功能性上转换纳米颗粒NaYF4:Yb/Tm用于潜在的荧光成像和pH响应药物递送

许明悦，田丰，高海清，肖梓伊，李玲

(湖北高级有机化工材料协同创新中心， 教育部有机合成与应用重点实验室，湖北大学化学化工学院， 湖北 武汉 430062)

0 引言

稀土掺杂上转换纳米粒子(UCNPs)引起了极大的关注. UCNPs的光致发光是一种特殊的程序，可以通过能量转移将较低能量的激发转换为较高能量的声子[1-2]，因此UCNPs可以将近红外光转换为可见光[3].此外，UCNPs颗粒具有出色的优势，例如极低的自发荧光背景、无光损伤、较高的光穿透深度和较低的生物毒性，从而扩大了在诊断中的应用范围[4-5].

然而，UCNPs颗粒由于其缺乏靶向识别癌细胞的能力而很少独立用于药物递送.如果可以设计带有官能团和适当大小的颗粒来携带药物，则可以实现诊断和治疗的整合.在可控的UCNPs合成中，由于EPR效应，油胺可用于调节粒径以达到100 nm药物载体的水平[6].使用油胺会导致带有氨基的UCNPs易与阿霉素(DOX)的羟基相互作用，并有望实现pH响应释放[7].因此，可以获得用于潜在的荧光成像和药物装载的功能性UCNPs.

在以往的报告中，大多通过对UCNPs进行进一步的包覆形成核壳结构，以实现载药及药物的pH响应释放功能.Kumbam通过对UCNPs包覆mSiO2来实现药物的pH响应释放[8]，Angshuman通过对UCNPs包覆UIO-66(NH2)来实现载药及药物的pH响应释放[9]，Liu通过对UCNPs包覆PAA对药物装载并实现药物的酸响应释放[10].在这项工作中，我们报道了使用简便的溶剂热法通过油胺的调节一步合成上转换纳米粒子，并对其形貌粒径进行了调控，使得单独的UCNPs同时具备载药和pH药物释放的功能，实现了荧光成像引导下的诊疗一体化，进一步拓展了UCNPs本身的应用范围.

1 实验部分

1.1 材料与方法NaOH(国药集团化学试剂有限公司)、超纯水、油胺(OA)(国药集团化学试剂有限公司)、油胺(OM)(阿拉丁试剂(上海)有限公司)、乙醇(国药集团化学试剂有限公司)、NaF(国药集团化学试剂有限公司)、YCl3·6H2O(麦克林生化有限公司)、YbCl·6H2O(麦克林生化有限公司)、TmCl3·6H2O(麦克林生化有限公司)、盐酸阿霉素(DOX)(阿拉丁试剂(上海)有限公司).

X线粉末衍射仪(Bruker D8，Bruker Company, USA)测试粉末X线衍射(XRD)；单频红外分光光度计(PerkinElmer, USA)获取傅里叶变换红外(FT-IR)光谱；JSM6510LV扫描电子显微镜(JEOL, Japan)获得扫描电子显微图像；紫外-可见吸收光谱图由紫外可见分光光度计(Lambda 35，美国PE公司)；使用Perkin Elmer LS 55荧光光谱仪(美国PE公司)与980 nm外部激光器相关联，以确定UCNP的上转换光致发光强度.

1.2 UCNPs的制备通过简便的溶剂热法制备了掺有Yb3+和Tm3+的六方相UCNP.将NaOH(5.0～7.5 mmol)溶解于1.5 mL超纯水中，随后在剧烈搅拌的同时添加OA(油酸，7.5 mmol)，OM(油胺，1.5 mmol)和乙醇(2.5 mL).之后，添加NaF水溶液(1.0 mol/L；4.0～7.0 mL)以形成混浊的混合物.随后，添加包含YCl3(0.5 mol/L，1.488 mL)，YbCl3(0.5 mol/L，0.5 mL)和TmCl3(0.01 mol/L，1.0 mL)的稀土(RE)水溶液，并将溶液搅拌20 min.然后将所得混合物转移至25 mL衬有特氟隆的高压釜中，并加热至180～220 ℃保持8～14 h.冷却至室温后，通过离心分离反应产物，并用乙醇洗涤3次.

1.3 UCNPs-DOX的制备将2.0 mg UCNPs粉末在室温下黑暗条件下添加到5 mL 100 mg/L阿霉素(DOX)水溶液中24 h和48 h. UCNPs纳米载体的DOX负载能力是通过使用紫外可见光谱法在460 nm波长下通过溶液的吸光度来计算的.洗涤并离心UCNPs@DOX复合物以除去过量的DOX.

1.4 DOX的释放实验对于释放DOX的实验，将1.0 mg DOX负载的UCNPs分别悬浮在20 mL的PBS(pH=5.8和pH=7.4)溶液中.将两个样品在黑暗条件下于37 ℃轻轻摇动.取出药物释放介质(3 mL)，以通过460 nm的UV-vis吸收光谱法进行分析，并用相同体积的新鲜缓冲溶液代替.

2 结果与讨论

2.1 合成反应条件的讨论图1(a-c)显示了NaOH量的影响.根据先前的研究[11]，油酸根阴离子(OA-)和油酸分子(OAH)的比例随添加的NaOH的不同而变化，这在调节NaYF4纳米颗粒的生长中起着可变的作用. OAH和OA-对不同晶体面的优先亲和力决定了不同形状纳米晶体的形成.从图1(a-c)可以得出结论，OA-的浓度随NaOH浓度的增加而增加，导致沿纵向方向外延生长.当NaOH的浓度为7.5 mmol时，纳米颗粒显示出规则的六方相.

从图1(c-f)可以看出，随着F-浓度的增加，颗粒的形貌和尺寸发生明显变化[12].如图1(c)所示，纳米颗粒具有均匀的六方相，其尺寸约为600 nm，摩尔比为RE3+/F-=1∶4.然而，RE3+/F-的摩尔比增加到1∶5时，在现有的立方相微粒中出现了新型的六方相，其粒径约为500 nm.这表明样品是从六边形到立方形NaYF4∶Yb3+/Tm3+的过渡.随后，当Ln3+/F-的摩尔比增加到1∶6或1∶7时，立方相颗粒完全出现(图1(e-f)).

图1 不同NaF和NaOH的用量对NaYF4∶Yb3+/Tm3+颗粒的形貌影响(加热时间为12 h，温度为200 ℃)(a)NaF=4.0 mmol，NaOH=5.0 mmol；(b)NaF=4.0 mmol，NaOH=6.25 mmol；(c)NaF=4.0 mmol，NaOH=7.5 mmol，(d)NaF=5.0 mmol，NaOH=7.5 mmol;(e)NaF = 6.0 mmol，NaOH = 7.5 mmol；(f)NaF = 7.0 mmol，NaOH = 7.5 mmol

进一步分析反应时间对产品拓扑结构的影响，如图2(a～b)所示.当反应时间为20 h时，样品相对不规则，反应时间不足可解释为不规则晶体[13].然而，当反应时间过长时，形成的颗粒不具有均匀的形态，这可能是由于颗粒的聚集而引起的.从图2(c～d)可以看出温度的影响.在180 ℃时，该结构相对较小. 但是，随着温度的升高，样品的拓扑结构变得良好且逐渐变小.如图2(d)的添加的DLS图所示，纳米颗粒大约为300 nm.因为成核随着温度的升高而加速，所以形成的晶体产生了充分结晶的均匀六方相[14].最终我们确定了最佳反应条件：在220 ℃下用4.0 mmol NaF和7.5 mmol NaOH混合12 h，纳米粒子呈现出均匀的六方相和纳米级的形貌.

图2 反应时间和温度对NaYF4：Yb3+/Tm3+颗粒形貌的影响和最佳条件下NaYF4：Yb3+/Tm3+在水溶液(25 ℃)中的粒径分布情况(NaF=4.0 mmol，NaOH=7.5 mmol)(a)T=200 ℃，t=8 h；(b)T=200 ℃，t=14 h;(c)T=180 ℃，t=12 h;(d)T = 220 ℃，t= 12 h

2.2 合成样品的表征在最佳条件下，NaYF4：Yb3+/Tm3+的上转换光致发光光谱和相应的发光照片如图3(a)所示.在NaYF4：Yb3+/Tm3+中，Yb3+被视为敏化剂，而Tm3+被用作活化剂，通常与Yb3+的多声子弛豫共振良好[15-16].样品的光致发光在980 nm近红外(NIR)激光下表现出亮蓝色发射.发射光谱中有五个主峰：分别在1D2→3F4和1G4→3H6的跃迁处在455 nm，475 nm处发出强烈的蓝光.值得注意的是，在345 nm，360 nm处观察到强烈的近紫外发射带，在651 nm处观察到微弱的红色发射，它们分别属于Tm3+离子的1I6→3F4、1D2→3H6和1G4→3F4跃迁. NaYF4：Yb3+/Tm3+由于具有出色的荧光性，有望用于荧光成像.

图3(b)显示在最佳反应条件下六方相NaYF4：Yb3+/Tm3+的XRD图谱.所有XRD峰均表明NaYF4：Yb3+/Tm3+具有良好的晶体结构，并且可以与NaYF4：Yb3+/Tm3+的六方相很好地匹配(JCPDS No. 16-0334).此外，没有一个峰与任何其他相或杂质相关，表明NaYF4：Yb3+/Tm3+纳米颗粒具有高纯度.

如图3(c)所示，通过FT-IR光谱进一步详细说明六方相结晶粒子的结构和官能团.在3 443 cm-1处检测到OA中—OH基团的拉伸振动，表明该颗粒已被OA成功改性.用OM制备的NaYF4：Yb3+/Tm3+的光谱显示出2 927 cm-1和2 855 cm-1的谱带被指定为OM中—NH2的不对称拉伸和对称拉伸. —NH2在1 565 cm-1和789 cm-1处的弯曲振动也表明成功制备了NaYF4：Yb3+/Tm3+纳米粒子.

图3 NaYF4∶Yb3+/Tm3+在最佳条件下的(a)上转换光致发光(PL)光谱(含980 nm NIR激光处的相关照片)、(b)XRD和(c)FT-IR光谱

2.3 合成样品的应用如图4(a)所示，NaYF4：Yb3+/Tm3+纳米颗粒的DOX负载量高达24 mg/g.结果表明，油胺的—NH2与DOX的—OH之间的氢键相互作用在DOX的负载中起着至关重要的作用.结果，探索了UCNPs作为运输DOX用于临床应用的潜在载体.

如图4(b)所示，在PBS溶液中pH值为7.4和5.8的情况下，还检测了NaYF4：Yb3+/Tm3+的药物释放特性.结果表明，DOX的释放速度和程度与pH密切相关.在pH=5.8的62 h后，DOX的总累积量约为40%，而在pH=7.4的释放量小于10%.在pH=5.8的酸性条件下，NaYF4∶Yb3+/Tm3+描绘了由DOX和NaYF4：Yb3+/Tm3+中的质子化—NH2和—OH基产生的正电荷，以断开药物装载过程中形成的氢键.相反，在弱碱性条件下(pH=7.4)，DOX和UCNPs的—OH，—NH2基团之间形成氢键以阻止药物扩散.由此可见，NaYF4：Yb3+/ Tm3+纳米平台通过DOX与NaYF4：Yb3+/ Tm3+之间的静电相互作用具有潜在的抗癌药物负载能力.

图4 NaYF4：Yb3+ / Tm3+的载药量(a)和释药性能(b)

3 结论

本研究采用一种简便的溶剂热法成功地合成了掺有稀土离子Yb3+和Tm3+的NaYF4. 发现通过改变诸如NaOH的量，NaF的浓度，反应时间和温度的反应条件可以控制上转换纳米颗粒的结构.在最佳条件下，获得六方相约300 nm的均相上转换纳米颗粒.通过光致发光检测，发现NaYF4：Yb3+/Tm3+在980 nm的近红外激发下呈蓝色发射.此外，发现NaYF4:Yb3+/Tm3+具有出色的pH响应性.有望将其应用于抗癌药物的荧光成像和pH响应药物递送.