哑铃型磁金介孔硅复合微球的制备及磁/光热催化性能测定

许丽丽 周妹婷 杨阿龙 王家幸 周天夫 张 莹

(沈阳药科大学，基于靶点的药物设计与研究教育部重点实验室，沈阳 110016)

0 引 言

磁性纳米粒子具有优异的超顺磁性、表面效应、小尺寸效应等独特的物理化学性质，在磁靶向药物传递[1]、磁共振造影[2]和生物检测[3]等领域已被广泛研究，特别是以Fe3O4纳米粒子为基础的生物材料研究已经取得很大进展。Fe3O4@mSiO2磁性介孔二氧化硅纳米复合微球兼具磁性粒子和介孔材料(壳层易修饰、可功能化和孔径可调)[4]的双重优势，因而在医药领域展现出很好的应用前景。随着一体化诊疗系统的出现，磁性介孔二氧化硅纳米复合微球被赋予了新的功能化需求——靶向、载药、释药、标记及热疗等。因此，更多功能材料的设计和性能研究将成为智能化医药诊疗发展的基石。

金纳米粒子具有独特的电学、光学、催化和生物亲和效应，是功能材料的研究焦点。近红外光照射下，金纳米粒子能在短时间内升高温度的特征已使其应用于体内光热治疗浅表肿瘤[5-7]。生理条件下，金纳米粒子能催化血液中S-亚硝基硫醇分解释放NO——标志肿瘤发生、发展和转化的信使分子[8]。聚焦于金纳米粒子卓尔不凡的性能和磁性介孔二氧化硅纳米复合微球的研究进展，磁金纳米复合介孔二氧化硅的设计及性能研究将为肿瘤一体化诊疗提供有价值的参考。

磁性氧化铁与金的复合有3种方式:以磁性氧化铁为种子，通过配体解吸与复吸在其表面还原Au(OOCCH3)3，原位合成磁金纳米复合微球[9-13]；以金纳米粒为种子，通过五羰基合铁(Fe(CO)5)在Au纳米粒外延氧化生长氧化铁，合成哑铃及花瓣型磁金纳米复合材料[14]；磁性氧化铁和金纳米粒通过配体间的化学偶联或静电作用的复合[15]。不同的复合方式，带来不同的结构和性能。因此，基于肿瘤一体化诊疗对于磁热、光热、催化及载药性能多方面需求的考虑，我们以金纳米粒为种子采取外延氧化生长氧化铁的方式，制备了哑铃型磁金纳米复合材料并包覆介孔二氧化硅层(Au-Fe3O4@mSiO2)；在模拟动物体内肿瘤热疗的条件下，测定了该磁金纳米复合介孔二氧化硅的磁热、光热及催化性能。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

Fe(CO)5(90%，沪震实业有限公司)、油酸钠(化学纯，国药集团化学试剂有限公司)、油酸(分析纯，天津永大化学试剂有限公司)、十六烷基三甲基溴化铵(CTAB，分析纯，北京化学试剂公司)、正己烷、异丙醇、无水乙醇、氢氧化钠(分析纯，天津市大茂化学试剂厂)、1-十八烯 (分析纯，北京百灵威试剂有限公司)、三辛胺、1，2，3，4-四氢萘(分析纯，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，北京百灵威科技有限公司)、正硅酸乙酯(TEOS，分析纯，德国CHMIE GMBH公司)、聚氧乙烯聚氧丙烯聚氧乙烯共聚物(F127，分析纯，德国BASF公司美国分公司)、氯金酸 (HAuCl4·3H2O，99.99%，阿法埃莎(中国)化学有限公司)、油胺(80%～90%，上海麦克林生化科技有限公司)、硝酸铵(分析纯，沈阳市试剂一厂)，Griess试剂盒(碧云天生物科技有限公司)。

激光器 (808 nm)、SPG-Ⅱ高频感应加热仪、Optris-400热成像仪、UV2000型紫外可见分光光度计、VSM7307振动样品磁强计、V-Sorb 2800P比表面孔径分析仪、JEOL 2010透射电子显微镜(工作电压 200 kV)、Thermo VG ESCALAB-250 X射线光电子能谱仪(2 keV的Ar离子枪进行表面剥离)。

1.2 金纳米粒子的制备

称取 1 g HAuCl4·3H2O 加入 100 mL 1，2，3，4-四氢萘中，接着加入10 mL油胺，溶液呈橘红色。室温下搅拌5 min，加热至65℃反应5 h。冷却至室温以后，加入100 mL无水乙醇，离心10 min(14 000 r·min-1)。 沉淀用无水乙醇洗涤,干燥，以 10 mg·mL-1的浓度分散于正己烷中。

1.3 Au-Fe3O4@mSiO2复合物的制备

N2保护下，将1 mL油酸加入20 mL十八烯中，120℃下反应20 min。加入0.15 mL Fe(CO)5搅拌5 min。加入0.5 mL油胺和1.4 mL制备的金纳米溶液，在20 min中内将温度升至310℃左右，保持45 min。冷却至室温以后，加入异丙醇沉淀Au-Fe3O4纳米颗粒，分级离心各10 min(5 000 r·min-1和11 000 r·min-1)。 用异丙醇洗涤沉淀，收集 11 000 r·min-1沉淀,以10 mg·mL-1的浓度分散于正己烷中，4℃保存。

称取0.25 g CTAB溶于20 mL蒸馏水，将1.3 mL Au-Fe3O4正己烷分散液在超声条件下分散于CTAB的水溶液中，探头超声50 min。然后在80℃下挥发正己烷10 min形成A液。称取0.25 g F127和0.10 g NaOH溶于80 mL蒸馏水，形成B液，50℃恒温搅拌1 h后，加入A液，搅拌30 min。接着加入2 mL TEOS乙醇溶液(体积比1∶1)，80℃下搅拌3 h后冷却至室温。离心5 min(11 000 r·min-1)后，收集Au-Fe3O4@mSiO2纳米粒子，水洗和醇洗各3次，60℃烘干。取上述产品100 mg超声分散于含有1.3 g硝酸铵的100 mL无水乙醇中，80℃下回流10 h，得到Au-Fe3O4@mSiO2，醇洗3次，烘干备用。实验流程如图1所示。

图1 Au-Fe3O4@mSiO2纳米复合材料的制备流程图Fig.1 Synthetic process chart of Au-Fe3O4@mSiO2 nanocomposite

2 结果与讨论

2.1 哑铃型Au-Fe3O4纳米粒子的形貌表征

图2 (a)哑铃型Au-Fe3O4的TEM图;(b～d)花瓣型Au-Fe3O4的TEM和HRTEM图;(e)Au-Fe3O4 EDX谱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

采用透射电镜(TEM)对制备的哑铃型Au-Fe3O4纳米粒子的形貌进行观察。11 000 r·min-1离心10 min所得产品量多，其电镜照片如图2(a)所示，制备的Au-Fe3O4纳米粒子分散性良好，尺寸分布较均一，呈哑铃型，粒径为12～15 nm。反应结束后以5 000 r·min-1离心 10 min所得产品量少(图 2(b～d))。结果显示，Au-Fe3O4纳米粒子呈花瓣状，粒径在20～30 nm。从高分辨电镜照片图2(b)中可以看出，每个粒子对应原子平台的晶格条纹表明2种纳米粒子都是单晶，由晶面间距可知其物相为Fe3O4(PDF No.89-4319)和 Au(PDF No.89-3697)， 其 中 且Fe3O4粒径为 10 nm，Au粒径为 6 nm。 据 Au和Fe3O4粒径尺寸差异可知花瓣型样品中粒径较大的粒子为Fe3O4，中心粒径较小的部分为Au。花瓣状的Au-Fe3O4纳米粒子由于粒径较大，质量较大，在低转速下就被离心下来。因此，在后处理过程中通过11 000 r·min-1离心来收集哑铃型的Au-Fe3O4纳米粒子。图2(e)中出现Fe、O和Au的特征峰，表明制备的复合物成分中含Fe、O和Au。

2.2 Au-Fe3O4的紫外吸收光谱

Fe3O4晶种和Au纳米粒以共用表面油酸稳定剂的方式连接，并在极性匹配的溶剂中生长成哑铃型。这种哑铃型结构是非对称性导电的，Au表面电子传递到Fe3O4后，其光吸收特征被破坏，538 nm处的特征峰消失。对比由配体交换方式合成的核壳型Fe3O4@Au复合物，其结构是对称性导电的，Au表面电子特征受Fe3O4的影响较小，538 nm特征峰位移及强度变化较小[16-17]。因此，可以通过Au特征峰的位移变化判断多元含金复合物的合成机理。

图3 Au和Au-Fe3O4复合物的紫外可见吸收光谱Fig.3 UV-Vis adsorption spectra of the Au and Au-Fe3O4 nanocomposite

2.3 Au-Fe3O4@mSiO2复合物的X射线光电子能谱

在原微观形貌表征基础上，选用XPS方法对复合物的宏观组成即各元素百分比进行了定量分析。该复合物的XPS测定结果如表1所示。哑铃型的Fe3O4和 Au以 1∶1 方式(图 2(a))结合，而花瓣型 Fe3O4和 Au 则以 2∶1(图 2(d))或 4∶1 方式(图 2(c))结合。 基于对样品采取分级离心过程可分别得到图2(a)和图2(c，d)所示产物，且所得的图2(a)中样品产量多的实验现象，结合XPS测定Fe和Au的原子比近似2∶1的结果，可知该实验条件下所制备样品是既有哑铃型又有花瓣型复合物的混合物，且以哑铃型产物为主。

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

2.4 Au-Fe3O4@mSiO2复合物的磁性能

样品的室温磁滞曲线如图4所示。样品在20 kOe的磁场条件下，磁化强度有达到饱和的趋势，数值接近2.85 emu·g-1。在磁化强度为0时，样品的矫顽力为0.4 Oe，剩磁接近于0。可见，室温Au-Fe3O4@SiO2复合物显示出超顺磁性。纳米Fe3O4在外场下比较容易达到饱和，但图4表明其在20 kOe外场下仍未饱和，这是因为哑铃型结构是非对称性导电的，Fe3O4表面电子与Au电子有相互融合，导致Fe3O4表面电子与内部电子差异较大，因而相对于球形纳米Fe3O4而言更不容易达到饱和磁化状态。

图4 Au-Fe3O4@mSiO2复合材料的磁滞曲线Fig.4 Magnetic-hysteresis curve of Au-Fe3O4@mSiO2 nanocomposite

2.5 Au-Fe3O4@mSiO2复合物的磁热性能

图5 Au-Fe3O4@mSiO2复合材料的磁热升温曲线Fig.5 Magnetocaloric heating curves of Au-Fe3O4@mSiO2 nanocomposite

磁性材料或亚铁磁材料在交变磁场中由于磁滞损耗、涡流损耗而引起磁热效应[18]。利用磁感应加热机和热成像仪在不同浓度和不同电流下对哑铃型Au-Fe3O4@mSiO2复合物进行了磁热性能测定。如图5显示，Au-Fe3O4@mSiO2复合物水溶液在不同条件下均可以较快的引起温度升高，而且不同浓度和不同电流条件下溶液升温情况不同。从图5(a)中可以看出，随着Au-Fe3O4@mSiO2复合物浓度的增大，溶液升温速度加快，随后逐渐减慢，进入一个稳定阶段。溶液温度上升幅度与Au-Fe3O4@mSiO2复合物浓度成正比，浓度越大，其溶液升高的幅度就越大。复合物浓度为10、25、40 mg·mL-1的溶液温度在20 min内分别升高了6.6、7.7、9.8℃，溶液升温速率从0.33 ℃·min-1增大到 0.49 ℃·min-1。 图 5(b)表明，当Au-Fe3O4@mSiO2复合物浓度一定时，溶液温度上升随电流的增大而加快，随着加热时间的延长，溶液温度升高到一定范围进入了稳定阶段。所设电流越大，其溶液温度升高的幅度就越大。在电流为25.5、35.0、42.5 A的实验条件下，溶液温度在20 min内所对应的升高幅度分别为7.7、11.3、15.2℃，溶液升温速率从0.39℃·min-1增大到0.76℃·min-1。这是由于通过改变设备电流，可以改变实验样品所处的磁场强度。根据H=当线圈匝数N和有效磁路长度Le一定时，磁场强度H与电流I成正比。实验中，可以通过只改变电流来控制磁场强度的大小。

2.6 Au-Fe3O4@mSiO2复合物的光热性能

图6 Au-Fe3O4@mSiO2复合材料的光热升温曲线Fig.6 Photothermal heating curves of Au-Fe3O4@mSiO2 nanocomposite

光热效应是由于材料受光照射后，入射光的波长与纳米粒自由电子的振动频率发生共振耦合时，就会产生表面等离子体共振，导致入射光的辐射能转化为振动能而产生光热效应[19]。利用808 nm激光发射器和热成像仪在不同浓度和不同功率条件下对哑铃型Au-Fe3O4@mSiO2复合物进行了光热性能测定。在不同浓度和不同功率条件下，溶液温度升高的速率和幅度均不相同。如图6所示，不同浓度和不同功率条件下的溶液温度均是先以较快的速率升高，随着照射时间的延长，升温速率逐渐减小，直至达到稳定。由6(a)表明Au-Fe3O4@mSiO2复合物的浓度为 10～40 mg·mL-1，溶液温度在 10 min 内升高了5.3～12.5℃，溶液升温速率从0.53℃·min-1增大到1.25℃·min-1。这种升温效果可以满足临床上肿瘤热疗对温度的要求。图6(b)显示，在Au-Fe3O4@mSiO2复合物浓度一定，功率密度从0.3 W·cm-2增加至1.2 W·cm-2时，温度从6.9℃升高到20℃，溶液温度升高速率从0.69℃·min-1增大到2℃·min-1。计算可知，相同浓度的复合物溶液，磁热升温速率/电流变化量为 0.022 ℃·min-1·A-1，而光热升温速率/功率密度变化量为 1.46 ℃·min-1·W-1·cm2，因此复合物光热性能明显优于磁热性能。

2.7 Au-Fe3O4@mSiO2复合物的催化性能

在生理条件下，还原型谷胱甘肽(GSH)还原亚硝酸钠(NaNO2)生成GSNO，Au与S的配位作用催化S-N键的断裂产生NO和Au-S键。使用Griess试剂盒在模拟血浆条件下，通过NO释放量测定Au-Fe3O4@mSiO2复合物催化性能[20]。Au-Fe3O4@mSiO2复合物溶液催化GSNO释放NO结果见图7。如图所示，浓度为25 mg·mL-1的Au-Fe3O4@mSiO2复合物催化反应在前50 min反应最快，随后逐渐变慢，60 min时达到持续稳定释放，释放量最大为9.743 μmol·L-1。

图7 Au-Fe3O4@mSiO2复合材料的NO催化释放曲线Fig.7 Catalytic release curve of NO by Au-Fe3O4@mSiO2 nanocomposite

3 结 论

(1)通过在Au表面处延氧化生长氧化铁制备了哑铃型Au-Fe3O4纳米粒子，其单分散性较好，尺寸分布均一，粒径为12～15 nm。

(2)通过金纳米粒子和磁金纳米复合物紫外光谱的对比分析，推测金纳米粒子和磁纳米子是以共用表面油酸稳定剂而发生表面电子传导融合方式相结合，这对于多元含金复合物的合成机理研究具有参考价值。

(3)Au-Fe3O4@mSiO2复合物磁热性能与浓度和外加磁场强度成正比。磁场电流为25.5 A时，复合物浓度从 10 mg·mL-1增大到 40 mg·mL-1， 溶液升温速率从0.33℃·min-1增大到0.49℃·min-1；浓度为25 mg·mL-1时，磁场电流从25.5 A增大到42.5 A，溶液升温速率从0.39℃·min-1增大到0.76℃·min-1。

(4)Au-Fe3O4@mSiO2复合物光热性能与浓度和激光照射功率密度成正比。用808 nm激光照射，功率密度为0.6 W·cm-2时，复合物浓度从10 mg·mL-1增大到40 mg·mL-1，溶液升温速率幅度从0.53℃·min-1增大到1.25℃·min-1；复合物浓度为25 mg·mL-1时，功率密度从0.3 W·cm-2增大到1.2 W·cm-2,溶液升温速率从0.69℃·min-1增大到2℃·min-1。相同浓度的复合物溶液，光热性能明显优于磁热性能。在模拟实验条件下对哑铃型磁金纳米复合物光热性能和磁热性能的对比研究对肿瘤热疗研究具有借鉴意义。

(5)浓度为 25 mg·mL-1的 Au-Fe3O4@mSiO2复合物催化GSNO释放NO的反应在60 min时达到持续稳定释放，释放量最大为9.743μmol·L-1。