W18O49纳米颗粒的制备及体内外光热生物成像研究

王 辰 ，王 宁 ，2，李 倩 ，刘 杰 ，隋 心 ，张 钰

（1.吉林化工学院 材料科学与工程学院，吉林 吉林 132022；2.北京科技大学 材料科学与工程学院，北京 100001）

W18O49纳米颗粒的制备及体内外光热生物成像研究

王 辰1，王 宁1，2，李 倩1，刘 杰1，隋 心1，张 钰1

（1.吉林化工学院 材料科学与工程学院，吉林 吉林 132022；2.北京科技大学 材料科学与工程学院，北京 100001）

为了简化W18O49纳米颗粒的制备工艺流程，以WCl6为钨源，采用一步水热合成方式，制备出了具有类似纳米束捆绑结构的W18O49纳米颗粒。其相组成、显微组织形貌、吸收光谱、光热性能分别通过X射线衍射仪（XRD）、透射电镜（TEM）、分光光度计（UV-Vis-NIR）和热成像仪（PTI）进行检测。结果表明，W18O49纳米颗粒物相结构单一、纯度高、稳定性好、形貌均匀。其吸收光谱带在780～1 100 nm之间。在980 nm近红外光照射下，W18O49纳米颗粒甲醇溶液具有明显的升温现象，光热转换能力强。W18O49纳米颗粒在500 μg/mL范围内L929细胞存活率均高于94%，说明其具有良好的生物相容性。W18O49纳米颗粒在激光照射下呈现梯度热像，说明其生物体内外热成像能力强。

W18O49；光热；纳米颗粒；水热合成；体内成像；体外成像

0 引言

近年来，低价氧化钨（WO3-x）因其独特的物理化学性质，在场发射、光催化、气敏器件及电致变色器件等领域成为备选材料[1-5]。其中，W18O49由于其自身特殊的结构缺陷和性能，引起了科研人员的广泛兴趣。在报道过的所有低价氧化钨（WO3-x）材料中，仅有W18O49能够以纯氧化物形式存在，且具有较多的氧缺陷[6]。另外，W18O49包含混合价态钨离子，这使其具有很好的近红外光屏蔽能力[7]。Wang等人[8]将WCx薄膜退火，并伴随采用直接氧化等工艺合成了W18O49纳米线。Lee 等人[9]将 W（CO）6、Me3NO·2H2O和油胺在250～270℃下反应，高温热解后得到W18O49纳米棒胶体。迄今为止，W18O49纳米材料可以通过多种方式合成，但是产物大部分呈一维及二维形式，而三维粉体颗粒的合成还不够成熟[10]。为此，低毒、设备要求低、工艺简单的W18O49纳米粉体制备工艺亟待开发。本研究以WCl6为钨源，采用水热合成法一步实现了W18O49纳米粉体颗粒的合成。除对W18O49纳米颗粒的相结构、显微形貌及光谱吸收进行了表征外，还对其在红外激光照射下的光热转换能力进行了评估。

1 试验

1.1 W18O49纳米颗粒的制备

W18O49纳米颗粒合成工艺流程如图1所示。取0.119 g氯化钨粉末溶解于20 mL异丙醇中，磁力搅拌15 min后，形成透明黄色溶液备用。分别用水、酒精和异丙醇清洗容量为25 mL的聚四氟乙烯内衬，随后将内衬嵌入不锈钢反应釜中。移取搅拌后的溶液至聚四氟乙烯内衬中，固定密封后放入鼓风干燥箱，200℃条件下加热12 h，随后自然冷却至室温。收集反应釜中的液体及沉淀物，用超纯水和无水乙醇清洗三次。最后，将所得沉淀物直接分散于甲醇中。

图1 W18O49纳米颗粒合成工艺示意图Fig.1 Scheme of W18O49nanoparticles synthesis process

1.2 W18O49纳米颗粒的测试与表征

用X射线衍射仪（Bruker）分析试样的相组成。用透射电子显微镜（FEI Tecnai G2 S-Twin，200KV）对试样进行透射电镜（TEM）成像，观察其显微组织形貌。利用分光光度计（Perkin-Elmer 580BIR）对试样进行FI-IR光谱测试。最后，在近红外激光照射下（980 nm，0.8 W/cm2），用红外热像仪（Fluke）观察样品的光热升温情况。

1.3 W18O49纳米颗粒的生物相容性及体内外成像

采用标准MTT法对W18O49纳米颗粒的生物相容性进行测试。打开灭菌后的96孔板，在各孔内均接种100 μL的L929细胞培养基，使铺板后细胞密度维持在63 000～73 000个/mL。培养24 h以后，分别加入不同浓度的W18O49纳米颗粒培养基。在37℃的培养箱中保温24 h，取出后添加20 μL/孔的MTT溶液，继续培养4 h，将上清液吸出，加入150 μL DMSO，摇晃10 min后，用酶标仪测试吸光度，并计算L929细胞的成活率。

将三块玻片置于培养皿中，培养24 h后，用移液枪将W18O49纳米颗粒滴加在其中的两块上面，选择其中一块进行激光光照试验，另一块不进行激光处理。与此同时，选择未经滴加样品的玻片进行对比光照试验。光照过程两块玻片的波长，功率和时间相同（980 nm，0.5 W/cm2，10 min）。体内光热成像选择荷瘤后的昆明小鼠进行表征。取100 μL的样品/生理盐水混合液对小鼠进行瘤内注射，并同时辅以980 nm激光辐照，随时间变化的小鼠热像图用红外热像仪拍摄并记录。

2 结果与分析

2.1 W18O49显微组织结构分析

将水热合成后得到的W18O49甲醇溶液滴于石英玻片上，并且用X射线衍射分析仪测试其相组成，结果如图2所示。通过对图中衍射峰所在位置与标准卡片比对后可知，该W18O49纳米颗粒结晶度较高，杂质含量较低，物相结构单一性强。图3为经12h反应后所得W18O49纳米颗粒的显微组织形貌。从图3（a）中可以看出，W18O49颗粒大小约为 100～150nm，形状近似球形，但其表面较为粗糙，存在大量无序排列的纳米线。进一步放大观察可知（如图3（b）），W18O49纳米颗粒是由众多平行纳米线捆绑堆叠而成。所以在利用透射电镜进行观察时，颗粒的核心部分颜色较深，越靠近颗粒表面的区域颜色越浅。试样悬浮液如图4内嵌照片所示。利用紫外-可见-近红外光谱仪测试W18O49纳米颗粒的光学性质，其吸收光谱（如图4）说明，W18O49纳米颗粒在近红外光区区展现出较宽的吸收带（780～1 100 nm）。这主要是受其特殊的显微组织结构影响，W18O49纳米颗粒存在很强的局部表面等离子体共振效应所致[11]。

图2 W18O49纳米颗粒XRD图谱Fig.2 XRD pattern of W18O49nanoparticles

图3 在200°C、12 h条件下利用水热反应合成W18O49纳米颗粒的透射电镜图像Fig.3 TEM images of the W18O49nanoparticles synthesized by hydrothermal reaction at 200°C for 12 h

图4 W18O49悬浮液的紫外-可见-近红外吸收光谱Fig.4 UV-vis-NIR absorption spectrum of W18O49suspensions

2.2 W18O49的光热性能分析

由于W18O49纳米颗粒具有很好的近红外吸收特性，在近红外激光照射条件下，其温度会随照射时间的延长逐渐升高。为了进一步研究W18O49纳米颗粒的光热性能，研究利用激光束对样品的甲醇悬浮液进行辐照，并同时利用红外成像系统监测其温度变化，以期探究其光热转化能力。图5为悬浮液在980 nm激光束照射下，不同时间内拍摄的红外热像。通过对图中的红外热像变化进行观察可知，随着时间的延长，试样的温度呈现梯度渐变的规律，其具体的温度增加效果如图6所示。从图中可以看出，试样温度的增加速率呈现逐渐下降的趋势，表明其温度的增加正逐渐向极限值靠近。试样在0min和10min时温度分别为24.5℃和67.3℃，即增加值约为42℃，说明W18O49纳米颗粒具有很强的光热转换能力[12]。

图5 980 nm激光照射下W18O49悬浮液红外热像Fig.5 IR thermal images of W18O49suspensions under 980 nm laser irradiation

图6 980 nm激光照射下W18O49悬浮液的温度变化曲线Fig.6 Temperature change curve of W18O49suspensions under 980 nm laser irradiation

2.3 W18O49在生物体内外光热成像上的应用

图7 W18O49纳米颗粒的生物相容性Fig.7 Biocompatibility of W18O49nanoparticles

图8 W18O49纳米颗粒体外成像效果Fig.8 In-vitro imaging results of W18O49nanoparticles

为了将W18O49纳米颗粒的光热特性应用于生物领域，本文利用MTT试验对其进行生物相容性考察，结果如图7所示。在不同浓度条件下，L929细胞的存活率均高于94%，这说明该纳米颗粒对生物体影响较小，生物相容性良好。将玻片植入培养皿中进行细胞培养，待细胞成熟贴壁后，改变试验条件进行对比测试（如图8（a）所示）。测试条件如下：仅激光照射（左侧玻片），滴加纳米颗粒后激光照射（中间玻片），滴加纳米颗粒无激光照射（右侧玻片）。在激光照射5 min以后，拍摄培养皿及玻片的红外热像（如图8（b）所示）。通过对图中热像区域观察可以发现，纳米颗粒可以产生一定的热量并同时呈现梯度热像。单纯的激光照射和滴加纳米颗粒并无此效果，说明该温度梯度热像的产生是由于W18O49纳米颗粒的激光辐照，并非纳米颗粒与细胞间作用产生。W18O49纳米颗粒体内近红外热像结果如图9所示。随着时间的延长，小鼠荷瘤部位出现了渐变的红外梯度热像，由于近红外光对组织具有很好的穿透性，所以W18O49纳米颗粒体具有体内热像的能力。

图9 W18O49纳米颗粒的体内成像效果Fig.9 In-vivo imaging resuls of W18O49nanoparticles

3 结论

（1）采用一步水热法制备的W18O49纳米颗粒具有平行纳米线捆绑堆叠形貌，尺寸约为100～150nm，且物相单一、均匀性好；紫外-可见吸收光谱显示，该纳米颗粒在780～1 100 nm间吸收峰较高，说明W18O49纳米颗粒具有很强的近红外光吸收能力。

（2）980 nm激光束照射W18O49纳米颗粒悬浮液10 min后，红外热像其显示温度上升约42℃，W18O49纳米颗粒具有较强的光热转换能力。

（3）W18O49纳米颗粒具有良好的生物相容性。在980 nm近红外激光辐照下，该纳米颗粒具有体内外光热成像能力。

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Study on the Preparation and in Vivoamp;in Vitro Photothermal Bioimaging of W18O49Nanoparticles

WANG Chen1,WANG Ning1,2,LI Qian1,LIU Jie1,SUI Xin1,ZHANG Yu1
(1.School of Materials Science and Engineering,Jilin Institute of Chemical Technology,Jilin 132022,Jilin,China;2.School of Materials Science and Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China)

In order to simplify the preparation process,W18O49nanoparticles with bundle-like structure were prepared by one-step hydrothermal synthesis using WCl6as tungsten source.The phase composition,microstructure,absorption spectra,photothermal properties were detected by X-ray diffraction (XRD),transmission electron microscopy(TEM),spectrophotometer(UV-Vis-NIR)and photothermal imager(PTI).The results show that W18O49nanoparticles have single phase structure,high purity,good stability and uniform morphology.The absorption band of W18O49nanoparticles is between 780 nm and 1 100 nm.Under the irradiation of 980 nm near-infrared light,W18O49nanoparticles methanol solution has obvious temperature rising phenomenon,and the photothermal conversion ability is strong.The viability of L929 nanoparticles was higher than 94%in the range of 500 g/mL,indicating that W18O49nanoparticles have good biocompatibility.Under laser irradiation,W18O49nanoparticles exhibit gradient thermal images,showing their in vivoamp;in vitro thermal imaging ability are strong.

W18O49;photothermal;nanoparticles;hydrothermal synthesis;in vivo imaging;in vitro imaging

TF125

A

10.3969/j.issn.1009－0622.2017.05.010

2017-07-18

吉林省科技发展计划项目（20130102005JC）；吉林市科技创新发展计划项目（20161205）

王 辰（1988-），男，辽宁清原人，讲师，主要从事金属-无机非金属材料粉末冶金研究。

张 钰（1972-），女，吉林吉林人，教授，主要从事材料科学与能源工程研究。

（编辑：刘新敏）