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(cè)、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(wú)毒以及可調(diào)的表面等離子共振效應(yīng)，并可通過(guò)改變納米金尺寸方法調(diào)控其對(duì)紅外光的吸收及光熱轉(zhuǎn)化，已成為一類(lèi)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(guò)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(xì)、低毒、藍(lán)色區(qū)域熒光特點(diǎn)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(xì)胞毒性藥物、輻射和光動(dòng)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(duì)NTERA-2細(xì)胞3D瘤球生長(zhǎng)的抑制率可達(dá)58.50%，顯示出良好的抗腫瘤干細(xì)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(xì)胞毒性，已逐漸引起國(guó)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(xì)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(duì)人臍靜脈內(nèi)皮細(xì)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(jiǎn)單、可調(diào)參數(shù)多、適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，一直是構(gòu)建納米結(jié)構(gòu)的有效途徑。目前已報(bào)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(bào)道，特別是未見(jiàn)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(guò)調(diào)節(jié)加樣時(shí)間、水熱溫度及水熱時(shí)間，控制性成功合成出Eu(OH)3納米管，并通過(guò)化學(xué)還原法對(duì)Eu(OH)3納米管進(jìn)行表面修飾，獲得Eu(OH)3@Au復(fù)合納米管，進(jìn)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(jī)(JW-2017H，合肥)，鼓風(fēng)干燥箱(DHG-9030A，合肥)，酸度計(jì)(MP511，上海)，純水機(jī)(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(wú)水甲醇(CH3OH)，無(wú)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(shí)驗(yàn)方法

2.1 Eu(OH)3納米管的合成 準(zhǔn)確稱(chēng)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(jì)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(wú)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(xiàn)[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(chēng)取10 mg實(shí)驗(yàn)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(wú)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(duì)產(chǎn)物的形貌和尺寸進(jìn)行分析。利用X射線粉末衍射儀和能譜儀對(duì)產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)和組成進(jìn)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(shí)，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(zhǎng)，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(guò)程中，Eu(OH)3納米管的合成仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。因此，本研究通過(guò)改變反應(yīng)條件對(duì)管狀結(jié)構(gòu)的形成進(jìn)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(duì)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(shí)間(加樣時(shí)間)為10 min、水熱溫度為140℃、水熱時(shí)間為35 h時(shí)，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(shí)間延長(zhǎng)到30 min，所得產(chǎn)物仍以棒狀為主，且尺寸不均勻，不過(guò)其中直徑較大的產(chǎn)物出現(xiàn)了類(lèi)似的“管口”(圖1b)，繼續(xù)延長(zhǎng)加樣時(shí)間到60 min，雖然產(chǎn)物的尺寸仍不均勻，但管狀產(chǎn)物相對(duì)增多(圖1c)。在加樣時(shí)間維持60 min不變的前提下，若只將水熱時(shí)間縮短到12 h，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)物變得細(xì)長(zhǎng)(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(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)水熱溫度140℃、水熱時(shí)間35 h，NaOH的加入時(shí)間延長(zhǎng)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(shí)曾發(fā)現(xiàn)，老化時(shí)間會(huì)影響到產(chǎn)物形貌。在本研究中，水熱溫度和時(shí)間均能對(duì)Eu(OH)3產(chǎn)物的形貌和尺寸產(chǎn)生一定影響，但延長(zhǎng)加入NaOH時(shí)間則是影響管狀形成的關(guān)鍵因素，實(shí)際上也同樣增加了反應(yīng)前驅(qū)體的老化時(shí)間。研究結(jié)果還發(fā)現(xiàn)，若進(jìn)一步延長(zhǎng)加樣時(shí)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(shí)間有可能會(huì)對(duì)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(shí)驗(yàn)成功合成出典型Eu(OH)3納米管。圖2a為實(shí)驗(yàn)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(zhǎng)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(duì)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(duì)較厚。不過(guò)從圖2c可以發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)物的徑向中部區(qū)域顏色相對(duì)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(fù)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(yàn)證產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)和組成，分別對(duì)兩種納米管進(jìn)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(hào)為83-2305)。相對(duì)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(hào)為04-0784)，該結(jié)果也與文獻(xiàn)[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(shí)了實(shí)驗(yàn)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(guò)改變加樣時(shí)間、反應(yīng)溫度和反應(yīng)時(shí)間等控制性合成出Eu(OH)3納米管，其中加樣攪拌時(shí)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(jìn)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)。