水熱法制備光熱治療劑納米WO3-x的組織結(jié)構(gòu)與光熱效應(yīng)

胡偉，黃智

(中南大學(xué) 粉末冶金研究院，長(zhǎng)沙 410083)

惡性腫瘤的發(fā)病率和致死率極高，是威脅全人類生命的頭號(hào)殺手，目前對(duì)于惡性腫瘤的治療主要是采用一些對(duì)人體有極大副作用的治療手段，例如化療、手術(shù)切除等[1?2]。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，一種對(duì)人體傷害小、能在短時(shí)間起到治療作用的惡性腫瘤治療手段——光熱治療[3]得以開發(fā)和運(yùn)用。光熱治療是采用對(duì)人體組織穿透力非常強(qiáng)的近紅外光(780~1 100 nm)對(duì)惡性腫瘤定位后進(jìn)行照射，在光熱治療劑的輔助下，近紅外光經(jīng)過光熱效應(yīng)迅速地產(chǎn)生熱能，使惡性腫瘤部位的局部溫度迅速升高，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)腫瘤細(xì)胞的殺傷。理想的光熱治療劑必須在近紅外區(qū)域有較強(qiáng)的吸收，并且具備較高的光熱轉(zhuǎn)換效率。目前研究較多的近紅外光熱轉(zhuǎn)換材料主要是貴金屬納米材料和有機(jī)光熱治療劑[4?6]，但這些材料都存在許多限制其應(yīng)用的缺陷。

氧化鎢半導(dǎo)體納米材料，特別是非計(jì)量比的納米WO3?x，其獨(dú)特的氧缺陷結(jié)構(gòu)和強(qiáng)的局域等離子體共振效應(yīng)，使其在近紅外光區(qū)有著很強(qiáng)的光吸收[7]，這一特性使得材料在光熱轉(zhuǎn)換領(lǐng)域的應(yīng)用成為可能。目前已有各種形貌且用途各異的光熱轉(zhuǎn)換氧化鎢納米材料得到開發(fā)與應(yīng)用，例如CHANDRA等[8]開發(fā)的用于光電轉(zhuǎn)換的WO3納米多孔材料、LI等[9]研究的用于電子設(shè)備的 W18O49納米線材以及 HORPRATHUMDEN等[10]利用WO3制備的高度敏感的氣體傳感器等。除了在光催化、光電化學(xué)、氣體檢測(cè)等領(lǐng)域以外，具有優(yōu)異的光熱轉(zhuǎn)換能力的 WO3?x還可作為光熱治療劑[11?14]。氧化鎢納米材料的制備方式有以下幾種：1) 液相合成法。包括水熱法、溶膠凝膠法以及溶劑熱法等，能在較為溫和的實(shí)驗(yàn)條件下制備納米氧化鎢材料。其中的水熱法是一種操作簡(jiǎn)單、納米顆粒團(tuán)聚相對(duì)較輕的材料制備手段[15]。LIU等[14]以鎢酸作為前驅(qū)體，采用液相合成法制備了形貌與尺寸可調(diào)控的非整比結(jié)構(gòu)的藍(lán)色W18O49納米材料，該材料在可見光范圍內(nèi)有強(qiáng)烈的吸收，并且對(duì)污染物羅丹明B具有非常強(qiáng)烈的光催化活性。2) 氣相法。申永奇等[15]采用氣相法合成了一維結(jié)構(gòu)的氧化鎢納米線，材料的結(jié)晶度較高、取向性好，并且形貌可以通過生長(zhǎng)時(shí)間、實(shí)驗(yàn)溫度等參數(shù)進(jìn)行調(diào)控。但氣相法對(duì)整個(gè)體系的氣密性以及對(duì)實(shí)驗(yàn)溫度的調(diào)節(jié)能力要求很高。3) 電化學(xué)手段也是常用的氧化鎢納米材料的制備方法。郝金玲等[16]采用恒電位沉積法制備的單斜晶系氧化鎢薄膜具有良好的光電轉(zhuǎn)換性能，在可見光范圍內(nèi)有優(yōu)異的光響應(yīng)能力。但一般的電沉積都會(huì)加入保證產(chǎn)物質(zhì)量的各類添加劑，容易引入對(duì)人體產(chǎn)生毒副作用的雜質(zhì)元素，不適合用于光熱治療領(lǐng)域。易團(tuán)聚是納米材料的共性，而對(duì)于光熱治療而言，良好的分散性和水溶性是光熱治療劑所必備的條件。對(duì)納米顆粒進(jìn)行聚合物表面修飾，可有效防止顆粒團(tuán)聚，如 MAJEED等[17]和黃鑫等[18]分別用多功能水溶性聚合物配體?聚甲基丙烯酸?季戊四醇四-3-巰基丙酸酯(PTMP-PMAA)修飾得到分散性良好的 Fe3O4磁性納米材料和納米金團(tuán)簇。本文作者采用水熱法合成用于惡性腫瘤光熱治療的WO3?x納米粉體材料，并利用多功能水溶性硫醚聚合物配體PTPM-PMAA 對(duì) WO3?x進(jìn)行表面修飾來改善 WO3?x顆粒的團(tuán)聚行為，重點(diǎn)研究腫瘤環(huán)境下的pH值和WO3?x的濃度對(duì)其光熱轉(zhuǎn)換效應(yīng)的影響，希望通過對(duì)WO3?x濃度的調(diào)控來實(shí)現(xiàn)其用于腫瘤部位光熱治療劑時(shí)光熱效應(yīng)的調(diào)控。研究結(jié)果對(duì)WO3?x在光熱治療的實(shí)際應(yīng)用具有重要意義。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

所用原料有：偶氮二異丁腈(AIBN)，化學(xué)純(CP)，江蘇強(qiáng)盛功能化學(xué)股份有限公司；甲基丙烯酸(MAA)，分析純(AR)，天津光復(fù)精細(xì)化工研究所；無(wú)水乙醇，分析純(AR)，天津恒興化學(xué)試劑制造有限公司； 季戊四醇四-3-巰基丙酸酯(PTMP)，分析純(AR)，AlDRICH；六氯化鎢，生物試劑純度(BR)，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

1.2 聚合物配體的合成

以偶氮二異丁腈(AIBN)為鏈引發(fā)劑、甲基丙烯酸(MAA)為反應(yīng)單體、乙醇為反應(yīng)溶劑、季戊四醇四-3-巰基丙酸酯(PTMP)為鏈轉(zhuǎn)移劑，合成水溶性的聚合物配體。在合成之前，先采用減壓蒸餾的方法去除甲基丙烯酸中的主要成分為對(duì)苯二酚的阻聚劑。

聚合物配體的制備步驟如下：首先，準(zhǔn)確量(稱)取甲基丙烯酸0.25 mol、無(wú)水乙醇150 mL、偶氮二異丁腈2.5 mmol以及5 mmol PTMP。依次將上述原料加入到以氮?dú)庾鰹楸Ｗo(hù)氣氛的 250 mL三口燒瓶中，待燒瓶?jī)?nèi)的物質(zhì)混合均勻后，將燒瓶與球形冷凝管相連，構(gòu)成回流冷凝系統(tǒng)，然后將系統(tǒng)的溫度緩慢升高到75 ℃，并在這一溫度下回流冷凝 5 h，在回流過程中若體系粘度過大而影響體系流動(dòng)性，可補(bǔ)加5~10 mL乙醇?；亓鬟^程結(jié)束后靜置冷卻，然后將溶液小心轉(zhuǎn)移至旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀中，除去過量的溶劑乙醇；最后，以無(wú)水乙醚作為沉淀劑除去多余的甲基丙烯酸單體，并沉淀出白色的粉末。將白色粉末放入真空干燥箱中，在45 ℃溫度下干燥24 h，即得到聚合物配體粉末。將聚合物配體粉末放于真空袋中，抽真空后常溫下保存?zhèn)溆谩?/p>

1.3 聚合物配體修飾納米WO3-x

利用水熱反應(yīng)，以六氯化鎢為前驅(qū)體、乙醇為反應(yīng)溶劑，加入聚合物配體粉末，通過回流冷凝的方式制備由水溶性聚合物配體進(jìn)行表面修飾的納米WO3?x。具體步驟如下：首先，準(zhǔn)確量取 80 mL去離子水，加入到通入氮?dú)獬醯娜跓恐?。加熱三口燒瓶，待溫度上升?80 ℃后，加入 12 mmol聚合物配體粉末，攪拌溶解；待溫度上升到100 ℃時(shí)，用注射器將含有0.25 mmol六氯化鎢的80 mL無(wú)水乙醇加入到三口燒瓶中，溶液立即變?yōu)樗{(lán)色，回流反應(yīng)2 h?；亓鹘Y(jié)束后，將冷卻后的藍(lán)色溶液用分子量為100 KDa的超濾離心管在3 000 r/min轉(zhuǎn)速下用去離子水低速離心5次到6次，以去除多余的聚合物配體。

取一部分離心后的粉末，在真空干燥箱中60 ℃溫度下真空干燥24 h，然后放入真空袋中，抽真空后避光保存，用于組織結(jié)構(gòu)與形貌分析。另取一部分離心后的上層顆粒溶解于去離子水中，配制成質(zhì)量濃度分別為200，400，600和800 μg/mL的溶液?？紤]到腫瘤部位的pH值為6.0~6.5，以PBS為緩沖液調(diào)節(jié)溶液的pH值(用pH計(jì)測(cè)量pH值)，得到pH值分別為3.4，4.4，5.4，6.和 7.4 的 WO3?x溶液。在 WO3?x溶液中加入0.01 mol/L的谷胱甘肽，經(jīng)氮?dú)夤呐莺蟪檎婵?，避光保存，用于研究濃度與pH值對(duì)WO3?x納米粉體材料光熱性能的影響。

1.4 性能表征

采用Nicolet IS 50紅外光譜儀對(duì)聚合物配體粉末進(jìn)行紅外分析。將聚合物配體修飾后的納米WO3?x粉末用瑪瑙研缽進(jìn)行研磨，然后用 RigaKuD/max-2500VB 型 X 射線衍射儀(XRD)進(jìn)行結(jié)構(gòu)與物相分析。采用型號(hào)為K-ALPHAX射線光電子能譜儀(X-ray photoelectron spectrograph，XPS)對(duì)研磨后的聚合物配體修飾納米WO3?x粉末的表面元素進(jìn)行定性及半定量分析、元素價(jià)態(tài)及價(jià)帶分析。用乙醇作為分散劑，將研磨后的聚合物配體修飾的 WO3?x粉末進(jìn)行分散處理，然后用JEM-2100F型透射電鏡觀察其微觀形貌，并用ImageJ軟件統(tǒng)計(jì)粉末的粒徑分布。

采用型號(hào)為UV-1601的紫外分光光度計(jì)測(cè)試不同濃度及pH值的WO3?x粉末溶液在不同波長(zhǎng)下的吸光度，并根據(jù)吸光度?波長(zhǎng)曲線上的截止波長(zhǎng) λg計(jì)算材料的禁帶寬度Eg計(jì)算公式為：

式中：Eg為禁帶寬度；λg為截止吸收波長(zhǎng)；h為普朗克常數(shù)。用鐵架臺(tái)固定廣東富雷精密電子廠生產(chǎn)的波長(zhǎng)為808 nm、功率密度為500 mW/cm2的激光光源，用移液槍分別準(zhǔn)確量取200 μL不同濃度以及pH值的WO3?x溶液于經(jīng)避光處理的2 mL小離心管中，用激光光源逐一照射WO3?x溶液5 min，激光光源距離溶液凹液面固定為 2.5 cm，得到各溶液的吸光度?波長(zhǎng)曲線，并采用帶小型金屬溫度探頭的具有數(shù)顯功能的溫度計(jì)(北京宏海永昌儀表技術(shù)開發(fā)中心生產(chǎn)，型號(hào)為DTM-280)記錄材料的光熱轉(zhuǎn)換測(cè)試時(shí)的溫度變化。

2 結(jié)果與討論

2.1 聚合物配體

圖 1所示為聚合物配體的傅立葉變換紅外光譜圖。由圖 1可見，1 700 cm?1處存在吸收峰，為聚合物中羰基(—CO—)的不對(duì)稱伸縮吸收峰，且 1 300 cm?1處有酯基(—COO—)的不對(duì)稱伸縮振動(dòng)峰，同時(shí)在 3 000及 3 500 cm?1處有羥基伸縮峰。這些標(biāo)志性的吸收峰意味著合成的聚合物為水溶性的 PTMPPMAA配體。

圖1 聚合物配體PTMP-PMAA的FTIR圖譜Fig.1 FTIR spectroscopy spectras of PTMP-PMAA

2.2 聚合物配體修飾的WO3-x納米粉末

圖 2所示為聚合物配體修飾納米 WO3?x粉末的XRD譜。該粉末與 W17O47的標(biāo)準(zhǔn)卡片(PDF NO.79-0171)一致，為沿(010)方向生長(zhǎng)的單斜晶系的 W17O47(即 WO2.76)。

圖2 WO3?x納米粉末的XRD譜Fig.2 XRD pattern of nano-WO3?x powder

圖3所示為經(jīng)聚合物配體表面修飾后的WO3?x粉末XPS圖。由圖可知粉末只含有鎢和氧2種元素，沒有出現(xiàn)其它的元素峰，這表明該納米粉末僅由鎢和氧2種元素所組成。對(duì)光電子能譜用軟件 XPSPEAK41進(jìn)行分峰處理，如圖 3(a)所示，觀察到位于 35.8 eV和38.1 eV處分別對(duì)應(yīng)于六價(jià)鎢元素的4f7/2和4f5/2特征峰，以及位于34.6 eV和36.8 eV處對(duì)應(yīng)于五價(jià)鎢元素的4f5/2和4f7/2的耦合雙峰，這表明所得納米粉末由六價(jià)和五價(jià)鎢的混合價(jià)態(tài)組成，為非整比的氧缺陷結(jié)構(gòu)。

圖3 WO3?x納米粉末的XPS圖Fig.3 XPS spectras of nano WO3?x powder(a) Result of peak separation processing;(b) Full spectrum scanning;(c) 1s photoelectron spectrogram of oxygen

圖 4所示為WO3?x納米粉末的TEM形貌，圖5所示為用ImageJ軟件統(tǒng)計(jì)的透射電鏡下的WO3?x粉末粒徑分布。由圖4和5可知，粉末顆粒的形貌為球形，粒度分布均勻，平均粒徑為4.88 nm，未見顆粒團(tuán)聚，具有較好的分散性，聚合物配體的引入有效改善了WO3?x納米顆粒的團(tuán)聚行為。雖然無(wú)法從TEM圖中觀察到聚合物配體包裹WO3?x的結(jié)構(gòu)，但從 TEM 圖中觀察到顆粒良好的分散性以及結(jié)合材料具有優(yōu)異水溶性的宏觀實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，可證明該粉末為聚合物配體包裹WO3?x的結(jié)構(gòu)。另外對(duì)比文獻(xiàn)[19]中WO3的大量團(tuán)聚行為，進(jìn)一步證明聚合物配體在改善納米顆粒團(tuán)聚中所起到的作用。這種多功能水溶性聚合物配體之所以能改善納米顆粒的團(tuán)聚行為，是因?yàn)榫酆衔锱潴w上有許多水溶性的羧基(?COOH)。圖6所示為聚合物配體對(duì)WO3?x進(jìn)行修飾的機(jī)理圖，當(dāng)PTMP-PMAA與納米顆粒接觸時(shí)，這些水溶性的羧基包裹住納米顆粒，在納米顆粒之間形成空間位阻，在阻止納米顆粒團(tuán)聚的同時(shí)，大量羧基的包裹結(jié)構(gòu)又使材料的水溶性得到提升。

圖4 WO3?x納米粉末的TEM形貌Fig.4 TEM image of nano WO3?x powder

圖5 WO3?x納米粉末的粒徑分布Fig.5 Particle size distribution of nano WO3?x powder

圖6 聚合物配體對(duì)納米WO3?x顆粒的表面修飾機(jī)理Fig.6 Mechanism diagram of polymer ligand modification

2.3 納米WO3-x的光熱性能

在WO3?x溶液的配制過程中發(fā)現(xiàn)，隨溶液pH值增加，溶液顏色逐漸變淡。這一方面可能是由于當(dāng)pH值增加時(shí)，溶液中的OH?與聚合物配體中的羧基反應(yīng)，破壞了聚合物包裹WO3?x的結(jié)構(gòu)，另一方面可能是由于 pH值增加使得粉末材料的局域等離子共振效應(yīng)(localized surface plasmon resonance)降低，從而導(dǎo)致溶液的顏色變淡。基于此，本文作者對(duì)WO3?x的濃度與pH值對(duì)其光熱轉(zhuǎn)換能力的影響進(jìn)行研究。

圖7 不同濃度的WO3?x在不同pH值下的紫外吸收?qǐng)DFig.7 UV absorption spectrums of nano-WO3?x under different concentrations and pH values(a) ρ(WO3?x)=200 μg/mL; (b) ρ(WO3?x)=400 μg/mL; (c) ρ(WO3?x)=600 μg/mL; (d) ρ(WO3?x)=800 μg/mL

圖7 所示為不同濃度以及pH值的納米WO3?x溶液的紫外吸收?qǐng)D。從圖7可知，經(jīng)聚合物配體進(jìn)行表面修飾的納米WO3?x具有很強(qiáng)的pH敏感性，表現(xiàn)為隨pH值增加，不同質(zhì)量濃度的納米WO3?x在近紅外的紫外吸收均出現(xiàn)不同程度的降低。當(dāng)溶液質(zhì)量濃度增加時(shí)，WO3?x的紫外吸收增強(qiáng)。從圖7看出，WO3?x在近紅外區(qū)(NIR)有較強(qiáng)的吸收，符合作為光熱治療劑的前提條件。

圖8所示為不同濃度與pH值的納米WO3?x材料的紫外照射光熱轉(zhuǎn)換性能。從圖8看出納米WO3?x表現(xiàn)出相當(dāng)好的光熱轉(zhuǎn)換能力，并且隨濃度增加以及pH值降低，WO3?x的光熱轉(zhuǎn)換效果更好，作為光熱治療劑的可行性更高。其中光熱轉(zhuǎn)換效果最好的是pH值為3.4、質(zhì)量濃度為800 μg/mL的樣品，在5 min內(nèi)溫度上升約21 ℃，在第1 min時(shí)就升溫到15 ℃，并在后續(xù)4 min左右達(dá)到平衡。人的體溫值為37 ℃，當(dāng)作為光熱治療劑使用時(shí)，在腫瘤部位5 min內(nèi)實(shí)現(xiàn)約21℃的升溫。作為對(duì)照組的純水，無(wú)論pH值變化多大，水的溫度升高僅有1到2℃，這表明在激光光源照射下，引起溫度變化的是材料本身，與溶劑無(wú)關(guān)。正常人體組織和血液的pH值在7.0~7.4之間，而腫瘤病變部位在局部缺血時(shí)，其質(zhì)液出現(xiàn)異常的酸化情況，這時(shí)腫瘤組織的 pH值低于正常組織，其 pH值約為6.0~6.5[20]。本研究制得的納米 WO3?x材料在 pH 為6.0~6.5之間具有較好的光熱轉(zhuǎn)換性能，例如，在pH值為6.4、質(zhì)量濃度值為800 μg/mL時(shí)，經(jīng)光熱轉(zhuǎn)換后實(shí)現(xiàn)了5 min內(nèi)約19 ℃的溫度上升，可以應(yīng)用于光熱治療領(lǐng)域。

圖8 不同pH值和濃度的WO3?x的紫外照射光熱轉(zhuǎn)換性能Fig.8 Photothermal transformation diagrams of nano-WO3?x under different pH values and mass concentrations(a) pH=3.4; (b) pH=4.4; (c) pH=5.4;(d) pH=6.4; (e) pH=7.4

圖9 所示為WO3?x的濃度與pH值對(duì)其禁帶寬度的影響。從圖9看出，隨pH值降低或濃度增加，WO3?x的禁帶寬度明顯降低，結(jié)合圖8所示的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，pH值和濃度發(fā)生改變時(shí)會(huì)影響材料的禁帶寬度，從而改變其光熱轉(zhuǎn)換性能。這是因?yàn)閹赌茌^低的半導(dǎo)體材料不僅能吸收高能量的光子，也可吸收較低能量的光子發(fā)生激發(fā)，因此對(duì)外在光源有著較高的利用率，具有較好的光熱轉(zhuǎn)換能力。而隨濃度增加，材料的這種吸收效率提高[21]，即光熱轉(zhuǎn)換能力增強(qiáng)。當(dāng)pH值降低或濃度增加時(shí)，WO3?x的禁帶寬度出現(xiàn)不同程度的降低，使得WO3?x的光響應(yīng)能力以及光熱轉(zhuǎn)換能力增強(qiáng)。另外，由于WO3?x產(chǎn)生光熱效應(yīng)是由于其強(qiáng)烈的LSPR效應(yīng)引起的，根據(jù)經(jīng)典的Mie理論，影響材料LSPR效應(yīng)的因素主要有[22?23]：1) 納米粒子的形狀以及尺寸、納米顆粒之間的間距；2) 由環(huán)境因素例如基體類型、溶劑類型、吸附劑等引起的材料表面等離子體的傳導(dǎo)電子密度的變化；3) 材料的介電常數(shù)。BALITSKII等[24]的研究表明，當(dāng)pH值增加時(shí)，位于導(dǎo)帶下方的電子密度明顯降低，使材料的傳導(dǎo)電子密度明顯降低，進(jìn)而使得材料的LSPR效應(yīng)變?nèi)?。另外，BALITSKII等的研究還發(fā)現(xiàn)pH值的改變會(huì)使WO3?x的氧缺陷結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，當(dāng) pH值增加時(shí)，WO3?x的氧缺陷程度降低，進(jìn)而使其LSPR效應(yīng)降低。

圖9 WO3?x的濃度與pH值對(duì)其禁帶寬度的影響Fig.9 Effects of mass concentration and pH values on energy band gap (Eg) of WO3?x

3 結(jié)論

1) 采用水熱法，以乙醇為反應(yīng)溶劑合成 PTMPPMAA表面修飾的WO3?x顆粒，為非整比結(jié)構(gòu)的納米W17O47，形貌呈球狀，粒徑在10 nm以下。

2) PTMP-PMAA修飾的W17O47顆粒具有較好的光熱轉(zhuǎn)換效應(yīng)。當(dāng) pH值降低和濃度增加時(shí)，W17O47的光熱性能增強(qiáng)。

3) 通過調(diào)節(jié)W17O47納米材料的pH值和濃度可調(diào)控其光熱轉(zhuǎn)換性能。在應(yīng)用于腫瘤部位的光熱治療時(shí)，考慮到人的體溫為 37 ℃，腫瘤部位的pH為6.0~6.5之間，本文制備的W17O47納米材料在pH值為6.4、濃度為800 μg/mL時(shí)，經(jīng)光熱轉(zhuǎn)換后可實(shí)現(xiàn)在5 min內(nèi)約19 ℃的溫度上升，滿足惡性腫瘤的光熱治療的要求。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，可根據(jù)實(shí)際需求，通過濃度的改變來調(diào)節(jié)光熱治療的效果。