啞鈴型磁金介孔硅復合微球的制備及磁/光熱催化性能測定

許麗麗 周妹婷 楊阿龍 王家幸 周天夫 張 瑩

(沈陽藥科大學，基于靶點的藥物設計與研究教育部重點實驗室，沈陽 110016)

0 引 言

磁性納米粒子具有優異的超順磁性、表面效應、小尺寸效應等獨特的物理化學性質，在磁靶向藥物傳遞[1]、磁共振造影[2]和生物檢測[3]等領域已被廣泛研究，特別是以Fe3O4納米粒子為基礎的生物材料研究已經取得很大進展。Fe3O4@mSiO2磁性介孔二氧化硅納米復合微球兼具磁性粒子和介孔材料(殼層易修飾、可功能化和孔徑可調)[4]的雙重優勢，因而在醫藥領域展現出很好的應用前景。隨著一體化診療系統的出現，磁性介孔二氧化硅納米復合微球被賦予了新的功能化需求——靶向、載藥、釋藥、標記及熱療等。因此，更多功能材料的設計和性能研究將成為智能化醫藥診療發展的基石。

金納米粒子具有獨特的電學、光學、催化和生物親和效應，是功能材料的研究焦點。近紅外光照射下，金納米粒子能在短時間內升高溫度的特征已使其應用于體內光熱治療淺表腫瘤[5-7]。生理條件下，金納米粒子能催化血液中S-亞硝基硫醇分解釋放NO——標志腫瘤發生、發展和轉化的信使分子[8]。聚焦于金納米粒子卓爾不凡的性能和磁性介孔二氧化硅納米復合微球的研究進展，磁金納米復合介孔二氧化硅的設計及性能研究將為腫瘤一體化診療提供有價值的參考。

磁性氧化鐵與金的復合有3種方式:以磁性氧化鐵為種子，通過配體解吸與復吸在其表面還原Au(OOCCH3)3，原位合成磁金納米復合微球[9-13]；以金納米粒為種子，通過五羰基合鐵(Fe(CO)5)在Au納米粒外延氧化生長氧化鐵，合成啞鈴及花瓣型磁金納米復合材料[14]；磁性氧化鐵和金納米粒通過配體間的化學偶聯或靜電作用的復合[15]。不同的復合方式，帶來不同的結構和性能。因此，基于腫瘤一體化診療對于磁熱、光熱、催化及載藥性能多方面需求的考慮，我們以金納米粒為種子采取外延氧化生長氧化鐵的方式，制備了啞鈴型磁金納米復合材料并包覆介孔二氧化硅層(Au-Fe3O4@mSiO2)；在模擬動物體內腫瘤熱療的條件下，測定了該磁金納米復合介孔二氧化硅的磁熱、光熱及催化性能。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

Fe(CO)5(90%，滬震實業有限公司)、油酸鈉(化學純，國藥集團化學試劑有限公司)、油酸(分析純，天津永大化學試劑有限公司)、十六烷基三甲基溴化銨(CTAB，分析純，北京化學試劑公司)、正己烷、異丙醇、無水乙醇、氫氧化鈉(分析純，天津市大茂化學試劑廠)、1-十八烯 (分析純，北京百靈威試劑有限公司)、三辛胺、1，2，3，4-四氫萘(分析純，上海阿拉丁生化科技股份有限公司)、N-(2-氨乙基)-3-氨丙基三甲氧基硅烷(EDS，北京百靈威科技有限公司)、正硅酸乙酯(TEOS，分析純，德國CHMIE GMBH公司)、聚氧乙烯聚氧丙烯聚氧乙烯共聚物(F127，分析純，德國BASF公司美國分公司)、氯金酸 (HAuCl4·3H2O，99.99%，阿法埃莎(中國)化學有限公司)、油胺(80%～90%，上海麥克林生化科技有限公司)、硝酸銨(分析純，沈陽市試劑一廠)，Griess試劑盒(碧云天生物科技有限公司)。

激光器 (808 nm)、SPG-Ⅱ高頻感應加熱儀、Optris-400熱成像儀、UV2000型紫外可見分光光度計、VSM7307振動樣品磁強計、V-Sorb 2800P比表面孔徑分析儀、JEOL 2010透射電子顯微鏡(工作電壓 200 kV)、Thermo VG ESCALAB-250 X射線光電子能譜儀(2 keV的Ar離子槍進行表面剝離)。

1.2 金納米粒子的制備

稱取 1 g HAuCl4·3H2O 加入 100 mL 1，2，3，4-四氫萘中，接著加入10 mL油胺，溶液呈橘紅色。室溫下攪拌5 min，加熱至65℃反應5 h。冷卻至室溫以后，加入100 mL無水乙醇，離心10 min(14 000 r·min-1)。 沉淀用無水乙醇洗滌,干燥，以 10 mg·mL-1的濃度分散于正己烷中。

1.3 Au-Fe3O4@mSiO2復合物的制備

N2保護下，將1 mL油酸加入20 mL十八烯中，120℃下反應20 min。加入0.15 mL Fe(CO)5攪拌5 min。加入0.5 mL油胺和1.4 mL制備的金納米溶液，在20 min中內將溫度升至310℃左右，保持45 min。冷卻至室溫以后，加入異丙醇沉淀Au-Fe3O4納米顆粒，分級離心各10 min(5 000 r·min-1和11 000 r·min-1)。 用異丙醇洗滌沉淀，收集 11 000 r·min-1沉淀,以10 mg·mL-1的濃度分散于正己烷中，4℃保存。

稱取0.25 g CTAB溶于20 mL蒸餾水，將1.3 mL Au-Fe3O4正己烷分散液在超聲條件下分散于CTAB的水溶液中，探頭超聲50 min。然后在80℃下揮發正己烷10 min形成A液。稱取0.25 g F127和0.10 g NaOH溶于80 mL蒸餾水，形成B液，50℃恒溫攪拌1 h后，加入A液，攪拌30 min。接著加入2 mL TEOS乙醇溶液(體積比1∶1)，80℃下攪拌3 h后冷卻至室溫。離心5 min(11 000 r·min-1)后，收集Au-Fe3O4@mSiO2納米粒子，水洗和醇洗各3次，60℃烘干。取上述產品100 mg超聲分散于含有1.3 g硝酸銨的100 mL無水乙醇中，80℃下回流10 h，得到Au-Fe3O4@mSiO2，醇洗3次，烘干備用。實驗流程如圖1所示。

圖1 Au-Fe3O4@mSiO2納米復合材料的制備流程圖Fig.1 Synthetic process chart of Au-Fe3O4@mSiO2 nanocomposite

2 結果與討論

2.1 啞鈴型Au-Fe3O4納米粒子的形貌表征

圖2 (a)啞鈴型Au-Fe3O4的TEM圖;(b～d)花瓣型Au-Fe3O4的TEM和HRTEM圖;(e)Au-Fe3O4 EDX譜Fig.2 TEM image of(a)the dumbbell-like Au-Fe3O4 nanoparticles;(b)HRTEM image of one Au-Fe3O4 nanoparticles;(b～d)TEM and HRTEM images of petal-like Au-Fe3O4 nanoparticles;(e)EDX spectrum of Au-Fe3O4

采用透射電鏡(TEM)對制備的啞鈴型Au-Fe3O4納米粒子的形貌進行觀察。11 000 r·min-1離心10 min所得產品量多，其電鏡照片如圖2(a)所示，制備的Au-Fe3O4納米粒子分散性良好，尺寸分布較均一，呈啞鈴型，粒徑為12～15 nm。反應結束后以5 000 r·min-1離心 10 min所得產品量少(圖 2(b～d))。結果顯示，Au-Fe3O4納米粒子呈花瓣狀，粒徑在20～30 nm。從高分辨電鏡照片圖2(b)中可以看出，每個粒子對應原子平臺的晶格條紋表明2種納米粒子都是單晶，由晶面間距可知其物相為Fe3O4(PDF No.89-4319)和 Au(PDF No.89-3697)， 其 中 且Fe3O4粒徑為 10 nm，Au粒徑為 6 nm。 據 Au和Fe3O4粒徑尺寸差異可知花瓣型樣品中粒徑較大的粒子為Fe3O4，中心粒徑較小的部分為Au。花瓣狀的Au-Fe3O4納米粒子由于粒徑較大，質量較大，在低轉速下就被離心下來。因此，在后處理過程中通過11 000 r·min-1離心來收集啞鈴型的Au-Fe3O4納米粒子。圖2(e)中出現Fe、O和Au的特征峰，表明制備的復合物成分中含Fe、O和Au。

2.2 Au-Fe3O4的紫外吸收光譜

Fe3O4晶種和Au納米粒以共用表面油酸穩定劑的方式連接，并在極性匹配的溶劑中生長成啞鈴型。這種啞鈴型結構是非對稱性導電的，Au表面電子傳遞到Fe3O4后，其光吸收特征被破壞，538 nm處的特征峰消失。對比由配體交換方式合成的核殼型Fe3O4@Au復合物，其結構是對稱性導電的，Au表面電子特征受Fe3O4的影響較小，538 nm特征峰位移及強度變化較小[16-17]。因此，可以通過Au特征峰的位移變化判斷多元含金復合物的合成機理。

圖3 Au和Au-Fe3O4復合物的紫外可見吸收光譜Fig.3 UV-Vis adsorption spectra of the Au and Au-Fe3O4 nanocomposite

2.3 Au-Fe3O4@mSiO2復合物的X射線光電子能譜

在原微觀形貌表征基礎上，選用XPS方法對復合物的宏觀組成即各元素百分比進行了定量分析。該復合物的XPS測定結果如表1所示。啞鈴型的Fe3O4和 Au以 1∶1 方式(圖 2(a))結合，而花瓣型 Fe3O4和 Au 則以 2∶1(圖 2(d))或 4∶1 方式(圖 2(c))結合。 基于對樣品采取分級離心過程可分別得到圖2(a)和圖2(c，d)所示產物，且所得的圖2(a)中樣品產量多的實驗現象，結合XPS測定Fe和Au的原子比近似2∶1的結果，可知該實驗條件下所制備樣品是既有啞鈴型又有花瓣型復合物的混合物，且以啞鈴型產物為主。

表1 Au-Fe3O4@mSiO2復合物的原子百分含量Table 1 Atomic fraction of Au-Fe3O4@mSiO2 nanocomposite

2.4 Au-Fe3O4@mSiO2復合物的磁性能

樣品的室溫磁滯曲線如圖4所示。樣品在20 kOe的磁場條件下，磁化強度有達到飽和的趨勢，數值接近2.85 emu·g-1。在磁化強度為0時，樣品的矯頑力為0.4 Oe，剩磁接近于0。可見，室溫Au-Fe3O4@SiO2復合物顯示出超順磁性。納米Fe3O4在外場下比較容易達到飽和，但圖4表明其在20 kOe外場下仍未飽和，這是因為啞鈴型結構是非對稱性導電的，Fe3O4表面電子與Au電子有相互融合，導致Fe3O4表面電子與內部電子差異較大，因而相對于球形納米Fe3O4而言更不容易達到飽和磁化狀態。

圖4 Au-Fe3O4@mSiO2復合材料的磁滯曲線Fig.4 Magnetic-hysteresis curve of Au-Fe3O4@mSiO2 nanocomposite

2.5 Au-Fe3O4@mSiO2復合物的磁熱性能

圖5 Au-Fe3O4@mSiO2復合材料的磁熱升溫曲線Fig.5 Magnetocaloric heating curves of Au-Fe3O4@mSiO2 nanocomposite

磁性材料或亞鐵磁材料在交變磁場中由于磁滯損耗、渦流損耗而引起磁熱效應[18]。利用磁感應加熱機和熱成像儀在不同濃度和不同電流下對啞鈴型Au-Fe3O4@mSiO2復合物進行了磁熱性能測定。如圖5顯示，Au-Fe3O4@mSiO2復合物水溶液在不同條件下均可以較快的引起溫度升高，而且不同濃度和不同電流條件下溶液升溫情況不同。從圖5(a)中可以看出，隨著Au-Fe3O4@mSiO2復合物濃度的增大，溶液升溫速度加快，隨后逐漸減慢，進入一個穩定階段。溶液溫度上升幅度與Au-Fe3O4@mSiO2復合物濃度成正比，濃度越大，其溶液升高的幅度就越大。復合物濃度為10、25、40 mg·mL-1的溶液溫度在20 min內分別升高了6.6、7.7、9.8℃，溶液升溫速率從0.33 ℃·min-1增大到 0.49 ℃·min-1。 圖 5(b)表明，當Au-Fe3O4@mSiO2復合物濃度一定時，溶液溫度上升隨電流的增大而加快，隨著加熱時間的延長，溶液溫度升高到一定范圍進入了穩定階段。所設電流越大，其溶液溫度升高的幅度就越大。在電流為25.5、35.0、42.5 A的實驗條件下，溶液溫度在20 min內所對應的升高幅度分別為7.7、11.3、15.2℃，溶液升溫速率從0.39℃·min-1增大到0.76℃·min-1。這是由于通過改變設備電流，可以改變實驗樣品所處的磁場強度。根據H=當線圈匝數N和有效磁路長度Le一定時，磁場強度H與電流I成正比。實驗中，可以通過只改變電流來控制磁場強度的大小。

2.6 Au-Fe3O4@mSiO2復合物的光熱性能

圖6 Au-Fe3O4@mSiO2復合材料的光熱升溫曲線Fig.6 Photothermal heating curves of Au-Fe3O4@mSiO2 nanocomposite

光熱效應是由于材料受光照射后，入射光的波長與納米粒自由電子的振動頻率發生共振耦合時，就會產生表面等離子體共振，導致入射光的輻射能轉化為振動能而產生光熱效應[19]。利用808 nm激光發射器和熱成像儀在不同濃度和不同功率條件下對啞鈴型Au-Fe3O4@mSiO2復合物進行了光熱性能測定。在不同濃度和不同功率條件下，溶液溫度升高的速率和幅度均不相同。如圖6所示，不同濃度和不同功率條件下的溶液溫度均是先以較快的速率升高，隨著照射時間的延長，升溫速率逐漸減小，直至達到穩定。由6(a)表明Au-Fe3O4@mSiO2復合物的濃度為 10～40 mg·mL-1，溶液溫度在 10 min 內升高了5.3～12.5℃，溶液升溫速率從0.53℃·min-1增大到1.25℃·min-1。這種升溫效果可以滿足臨床上腫瘤熱療對溫度的要求。圖6(b)顯示，在Au-Fe3O4@mSiO2復合物濃度一定，功率密度從0.3 W·cm-2增加至1.2 W·cm-2時，溫度從6.9℃升高到20℃，溶液溫度升高速率從0.69℃·min-1增大到2℃·min-1。計算可知，相同濃度的復合物溶液，磁熱升溫速率/電流變化量為 0.022 ℃·min-1·A-1，而光熱升溫速率/功率密度變化量為 1.46 ℃·min-1·W-1·cm2，因此復合物光熱性能明顯優于磁熱性能。

2.7 Au-Fe3O4@mSiO2復合物的催化性能

在生理條件下，還原型谷胱甘肽(GSH)還原亞硝酸鈉(NaNO2)生成GSNO，Au與S的配位作用催化S-N鍵的斷裂產生NO和Au-S鍵。使用Griess試劑盒在模擬血漿條件下，通過NO釋放量測定Au-Fe3O4@mSiO2復合物催化性能[20]。Au-Fe3O4@mSiO2復合物溶液催化GSNO釋放NO結果見圖7。如圖所示，濃度為25 mg·mL-1的Au-Fe3O4@mSiO2復合物催化反應在前50 min反應最快，隨后逐漸變慢，60 min時達到持續穩定釋放，釋放量最大為9.743 μmol·L-1。

圖7 Au-Fe3O4@mSiO2復合材料的NO催化釋放曲線Fig.7 Catalytic release curve of NO by Au-Fe3O4@mSiO2 nanocomposite

3 結 論

(1)通過在Au表面處延氧化生長氧化鐵制備了啞鈴型Au-Fe3O4納米粒子，其單分散性較好，尺寸分布均一，粒徑為12～15 nm。

(2)通過金納米粒子和磁金納米復合物紫外光譜的對比分析，推測金納米粒子和磁納米子是以共用表面油酸穩定劑而發生表面電子傳導融合方式相結合，這對于多元含金復合物的合成機理研究具有參考價值。

(3)Au-Fe3O4@mSiO2復合物磁熱性能與濃度和外加磁場強度成正比。磁場電流為25.5 A時，復合物濃度從 10 mg·mL-1增大到 40 mg·mL-1， 溶液升溫速率從0.33℃·min-1增大到0.49℃·min-1；濃度為25 mg·mL-1時，磁場電流從25.5 A增大到42.5 A，溶液升溫速率從0.39℃·min-1增大到0.76℃·min-1。

(4)Au-Fe3O4@mSiO2復合物光熱性能與濃度和激光照射功率密度成正比。用808 nm激光照射，功率密度為0.6 W·cm-2時，復合物濃度從10 mg·mL-1增大到40 mg·mL-1，溶液升溫速率幅度從0.53℃·min-1增大到1.25℃·min-1；復合物濃度為25 mg·mL-1時，功率密度從0.3 W·cm-2增大到1.2 W·cm-2,溶液升溫速率從0.69℃·min-1增大到2℃·min-1。相同濃度的復合物溶液，光熱性能明顯優于磁熱性能。在模擬實驗條件下對啞鈴型磁金納米復合物光熱性能和磁熱性能的對比研究對腫瘤熱療研究具有借鑒意義。

(5)濃度為 25 mg·mL-1的 Au-Fe3O4@mSiO2復合物催化GSNO釋放NO的反應在60 min時達到持續穩定釋放，釋放量最大為9.743μmol·L-1。