啞鈴型磁金介孔硅復(fù)合微球的制備及磁/光熱催化性能測(cè)定

許麗麗 周妹婷 楊阿龍 王家幸 周天夫 張 瑩

(沈陽(yáng)藥科大學(xué)，基于靶點(diǎn)的藥物設(shè)計(jì)與研究教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，沈陽(yáng) 110016)

0 引 言

磁性納米粒子具有優(yōu)異的超順磁性、表面效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)等獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì)，在磁靶向藥物傳遞[1]、磁共振造影[2]和生物檢測(cè)[3]等領(lǐng)域已被廣泛研究，特別是以Fe3O4納米粒子為基礎(chǔ)的生物材料研究已經(jīng)取得很大進(jìn)展。Fe3O4@mSiO2磁性介孔二氧化硅納米復(fù)合微球兼具磁性粒子和介孔材料(殼層易修飾、可功能化和孔徑可調(diào))[4]的雙重優(yōu)勢(shì)，因而在醫(yī)藥領(lǐng)域展現(xiàn)出很好的應(yīng)用前景。隨著一體化診療系統(tǒng)的出現(xiàn)，磁性介孔二氧化硅納米復(fù)合微球被賦予了新的功能化需求——靶向、載藥、釋藥、標(biāo)記及熱療等。因此，更多功能材料的設(shè)計(jì)和性能研究將成為智能化醫(yī)藥診療發(fā)展的基石。

金納米粒子具有獨(dú)特的電學(xué)、光學(xué)、催化和生物親和效應(yīng)，是功能材料的研究焦點(diǎn)。近紅外光照射下，金納米粒子能在短時(shí)間內(nèi)升高溫度的特征已使其應(yīng)用于體內(nèi)光熱治療淺表腫瘤[5-7]。生理?xiàng)l件下，金納米粒子能催化血液中S-亞硝基硫醇分解釋放NO——標(biāo)志腫瘤發(fā)生、發(fā)展和轉(zhuǎn)化的信使分子[8]。聚焦于金納米粒子卓爾不凡的性能和磁性介孔二氧化硅納米復(fù)合微球的研究進(jìn)展，磁金納米復(fù)合介孔二氧化硅的設(shè)計(jì)及性能研究將為腫瘤一體化診療提供有價(jià)值的參考。

磁性氧化鐵與金的復(fù)合有3種方式:以磁性氧化鐵為種子，通過(guò)配體解吸與復(fù)吸在其表面還原Au(OOCCH3)3，原位合成磁金納米復(fù)合微球[9-13]；以金納米粒為種子，通過(guò)五羰基合鐵(Fe(CO)5)在Au納米粒外延氧化生長(zhǎng)氧化鐵，合成啞鈴及花瓣型磁金納米復(fù)合材料[14]；磁性氧化鐵和金納米粒通過(guò)配體間的化學(xué)偶聯(lián)或靜電作用的復(fù)合[15]。不同的復(fù)合方式，帶來(lái)不同的結(jié)構(gòu)和性能。因此，基于腫瘤一體化診療對(duì)于磁熱、光熱、催化及載藥性能多方面需求的考慮，我們以金納米粒為種子采取外延氧化生長(zhǎng)氧化鐵的方式，制備了啞鈴型磁金納米復(fù)合材料并包覆介孔二氧化硅層(Au-Fe3O4@mSiO2)；在模擬動(dòng)物體內(nèi)腫瘤熱療的條件下，測(cè)定了該磁金納米復(fù)合介孔二氧化硅的磁熱、光熱及催化性能。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

Fe(CO)5(90%，滬震實(shí)業(yè)有限公司)、油酸鈉(化學(xué)純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司)、油酸(分析純，天津永大化學(xué)試劑有限公司)、十六烷基三甲基溴化銨(CTAB，分析純，北京化學(xué)試劑公司)、正己烷、異丙醇、無(wú)水乙醇、氫氧化鈉(分析純，天津市大茂化學(xué)試劑廠)、1-十八烯 (分析純，北京百靈威試劑有限公司)、三辛胺、1，2，3，4-四氫萘(分析純，上海阿拉丁生化科技股份有限公司)、N-(2-氨乙基)-3-氨丙基三甲氧基硅烷(EDS，北京百靈威科技有限公司)、正硅酸乙酯(TEOS，分析純，德國(guó)CHMIE GMBH公司)、聚氧乙烯聚氧丙烯聚氧乙烯共聚物(F127，分析純，德國(guó)BASF公司美國(guó)分公司)、氯金酸 (HAuCl4·3H2O，99.99%，阿法埃莎(中國(guó))化學(xué)有限公司)、油胺(80%～90%，上海麥克林生化科技有限公司)、硝酸銨(分析純，沈陽(yáng)市試劑一廠)，Griess試劑盒(碧云天生物科技有限公司)。

激光器 (808 nm)、SPG-Ⅱ高頻感應(yīng)加熱儀、Optris-400熱成像儀、UV2000型紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)、VSM7307振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)、V-Sorb 2800P比表面孔徑分析儀、JEOL 2010透射電子顯微鏡(工作電壓 200 kV)、Thermo VG ESCALAB-250 X射線光電子能譜儀(2 keV的Ar離子槍進(jìn)行表面剝離)。

1.2 金納米粒子的制備

稱取 1 g HAuCl4·3H2O 加入 100 mL 1，2，3，4-四氫萘中，接著加入10 mL油胺，溶液呈橘紅色。室溫下攪拌5 min，加熱至65℃反應(yīng)5 h。冷卻至室溫以后，加入100 mL無(wú)水乙醇，離心10 min(14 000 r·min-1)。 沉淀用無(wú)水乙醇洗滌,干燥，以 10 mg·mL-1的濃度分散于正己烷中。

1.3 Au-Fe3O4@mSiO2復(fù)合物的制備

N2保護(hù)下，將1 mL油酸加入20 mL十八烯中，120℃下反應(yīng)20 min。加入0.15 mL Fe(CO)5攪拌5 min。加入0.5 mL油胺和1.4 mL制備的金納米溶液，在20 min中內(nèi)將溫度升至310℃左右，保持45 min。冷卻至室溫以后，加入異丙醇沉淀Au-Fe3O4納米顆粒，分級(jí)離心各10 min(5 000 r·min-1和11 000 r·min-1)。 用異丙醇洗滌沉淀，收集 11 000 r·min-1沉淀,以10 mg·mL-1的濃度分散于正己烷中，4℃保存。

稱取0.25 g CTAB溶于20 mL蒸餾水，將1.3 mL Au-Fe3O4正己烷分散液在超聲條件下分散于CTAB的水溶液中，探頭超聲50 min。然后在80℃下?lián)]發(fā)正己烷10 min形成A液。稱取0.25 g F127和0.10 g NaOH溶于80 mL蒸餾水，形成B液，50℃恒溫?cái)嚢? h后，加入A液，攪拌30 min。接著加入2 mL TEOS乙醇溶液(體積比1∶1)，80℃下攪拌3 h后冷卻至室溫。離心5 min(11 000 r·min-1)后，收集Au-Fe3O4@mSiO2納米粒子，水洗和醇洗各3次，60℃烘干。取上述產(chǎn)品100 mg超聲分散于含有1.3 g硝酸銨的100 mL無(wú)水乙醇中，80℃下回流10 h，得到Au-Fe3O4@mSiO2，醇洗3次，烘干備用。實(shí)驗(yàn)流程如圖1所示。

圖1 Au-Fe3O4@mSiO2納米復(fù)合材料的制備流程圖Fig.1 Synthetic process chart of Au-Fe3O4@mSiO2 nanocomposite

2 結(jié)果與討論

2.1 啞鈴型Au-Fe3O4納米粒子的形貌表征

圖2 (a)啞鈴型Au-Fe3O4的TEM圖;(b～d)花瓣型Au-Fe3O4的TEM和HRTEM圖;(e)Au-Fe3O4 EDX譜Fig.2 TEM image of(a)the dumbbell-like Au-Fe3O4 nanoparticles;(b)HRTEM image of one Au-Fe3O4 nanoparticles;(b～d)TEM and HRTEM images of petal-like Au-Fe3O4 nanoparticles;(e)EDX spectrum of Au-Fe3O4

采用透射電鏡(TEM)對(duì)制備的啞鈴型Au-Fe3O4納米粒子的形貌進(jìn)行觀察。11 000 r·min-1離心10 min所得產(chǎn)品量多，其電鏡照片如圖2(a)所示，制備的Au-Fe3O4納米粒子分散性良好，尺寸分布較均一，呈啞鈴型，粒徑為12～15 nm。反應(yīng)結(jié)束后以5 000 r·min-1離心 10 min所得產(chǎn)品量少(圖 2(b～d))。結(jié)果顯示，Au-Fe3O4納米粒子呈花瓣?duì)?，粒徑?0～30 nm。從高分辨電鏡照片圖2(b)中可以看出，每個(gè)粒子對(duì)應(yīng)原子平臺(tái)的晶格條紋表明2種納米粒子都是單晶，由晶面間距可知其物相為Fe3O4(PDF No.89-4319)和 Au(PDF No.89-3697)， 其 中 且Fe3O4粒徑為 10 nm，Au粒徑為 6 nm。 據(jù) Au和Fe3O4粒徑尺寸差異可知花瓣型樣品中粒徑較大的粒子為Fe3O4，中心粒徑較小的部分為Au?；ò?duì)畹腁u-Fe3O4納米粒子由于粒徑較大，質(zhì)量較大，在低轉(zhuǎn)速下就被離心下來(lái)。因此，在后處理過(guò)程中通過(guò)11 000 r·min-1離心來(lái)收集啞鈴型的Au-Fe3O4納米粒子。圖2(e)中出現(xiàn)Fe、O和Au的特征峰，表明制備的復(fù)合物成分中含F(xiàn)e、O和Au。

2.2 Au-Fe3O4的紫外吸收光譜

Fe3O4晶種和Au納米粒以共用表面油酸穩(wěn)定劑的方式連接，并在極性匹配的溶劑中生長(zhǎng)成啞鈴型。這種啞鈴型結(jié)構(gòu)是非對(duì)稱性導(dǎo)電的，Au表面電子傳遞到Fe3O4后，其光吸收特征被破壞，538 nm處的特征峰消失。對(duì)比由配體交換方式合成的核殼型Fe3O4@Au復(fù)合物，其結(jié)構(gòu)是對(duì)稱性導(dǎo)電的，Au表面電子特征受Fe3O4的影響較小，538 nm特征峰位移及強(qiáng)度變化較小[16-17]。因此，可以通過(guò)Au特征峰的位移變化判斷多元含金復(fù)合物的合成機(jī)理。

圖3 Au和Au-Fe3O4復(fù)合物的紫外可見(jiàn)吸收光譜Fig.3 UV-Vis adsorption spectra of the Au and Au-Fe3O4 nanocomposite

2.3 Au-Fe3O4@mSiO2復(fù)合物的X射線光電子能譜

在原微觀形貌表征基礎(chǔ)上，選用XPS方法對(duì)復(fù)合物的宏觀組成即各元素百分比進(jìn)行了定量分析。該復(fù)合物的XPS測(cè)定結(jié)果如表1所示。啞鈴型的Fe3O4和 Au以 1∶1 方式(圖 2(a))結(jié)合，而花瓣型 Fe3O4和 Au 則以 2∶1(圖 2(d))或 4∶1 方式(圖 2(c))結(jié)合。 基于對(duì)樣品采取分級(jí)離心過(guò)程可分別得到圖2(a)和圖2(c，d)所示產(chǎn)物，且所得的圖2(a)中樣品產(chǎn)量多的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，結(jié)合XPS測(cè)定Fe和Au的原子比近似2∶1的結(jié)果，可知該實(shí)驗(yàn)條件下所制備樣品是既有啞鈴型又有花瓣型復(fù)合物的混合物，且以啞鈴型產(chǎn)物為主。

表1 Au-Fe3O4@mSiO2復(fù)合物的原子百分含量Table 1 Atomic fraction of Au-Fe3O4@mSiO2 nanocomposite

2.4 Au-Fe3O4@mSiO2復(fù)合物的磁性能

樣品的室溫磁滯曲線如圖4所示。樣品在20 kOe的磁場(chǎng)條件下，磁化強(qiáng)度有達(dá)到飽和的趨勢(shì)，數(shù)值接近2.85 emu·g-1。在磁化強(qiáng)度為0時(shí)，樣品的矯頑力為0.4 Oe，剩磁接近于0?？梢?jiàn)，室溫Au-Fe3O4@SiO2復(fù)合物顯示出超順磁性。納米Fe3O4在外場(chǎng)下比較容易達(dá)到飽和，但圖4表明其在20 kOe外場(chǎng)下仍未飽和，這是因?yàn)閱♀徯徒Y(jié)構(gòu)是非對(duì)稱性導(dǎo)電的，F(xiàn)e3O4表面電子與Au電子有相互融合，導(dǎo)致Fe3O4表面電子與內(nèi)部電子差異較大，因而相對(duì)于球形納米Fe3O4而言更不容易達(dá)到飽和磁化狀態(tài)。

圖4 Au-Fe3O4@mSiO2復(fù)合材料的磁滯曲線Fig.4 Magnetic-hysteresis curve of Au-Fe3O4@mSiO2 nanocomposite

2.5 Au-Fe3O4@mSiO2復(fù)合物的磁熱性能

圖5 Au-Fe3O4@mSiO2復(fù)合材料的磁熱升溫曲線Fig.5 Magnetocaloric heating curves of Au-Fe3O4@mSiO2 nanocomposite

磁性材料或亞鐵磁材料在交變磁場(chǎng)中由于磁滯損耗、渦流損耗而引起磁熱效應(yīng)[18]。利用磁感應(yīng)加熱機(jī)和熱成像儀在不同濃度和不同電流下對(duì)啞鈴型Au-Fe3O4@mSiO2復(fù)合物進(jìn)行了磁熱性能測(cè)定。如圖5顯示，Au-Fe3O4@mSiO2復(fù)合物水溶液在不同條件下均可以較快的引起溫度升高，而且不同濃度和不同電流條件下溶液升溫情況不同。從圖5(a)中可以看出，隨著Au-Fe3O4@mSiO2復(fù)合物濃度的增大，溶液升溫速度加快，隨后逐漸減慢，進(jìn)入一個(gè)穩(wěn)定階段。溶液溫度上升幅度與Au-Fe3O4@mSiO2復(fù)合物濃度成正比，濃度越大，其溶液升高的幅度就越大。復(fù)合物濃度為10、25、40 mg·mL-1的溶液溫度在20 min內(nèi)分別升高了6.6、7.7、9.8℃，溶液升溫速率從0.33 ℃·min-1增大到 0.49 ℃·min-1。 圖 5(b)表明，當(dāng)Au-Fe3O4@mSiO2復(fù)合物濃度一定時(shí)，溶液溫度上升隨電流的增大而加快，隨著加熱時(shí)間的延長(zhǎng)，溶液溫度升高到一定范圍進(jìn)入了穩(wěn)定階段。所設(shè)電流越大，其溶液溫度升高的幅度就越大。在電流為25.5、35.0、42.5 A的實(shí)驗(yàn)條件下，溶液溫度在20 min內(nèi)所對(duì)應(yīng)的升高幅度分別為7.7、11.3、15.2℃，溶液升溫速率從0.39℃·min-1增大到0.76℃·min-1。這是由于通過(guò)改變?cè)O(shè)備電流，可以改變實(shí)驗(yàn)樣品所處的磁場(chǎng)強(qiáng)度。根據(jù)H=當(dāng)線圈匝數(shù)N和有效磁路長(zhǎng)度Le一定時(shí)，磁場(chǎng)強(qiáng)度H與電流I成正比。實(shí)驗(yàn)中，可以通過(guò)只改變電流來(lái)控制磁場(chǎng)強(qiáng)度的大小。

2.6 Au-Fe3O4@mSiO2復(fù)合物的光熱性能

圖6 Au-Fe3O4@mSiO2復(fù)合材料的光熱升溫曲線Fig.6 Photothermal heating curves of Au-Fe3O4@mSiO2 nanocomposite

光熱效應(yīng)是由于材料受光照射后，入射光的波長(zhǎng)與納米粒自由電子的振動(dòng)頻率發(fā)生共振耦合時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生表面等離子體共振，導(dǎo)致入射光的輻射能轉(zhuǎn)化為振動(dòng)能而產(chǎn)生光熱效應(yīng)[19]。利用808 nm激光發(fā)射器和熱成像儀在不同濃度和不同功率條件下對(duì)啞鈴型Au-Fe3O4@mSiO2復(fù)合物進(jìn)行了光熱性能測(cè)定。在不同濃度和不同功率條件下，溶液溫度升高的速率和幅度均不相同。如圖6所示，不同濃度和不同功率條件下的溶液溫度均是先以較快的速率升高，隨著照射時(shí)間的延長(zhǎng)，升溫速率逐漸減小，直至達(dá)到穩(wěn)定。由6(a)表明Au-Fe3O4@mSiO2復(fù)合物的濃度為 10～40 mg·mL-1，溶液溫度在 10 min 內(nèi)升高了5.3～12.5℃，溶液升溫速率從0.53℃·min-1增大到1.25℃·min-1。這種升溫效果可以滿足臨床上腫瘤熱療對(duì)溫度的要求。圖6(b)顯示，在Au-Fe3O4@mSiO2復(fù)合物濃度一定，功率密度從0.3 W·cm-2增加至1.2 W·cm-2時(shí)，溫度從6.9℃升高到20℃，溶液溫度升高速率從0.69℃·min-1增大到2℃·min-1。計(jì)算可知，相同濃度的復(fù)合物溶液，磁熱升溫速率/電流變化量為 0.022 ℃·min-1·A-1，而光熱升溫速率/功率密度變化量為 1.46 ℃·min-1·W-1·cm2，因此復(fù)合物光熱性能明顯優(yōu)于磁熱性能。

2.7 Au-Fe3O4@mSiO2復(fù)合物的催化性能

在生理?xiàng)l件下，還原型谷胱甘肽(GSH)還原亞硝酸鈉(NaNO2)生成GSNO，Au與S的配位作用催化S-N鍵的斷裂產(chǎn)生NO和Au-S鍵。使用Griess試劑盒在模擬血漿條件下，通過(guò)NO釋放量測(cè)定Au-Fe3O4@mSiO2復(fù)合物催化性能[20]。Au-Fe3O4@mSiO2復(fù)合物溶液催化GSNO釋放NO結(jié)果見(jiàn)圖7。如圖所示，濃度為25 mg·mL-1的Au-Fe3O4@mSiO2復(fù)合物催化反應(yīng)在前50 min反應(yīng)最快，隨后逐漸變慢，60 min時(shí)達(dá)到持續(xù)穩(wěn)定釋放，釋放量最大為9.743 μmol·L-1。

圖7 Au-Fe3O4@mSiO2復(fù)合材料的NO催化釋放曲線Fig.7 Catalytic release curve of NO by Au-Fe3O4@mSiO2 nanocomposite

3 結(jié) 論

(1)通過(guò)在Au表面處延氧化生長(zhǎng)氧化鐵制備了啞鈴型Au-Fe3O4納米粒子，其單分散性較好，尺寸分布均一，粒徑為12～15 nm。

(2)通過(guò)金納米粒子和磁金納米復(fù)合物紫外光譜的對(duì)比分析，推測(cè)金納米粒子和磁納米子是以共用表面油酸穩(wěn)定劑而發(fā)生表面電子傳導(dǎo)融合方式相結(jié)合，這對(duì)于多元含金復(fù)合物的合成機(jī)理研究具有參考價(jià)值。

(3)Au-Fe3O4@mSiO2復(fù)合物磁熱性能與濃度和外加磁場(chǎng)強(qiáng)度成正比。磁場(chǎng)電流為25.5 A時(shí)，復(fù)合物濃度從 10 mg·mL-1增大到 40 mg·mL-1， 溶液升溫速率從0.33℃·min-1增大到0.49℃·min-1；濃度為25 mg·mL-1時(shí)，磁場(chǎng)電流從25.5 A增大到42.5 A，溶液升溫速率從0.39℃·min-1增大到0.76℃·min-1。

(4)Au-Fe3O4@mSiO2復(fù)合物光熱性能與濃度和激光照射功率密度成正比。用808 nm激光照射，功率密度為0.6 W·cm-2時(shí)，復(fù)合物濃度從10 mg·mL-1增大到40 mg·mL-1，溶液升溫速率幅度從0.53℃·min-1增大到1.25℃·min-1；復(fù)合物濃度為25 mg·mL-1時(shí)，功率密度從0.3 W·cm-2增大到1.2 W·cm-2,溶液升溫速率從0.69℃·min-1增大到2℃·min-1。相同濃度的復(fù)合物溶液，光熱性能明顯優(yōu)于磁熱性能。在模擬實(shí)驗(yàn)條件下對(duì)啞鈴型磁金納米復(fù)合物光熱性能和磁熱性能的對(duì)比研究對(duì)腫瘤熱療研究具有借鑒意義。

(5)濃度為 25 mg·mL-1的 Au-Fe3O4@mSiO2復(fù)合物催化GSNO釋放NO的反應(yīng)在60 min時(shí)達(dá)到持續(xù)穩(wěn)定釋放，釋放量最大為9.743μmol·L-1。