硫族纳米材料的合成、应用以及生物效应的研究进展

孙梅青，丁占林，王 洪，于光平，李 平

(1.天津市武清区疾病预防控制中心，天津301700；2.天津大学化工学院生物合成教育部重点实验室，天津300072)

如今纳米材料几乎影响着社会的各个领域，例如医药[1]、光催化、能源[2]和电子[3]等。硫族纳米材料由于其独特的物理化学性质，例如体积效应、表面效应、量子尺寸效应以及宏观量子隧道效应，在光电器件和生物领域有广泛的应用前景，可以作为微纳米器件的组装单元，特别是对微纳米器件的性能可以起到决定性的作用。因此，越来越多的硫族纳米材料被应用到微纳米器件的组装、光催化、产氢、太阳能电池、光电转化、热电、癌症的诊断治疗、毒性物质的检测和生物传感器等领域。

正是由于纳米材料的广泛应用，人们开始担心这些纳米材料带来的危害会超出它们所带来的益处。例如：常规的纳米材料在动物的器官中积累，能产生氧化压力，并且损伤细胞和器官，进而引起炎症反应[4]。不同晶面能的纳米材料由于暴露面的原子重排的结构不同，在光电转化和光催化方面表现出不同的催化性能，高反应活性晶面的纳米材料对于提高光催化反应是非常重要的，但是在生产过程中，由于此晶面很容易消失，所以高晶面能的纳米材料是很难合成的。因此，探讨新型纳米材料的合成，提高应用效率，减少生物毒性效应是目前面临的主要问题。本文以硫族纳米材料为例，介绍其应用以及生物效应的研究进展。

1 硫族纳米材料的合成研究进展

1.1 硫族纳米材料晶面能与光电光催化性能的关系

通过优化纳米材料表面的原子结构来控制合成不同形貌或者不同晶面的纳米材料，提高材料的光电和光催化性能已经引起了研究者们的极大关注。Liu等[4]根据密度泛函理论的第一性原理(DFT)，结合水热合成的方法优化反应的溶剂、反应时间和温度，合成了不同晶面能的纳米棒状硫化镉。通过周期性的DFT理论计算，得出2个不同的暴露晶面({001}晶面和{101}晶面)，其晶面能分别为0.627 和0.451 J/m2，这是首次报道相同相貌的不同晶面能的纳米硫化镉生物合成的文献。Bi等[5]合成了不同晶面能的不同形貌的Ag3PO4纳米材料，通过DFT计算，得出每个菱形单晶的Ag3PO4的表面都有12 个高反应活性的{110}晶面，其表面能为1.31 J/m2(而{100} 晶面立方体Ag3PO4的表面能为1.12 J/m2)，显著增加了Ag3PO4表面的活性位点，这些活性位点增加了有机污染物被吸附的机会，提高了对有机污染物的降解能力。Ye等[6]通过控制温度的方法，利用BiI3为Bi源，合成了暴露面为{001}晶面的BiOI SCNs，由于暴露面为{001}BiOI SCNs 具有很强的分离光生电子和空穴的能力，所以BiOI SCNs 在可见光下降解罗丹明B 的效果是常规BiOI 的降解效果的7倍。Zhang等[7]利用水热方法合成的花状{130}晶面的硫化铋(Bi2S3)材料，与{211} 晶面的硫化铋相比，{130}晶面的硫化铋材料具有较高的表面能、较好的导电性和更高的光电转换效率。Zhang等[8]报道了{102}晶面的纳米片状BiOBr 比{001}晶面的纳米片状BiOBr具有更高的光催化降解罗丹明B的能力，并且通过DFT理论计算得出{102}晶面的纳米片状的BiOBr 具有较低的导带和较高的价带。因此，{102}晶面的BiOBr具有更高的电子转移速率、较高的光生空穴的氧化还原电位和很小的带隙，从而导致其具有更好的光催化性能。

总之，已有文献表明晶面能较高的纳米材料具有更多的活性位点，因此有更强的催化性能[9-10]。但是，在合成过程中，由于具有高的表面能，此晶面很容易消失[11]。为了解决这个问题，研究者们采用有机聚合物或者无机离子对所需的晶面进行控制合成。然而，这样合成的材料高反应活性的晶面所占的百分比仍然相对较低。由于溶剂的残留，所用的溶剂会吸附到纳米材料的表面，进而影响其高的催化活性，在去除吸附到表面的溶剂时，又会导致材料表面原子的重排，从而使材料失去了高的反应活性。因此，控制合成高反应活性的晶面的纳米材料依然面临着很大的挑战。

1.2 纳米硫化镉合成的研究进展

最近几十年，半导体纳米材料已经引起了人们的广泛关注[12]。一维纳米材料通过各种合成方法已经被大量合成出来[13]，除此之外，一些有趣的形貌，例如纳米线[14]、纳米带[15-16]、纳米立方体[17]、纳米片[18]以及纳米棒也已经被合成。传统的方式是用液相法合成疏水的半导体材料[19]，或者气相-固相结合的方法合成出疏水的硫化镉(CdS) 纳米线[20]。然而，由于生物成像、生物载药的需求，疏水性的纳米材料受到了一定的限制，亟需合成出水溶性的纳米材料。Dameron等[21]利用真核生物(酿酒酵母)首次合成了CdS纳米粒子，合成的原理是在特定的培养条件下，将酿酒酵母中谷氨酰基肽类物质螯合镉盐，继而生成CdS的纳米颗粒，并且表面被半胱氨酰硫醇包覆，形成水溶性的纳米粒子。另外一种合成水溶性纳米粒子的方法是在纳米材料合成的过程中，采用一个额外的步骤，用亲水的配基取代或者原位包覆一个亲水的外壳[22]。然而，直接合成水溶性的纳米材料显得尤为重要[23]。例如，用小分子的配体作为极性基团，比如巯基乙酸[24]或者使用水溶性的模板聚乙烯吡咯烷酮(PVP)[25]。Xing等[26]、Hu等[27]和邓文清等[28]利用共价结合为抗体与量子点的表面功能基团活化作用相互反应生成共价键，活化羧基化的CdSe/ZnS 量子点的官能团，并且与抗体进行耦合，获得了具有较高的灵敏度、精确诊断性的细菌、病毒以及癌症的诊断纳米材料。Tyrakowski等[29]利用赖氨酸/生物素与CdSe/ZnS量子点进行耦联，并用凝血素修饰，制备了由凝血素包裹的QDs，建立了高灵敏度的蛋白质检测材料。

1.3 纳米硫化铅合成的研究进展

纳米硫化铅(PbS)的合成有胶体溶液法[30]、反胶束法[31]、溶剂热法[32]、微波辐射法[33]和氨基酸介导的方法[34]，其中溶剂热法是最简单可控的方法。水热合成法的步骤为在特制的密闭反应釜内，以水为反应介质，通过对反应釜进行加热，使得反应釜内形成一个高温、高压的环境，这种环境会使难溶或不溶的物质溶解，并且在室温下冷却进行重结晶，得到一系列的纳米材料。溶剂热法和水热溶剂法相似，是以有机溶剂为反应介质(或者有机溶剂和水的混合物)，相对于其他方法，水热/溶剂热法有利于生长取向好、完美的晶体，并且产物结晶度高及易于控制晶体的粒度；通常实验室常用的水热/溶剂热合成大多数是在中温中压(100～240 ℃、1～20 MPa)条件下合成，釜内填充物控制在体积分数为50%～80%[35]。

Zhang等[36]采用溶剂热法，通过调节表面活性剂的浓度、反应物的比例、反应时间等合成了不同尺寸和不同形貌的纳米晶。有趣的是，他们通过调节合适的双尾表面活性剂琥珀酸二异辛酯磺酸钠(NaAOT)浓度，使得Pb2+和S2-在胶团中反应成核。当核长到一定尺寸时，表面活性剂会吸附到粒子的表面，从而对粒子的生长起到一定的导向作用。当NaAOT浓度达到临界胶团浓度时，就会自聚，形成不同形状的胶团。受到布朗运动的作用，胶团不断的碰撞聚集形成二聚体或者三聚体，然后，形成纳米立方体以及纳米立方体和纳米管共存的结构，并且纳米管的两端是封闭的。王娜[37]利用生物拟态的思想在蛋膜上合成硫化铅的纳米晶，利用蛋膜载体的物理作用以及纤维表层丰富的活性大分子官能团与浸泡液中无机成分之间复杂的物理化学作用，硫化铅在蛋膜表面原位成核生长，并在蛋膜表层氨基酸残基的包覆作用下组装形成面心立方结构的纳米晶粒，有序地分布在蛋膜上，组装成为大小均匀的纳米团簇，以控制纳米晶的合成。

2 纳米硫化镉和硫化铅应用的研究进展

纳米硫化镉是直接带隙的纳米材料，其带隙能为2.42 eV，因其特殊的光电性能，已经被广泛应用到生物成像(细胞的蛋白质标记、细胞追踪和体内成像)[38]和传递有针对性的基因和药物[39]等方面。Zaman等[40]使用生物分子包裹具有荧光特性的硅包裹的CdSe/ZnS 量子点，对小鼠纤维细胞实现荧光成像。何治柯等[41]通过一步法合成了高质量 DNA 功能化的 CdTe:Zn2+量子点，制备了适配体功能化的量子点，并与可识别肿瘤细胞的适配体相连接，实现了人肺腺癌细胞的活体靶向成像。

硫化铅纳米材料的波尔半径为18 nm，如此小的波尔半径使得其具有较强的电子-空穴对限域效应和较大的光学非线性系数，从而成为一种典型的量子尺寸效应的材料[42]；另外，纳米硫化铅是直接带隙半导体纳米晶，禁带宽度精确调节范围可达0.41 eV，与太阳能在近红外区域相吻合，这也使得纳米硫化铅成为最具潜力的太阳能电池开发材料之一的原因[43]。此外，该类材料具有突出的三阶非线性光学性质[44]，还可被广泛地应用于红外光电探测器、太阳辐射能吸收器、发光二极管、红外二维成像显示器、光检波器、生物荧光探针、热电和热磁器件等方面[45]。并且，利用生物活性载体来合成的纳米无机-有机杂化的符合材料，可大大提高单半导体的抗脆性、耐冲击性及与其他材料的生物相容性。Deng等[46]研究表明，通过两步法合成的谷胱甘肽外壳包裹的PbS量子点具有很稳定的耐光性、低的细胞毒性以及很好的荧光成像效果，是癌细胞定位的很好的探针材料。

3 硫化镉和硫化铅纳米材料生物效应的研究进展

3.1 硫化镉量子点纳米材料生物效应的研究进展

目前有报道硫化镉的量子点(quantum dots，QDs)通过干扰细胞氧化还原平衡，增加细胞内的活性氧(reactive oxygen species-ROS)产物，使得机体不能恢复正常的生理氧化-还原调节功能，从而损伤细胞和有机机体。在正常情况下，当少量的ROS 产生时，细胞自身的防御系统开启，激活抗氧化系统，例如谷胱甘肽和抗氧化酶的提高，然而，当过多的ROS 产生时，导致氧化压力超出了细胞自身的保护能力，从而导致细胞的死亡(凋亡、坏死或者自噬)[47]。通过静脉注射的量子点，血管内皮细胞很容易遭受ROS 诱导的线粒体的损伤，并且促进动脉粥样硬化性心血管疾病[48]。另外，有文献报道QDs 导致神经系统的损伤。例如，体外实验和体内实验表明，几种典型的QDs对星形胶质细胞和小胶质细胞产生了强烈的毒性反应[49-51]。CdSe/ZnS QDs导致大鼠海马神经元细胞[52]和小鼠神经细胞内[53]的Ca2+信号紊乱。其中CdS QDs直径一般都是小于10 nm，现在已经被广泛应用到半导体电极方面[54]。QDs的毒性一般与其小的粒径、高的表面活性、光催化活性和机械稳定性相关[55]。有报道称量子点的暴露会导致人的呼吸系统的损伤，从而导致肺炎，但是主要的毒理机制还没有被阐述清楚[56]。

3.2 硫化铅纳米材料生物效应的研究进展

纳米硫化铅被大量用在光学开关、太阳能电池以及红外检测器等方面，在这些纳米硫化铅被制造、运输与应用的同时，通过吸入、摄取以及皮肤吸收等途径，对职业工人造成了很严重的职业暴露，一旦被人体吸收，各种各样的纳米颗粒就会分布到人体的各个器宫，甚至可以通过生物屏障，比如血脑屏障；另外，大量的纳米硫化铅也被释放到环境当中，考虑到其在生物体内的积累、是否在生物链传递的过程中存在生物放大效应以及纳米硫化铅的稳定性问题，研究纳米硫化铅的毒理机制迫在眉睫[4]。

为评价纳米硫化铅的环境和健康风险，以及纳米材料的健康可持续发展和安全应用提供理论指导。尽管铅离子毒性的研究已经有很多报道[57]，但是与纳米硫化铅相比，它们的致毒机制又有很多不同。Cao等[58]实验证明：纳米硫化铅可以引起大鼠神经和肺的氧化损伤，并且引起炎症反应。有研究表明：纳米硫化铅能够引起中枢神经系统的损害，影响学习记忆功能,造成大鼠皮质和海马中氨基酸类神经递质谷氨酸水平升高，以及γ-氨基丁酸和甘氨酸水平下降[59]。

4 结论与展望

新型硫族纳米材料的合成与应用面临一定的挑战，如何合成出更加绿色环保、高效能的纳米材料值得广大科学工作者研究。纳米材料进入环境后，会对环境中的有机体产生一定的毒性效应，其生物毒性除了与其本身的物理化学性质有关外，还与纳米材料与生物机体的相互作用有关。因此，进一步开展绿色纳米材料对生物有机体全面系统的研究，并对纳米材料生态风险进行评估，对于更好地利用纳米材料，促进纳米技术健康有序的发展也是非常必要的。