一种金纳米球复合稀土Eu3+功能纳米材料的制备及光热监测应用

陈雪桥， 王小卉*， 于印霄， 韦晓菲， 程 琨， 赵俊芳， 杨 巍

(1. 北京邮电大学电子工程学院 安全生产智能监控北京市重点实验室， 北京 100876；2. 中国科学院 理化技术研究所， 北京 100080)

1 引 言

在工业、农业和生物医学等领域，温度检测均引起了广泛的关注[1-2]。在癌症治疗方面，光热治疗主要利用光热药剂在激光照射下产生热量，进而高温杀死肿瘤细胞[3-4]。目前常用的温度检测方式主要包括热电偶和热红外相机，由于其仅能反映宏观或物体表面温度的分布情况[5]，因此易引发过热现象，进而造成病灶周围正常细胞的损伤[6]。为了对光热过程中温度变化进行微观检测[7]，可将温度敏感探针与光热材料相复合，通过监控温敏探针荧光信号的变化来探测光热材料的实时微观温度[8-9]。Ding等[10]采用稀土Eu3+配合物纳米颗粒检测金纳米棒在光热治疗过程中的实时温度变化，但其仅反映环境的平均温度变化。Zhu等[11]将温度敏感的上转换发光材料包埋于NaLuF4纳米颗粒内，并在纳米颗粒表面复合光热碳层，用于监控光热治疗中材料的微观温度变化。Savchuk等[12]将上转换发光材料Ho3+、Tm3+包埋于KLu-(WO4)2纳米颗粒内，实现了在第一生物光学窗口(700～980 nm)范围内可调控的材料热释放和测温特性。Suo等[13]制备LuVO4∶Nd3 +/Yb3 +/ Er3 +@SiO2@Cu2S纳米平台，进行光热自监测灭活治疗。尽管目前已经报道了一些同时结合温敏探针和光热药剂的功能纳米材料，但其化学合成过程较为复杂[14]，因此需要设计更多操作简单的新型材料，以实现其自身光热现象的实时精确温度监测。

本文制备了一种内部封装温度敏感探针Eu(TTA)3(TPPO)2且表面复合金纳米球的功能纳米材料(Eu@Au-NPs)。首先采用再沉淀-包覆法[15]制备表面包覆多聚赖氨酸(PLL)内部掺杂Eu(TTA)3(TPPO)2的纳米颗粒，然后通过PLL表面氨基对金离子的络合作用，将金纳米颗粒原位生长于颗粒表面,即形成Eu@Au-NPs纳米材料。其中温敏探针Eu3+配合物具有较好的温度响应特性[16-19]。在激光辐照下，表面复合的金纳米球可产生一定的光热现象[3]，基于温敏探针的发光性能变化可以监测纳米材料自身的温度变化。

2 实 验

2.1 试剂与仪器

试剂：六水氯化铕(EuCl3·6H2O)、三苯基氧化膦(TPPO)、噻吩甲酰三氟丙酮(TTA)和聚苯乙烯(PS)购自Sigma-Aldrich。十二烷基三甲氧基硅烷(DTS)、四氢呋喃(THF)、无水乙醇、氢氧化钠(NaOH)和多聚赖氨酸(Poly-L-Lysine，MW 30-70 ku)购自国药集团化学试剂有限公司。四水氯金酸(HAlCl4·4H2O)、抗坏血酸(LAA)购自百灵威科技有限公司。实验过程中均使用去离子水。

仪器：利用日立JEM 1400EX透射电子显微镜表征纳米材料形貌(TEM)，采用马尔文Nano ZS90的激光粒度仪测试纳米材料的动态光散射粒径(DLS)，使用日立F-4600 荧光分光光度计表征纳米材料的荧光光谱，利用日本分光株式会社V-550分光光度计测试紫外-可见吸收光谱。

2.2 制备封装Eu(TTA)3(TPPO)2的温度敏感纳米颗粒

首先，采用溶剂热法[20]合成稀土配合物Eu(TTA)3(TPPO)2。然后，利用再沉淀-包覆法将配合物Eu(TTA)3(TPPO)2封装到纳米颗粒内部。具体而言，配置Eu(TTA)3(TPPO)2(2×10-3)、PS(2×10-3)和DTS(2×10-3)的四氢呋喃溶液，待其溶解后，配置Eu(TTA)3(TPPO)2、PS、DTS质量比为25∶25∶50的混合溶液，并且溶液总浓度为5×10-4，然后取1 mL该溶液在超声条件下迅速注入到5 mL含有PLL的去离子水中(0.03 mg/mL，pH=9)，由此产生的悬浮液避光静置2 h，最后在去离子水中透析24 h，即得到PLL包覆的封装温度敏感探针的纳米颗粒分散液(Eu-NPs)。

2.3 制备表面复合金纳米球的功能纳米材料

取16 mL上述Eu-NPs分散液，并加入2 mL浓度为0.7 mg/mL的HAuCl4溶液，混合均匀后将其置于4 ℃环境中避光静置6 h，随后在去离子水中透析12 h。然后，逐滴向反应液中加入0.8 mL浓度为0.1 mg/mL的抗坏血酸溶液，在回旋振荡条件下反应2 h，最后再透析12 h，即得到表面复合金纳米球的纳米材料(Eu@Au-NPs)。

3 结果与讨论

3.1 封装温敏探针Eu(TTA)3(TPPO)2的纳米颗粒制备与表征

首先,我们以Eu3+离子为中心离子，TTA为第一配体，TPPO为第二配体[18]，采用溶剂热法在无水乙醇环境下合成三元配合物Eu(TTA)3(TPPO)2。图1为Eu(TTA)3(TPPO)2的吸收光谱和荧光发射光谱，在荧光发射谱线中，稀土Eu3+离子5D0→7FJ(J=1,2,3)电子层级跃迁分别对应592,615,651 nm处的特征发射峰，其中5D0→7F2(615 nm)电偶极跃迁的发射峰最强，呈现红光荧光。

图1 Eu(TTA)3(TPPO)2在THF溶液中归一化的UV-Vis吸收光谱和荧光发射光谱,其中激发波长为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是疏水性有机分子，遇水易荧光猝灭，为提高其水溶性和光稳定性，我们利用改进的再沉淀-包覆法制备负载Eu(TTA)3(TPPO)2的杂化纳米颗粒(Eu-NPs)。将聚苯乙烯、硅氧烷和Eu(TTA)3(TPPO)2混合溶液注入pH=9的水溶液中，疏水性物质迅速缩聚形成球形颗粒，硅氧烷基团发生水解，在颗粒表面形成二氧化硅包覆层，对温敏探针具有保护作用[15]。同时，通过静电吸引作用，带负电的二氧化硅壳层吸附带正电的多聚赖氨酸形成PLL包覆层，用于进一步复合金纳米球。图2(a)为Eu-NPs的透射电子显微镜图像，结果表明纳米颗粒呈球形，表面被多聚赖氨酸壳层包覆，分散均匀，粒径约为(120±10) nm。此外，通过马尔文粒度仪对纳米颗粒进行动态光散射粒径分析，如图2(b)所示，纳米颗粒粒径大小约为120 nm，与透射电镜图结果基本相符。

在Eu-NPs中，Eu(TTA)3(TPPO)2分子随机分散，其发射峰形状与自由Eu(TTA)3(TPPO)2分子相似(图3(a))，表明纳米颗粒成功负载Eu(TTA)3(TPPO)2分子。图3(a)显示了Eu-NPs随温度升高的发射光谱变化，从图中可以看出，615 nm发射峰的强度随温度的升高逐渐下降，当温度从35 ℃升高至65 ℃时，荧光强度下降52.7%，实验结果表明Eu-NPs具有良好的温度敏感特性。图3(b)通过阿列纽斯方程对纳米颗粒发光强度与温度变化关系进行拟合：

图2 (a)多聚赖氨酸包覆的Eu-NPs的TEM图；(b)通过动态光散射测得的Eu-NPs的粒径分布图。

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

图3 (a)Eu-NPs在不同温度下的发射光谱；(b)615 nm发射峰的强度与温度变化的拟合曲线。

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

(1)

其中，I0为起始发射强度，I(T)为温度T时的发射强度，C为常数，k为玻尔兹曼常数，ΔE为发射能级与更高的激发态能级之间的能级差，T为温度。根据阿列纽斯方程拟合得到C=1.37，ΔE=0.738 eV，拟合度r2>0.998。

3.2 Eu@Au-NPs多功能纳米材料的制备及光热特性

由于表面等离子体共振效应，金纳米球具有良好的光热特性[21]。将一定浓度的HAuCl4溶液与Eu-NPs分散液均匀混合，Eu-NPs表面带正电性的PLL壳层可吸附带负电性的[AuCl4]-离子，加入抗坏血酸水溶液后，[AuCl4]-离子被原位还原合成复合金纳米球的功能纳米材料，通过高速离心去除[AuCl4]-离子和游离的金颗粒。如图4(a)所示，Eu-NPs表面成功复合球形金纳米颗粒，形成内部封装Eu(TTA)3(TPPO)2且表面复合金纳米球的功能纳米材料(Eu@Au-NPs)，其中金纳米球粒径约为5～10 nm。金纳米球粒径大小不同，可产生不同的表面等离子体共振波，进而导致吸收波段发生改变。由Eu@Au-NPs的吸收光谱可知(图4(b))，金纳米球在520 nm左右具有较强的吸收峰。利用520 nm激光器辐照Eu@Au-NPs分散液，通过热电偶温度计分析Eu@Au-NPs的光热效应。如图5所示，Eu@Au-NPs经520 nm激光辐照18 min后，分散液温度从30 ℃升高至41.9 ℃。而相同条件下，不含纳米材料的去离子水温度仅从30 ℃升高到31.7 ℃，实验结果表明Eu@Au-NPs具有良好的光热特性。

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

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

图5 在520 nm激光辐照下，Eu@Au-NPs和去离子水分别随辐照时间的温度变化。

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

图6 在520 nm激光器辐照下，Eu-NPs(a)和Eu@Au-NPs(b)随辐照时间的发射光谱变化；(c)Eu-NPs和Eu@Au-NPs的发射峰强度随辐照时间的变化关系。

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+温敏探针监测功能纳米材料的光热特性

由图3可知，Eu-NPs对温度极为灵敏，从而可用于检测Eu@Au-NPs自身光热效应的温度变化。将Eu-NPs和Eu@Au-NPs分散液分别置于比色皿中，利用520 nm激光进行辐照，分析两种纳米材料的发射光谱随温度的变化情况。如图6所示，随着激光器辐照时间的增加，Eu@Au-NPs的发射光强度逐渐降低(图6(a))，而Eu-NPs发射光强度基本不变(图6(b))。图6(c)为发射光强在610～625 nm波长范围内的归一化曲线积分，相比于Eu-NPs，Eu@Au-NPs发射峰强度变化明显，该结果表明利用Eu@Au-NPs中Eu3+的温度敏感特性可成功监测自身的光热效应。

4 结 论

本文采用溶剂热法合成温敏荧光探针Eu(TTA)3(TPPO)2，然后利用再沉淀-包覆法封装温敏探针Eu(TTA)3(TPPO)2形成Eu-NPs，该纳米颗粒的发射光具有良好的温度敏感性。利用原位还原法在Eu-NPs表面复合金纳米球形成Eu@Au-NPs，该多功能材料具有较好的光热特性，且基于自身的温度敏感性可成功监测光热过程中的温度变化，在光热治疗及疗效监测领域具有良好的应用前景。