Eu(OH)3@Au復(fù)合納米管的可控合成及表征

張龍威，季 翔，李祥子

(皖南醫(yī)學(xué)院 1.材料合成應(yīng)用研究所;2.春暉科研興趣小組，安徽 蕪湖 241002)

隨著納米技術(shù)的不斷發(fā)展，納米光學(xué)材料因其尺寸小、光學(xué)性能優(yōu)以及生物相容性好，被廣泛用于生物標(biāo)記物檢測、生物成像及疾病診療等生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域[1-2]。其中，納米金具有表面易修飾、無毒以及可調(diào)的表面等離子共振效應(yīng)，并可通過改變納米金尺寸方法調(diào)控其對紅外光的吸收及光熱轉(zhuǎn)化，已成為一類常用的光學(xué)納米佐劑用于體內(nèi)示蹤和癌癥治療[3-5]。此外，納米金還可用于復(fù)合納米材料的構(gòu)建，通過納米金及被修飾材料的協(xié)同作用，調(diào)控材料的熒光成像或熱療效果[6]。例如，Au-Pt@PEDOT納米復(fù)合材料表現(xiàn)出較高的光致發(fā)光量子效率，有望成為具有超微細、低毒、藍色區(qū)域熒光特點的納米雜化材料[7]。

稀土納米材料因其4f電子易躍遷而表現(xiàn)出奇特的光、電、磁性能，現(xiàn)已作為細胞毒性藥物、輻射和光動力療法佐劑、藥物載體、生物傳感和生物成像探針等得到廣泛關(guān)注。Do等[8]制備出TbPO4·H2O納米棒與CD133、PD-L1單克隆抗體雙偶聯(lián)的納米復(fù)合物，對NTERA-2細胞3D瘤球生長的抑制率可達58.50%，顯示出良好的抗腫瘤干細胞活性。尤其是稀土銪納米棒，因具有良好的光穩(wěn)定性、溶解性、生物相容性和細胞毒性，已逐漸引起國內(nèi)外學(xué)者的興趣。Eu(OH)3納米棒能夠產(chǎn)生活性氧并激活有絲分裂活化蛋白激酶，表現(xiàn)出優(yōu)良的促增殖和血管生成活性[9]。功能化的SiO2@Eu(OH)3生物熒光探針，可以誘導(dǎo)HepG2細胞的凋亡，有望用于多種生物分子的光學(xué)成像[10]。Eu(OH)3納米簇具有良好的體內(nèi)外生理穩(wěn)定性和生物相容性，對人臍靜脈內(nèi)皮細胞具有良好的促增殖活性[11]。一維Eu(OH)3納米材料的合成方法主要包括水熱法[12-15]和攪拌沉淀法[16-18]。其中水熱法因具有操作簡單、可調(diào)參數(shù)多、適用范圍廣等優(yōu)點，一直是構(gòu)建納米結(jié)構(gòu)的有效途徑。目前已報道的一維Eu(OH)3納米材料基本上均為棒狀結(jié)構(gòu)，管狀結(jié)構(gòu)鮮有報道，特別是未見水熱法合成Eu(OH)3納米管及其金修飾納米管的研究。因此，本文利用水熱合成技術(shù)，通過調(diào)節(jié)加樣時間、水熱溫度及水熱時間，控制性成功合成出Eu(OH)3納米管，并通過化學(xué)還原法對Eu(OH)3納米管進行表面修飾，獲得Eu(OH)3@Au復(fù)合納米管，進而為新型管狀熒光藥物佐劑的研究奠定基礎(chǔ)。

1 儀器和試劑

1.1 主要儀器 掃描電子顯微鏡(SEM，S-4800，日本)，透射電子顯微鏡(TEM，H800，日本)，X-射線粉末衍射儀(XRD，MiniFlex600，日本)，能譜儀(EDS，Regulus-8100，日本)，超聲清洗儀(KQ116，昆山)，高速離心機(JW-2017H，合肥)，鼓風(fēng)干燥箱(DHG-9030A，合肥)，酸度計(MP511，上海)，純水機(DZG-303A，合肥)，真空干燥箱(DZK-K50B，合肥)。

1.2 主要試劑 氫氧化鈉(NaOH)，氯化銪(EuCl3·6H2O)，無水甲醇(CH3OH)，無水乙醇(C2H5OH)，氯金酸(HAuCl4)，標(biāo)準(zhǔn)緩沖劑(pH 6.86，9.18)，所有試劑均為分析純。

2 實驗方法

2.1 Eu(OH)3納米管的合成 準(zhǔn)確稱量0.0636 g的氯化銪固體溶于100 g去離子水中獲得氯化銪溶液。在pH計監(jiān)控下，邊攪拌邊向氯化銪溶液中分次加入2 mol/L的氫氧化鈉溶液，10～90 min內(nèi)滴加完畢，使混合液的pH為13.00。然后將得到的反應(yīng)前驅(qū)體溶液轉(zhuǎn)移到10 mL的聚四氟乙烯反應(yīng)釜中，封閉，放入鋼套中，擰緊后置于鼓風(fēng)干燥箱中，140℃加熱12～35 h，自然冷卻到常溫，取出產(chǎn)物，離心分離，獲得白色固體，并用去離子水和無水乙醇離心清洗數(shù)次，真空干燥，備用。

2.2 Eu(OH)3@Au復(fù)合納米管的合成 參照文獻[19]方法，分別吸取20 μL 0.02 g/mL的氯金酸水溶液和200 μL甲醇，加入3.0 mL去離子水中，攪拌均勻，再加入5.0 mL 0.01 mol/L的氫氧化鈉溶液，調(diào)節(jié)其pH至7～8。稱取10 mg實驗所得的Eu(OH)3粉末，超聲分散到1.0 mL去離子水中，獲得白色分散液。邊攪拌邊將Eu(OH)3分散液加入調(diào)好pH的氯金酸溶液中，攪拌1 h，然后轉(zhuǎn)移到10 mL聚四氟乙烯反應(yīng)釜中，封閉，放入鋼套中，擰緊后置于鼓風(fēng)干燥箱中，120 ℃加熱1 h，自然冷卻到常溫，取出產(chǎn)物，離心分離，將所得固體依次用去離子水和無水乙醇離心清洗數(shù)次，真空干燥，即得Eu(OH)3@Au復(fù)合納米管。

2.3 產(chǎn)物的表征 利用掃描電子顯微鏡、透射電子顯微鏡對產(chǎn)物的形貌和尺寸進行分析。利用X射線粉末衍射儀和能譜儀對產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)和組成進行分析。

3 結(jié)果與討論

3.1 Eu(OH)3納米管的條件 眾多研究結(jié)果表明，當(dāng)OH-濃度較大時，高濃度的[OH-]和[Eu3+]迅速反應(yīng)，促使Eu(OH)3沿著c軸各向異性生長，形成一維棒狀結(jié)構(gòu)[18]。為獲得管狀結(jié)構(gòu)，Wu等[20]利用特殊的模板溶膠凝膠技術(shù)獲得氧化銪納米管。但在水熱過程中，Eu(OH)3納米管的合成仍然是一個挑戰(zhàn)。因此，本研究通過改變反應(yīng)條件對管狀結(jié)構(gòu)的形成進行探索。圖1為不同反應(yīng)條件下產(chǎn)物的SEM照片，表1為對應(yīng)的反應(yīng)條件。

圖1 不同反應(yīng)條件下Eu(OH)3納米結(jié)構(gòu)的SEM照片

表1 Eu(OH)3納米管的條件探索

從表1和圖1可以看出，當(dāng)向氯化銪溶液加入NaOH的時間(加樣時間)為10 min、水熱溫度為140℃、水熱時間為35 h時，所得的產(chǎn)物為不規(guī)則的納米棒形貌(圖1a)。相同條件下，若將加樣時間延長到30 min，所得產(chǎn)物仍以棒狀為主，且尺寸不均勻，不過其中直徑較大的產(chǎn)物出現(xiàn)了類似的“管口”(圖1b)，繼續(xù)延長加樣時間到60 min，雖然產(chǎn)物的尺寸仍不均勻，但管狀產(chǎn)物相對增多(圖1c)。在加樣時間維持60 min不變的前提下，若只將水熱時間縮短到12 h，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)物變得細長(圖1d)；若只將水熱溫度降低為120℃，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)物的尺寸均勻度略有增大(圖1e)。然而，這兩種情況下均不能獲得管狀產(chǎn)物或管狀產(chǎn)物含量降低。進一步研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)水熱溫度140℃、水熱時間35 h，NaOH的加入時間延長至90 min，則可獲得形貌規(guī)整的管狀產(chǎn)物(圖1f)。Zhang等[18]在攪拌合成Eu(OH)3納米紡錘體時曾發(fā)現(xiàn)，老化時間會影響到產(chǎn)物形貌。在本研究中，水熱溫度和時間均能對Eu(OH)3產(chǎn)物的形貌和尺寸產(chǎn)生一定影響，但延長加入NaOH時間則是影響管狀形成的關(guān)鍵因素，實際上也同樣增加了反應(yīng)前驅(qū)體的老化時間。研究結(jié)果還發(fā)現(xiàn)，若進一步延長加樣時間到2 h，產(chǎn)物仍然保持管狀結(jié)構(gòu)，但納米管的內(nèi)徑略微增大，這表明控制前驅(qū)體的老化時間有可能會對Eu(OH)3納米管的孔徑產(chǎn)生一定影響，具體影響結(jié)果還有待于后期的深入研究。

3.2 Eu(OH)3納米管的表征 按照最優(yōu)化的反應(yīng)條件，實驗成功合成出典型Eu(OH)3納米管。圖2a為實驗所得Eu(OH)3納米管的SEM圖。從該圖可以看出，Eu(OH)3納米管長為230～500 nm，直徑為60～170 nm，平均管壁厚度約35 nm，納米管表面光滑、形貌統(tǒng)一、管口清晰，且呈典型六邊形。透射電鏡表征也發(fā)現(xiàn)，相對模板法合成出的Eu2O3納米管[20]，本研究所得Eu(OH)3的管壁相對較厚。不過從圖2c可以發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)物的徑向中部區(qū)域顏色相對略淺，亦可表現(xiàn)出管狀特征。圖2b和2d分別為金顆粒修飾Eu(OH)3復(fù)合納米管的SEM和TEM照片。從圖2b可以看出，Eu(OH)3納米管表面均勻負載了很多顏色稍白的金納米顆粒，透射照片中則是顏色更黑的球形顆粒，金顆粒的直徑大多數(shù)為6 nm左右，從而證明了金納米粒子的成功修飾。

圖2 Eu(OH)3納米管及Eu(OH)3@Au復(fù)合納米管的SEM(a、b)及TEM(c、d)照片

為驗證產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)和組成，分別對兩種納米管進行了XRD表征(圖3)。發(fā)現(xiàn)Eu(OH)3納米管在16.1、28.0、29.3、41.0、50.5等位置出現(xiàn)尖銳的衍射峰，均可很好地歸屬到六方相晶態(tài)Eu(OH)3的(100)、(110)、(101)、(201)及(211)晶面(標(biāo)準(zhǔn)卡片號為83-2305)。相對而言，Eu(OH)3@Au復(fù)合納米管除了擁有Eu(OH)3的特征衍射峰以外，還在38.1、44.3、64.5、77.5及81.7處出現(xiàn)新的衍射峰，這些峰也可完全歸屬到立方相晶態(tài)Au的(111)、(200)、(220)、(311)及(222)(標(biāo)準(zhǔn)卡片號為04-0784)，該結(jié)果也與文獻[19]一致。此外，從Eu(OH)3@Au復(fù)合納米管的能譜圖(圖4)也可發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)物呈現(xiàn)出Eu、O及Au三種元素，定量分析結(jié)果表明，Eu(OH)3@Au中Au的原子比為2.81%。以上兩種方式充分證實了實驗所得納米管的化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)。

圖3 Eu(OH)3納米管及Eu(OH)3@Au復(fù)合納米管的XRD圖

圖4 Eu(OH)3@Au復(fù)合納米管的EDS圖

利用水熱技術(shù)，可以通過改變加樣時間、反應(yīng)溫度和反應(yīng)時間等控制性合成出Eu(OH)3納米管，其中加樣攪拌時間是形成管狀結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵因素。氯金酸還原法可成功在Eu(OH)3納米管表面進行納米金修飾，獲得Eu(OH)3@Au復(fù)合納米管。本研究可為Eu(OH)3@Au復(fù)合納米管的可控合成提供參考，以期為新型納米熒光生物材料的構(gòu)建及醫(yī)學(xué)應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。