一種金納米球復合稀土Eu3+功能納米材料的制備及光熱監測應用

陳雪橋， 王小卉*， 于印霄， 韋曉菲， 程 琨， 趙俊芳， 楊 巍

(1. 北京郵電大學電子工程學院 安全生產智能監控北京市重點實驗室， 北京 100876；2. 中國科學院 理化技術研究所， 北京 100080)

1 引 言

在工業、農業和生物醫學等領域，溫度檢測均引起了廣泛的關注[1-2]。在癌癥治療方面，光熱治療主要利用光熱藥劑在激光照射下產生熱量，進而高溫殺死腫瘤細胞[3-4]。目前常用的溫度檢測方式主要包括熱電偶和熱紅外相機，由于其僅能反映宏觀或物體表面溫度的分布情況[5]，因此易引發過熱現象，進而造成病灶周圍正常細胞的損傷[6]。為了對光熱過程中溫度變化進行微觀檢測[7]，可將溫度敏感探針與光熱材料相復合，通過監控溫敏探針熒光信號的變化來探測光熱材料的實時微觀溫度[8-9]。Ding等[10]采用稀土Eu3+配合物納米顆粒檢測金納米棒在光熱治療過程中的實時溫度變化，但其僅反映環境的平均溫度變化。Zhu等[11]將溫度敏感的上轉換發光材料包埋于NaLuF4納米顆粒內，并在納米顆粒表面復合光熱碳層，用于監控光熱治療中材料的微觀溫度變化。Savchuk等[12]將上轉換發光材料Ho3+、Tm3+包埋于KLu-(WO4)2納米顆粒內，實現了在第一生物光學窗口(700～980 nm)范圍內可調控的材料熱釋放和測溫特性。Suo等[13]制備LuVO4∶Nd3 +/Yb3 +/ Er3 +@SiO2@Cu2S納米平臺，進行光熱自監測滅活治療。盡管目前已經報道了一些同時結合溫敏探針和光熱藥劑的功能納米材料，但其化學合成過程較為復雜[14]，因此需要設計更多操作簡單的新型材料，以實現其自身光熱現象的實時精確溫度監測。

本文制備了一種內部封裝溫度敏感探針Eu(TTA)3(TPPO)2且表面復合金納米球的功能納米材料(Eu@Au-NPs)。首先采用再沉淀-包覆法[15]制備表面包覆多聚賴氨酸(PLL)內部摻雜Eu(TTA)3(TPPO)2的納米顆粒，然后通過PLL表面氨基對金離子的絡合作用，將金納米顆粒原位生長于顆粒表面,即形成Eu@Au-NPs納米材料。其中溫敏探針Eu3+配合物具有較好的溫度響應特性[16-19]。在激光輻照下，表面復合的金納米球可產生一定的光熱現象[3]，基于溫敏探針的發光性能變化可以監測納米材料自身的溫度變化。

2 實 驗

2.1 試劑與儀器

試劑：六水氯化銪(EuCl3·6H2O)、三苯基氧化膦(TPPO)、噻吩甲酰三氟丙酮(TTA)和聚苯乙烯(PS)購自Sigma-Aldrich。十二烷基三甲氧基硅烷(DTS)、四氫呋喃(THF)、無水乙醇、氫氧化鈉(NaOH)和多聚賴氨酸(Poly-L-Lysine，MW 30-70 ku)購自國藥集團化學試劑有限公司。四水氯金酸(HAlCl4·4H2O)、抗壞血酸(LAA)購自百靈威科技有限公司。實驗過程中均使用去離子水。

儀器：利用日立JEM 1400EX透射電子顯微鏡表征納米材料形貌(TEM)，采用馬爾文Nano ZS90的激光粒度儀測試納米材料的動態光散射粒徑(DLS)，使用日立F-4600 熒光分光光度計表征納米材料的熒光光譜，利用日本分光株式會社V-550分光光度計測試紫外-可見吸收光譜。

2.2 制備封裝Eu(TTA)3(TPPO)2的溫度敏感納米顆粒

首先，采用溶劑熱法[20]合成稀土配合物Eu(TTA)3(TPPO)2。然后，利用再沉淀-包覆法將配合物Eu(TTA)3(TPPO)2封裝到納米顆粒內部。具體而言，配置Eu(TTA)3(TPPO)2(2×10-3)、PS(2×10-3)和DTS(2×10-3)的四氫呋喃溶液，待其溶解后，配置Eu(TTA)3(TPPO)2、PS、DTS質量比為25∶25∶50的混合溶液，并且溶液總濃度為5×10-4，然后取1 mL該溶液在超聲條件下迅速注入到5 mL含有PLL的去離子水中(0.03 mg/mL，pH=9)，由此產生的懸浮液避光靜置2 h，最后在去離子水中透析24 h，即得到PLL包覆的封裝溫度敏感探針的納米顆粒分散液(Eu-NPs)。

2.3 制備表面復合金納米球的功能納米材料

取16 mL上述Eu-NPs分散液，并加入2 mL濃度為0.7 mg/mL的HAuCl4溶液，混合均勻后將其置于4 ℃環境中避光靜置6 h，隨后在去離子水中透析12 h。然后，逐滴向反應液中加入0.8 mL濃度為0.1 mg/mL的抗壞血酸溶液，在回旋振蕩條件下反應2 h，最后再透析12 h，即得到表面復合金納米球的納米材料(Eu@Au-NPs)。

3 結果與討論

3.1 封裝溫敏探針Eu(TTA)3(TPPO)2的納米顆粒制備與表征

首先,我們以Eu3+離子為中心離子，TTA為第一配體，TPPO為第二配體[18]，采用溶劑熱法在無水乙醇環境下合成三元配合物Eu(TTA)3(TPPO)2。圖1為Eu(TTA)3(TPPO)2的吸收光譜和熒光發射光譜，在熒光發射譜線中，稀土Eu3+離子5D0→7FJ(J=1,2,3)電子層級躍遷分別對應592,615,651 nm處的特征發射峰，其中5D0→7F2(615 nm)電偶極躍遷的發射峰最強，呈現紅光熒光。

圖1 Eu(TTA)3(TPPO)2在THF溶液中歸一化的UV-Vis吸收光譜和熒光發射光譜,其中激發波長為360 nm。

Fig.1 UV-Vis absorption spectrum and fluorescence emission spectrum of Eu(TTA)3(TPPO)2in THF solution (λex=360 nm)

配合物Eu(TTA)3(TPPO)2是疏水性有機分子，遇水易熒光猝滅，為提高其水溶性和光穩定性，我們利用改進的再沉淀-包覆法制備負載Eu(TTA)3(TPPO)2的雜化納米顆粒(Eu-NPs)。將聚苯乙烯、硅氧烷和Eu(TTA)3(TPPO)2混合溶液注入pH=9的水溶液中，疏水性物質迅速縮聚形成球形顆粒，硅氧烷基團發生水解，在顆粒表面形成二氧化硅包覆層，對溫敏探針具有保護作用[15]。同時，通過靜電吸引作用，帶負電的二氧化硅殼層吸附帶正電的多聚賴氨酸形成PLL包覆層，用于進一步復合金納米球。圖2(a)為Eu-NPs的透射電子顯微鏡圖像，結果表明納米顆粒呈球形，表面被多聚賴氨酸殼層包覆，分散均勻，粒徑約為(120±10) nm。此外，通過馬爾文粒度儀對納米顆粒進行動態光散射粒徑分析，如圖2(b)所示，納米顆粒粒徑大小約為120 nm，與透射電鏡圖結果基本相符。

在Eu-NPs中，Eu(TTA)3(TPPO)2分子隨機分散，其發射峰形狀與自由Eu(TTA)3(TPPO)2分子相似(圖3(a))，表明納米顆粒成功負載Eu(TTA)3(TPPO)2分子。圖3(a)顯示了Eu-NPs隨溫度升高的發射光譜變化，從圖中可以看出，615 nm發射峰的強度隨溫度的升高逐漸下降，當溫度從35 ℃升高至65 ℃時，熒光強度下降52.7%，實驗結果表明Eu-NPs具有良好的溫度敏感特性。圖3(b)通過阿列紐斯方程對納米顆粒發光強度與溫度變化關系進行擬合：

圖2 (a)多聚賴氨酸包覆的Eu-NPs的TEM圖；(b)通過動態光散射測得的Eu-NPs的粒徑分布圖。

Fig.2 (a) TEM images of Eu-NPs. (b) Histogram of Eu-NPs diameter data measured by dynamic light scattering.

圖3 (a)Eu-NPs在不同溫度下的發射光譜；(b)615 nm發射峰的強度與溫度變化的擬合曲線。

Fig.3 (a) Emission spectra of Eu-NPs at different temperatures. (b) Temperature-dependent luminescence intensity data at 615 nm.

(1)

其中，I0為起始發射強度，I(T)為溫度T時的發射強度，C為常數，k為玻爾茲曼常數，ΔE為發射能級與更高的激發態能級之間的能級差，T為溫度。根據阿列紐斯方程擬合得到C=1.37，ΔE=0.738 eV，擬合度r2>0.998。

3.2 Eu@Au-NPs多功能納米材料的制備及光熱特性

由于表面等離子體共振效應，金納米球具有良好的光熱特性[21]。將一定濃度的HAuCl4溶液與Eu-NPs分散液均勻混合，Eu-NPs表面帶正電性的PLL殼層可吸附帶負電性的[AuCl4]-離子，加入抗壞血酸水溶液后，[AuCl4]-離子被原位還原合成復合金納米球的功能納米材料，通過高速離心去除[AuCl4]-離子和游離的金顆粒。如圖4(a)所示，Eu-NPs表面成功復合球形金納米顆粒，形成內部封裝Eu(TTA)3(TPPO)2且表面復合金納米球的功能納米材料(Eu@Au-NPs)，其中金納米球粒徑約為5～10 nm。金納米球粒徑大小不同，可產生不同的表面等離子體共振波，進而導致吸收波段發生改變。由Eu@Au-NPs的吸收光譜可知(圖4(b))，金納米球在520 nm左右具有較強的吸收峰。利用520 nm激光器輻照Eu@Au-NPs分散液，通過熱電偶溫度計分析Eu@Au-NPs的光熱效應。如圖5所示，Eu@Au-NPs經520 nm激光輻照18 min后，分散液溫度從30 ℃升高至41.9 ℃。而相同條件下，不含納米材料的去離子水溫度僅從30 ℃升高到31.7 ℃，實驗結果表明Eu@Au-NPs具有良好的光熱特性。

圖4 (a)Eu@Au-NPs的TEM圖；(b)Eu@Au-NPs的吸收光譜。

Fig.4 (a) TEM images of Eu@Au-NPs. (b) Absorption spectrum of Eu@Au-NPs.

圖5 在520 nm激光輻照下，Eu@Au-NPs和去離子水分別隨輻照時間的溫度變化。

Fig.5 Temperature changes of Eu@Au-NPs and H2O under irradiation at 520 nm for various times (0-18 min), respectively.

圖6 在520 nm激光器輻照下，Eu-NPs(a)和Eu@Au-NPs(b)隨輻照時間的發射光譜變化；(c)Eu-NPs和Eu@Au-NPs的發射峰強度隨輻照時間的變化關系。

Fig.6 Emission spectra of Eu-NPs(a) and Eu@Au-NPs(b) under irradiation at 520 nm for various time(0-18 min). (c) Emission peak decline of Eu-NPs and Eu@Au-NPs under irradiation at 520 nm.

3.3 基于Eu3+溫敏探針監測功能納米材料的光熱特性

由圖3可知，Eu-NPs對溫度極為靈敏，從而可用于檢測Eu@Au-NPs自身光熱效應的溫度變化。將Eu-NPs和Eu@Au-NPs分散液分別置于比色皿中，利用520 nm激光進行輻照，分析兩種納米材料的發射光譜隨溫度的變化情況。如圖6所示，隨著激光器輻照時間的增加，Eu@Au-NPs的發射光強度逐漸降低(圖6(a))，而Eu-NPs發射光強度基本不變(圖6(b))。圖6(c)為發射光強在610～625 nm波長范圍內的歸一化曲線積分，相比于Eu-NPs，Eu@Au-NPs發射峰強度變化明顯，該結果表明利用Eu@Au-NPs中Eu3+的溫度敏感特性可成功監測自身的光熱效應。

4 結 論

本文采用溶劑熱法合成溫敏熒光探針Eu(TTA)3(TPPO)2，然后利用再沉淀-包覆法封裝溫敏探針Eu(TTA)3(TPPO)2形成Eu-NPs，該納米顆粒的發射光具有良好的溫度敏感性。利用原位還原法在Eu-NPs表面復合金納米球形成Eu@Au-NPs，該多功能材料具有較好的光熱特性，且基于自身的溫度敏感性可成功監測光熱過程中的溫度變化，在光熱治療及療效監測領域具有良好的應用前景。