許明悅，田豐，高海清，肖梓伊，李玲

(湖北高級(jí)有機(jī)化工材料協(xié)同創(chuàng)新中心， 教育部有機(jī)合成與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院， 湖北 武漢 430062)

0 引言

稀土摻雜上轉(zhuǎn)換納米粒子(UCNPs)引起了極大的關(guān)注. UCNPs的光致發(fā)光是一種特殊的程序，可以通過能量轉(zhuǎn)移將較低能量的激發(fā)轉(zhuǎn)換為較高能量的聲子[1-2]，因此UCNPs可以將近紅外光轉(zhuǎn)換為可見光[3].此外，UCNPs顆粒具有出色的優(yōu)勢(shì)，例如極低的自發(fā)熒光背景、無光損傷、較高的光穿透深度和較低的生物毒性，從而擴(kuò)大了在診斷中的應(yīng)用范圍[4-5].

然而，UCNPs顆粒由于其缺乏靶向識(shí)別癌細(xì)胞的能力而很少獨(dú)立用于藥物遞送.如果可以設(shè)計(jì)帶有官能團(tuán)和適當(dāng)大小的顆粒來攜帶藥物，則可以實(shí)現(xiàn)診斷和治療的整合.在可控的UCNPs合成中，由于EPR效應(yīng)，油胺可用于調(diào)節(jié)粒徑以達(dá)到100 nm藥物載體的水平[6].使用油胺會(huì)導(dǎo)致帶有氨基的UCNPs易與阿霉素(DOX)的羥基相互作用，并有望實(shí)現(xiàn)pH響應(yīng)釋放[7].因此，可以獲得用于潛在的熒光成像和藥物裝載的功能性UCNPs.

在以往的報(bào)告中，大多通過對(duì)UCNPs進(jìn)行進(jìn)一步的包覆形成核殼結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)載藥及藥物的pH響應(yīng)釋放功能.Kumbam通過對(duì)UCNPs包覆mSiO2來實(shí)現(xiàn)藥物的pH響應(yīng)釋放[8]，Angshuman通過對(duì)UCNPs包覆UIO-66(NH2)來實(shí)現(xiàn)載藥及藥物的pH響應(yīng)釋放[9]，Liu通過對(duì)UCNPs包覆PAA對(duì)藥物裝載并實(shí)現(xiàn)藥物的酸響應(yīng)釋放[10].在這項(xiàng)工作中，我們報(bào)道了使用簡(jiǎn)便的溶劑熱法通過油胺的調(diào)節(jié)一步合成上轉(zhuǎn)換納米粒子，并對(duì)其形貌粒徑進(jìn)行了調(diào)控，使得單獨(dú)的UCNPs同時(shí)具備載藥和pH藥物釋放的功能，實(shí)現(xiàn)了熒光成像引導(dǎo)下的診療一體化，進(jìn)一步拓展了UCNPs本身的應(yīng)用范圍.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與方法NaOH(國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司)、超純水、油胺(OA)(國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司)、油胺(OM)(阿拉丁試劑(上海)有限公司)、乙醇(國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司)、NaF(國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司)、YCl3·6H2O(麥克林生化有限公司)、YbCl·6H2O(麥克林生化有限公司)、TmCl3·6H2O(麥克林生化有限公司)、鹽酸阿霉素(DOX)(阿拉丁試劑(上海)有限公司).

X線粉末衍射儀(Bruker D8，Bruker Company, USA)測(cè)試粉末X線衍射(XRD)；單頻紅外分光光度計(jì)(PerkinElmer, USA)獲取傅里葉變換紅外(FT-IR)光譜；JSM6510LV掃描電子顯微鏡(JEOL, Japan)獲得掃描電子顯微圖像；紫外-可見吸收光譜圖由紫外可見分光光度計(jì)(Lambda 35，美國PE公司)；使用Perkin Elmer LS 55熒光光譜儀(美國PE公司)與980 nm外部激光器相關(guān)聯(lián)，以確定UCNP的上轉(zhuǎn)換光致發(fā)光強(qiáng)度.

1.2 UCNPs的制備通過簡(jiǎn)便的溶劑熱法制備了摻有Yb3+和Tm3+的六方相UCNP.將NaOH(5.0～7.5 mmol)溶解于1.5 mL超純水中，隨后在劇烈攪拌的同時(shí)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)以形成混濁的混合物.隨后，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，并將溶液攪拌20 min.然后將所得混合物轉(zhuǎn)移至25 mL襯有特氟隆的高壓釜中，并加熱至180～220 ℃保持8～14 h.冷卻至室溫后，通過離心分離反應(yīng)產(chǎn)物，并用乙醇洗滌3次.

1.3 UCNPs-DOX的制備將2.0 mg UCNPs粉末在室溫下黑暗條件下添加到5 mL 100 mg/L阿霉素(DOX)水溶液中24 h和48 h. UCNPs納米載體的DOX負(fù)載能力是通過使用紫外可見光譜法在460 nm波長下通過溶液的吸光度來計(jì)算的.洗滌并離心UCNPs@DOX復(fù)合物以除去過量的DOX.

1.4 DOX的釋放實(shí)驗(yàn)對(duì)于釋放DOX的實(shí)驗(yàn)，將1.0 mg DOX負(fù)載的UCNPs分別懸浮在20 mL的PBS(pH=5.8和pH=7.4)溶液中.將兩個(gè)樣品在黑暗條件下于37 ℃輕輕搖動(dòng).取出藥物釋放介質(zhì)(3 mL)，以通過460 nm的UV-vis吸收光譜法進(jìn)行分析，并用相同體積的新鮮緩沖溶液代替.

2 結(jié)果與討論

2.1 合成反應(yīng)條件的討論圖1(a-c)顯示了NaOH量的影響.根據(jù)先前的研究[11]，油酸根陰離子(OA-)和油酸分子(OAH)的比例隨添加的NaOH的不同而變化，這在調(diào)節(jié)NaYF4納米顆粒的生長中起著可變的作用. OAH和OA-對(duì)不同晶體面的優(yōu)先親和力決定了不同形狀納米晶體的形成.從圖1(a-c)可以得出結(jié)論，OA-的濃度隨NaOH濃度的增加而增加，導(dǎo)致沿縱向方向外延生長.當(dāng)NaOH的濃度為7.5 mmol時(shí)，納米顆粒顯示出規(guī)則的六方相.

從圖1(c-f)可以看出，隨著F-濃度的增加，顆粒的形貌和尺寸發(fā)生明顯變化[12].如圖1(c)所示，納米顆粒具有均勻的六方相，其尺寸約為600 nm，摩爾比為RE3+/F-=1∶4.然而，RE3+/F-的摩爾比增加到1∶5時(shí)，在現(xiàn)有的立方相微粒中出現(xiàn)了新型的六方相，其粒徑約為500 nm.這表明樣品是從六邊形到立方形NaYF4∶Yb3+/Tm3+的過渡.隨后，當(dāng)Ln3+/F-的摩爾比增加到1∶6或1∶7時(shí)，立方相顆粒完全出現(xiàn)(圖1(e-f)).

圖1 不同NaF和NaOH的用量對(duì)NaYF4∶Yb3+/Tm3+顆粒的形貌影響(加熱時(shí)間為12 h，溫度為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

進(jìn)一步分析反應(yīng)時(shí)間對(duì)產(chǎn)品拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的影響，如圖2(a～b)所示.當(dāng)反應(yīng)時(shí)間為20 h時(shí)，樣品相對(duì)不規(guī)則，反應(yīng)時(shí)間不足可解釋為不規(guī)則晶體[13].然而，當(dāng)反應(yīng)時(shí)間過長時(shí)，形成的顆粒不具有均勻的形態(tài)，這可能是由于顆粒的聚集而引起的.從圖2(c～d)可以看出溫度的影響.在180 ℃時(shí)，該結(jié)構(gòu)相對(duì)較小. 但是，隨著溫度的升高，樣品的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變得良好且逐漸變小.如圖2(d)的添加的DLS圖所示，納米顆粒大約為300 nm.因?yàn)槌珊穗S著溫度的升高而加速，所以形成的晶體產(chǎn)生了充分結(jié)晶的均勻六方相[14].最終我們確定了最佳反應(yīng)條件：在220 ℃下用4.0 mmol NaF和7.5 mmol NaOH混合12 h，納米粒子呈現(xiàn)出均勻的六方相和納米級(jí)的形貌.

圖2 反應(yīng)時(shí)間和溫度對(duì)NaYF4：Yb3+/Tm3+顆粒形貌的影響和最佳條件下NaYF4：Yb3+/Tm3+在水溶液(25 ℃)中的粒徑分布情況(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 合成樣品的表征在最佳條件下，NaYF4：Yb3+/Tm3+的上轉(zhuǎn)換光致發(fā)光光譜和相應(yīng)的發(fā)光照片如圖3(a)所示.在NaYF4：Yb3+/Tm3+中，Yb3+被視為敏化劑，而Tm3+被用作活化劑，通常與Yb3+的多聲子弛豫共振良好[15-16].樣品的光致發(fā)光在980 nm近紅外(NIR)激光下表現(xiàn)出亮藍(lán)色發(fā)射.發(fā)射光譜中有五個(gè)主峰：分別在1D2→3F4和1G4→3H6的躍遷處在455 nm，475 nm處發(fā)出強(qiáng)烈的藍(lán)光.值得注意的是，在345 nm，360 nm處觀察到強(qiáng)烈的近紫外發(fā)射帶，在651 nm處觀察到微弱的紅色發(fā)射，它們分別屬于Tm3+離子的1I6→3F4、1D2→3H6和1G4→3F4躍遷. NaYF4：Yb3+/Tm3+由于具有出色的熒光性，有望用于熒光成像.

圖3(b)顯示在最佳反應(yīng)條件下六方相NaYF4：Yb3+/Tm3+的XRD圖譜.所有XRD峰均表明NaYF4：Yb3+/Tm3+具有良好的晶體結(jié)構(gòu)，并且可以與NaYF4：Yb3+/Tm3+的六方相很好地匹配(JCPDS No. 16-0334).此外，沒有一個(gè)峰與任何其他相或雜質(zhì)相關(guān)，表明NaYF4：Yb3+/Tm3+納米顆粒具有高純度.

如圖3(c)所示，通過FT-IR光譜進(jìn)一步詳細(xì)說明六方相結(jié)晶粒子的結(jié)構(gòu)和官能團(tuán).在3 443 cm-1處檢測(cè)到OA中—OH基團(tuán)的拉伸振動(dòng)，表明該顆粒已被OA成功改性.用OM制備的NaYF4：Yb3+/Tm3+的光譜顯示出2 927 cm-1和2 855 cm-1的譜帶被指定為OM中—NH2的不對(duì)稱拉伸和對(duì)稱拉伸. —NH2在1 565 cm-1和789 cm-1處的彎曲振動(dòng)也表明成功制備了NaYF4：Yb3+/Tm3+納米粒子.

圖3 NaYF4∶Yb3+/Tm3+在最佳條件下的(a)上轉(zhuǎn)換光致發(fā)光(PL)光譜(含980 nm NIR激光處的相關(guān)照片)、(b)XRD和(c)FT-IR光譜

2.3 合成樣品的應(yīng)用如圖4(a)所示，NaYF4：Yb3+/Tm3+納米顆粒的DOX負(fù)載量高達(dá)24 mg/g.結(jié)果表明，油胺的—NH2與DOX的—OH之間的氫鍵相互作用在DOX的負(fù)載中起著至關(guān)重要的作用.結(jié)果，探索了UCNPs作為運(yùn)輸DOX用于臨床應(yīng)用的潛在載體.

如圖4(b)所示，在PBS溶液中pH值為7.4和5.8的情況下，還檢測(cè)了NaYF4：Yb3+/Tm3+的藥物釋放特性.結(jié)果表明，DOX的釋放速度和程度與pH密切相關(guān).在pH=5.8的62 h后，DOX的總累積量約為40%，而在pH=7.4的釋放量小于10%.在pH=5.8的酸性條件下，NaYF4∶Yb3+/Tm3+描繪了由DOX和NaYF4：Yb3+/Tm3+中的質(zhì)子化—NH2和—OH基產(chǎn)生的正電荷，以斷開藥物裝載過程中形成的氫鍵.相反，在弱堿性條件下(pH=7.4)，DOX和UCNPs的—OH，—NH2基團(tuán)之間形成氫鍵以阻止藥物擴(kuò)散.由此可見，NaYF4：Yb3+/ Tm3+納米平臺(tái)通過DOX與NaYF4：Yb3+/ Tm3+之間的靜電相互作用具有潛在的抗癌藥物負(fù)載能力.

圖4 NaYF4：Yb3+ / Tm3+的載藥量(a)和釋藥性能(b)

3 結(jié)論

本研究采用一種簡(jiǎn)便的溶劑熱法成功地合成了摻有稀土離子Yb3+和Tm3+的NaYF4. 發(fā)現(xiàn)通過改變諸如NaOH的量，NaF的濃度，反應(yīng)時(shí)間和溫度的反應(yīng)條件可以控制上轉(zhuǎn)換納米顆粒的結(jié)構(gòu).在最佳條件下，獲得六方相約300 nm的均相上轉(zhuǎn)換納米顆粒.通過光致發(fā)光檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)NaYF4：Yb3+/Tm3+在980 nm的近紅外激發(fā)下呈藍(lán)色發(fā)射.此外，發(fā)現(xiàn)NaYF4:Yb3+/Tm3+具有出色的pH響應(yīng)性.有望將其應(yīng)用于抗癌藥物的熒光成像和pH響應(yīng)藥物遞送.