后，形成透明黃色溶液備用。分別用水、酒精和異丙醇清洗容量為25 mL的聚四氟乙烯內(nèi)襯，隨后將內(nèi)襯嵌入不銹鋼反應(yīng)釜中。移取攪拌后的溶液至聚四氟乙烯內(nèi)襯中，固定密封后放入鼓風干燥箱，200℃條件下加熱12 h，隨后自然冷卻至室溫。收集反應(yīng)釜中的液體及沉淀物，用超純水和無水乙醇清洗三次。最后，將所得沉淀物直接分散于甲醇中。

圖1 W18O49納米顆粒合成工藝示意圖Fig.1 Scheme of W18O49nanoparticles synthesis process

1.2 W18O49納米顆粒的測試與表征

用X射線衍射儀（Bruker）分析試樣的相組成。用透射電子顯微鏡（FEI Tecnai G2 S-Twin，200KV）對試樣進行透射電鏡（TEM）成像，觀察其顯微組織形貌。利用分光光度計（Perkin-Elmer 580BIR）對試樣進行FI-IR光譜測試。最后，在近紅外激光照射下（980 nm，0.8 W/cm2），用紅外熱像儀（Fluke）觀察樣品的光熱升溫情況。

1.3 W18O49納米顆粒的生物相容性及體內(nèi)外成像

采用標準MTT法對W18O49納米顆粒的生物相容性進行測試。打開滅菌后的96孔板，在各孔內(nèi)均接種100 μL的L929細胞培養(yǎng)基，使鋪板后細胞密度維持在63 000～73 000個/mL。培養(yǎng)24 h以后，分別加入不同濃度的W18O49納米顆粒培養(yǎng)基。在37℃的培養(yǎng)箱中保溫24 h，取出后添加20 μL/孔的MTT溶液，繼續(xù)培養(yǎng)4 h，將上清液吸出，加入150 μL DMSO，搖晃10 min后，用酶標儀測試吸光度，并計算L929細胞的成活率。

將三塊玻片置于培養(yǎng)皿中，培養(yǎng)24 h后，用移液槍將W18O49納米顆粒滴加在其中的兩塊上面，選擇其中一塊進行激光光照試驗，另一塊不進行激光處理。與此同時，選擇未經(jīng)滴加樣品的玻片進行對比光照試驗。光照過程兩塊玻片的波長，功率和時間相同（980 nm，0.5 W/cm2，10 min）。體內(nèi)光熱成像選擇荷瘤后的昆明小鼠進行表征。取100 μL的樣品/生理鹽水混合液對小鼠進行瘤內(nèi)注射，并同時輔以980 nm激光輻照，隨時間變化的小鼠熱像圖用紅外熱像儀拍攝并記錄。

2 結(jié)果與分析

2.1 W18O49顯微組織結(jié)構(gòu)分析

將水熱合成后得到的W18O49甲醇溶液滴于石英玻片上，并且用X射線衍射分析儀測試其相組成，結(jié)果如圖2所示。通過對圖中衍射峰所在位置與標準卡片比對后可知，該W18O49納米顆粒結(jié)晶度較高，雜質(zhì)含量較低，物相結(jié)構(gòu)單一性強。圖3為經(jīng)12h反應(yīng)后所得W18O49納米顆粒的顯微組織形貌。從圖3（a）中可以看出，W18O49顆粒大小約為 100～150nm，形狀近似球形，但其表面較為粗糙，存在大量無序排列的納米線。進一步放大觀察可知（如圖3（b）），W18O49納米顆粒是由眾多平行納米線捆綁堆疊而成。所以在利用透射電鏡進行觀察時，顆粒的核心部分顏色較深，越靠近顆粒表面的區(qū)域顏色越淺。試樣懸浮液如圖4內(nèi)嵌照片所示。利用紫外-可見-近紅外光譜儀測試W18O49納米顆粒的光學性質(zhì)，其吸收光譜（如圖4）說明，W18O49納米顆粒在近紅外光區(qū)區(qū)展現(xiàn)出較寬的吸收帶（780～1 100 nm）。這主要是受其特殊的顯微組織結(jié)構(gòu)影響，W18O49納米顆粒存在很強的局部表面等離子體共振效應(yīng)所致[11]。

圖2 W18O49納米顆粒XRD圖譜Fig.2 XRD pattern of W18O49nanoparticles

圖3 在200°C、12 h條件下利用水熱反應(yīng)合成W18O49納米顆粒的透射電鏡圖像Fig.3 TEM images of the W18O49nanoparticles synthesized by hydrothermal reaction at 200°C for 12 h

圖4 W18O49懸浮液的紫外-可見-近紅外吸收光譜Fig.4 UV-vis-NIR absorption spectrum of W18O49suspensions

2.2 W18O49的光熱性能分析

由于W18O49納米顆粒具有很好的近紅外吸收特性，在近紅外激光照射條件下，其溫度會隨照射時間的延長逐漸升高。為了進一步研究W18O49納米顆粒的光熱性能，研究利用激光束對樣品的甲醇懸浮液進行輻照，并同時利用紅外成像系統(tǒng)監(jiān)測其溫度變化，以期探究其光熱轉(zhuǎn)化能力。圖5為懸浮液在980 nm激光束照射下，不同時間內(nèi)拍攝的紅外熱像。通過對圖中的紅外熱像變化進行觀察可知，隨著時間的延長，試樣的溫度呈現(xiàn)梯度漸變的規(guī)律，其具體的溫度增加效果如圖6所示。從圖中可以看出，試樣溫度的增加速率呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢，表明其溫度的增加正逐漸向極限值靠近。試樣在0min和10min時溫度分別為24.5℃和67.3℃，即增加值約為42℃，說明W18O49納米顆粒具有很強的光熱轉(zhuǎn)換能力[12]。

圖5 980 nm激光照射下W18O49懸浮液紅外熱像Fig.5 IR thermal images of W18O49suspensions under 980 nm laser irradiation

圖6 980 nm激光照射下W18O49懸浮液的溫度變化曲線Fig.6 Temperature change curve of W18O49suspensions under 980 nm laser irradiation

2.3 W18O49在生物體內(nèi)外光熱成像上的應(yīng)用

圖7 W18O49納米顆粒的生物相容性Fig.7 Biocompatibility of W18O49nanoparticles

圖8 W18O49納米顆粒體外成像效果Fig.8 In-vitro imaging results of W18O49nanoparticles

為了將W18O49納米顆粒的光熱特性應(yīng)用于生物領(lǐng)域，本文利用MTT試驗對其進行生物相容性考察，結(jié)果如圖7所示。在不同濃度條件下，L929細胞的存活率均高于94%，這說明該納米顆粒對生物體影響較小，生物相容性良好。將玻片植入培養(yǎng)皿中進行細胞培養(yǎng)，待細胞成熟貼壁后，改變試驗條件進行對比測試（如圖8（a）所示）。測試條件如下：僅激光照射（左側(cè)玻片），滴加納米顆粒后激光照射（中間玻片），滴加納米顆粒無激光照射（右側(cè)玻片）。在激光照射5 min以后，拍攝培養(yǎng)皿及玻片的紅外熱像（如圖8（b）所示）。通過對圖中熱像區(qū)域觀察可以發(fā)現(xiàn)，納米顆?？梢援a(chǎn)生一定的熱量并同時呈現(xiàn)梯度熱像。單純的激光照射和滴加納米顆粒并無此效果，說明該溫度梯度熱像的產(chǎn)生是由于W18O49納米顆粒的激光輻照，并非納米顆粒與細胞間作用產(chǎn)生。W18O49納米顆粒體內(nèi)近紅外熱像結(jié)果如圖9所示。隨著時間的延長，小鼠荷瘤部位出現(xiàn)了漸變的紅外梯度熱像，由于近紅外光對組織具有很好的穿透性，所以W18O49納米顆粒體具有體內(nèi)熱像的能力。

圖9 W18O49納米顆粒的體內(nèi)成像效果Fig.9 In-vivo imaging resuls of W18O49nanoparticles

3 結(jié)論

（1）采用一步水熱法制備的W18O49納米顆粒具有平行納米線捆綁堆疊形貌，尺寸約為100～150nm，且物相單一、均勻性好；紫外-可見吸收光譜顯示，該納米顆粒在780～1 100 nm間吸收峰較高，說明W18O49納米顆粒具有很強的近紅外光吸收能力。

（2）980 nm激光束照射W18O49納米顆粒懸浮液10 min后，紅外熱像其顯示溫度上升約42℃，W18O49納米顆粒具有較強的光熱轉(zhuǎn)換能力。

（3）W18O49納米顆粒具有良好的生物相容性。在980 nm近紅外激光輻照下，該納米顆粒具有體內(nèi)外光熱成像能力。

[1] 秦玉香，劉 梅，化得燕.Ti摻雜W18O49納米線的電子結(jié)構(gòu)與NO2敏感性能的第一性原理研究 [J].物理學報，2014，63（20）：207101-1-8.QIN Yuxiang，LIU Mei，HUA Deyan.First-principles study of the electronic structure and NO2-sensing properties of Ti-doped W18O49nanowire[J].Acta Physica Sinica，2014，63（20）：207101-1-8.

[2] 王新剛，郭一凡，田 陽，等.三種納米結(jié)構(gòu)三氧化鎢的氣敏性研究[J].中國鎢業(yè)，2016，31（6）：49-53.WANG Xingang，GUO Yifan，TIAN Yang，et al.Gas sensitivity of the three kinds of nanostructured WO3[J].China Tungsten Industry，2016，31（6）：49-53.

[3] KOJIN F，MORI M，MORISHITA T，et al.New visible light active photocatalyst，carbon-coated W18O49[J].Chemistry Letters，2006，35（4）：388-389.

[4] KHYZHUN O Y，SOLONIN Y M.Electronic structure of the monoclinic and hexagonal trioxides of tungsten and hexagonal hydrogen tungesten bronze H0.24WO3[J].Powder Metallurgy and Metal Ceramics，2000，399（5）：287-294.

[5] THANGALA J，VADDIRAJU S，MALHOTRA S，et al.A hot-wire chemical vapor deposition（HWCVD）method for metal oxide and their alloy nanowire arrays[J].Thin Solid Films，2009，517（12）：3600-3605.

[6] ZHOU J，DING Y，DENG S Z，et al.Three-dimensional tungsten oxide nanowire networks[J].Advanced Materials，2005，17（17）：2107-2110.

[7] GUO C S，YIN S，ZHANG P L，et al.Novel synthesis of homogenous CsxWO3nanorods with excellent NIR shielding properties by a water controlled-release solvothermal process[J].Journal of Materials Chemistry，2010，20（38）：8227-8229.

[8] WANG S J，CHEN C H，KO R M，et al.Preparation of tungsten oxide nanowires from sputter-deposited WCxfilms using an annealing/oxidation process [J].Applied Physics Letters，2005，86（26）：263103-1-3.

[9] LEE K，SEO W S，PARK J T.Synthesis and optical properties of colloidal tungsten oxide nanorods[J].Journal of American Chemical Society，2003，125（12）：3408-3409.

[10] 劉新利，張 泉，王世良，等.W18O49亞微米棒陣列的制備及其生長機理[J].中國有色金屬學報，2011，21（5）：1093-1098.LIU Xinli，ZHANG Quan，WANG Shiliang，et al.Synthesis and growth mechanism of W18O49submicron-rod arrays[J].The Chinese Journal of Nonferrous Metals，2011，21（5）：1093-1098.

[11] POLLEUX J，PINNA N，ANTONIETTI M，et al.Growth and assembly of crystalline tungsten oxide nanostructures assisted by bioligation[J].Journal of the American Chemical Society，2005，127（44）：15595-15601.

[12] 董麗君，鄒麗霞，白秀敏，等.微波法制備多孔Bi2O3/WO3及其光催化降解苯酚的研究[J].中國鎢業(yè)，2007，22（3）：34-37，41.DONG Lijun，ZHOU Lixia，BAI Xiumin，et al.Preparation of porous Bi2O3/WO3composite photocatalysis by microwave and its photocatalytic degradation of phenol[J].China Tungsten Industry，2007，22（3）：34-37，41.

Study on the Preparation and in Vivoamp;in Vitro Photothermal Bioimaging of W18O49Nanoparticles

WANG Chen1,WANG Ning1,2,LI Qian1,LIU Jie1,SUI Xin1,ZHANG Yu1
(1.School of Materials Science and Engineering,Jilin Institute of Chemical Technology,Jilin 132022,Jilin,China;2.School of Materials Science and Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China)

In order to simplify the preparation process,W18O49nanoparticles with bundle-like structure were prepared by one-step hydrothermal synthesis using WCl6as tungsten source.The phase composition,microstructure,absorption spectra,photothermal properties were detected by X-ray diffraction (XRD),transmission electron microscopy(TEM),spectrophotometer(UV-Vis-NIR)and photothermal imager(PTI).The results show that W18O49nanoparticles have single phase structure,high purity,good stability and uniform morphology.The absorption band of W18O49nanoparticles is between 780 nm and 1 100 nm.Under the irradiation of 980 nm near-infrared light,W18O49nanoparticles methanol solution has obvious temperature rising phenomenon,and the photothermal conversion ability is strong.The viability of L929 nanoparticles was higher than 94%in the range of 500 g/mL,indicating that W18O49nanoparticles have good biocompatibility.Under laser irradiation,W18O49nanoparticles exhibit gradient thermal images,showing their in vivoamp;in vitro thermal imaging ability are strong.

W18O49;photothermal;nanoparticles;hydrothermal synthesis;in vivo imaging;in vitro imaging

TF125

A

10.3969/j.issn.1009－0622.2017.05.010

2017-07-18

吉林省科技發(fā)展計劃項目（20130102005JC）；吉林市科技創(chuàng)新發(fā)展計劃項目（20161205）

王 辰（1988-），男，遼寧清原人，講師，主要從事金屬-無機非金屬材料粉末冶金研究。

張 鈺（1972-），女，吉林吉林人，教授，主要從事材料科學與能源工程研究。

（編輯：劉新敏）