金纳米棒包覆钨酸钠钇粉体的制备及光热诊疗性能研究

王辰，刘杰，2，李倩，李斯雯，张钰

（1.吉林化工学院材料科学与工程学院，吉林吉林132022；2.郑州大学材料科学与工程学院，河南郑州450001）

金纳米棒包覆钨酸钠钇粉体的制备及光热诊疗性能研究

王辰1，刘杰1，2，李倩1，李斯雯1，张钰1

（1.吉林化工学院材料科学与工程学院，吉林吉林132022；2.郑州大学材料科学与工程学院，河南郑州450001）

为了扩展低长径比金纳米棒在信息、生物及医学等领域的应用范围，通过水热合成法掺杂稀土元素在金纳米棒表面包覆钨酸钠钇，制备出了荧光GNRs@NaY（WO4）2粉体。其相组成、显微组织形貌、发光性能、光热能力分别通过X射线衍射仪（XRD）、透射电镜（TEM）、荧光光谱仪（PL）和光热成像仪（PTI）进行检测。结果表明：荧光GNRs@NaY（WO4）2粉体的相组成、尺寸及形貌均匀一致；在980 nm激光激发下，Yb3+/Er3+共掺杂使样品呈现很强的绿光（4S3/2，2H11/2→4I15/2）和红光（4F9/2→4I15/2）；由于荧光共振能量迁移（FRET）机制影响，样品在红光区的发射强度下降，但其表面温度随时间的延长不断增加；与此同时，该粉体具有良好的生物相容性、低溶血性和一定的抗癌能力。

金纳米棒；钨酸钠钇；水热合成；纳米材料；光热诊疗；生物相容性；抗癌

金纳米棒（GNRs）因其具有很多特有的理化性质，现已广泛应用于生物医学领域[1-3]，但在癌症及肿瘤治疗方面仍存在一些不足。首先，GNRs在合成过程中，不可避免地会残留表面活性剂（如十六烷基三甲基溴化铵、聚乙烯基吡咯烷酮等），这些表面活性剂往往具有一定的毒性，会对体内健康组织造成不同程度的伤害[4]。其次，为使GNRs有利于生物细胞组织吸收吞噬，制得GNRs的长径比往往较低（＜3）[5]。GNRs长径比的降低导致其吸收峰蓝移，激发波长由近红外、红光区向绿光区移动[6-7]。但若激发波长在绿光区，相比于红光区激发，其组织穿刺深度将显著下降，这会影响其激发效果，甚至完全失效[8]。为此，本次试验设计利用钨酸钠钇上转换荧光材料，对GNRs表面进行包覆处理。该方案不仅可以降低其毒性，同时还可以将穿透性强的近红外光转换为能够被长径比低的GNRs吸收的绿光和黄光，增强GNRs的光热转换能力[9-12]。作为一种被大家熟知的无机材料，钨酸钠钇用于生物诊疗材料的表面改性有很多优势。首先，无机物的体内性状相对金属及有机物更加稳定，毒性较小。其次，钨酸盐是一种良好的荧光基质材料，有利于稀土离子活化及能量传递。最后，工艺成熟稳定、可控性好、不易产生副产物。以GNRs为核钨酸盐为壳的结构设计，可以有效发挥GNRs的光热特性，并且工艺相对简单，易于满足其成像及光热治疗的要求[13-15]。

1 试验

1.1 试剂

未经提纯直接使用的有十六烷基三甲基溴化铵（CTAB），硝酸银（AgNO3），四水氯金酸（HAuCl4· 4H2O），硼氢化钠（NaBH4），抗坏血酸，二水钨酸钠（Na2WO4·2H2O），六水硝酸钇（Y（NO3）3·6H2O），油胺，油酸，环己烷，无水乙醇（C2H5OH）。此外，氯化镱（YbCl3）和氯化铒（ErCl3）水溶液则是通过在稀盐酸中对应溶解氧化镱（Yb2O3）和氧化铒（Er2O3），并在高温下干燥，随后用在真空下蒸发水的方法来制备。

1.2 GNRs的合成

将5 mL的CTAB溶液（0.2 mol/L）与5 mL的HAuCl4（0.0005mol/L）溶液混合，随后快速注入0.6mL，0.01 mol/L的NaBH4溶液（冰浴）。剧烈搅拌2 min后，溶液由棕黄色逐渐变为淡黄色。搅拌结束后，保持种子溶液稳定在25℃备用。

将5 mL的CTAB溶液（0.2 mol/L），0.20 mL的硝酸银溶液（0.004 mol/L）和5 mL的HAuCl4溶液（0.001 mol/L）混合后，轻微搅拌30 s。随后，向溶液中加入70 μL的抗坏血酸（0.078 8 mol/L），使生长溶液的颜色由深黄色变为无色。最后，将12 μL的种子液注入生长溶液中。在30℃条件下，生长溶液静置过夜，待第二天溶液变为深红色后，将所得溶液用超纯水离心清洗三次，浓缩溶液至1 mL。

1.3 NaY（WO4）2及粉体的合成

将2 mL含3 mol%Yb3+和1 mol%Er3+掺杂的Y（NO3）3溶液（0.15 mol/L），2 mL油酸，1.783 g油胺和20 mL C2H5OH置于烧杯中用玻璃棒进行简单混合，随后剧烈搅拌30 min使其形成澄清溶液。完成上述步骤后，向烧杯中加入0.198 g（约0.6 mmol）的Na2WO4·2H2O，并在室温下连续搅拌1 h。搅拌过后，将溶液密封于50 mL特氟隆不锈钢高压釜中，升温至160℃，保持12 h。待高压釜自然冷却至室温后，收集容器的底部产物，用环己烷和C2H5OH洗涤数次，去除多余的表面活性剂。最后，将产物在80℃的烘箱中干燥8 h后取出获得含Yb3+/Er3+共掺杂的NaY（WO4）2∶Yb3+/Er3+（简写为NaY（WO4）2，下同）粉体。

为了对比，重复以上合成过程，并进一步添加1 mL的GNRs浓缩液至反应釜中，制备出了GNRs@NaY（WO4）2粉体。

1.4 测试与表征

利用X射线衍射仪（Rigaku D/max-TTR-Ⅲ，CuKα，λ=0.15405nm）对试样进行X射线衍射（XRD）测试。利用透射电子显微镜（JEOL-3100，200 kV）对试样进行显微组织形貌观察（TEM）。采用红外热像仪（TiX660，FLUKE）拍摄试样在980 nm激光（0.6 W/cm2，16 min）激发下的红外热像，测试其温度变化及光热成像能力。使用980 nm LD模块（K98D08M-30W）作为激发源，用荧光光谱仪（波长范围400～700 nm，R955，HAMAMATSU）检测试样的发射光谱。以上所有的检测工作均在室温下进行。利用标准MTT法和细胞试验对试样的生物相容性和毒性等进行测试。一般地，根据试验需求，将L929/HeLa细胞种于96孔板内，37℃培养过夜。利用培养基将纳米颗粒稀释到15.625μg/mL、31.25μg/mL、62.5 μg/mL、125 μg/mL、250 μg/mL、500 μg/mL，留出1组空白对照组，其余7组对应添加不同浓度的纳米颗粒溶液，继续培养24 h后，加入20 μL、5 mg/mL的 MTT溶液，继续培养4 h。培养后，每孔加入100 μL二甲基亚砜（DMSO），10 min后利用酶标仪测试其吸光度值。

2 结果与分析

2.1 GNRs@NaY（WO4）2粉体的相组成及显微组织形貌

通过将所有试样的XRD图谱与标准PDF卡片比对分析可知，NaY（WO4）2及GNRs@NaY（WO4）2粉体可以采用一步水热法合成制备，其晶型与PDF衍射峰对应整齐（如图1）。由于GNRs的加入，GNRs@NaY（WO4）2粉体与NaY（WO4）2粉体相比，明显地多出了Au的对应衍射峰（如图1中JCPDS No. 65-2870所示）。通过对GNRs及GNRs@NaY（WO4）2粉体的透射电镜图像进行观察可知，GNRs@NaY（WO4）2粉体的内核为金纳米棒，外层包覆有钨酸钠钇层，壳层包覆厚度约为2～3 nm（如图2所示）。此外，GNRs@NaY（WO4）2粉体包覆均匀，分散性良好，为其在催化及生物领域应用打下基础。

图1 粉体试样的XRD图谱Fig.1XRD patterns of the powder sample

2.2 钨酸钠钇粉体的荧光性能

在众多用于稀土离子荧光活化的载体中，钨酸盐作为一种良好的基质材料，广泛用于荧光、催化及生物医学等领域。为了使钨酸盐的获得上转换荧光，提高激发波长，增加组织穿刺深度，采用Yb3+/Er3+共掺杂的方式，完成上转换能量传递，具体能量传递机制如图3所示。其中，2H11/2→4I15/2和4S3/2→4I15/2为绿光发射，4F9/2→4I15/2为红光发射。在NaY（WO4）2基体中，Yb3+/Er3+将980 nm激光利用上转换荧光传递的方式，使绿光区和红光区均有一定的发射强度，其发射光谱如图4所示。由于GNRs的吸收光区恰好与此发射光区相吻合，故添加GNRs后制备的GNRs@NaY（WO4）2粉体，其绿光及红光的发射强度均有大幅度下降，其绿光发射区和红光发射区的降幅分别达到了69.84%和86.73%。这说明部分荧光发射被金纳米棒局域等离子体共振所吸收，实现了荧光能量共振转移（Fluorescence resonance energy transfer，FRET），这为其光热转换过程提供了能量基础[12]。

图2 金纳米棒及金纳米棒包覆钨酸钠钇粉体的透射电镜照片Fig.2TEMimagesofGNRsandGNRs@NaY（WO）42compositepowder

图3 Yb3+/Er3+共掺杂在980nm激发下的能量传递机制Fig.3EnergytransfermechanismofYb3+/Er3+co-dopedunder980nm laser excitation

图4 钨酸钠钇和金纳米棒包覆钨酸钠钇粉体的发射光谱Fig.4EmissionspectrumofNaY（WO）42andGNRs@NaY（WO4）2powder

2.3 粉体颗粒在水溶液中的光热能力

将GNRs@NaY（WO4）2粉体转水后溶于装有2mL水的离心管中，并且用980 nm激光对其进行照射。从开始照射记录时间，每隔2 min用红外热像仪对离心管进行红外摄影，其红外热像如图5所示。从图中我们可以看出，随着激光束照射时间的推移，试样的温度越高。由于激光束是从上至下对溶液进行照射的，受扩散作用影响，溶液最高温度所在区域逐渐由离心管口（热像图上部）向离心管中心（热像图中部）迁移。其温度从照射开始时的27.3℃，照射16min以后，逐渐升高至51.5℃。溶液温度的大幅度上升，说明GNRs@NaY（WO4）2粉体的光热转换能力较强。

图5 980nm激发下GNRs@NaY（WO4）2粉体在不同时间的红外热像Fig.5Infrared thermal images of GNRs@NaY（WO）42powder with 980 nm laser excitation at different times

2.4 毒理学分析

用标准MTT测试法对GNRs@NaY（WO4）2粉体进行细胞相容性测试，结果如图6所示。不同浓度的粉体与细胞共同放置于培养箱中培养24 h后，L929体纤维细胞成活率没有明显变化，普遍在100%附近，这说明GNRs@NaY（WO4）2粉体对L929体纤维细胞的影响可以忽略不计，具有良好的生物相容性。利用人血红细胞对不同浓度的GNRs@NaY（WO4）2粉体进行溶血性试验可知（如图7），细胞的溶血率在1.2%～2.5%之间变化，溶血率较低，且没有随浓度增加而升高的趋势，这可以证明GNRs@NaY（WO4）2粉体对人血红细胞不具有特定的杀伤作用。针对GNRs@NaY（WO4）2粉体的毒性测试，我们选用了HeLa细胞辅以980 nm激光照射的方式进行，结果如图8所示。MTT测试结果显示，GNRs@NaY（WO4）2粉体浓度越大，HeLa细胞的存活率越低，即杀灭率越高。结合细胞相容性试验及溶血性试验可知，粉体浓度升高，杀灭率增加主要是光热效应对癌细胞产生杀伤所致，并非粉体本身具有毒性。以上结果显示，GNRs@NaY（WO4）2粉体具有一定的生物医学应用潜力。

图6 与不同浓度金纳米棒包覆钨酸钠钇粉体共存24 h后的L929体纤维细胞成活率Fig.6L929fibroblastcellviabilityinthepresenceofGNRs@NaY（WO）42powderwithdifferentconcentrationsfor24h

图7 针对人血红细胞金纳米棒包覆钨酸钠钇粉体的溶血性测试Fig.7Hemolytic assay of GNRs@NaY（WO4）2powder to human red blood cells

图8 980nm激光照射下不同浓度的金纳米棒包覆钨酸钠钇粉体与HeLa细胞培养24 h后MTT测试结果Fig.8MTT assays results of HeLa cells incubated with GNRs@NaY（WO4）2powder for 24 h at various concentrations with980 nm laser irradiation

3 结论

（1）GNRs@NaY（WO4）2粉体是以金纳米棒为内核，外层包覆有2～3 nm的钨酸钠钇壳层，形貌均匀，分散性良好。

（2）Yb3+/Er3+共掺杂及GNRs独特的吸收峰位置，使GNRs@NaY（WO4）2粉体在绿光区及红光区均有荧光能量共振转移现象；红外热像显示980 nm激光照射下，粉体具有良好的光热转换能力。

（3）GNRs@NaY（WO4）2粉体在生物医学领域显示出了良好的生物相容性、低溶血性和低毒性，具有一定的应用潜力。

[1]杨玉东，徐菁华，杨林梅，等.金纳米棒的光学性质及其在生物医学成像和光热疗法中的应用[J].激光与光电子学进展，2010，47（7）：55-62. YANG Yudong，XU Jinghua，YANG Linmei，et al.Optical properties of gold nanorod and its application in biological imaging and photothermal therapy[J].Laser&Optoelectronics Progress，2010，47（7）：55-62.

[2]鲁闻生，王海飞，张建平，等.金纳米棒的制备、生长机理及纯化[J].化学进展，2015，27（7）：785-793. LUWensheng，WANGHaifei，ZHANGJianping，etal.Goldnanorods：synthesis，growth mechanism and purification[J].Progress in Chemistry，2015，27（7）：785-793.

[3]LINK S，EISAYED M A.Simulation of the optical absorption spectra of gold nanorods as a function of their aspect ratio and the effectof the medium dielectric constant[J].Journal of Physical Chemistry B，2005，109（20）：10531-10532.

[4]NIKOOBAKHTB，EISAYEDMA.Preparationandgrowth mechanism of gold nanorods（NRs）using seed-mediated growth method[J].Chemistry of Materials，2003，15（10）：1957-1962.

[5]DANIELMC，ASTRUCD.Goldnanoparticles：assembly，supramolecular chemistry，quantum-size-related properties，and applicationstowardbiology，catalysis，andnanotechnology[J]. ChemicalReviews，2004，104（1）：293-346.

[6]JAIN P K，LEE K S，EISAYED I H，et al.Calculated absorption and scattering properties of gold nanoparticles of different size，shape，and composition:applications in biological imaging and biomedicine[J].Journal of Physical Chemistry B，2006，110（14）：7238-7248.

[7]NEHL C L，LIAO H，HAFNER J H.Optical properties of star shaped gold nanoparticles[J].Nano Letters，2006，6（4）：683-688.

[8]LV R C，YANG P P，HE F，et al.A yolk-like multifunctional platform for multimodal imaging and synergistic therapy triggered by a single near-infrared light[J].ACS Nano，2015，9（2）：1630-1647.

[9]GAOF，BAILY，LIUSY，etal.Rationallyencapsulatedgoldnanorods improving both linear and nonlinear photoacoustic imaging contrast in vivo[J].Nanoscale，2017，9（1）：79-86.

[10]INOSE T，OIKAWA T，SHIBUYA K，et al.Fabrication of silicacoated gold nanorods and investigation of their property of photothermal conversion[J].Biochemical and Biophysical Research Communications，2017，484（2）：318-322.

[11]GUO T，LIN Y，LI Z，et al.Gadolinium oxysulfide-coated gold nanorods with improved stability and dual-modal magnetic resonance/photoacoustic imaging contrast enhancement for cancer theranostics[J].Nanoscale，2017，9（1）：56-61.

[12]MOU J，LIN T Q，HUANG F Q，et al.Black titania-based theranostic nanoplatform for single NIR laser induced dual-modal imaging-guided PTT/PDT[J].Biomaterials，2016（84）：13-24.

[13]周健，吴迪，郭春平，等.新型红色荧光粉CaMO4∶Eu3+（M= Mo，W）的制备与发光性能研究[J].中国钨业，2015，30（4）：57-63. ZHOUJian，WUDi，GUOChunping，etal.Synthesisand photoluminescence properties of CaMO4∶Eu3+（M=Mo，W）red phosphor[J].China Tungsten Industry，2015，30（4）：57-63.

[14]XU J T，LV R C，DU S K，et al.UCNPs@gelatin-ZnPc nanocomposite：synthesis，imaging and anticancer properties[J]. Journal of Materials Chemistry B，2016，4（23）：4138-4146.

[15]SONG Y，LIU G X，DONG X T，et al.Au nanorods@NaGdF4/Yb3+，Er3+multifunctional hybrid nanocomposites with upconversion luminescence，magnetism，and photothermal property[J].Journal of Physical Chemistry C，2015，119（32）：18527-18536.

Preparation and Photothermal Theranostics Property of Gold Nanorods Coated with Sodium Tungstate Yttrium Powder

WANG Chen1,LIU Jie1,2,LI Qian1,LI Siwen1,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,Zhengzhou University,Zhengzhou 450001,Henan,China)

The fluorescent GNRs@NaY(WO4)2powders were prepared by coating the sodium tungstate yttrium on the surface of gold nanorods with hydrothermal synthesis and by doping rare earth elements to extend the application range of low-diameter-ratio gold nanorods in the fields of information,biology and medicine.Its phase composition, microstructure morphology,luminous properties,light and heat capacity were measured by XRD,transmission electron microscopy(TEM),fluorescence spectroscopy(PL)and photothermometer(PTI)respectively.The results show that the phase composition,size and morphology of the fluorescent GNRs@NaY(WO4)2powder are uniform.Under the excitation of 980 nm laser,the Yb3+/Er3+co-doping makes the sample show a strong green light(4S3/2,2H11/2→4I15/2) and red light(4F9/2→4I15/2).The emission intensity of the sample in the red region is decreased due to the fluorescence resonance energy migration(FRET)mechanism,but its surface temperature increases with time.At the same time, the powder has good biocompatibility,hemolysis and certain anti-cancer ability.

goldnanorods;sodiumtungstateyttrium;hydrothermalsynthesis;nanomaterials;photothermaltheranostics; biocompatibility;anti-cancer

TF125；TB333

A

（编辑：游航英）

10.3969/j.issn.1009－0622.2017.04.010

2017-07-18

吉林省科技发展计划项目（20130102005JC）；吉林市科技创新发展计划项目（20161205）

王辰（1988-），男，辽宁清原人，硕士，主要从事金属-无机非金属材料粉末冶金研究工作。

张钰（1972-），女，吉林吉林人，博士，教授，主要从事材料科学与能源工程研究工作。