二氧化钼杂化纳米探针的构建及性能

何 鹏,韩文豪,毕 成,牛淑妍

(青岛科技大学 化学与分子工程学院，山东青岛266042)

借助于局部表面等离子体共振(LSPR)技术[1]，纳米材料可以有效地聚集和放大共振激发下其表面附近的入射光[2-3]。纳米材料的近场增强性能也赋予了等离子体纳米材料吸收光的能力。纳米级的等离子体材料由于其优越的光学特性，在光催化、光热疗法(PTT)和表面增强拉曼散射(SERS)等应用方面有巨大的应用潜力[4-6]。Au纳米笼[7]、Ag纳米晶体[8]和Pd纳米片[9]等纳米结构贵金属材料作为常规的等离子体纳米材料引起了广泛的科学关注。尽管上述材料对LSPR进行了有效的放大处理，但等离子激元贵金属纳米材料仍存在一些严重缺陷，例如成本高、生物相容性和稳定性差等缺陷，这不可避免的限制了其实际应用[10]。

过渡金属氧化物由于其金属阳离子的d电子层电子比较活泼，容易导致电子或空穴载流子的局域化，具有耐热性、抗毒性、光敏、热敏的特性。近几年，人们发现一些过渡金属氧化物具有局部表面等离子共振效应(LSPR)，表现出表面增强拉曼散射(SERS)活性，可作为SERS基底而受到高度关注[11-12]。SERS已被证明是一种有效的检测痕量物质的有效工具，除贵金属外，等离子体半导体和过渡金属氧化物由于价格低廉，拉曼增强性能优越，常被用作SERS的基底，如铜硫系(Cu Te、CuS和CuSe)[13-16]、W18O29和Cu2O等。由于铜硫系其增强因子(EF)相对较弱，不能够满足对痕量化学分子的高灵敏度检测。W18O29、Cu2O等氧化物虽然具有较高的EF值，可达8.0×105，但是其稳定性差，在空气中易被氧化，LSPR效应也会随着氧空穴的消失而减弱[17-18]。而氧化钼(MoO2)不仅具有强的LSPR效应，而且含有大量的氧空位，具有较好的稳定性[19]。此外，MoO2还具有较高的近红外吸收特性，可用作光热转换材料，用于光热治疗(PTT)[20-21]。

本研究通过多巴胺在碱性条件下的自聚合特性，在多巴胺聚合的过程中加入Mo O2纳米粒子，自聚合成为掺杂MoO2的聚多巴胺纳米材料。通过引入多巴胺，可以聚集Mo O2纳米粒子，进一步增强光热性能。随后在聚多巴胺粒子的表面原位还原上铂颗粒以合成最终的MPDPs纳米粒子。设计合成的MPDPs纳米粒子同时具备表面增强拉曼、光热和产生氧气的作用，纳米粒子粒径为40 nm，并有望通过胞吞作用进入肿瘤细胞实现对癌症的检测与治疗。

1 实验部分

1．1 试剂与仪器

柠檬酸钠，上海阿拉丁化学试剂公司;氯铂酸，上海阿拉丁化学试剂公司;TCEP，阿达玛斯试剂公司;盐酸多巴胺，上海阿拉丁化学试剂公司;MoS2(＜2μm)，上海阿拉丁化学试剂公司;乙醇，天津天力化学试剂有限公司;H2O2，天津天力化学试剂有限公司。

紫外分光光度计，Cary 50 UV-Vis-NIR型，美国Varian公司;透射电子显微镜，JEM-2000EX型，日本Hitachi公司;激光拉曼光谱仪，Renishaw in Via型，英国Renishaw公司;纳米颗粒跟踪分析仪，ZetaView型，德国Particle Metrix公司;XPS分析仪，Thermo ESCALAB 250XI型，美国赛默飞世尔公司;FT-IR光谱仪，Nicolet 6700型，美国Nicolet公司。

实验中所用的试剂均为分析纯(AR)，未做进一步处理，所用的溶液均为超纯水配制。

实验中用到的合成寡核苷酸链均为上海生工生物工程股份有限公司提供，序列如表1所示。

表1 实验中用到的DNA序列Table 1 DNA sequence used in the experiment

1．2 MoO2纳米粒子的合成

将1.6 m L的H2O2添加到30 m L含30 mg MoS2粉末的乙醇中，搅拌15 min后，将混合物移入特氟隆高压釜中，在180℃下加热5 h，得到蓝绿色的产品，冷却至室温后收集。然后使用1 000 D的透析袋在去离子水中透析48 h，再用0.22μm孔的纤维素酯膜进行真空过滤。随后，将收集的悬浮液冷冻干燥，并制备出二氧化钼。最终将粉末于－20℃储存以进一步进行实验。

1．3 MPDPs纳米粒子的合成

首先将10 mg Mo O2粉末溶解在10 mmol·m L－1Tris-HCl(p H＝8.5)中，在10 m L 1 mg·m L－1的Mo O2溶液中分别加入0.1，0.25，0.5，0.75，1和2 mg的盐酸多巴胺粉末，室温下搅拌4 h，离心分散后重新溶解在去离子水中。取5 m L的PDA＠Mo O2溶液加入0.7 m L氯铂酸水溶液(4 mg·m L－1)，在90℃的油浴中搅拌反应24 h以在聚多巴胺表面原位还原Pt颗粒。反应结束后离心洗涤，分散在去离子水中并与4℃储存。

1．4 光热实验

为验证MPDPs纳米粒子的光热增强效果，使用808 nm红外激光器和手持式热敏成像检测器进行实验验证。首先分别在相同条件下使用激光器(1.2 W·cm－2)对去离子水、MoO2溶液、PDA＠Mo O2溶液和MPDPs纳米粒子照射10 min，依次拍照记录每分钟的温度变化。随后停止激光照射，并每隔1 min拍照记录MPDPs纳米粒子的冷却温度，重复上述操作5次，绘制冷却曲线，并计算光热转换效率。

1．5 SERS检测

为验证MPDPs纳米粒子的SERS增强效果，在MPDPs纳米粒子的表面通过巯基-醌基的作用连接上Cy5拉曼信号DNA分子。取1μL修饰Cy5的MPDPs纳米粒子滴在金玻璃片上，干燥后用激光拉曼光谱仪的633 nm激光器进行SERS检测。

1．6 实验原理

MPDPs纳米粒子的合成步骤如图1所示。首先由硫化钼通过无表面活性剂的溶剂热方法来制备氧化钼纳米材料，随后由于盐酸多巴胺的碱性自聚合特性，将氧化钼纳米材料掺杂在聚多巴胺纳米球中，形成PDA＠Mo O2纳米粒子。最后，在聚多巴胺纳米粒子的表面原位还原上Pt颗粒以合成MPDPs纳米粒子。通过合适的合成时间，制备的Mo O2纳米材料表现出强烈的近红外吸收能力，产生强烈的LSPR效应和光热效果。基于这种独特的性能，等离子Mo O2纳米片可作为SERS活性基底和光热治疗剂，用于痕量生物分子的检测和肿瘤热消融。在此基础上，利用聚多巴胺的包覆和累积作用，进一步增强了Mo O2纳米粒子的LSPR效应和光热效率。同时，MPDPs纳米粒子表面的Pt颗粒具有产氧和进一步增强LSPR效应的作用，可以提高SERS增强效果和光热性能，优秀的产氧能力能够为后续的光动力治疗解决乏氧的问题。

图1 MPDPs的合成示意图Fig．1 Schematic illustration of phased-controlled synthesis of MPDPs NPs

2 结果与讨论

2．1 MPDPs的TEM表征

用透射电子显微镜(TEM)表征了Mo O2纳米粒子、Mo O2＠PDA和MPDPs的微观结构和形貌，见图2。图2(a)显示了等离子体Mo O2纳米粒子的TEM照片，可以清楚地看到Mo O2纳米粒子是均匀分散的，并且大小均匀，横向尺寸约为3 nm。TEM图像还显示Mo O2的晶格条纹为0.24 nm，对应单斜Mo O2的(200)面。通过多巴胺在碱性溶液中的自聚合反应合成了Mo O2＠PDA纳米粒子，见图2(b)。可以发现，纳米材料具有双层结构，对应于深色的为Mo O2，和对比度较低的PDA涂层。Mo O2＠PDA纳米材料为大小较为均一的球型纳米粒子，粒径约为40 nm。PDA具有丰富的胺基和羟基，显示出对金属离子的还原能力和配位点。因此，PDA被用作还原剂以将Pt4＋离子还原为Pt纳米颗粒。同时，PDA纳米粒子在稳定和支撑Pt纳米粒子方面也起着重要作用。大约5 nm的Pt纳米颗粒均匀地分布在表面(图2(c))。

图2 MoO2纳米粒子、MoO2＠PDA纳米粒子和MPDPs纳米粒子的TEM照片Fig．2 TEM images of MoO2 NPs，Mo O2＠PDA NPs and MPDPs NPs

通过EDS能谱分析可以进一步确定MPDPs纳米粒子的元素组成，见图3。氧元素和钼元素来自氧化钼纳米粒子，碳和氮元素由PDA外壳提供，铂元素由最外层的Pt纳米颗粒提供。图中各元素的位置分布与探针中纳米粒子的位置相对应，进一步证明了MPDPs纳米探针的成功合成。

图3 MPDPs的EDS能谱表征图Fig．3 STEM-HAADF image，and the corresponding element mapping images of MPDPs

为了合成出大小更均一、形貌更好的MPDPs纳米粒子，还对实验的条件进行了优化。首先对合成Mo O2＠PDA过程中盐酸多巴胺用量的优化，见图4。在其他实验条件均不变改变盐酸多巴胺质量的情况下，当加入量为0.5 mg盐酸多巴胺粉末时，形成的Mo O2＠PDA纳米粒子具有更均匀的球形，且大小更均匀。加入量过小则有大量的Mo O2纳米粒子没有被PDA包裹，加入量过多则分散不均匀且易形成大的颗粒聚集物。因此，选择0.5 mg的盐酸多巴胺粉末作为最终的加入量。

图4 不同质量盐酸多巴胺加入量的MoO2＠PDA纳米粒子的TEM照片Fig．4 TEM images of MoO2＠PDA NPs with different quality of dopamine involved

此外，还对氯铂酸的用量进行了优化，见图5。图5(a)到(c)分别加入0.7 m L 2、4和6 mg·m L－1的氯铂酸水溶液。加入的氯铂酸的量越大，形成的Pt纳米颗粒的数量越多。但是4和6 mg·m L－1的氯铂酸对Pt纳米颗粒的还原数量影响不大，因此，选择4 mg·m L－1的氯铂酸为最终的加入量。

图5 不同浓度氯铂酸制备的MPDPs纳米粒子的TEM照片Fig．5 TEM image of MPDPs NPs with different concentration of H 2 PtCl6 was involved

2．2 材料的其他表征

图6为MPDPs纳米颗粒的XPS扫描光谱。由图6可见，5种元素明显的结合能结合峰位于233.06 e V(Mo 3d)，283.87 e V(C 1s)，400.71、415.08 e V(Mo 3p)，530.93 e V(O 1s)和71.0 e V(Pt 4f)。XPS的测试结果与氧化钼及铂的出峰位置一致，表明MPDPs纳米颗粒成功合成。

图6 MPDPs纳米粒子的XPS表征图Fig．6 High-resolution XPS of MPDPs NPs

图7 显示了MPDPs纳米粒子的XRD衍射峰。图中特征衍射峰位置及晶面指数都已标出，MPDPs中Mo O2的晶面指数有(100)、(110)、(200)和(220)，Pt NPs的晶面指数有(111)、(200)和(220)，通过将MPDPs纳米粒子的特征衍射峰与单斜Mo O2(JCPDS No.32-0671)和Pt粉(JCPDS No.0040802)的样品对比，可以表明MPDPs纳米粒子同时包含Mo O2和Pt NPs，而且由衍射峰细且尖锐，表明MPDPs纳米粒子结晶状态良好。

图7 MPDPs纳米粒子的XRD表征图Fig．7 XRD patterns of MPDPs NPs

MPDPs纳米粒子的FT-IR光谱见图8。其500～800 cm－1是Mo—O—Mo拉伸振动的特征吸收峰，1 052和1 038 cm－1处的两个峰和3 423 cm－1处的一个峰可归因于MoO和O—H拉伸振动。此外，N—H的伸缩振动位于3 190和3 229 cm－1，C—O的振动位于1 295 cm－1以及1 630 cm－1的芳香环中CC伸缩振动吸收，证实了PDA真实存在。另外，通过紫外可见(UV-vis)吸收光谱以研究氧化钼样品的光学性质，见图9。黑线表示Mo O2，在700～850 nm范围内都表现出强烈的可见光和NIR吸收，可作为光热转换物。MPDPs纳米粒子不仅同时具备Mo O2的强烈的可见光和NIR吸收特性，还具有Pt的UV吸收峰(870 nm左右)。此外，通过Zeta电位对MPDPs在层层修饰的过程电位的监测，如图10所示，Mo O2纳米片的Zeta电位为－18.5 m V;包裹多巴胺后，由于PDA为电负性，Mo O2＠PDA电位进一步变负为－26.1 m V;因为原位还原的铂纳米颗粒的正电性，使得MPDPs的电位变为－11.3 m V。

图8 MPDPs纳米粒子的FT-IR表征图Fig．8 FT-IR pattern of MPDPs NPs

图9 MPDPs纳米粒子的UV-vis表征图Fig．9 UV-vis patterns of MPDPs NPs

图10 MPDPs纳米粒子的Zeta电位表征图Fig．10 Zeta patterns of MPDPs NPs

通过以上3种方法的检测，进一步说明了MPDPs的成功合成。

2．3 MPDPs的产氧性能分析

对铂纳米粒子由于其独特性能，可在过氧化氢的存在下分解过氧化氢产生氧气。通过使用溶解氧计测量MPDPs的制氧能力，见图11。加入H2O2后，溶解氧计检测到强氧信号，并在28 min左右达到峰值(图8)，并且观察到溶液中产生氧气气泡。结合MPDPs的光热作用，在相同条件下使用808 nm激光照射下，产氧量明显增加，并且有大量气泡冒出，这可能与光照产生的热量加快过氧化氢分解有关。而其他的对照组的产氧量均无大幅度变化，说明MPDPs中的Pt纳米粒子可以催化过氧化氢产生氧气，并且由于氧化钼的光热作用可进一步促进过氧化氢分解，增加产氧量。

图11 MPDPs纳米粒子在不同情况下的O2产生浓度图Fig．11 O2 production concentration profiles of MPDPs nanoparticles in different conditions

2．4 MPDPs的光热性能分析

MPDPs表现出跨越整个NIR窗口的等离振子共振带，会有较好的光热转换作用。使用808 nm NIR激光器，功率密度为1.2 W·cm－2进行连续波NIR激光照射，持续10 min，并用温度检测器进行实时温度监控，实验结果见图12所示。

图12 H2 O、MoO2、MoO2＠PDA和MPDPs光热温度变化图Fig．12 Temperature evolutions of H 2 O，Mo O2，Mo O2＠PDA and MPDPs NPs

由图12可知，对相同浓度的4种液体，随着照射时间的延长，MPDPs的温度从23℃逐渐升高到54℃，MoO2＠PDA纳米粒子的温度从23℃逐渐升高到47℃，Mo O2纳米粒子的温度从23℃逐渐升高到40℃，而纯净水的温度几乎不变。

图13为MPDPs、Mo O2＠PDA、Mo O2和PBS在光照下每分钟的温度变化所对应的图像。通过对照实验可以得出，功率密度为1.2 W·cm－2的NIR激光灯对于溶剂水的影响不大，只有溶质的变化可以引起温度的改变，被PDA包裹的Mo O2纳米粒子由于聚集作用使得光热效果增强，继续原位还原上Pt纳米颗粒以后，由于金属的共振作用会进一步提高其光热效果。

图13 MPDPs、MoO2＠PDA、MoO2和PBS在光照下每分钟的温度变化所对应的图像Fig．13 Images corresponding to the temprature chang of MPDPs，MoO2＠PDA，MoO2 and PBS per minute under light

为了检验材料的稳定性，接下来对MPDPs纳米粒子进行了5次重复升温降温实验(图14)，在5次循环光照、冷却的过程中，光热效果几乎没有变化，表明MPDPs具有良好的光热能力。

图14 MPDPs光热-冷却循环温度变化图Fig．14 Temperature elevation of MPDPs NPs with the concentration of 1 mg·m L－1 over five LASER ON/OFF cycles with 808 nm laser irradiation

为了计算MPDPs的光热转换效率还对其进行了冷却温度的记录并绘制冷却曲线，如图15。由冷却曲线数据点的线性拟合可以得出MPDPs的时间常数ts＝294.98 s，计算[21]可得，MPDPs的光热转换效率为η＝63.5%。

图15 MPDPs时间与冷却循环温度增量的负自然对数的关系图,数据点的线性拟合得出半衰期t s为294.98 s(插图为MPDPs的升温和降温曲线)Fig．15 Plot of time versus negative natural logarithm of the temperature increment for the cooling cycle，the linear fit of the data points results in a half-life time t s of 294.98 s(Instet:Temperature rise and fall curve of MPDPs)

2．5 MPDPs的SERS性能分析

为了探索MPDPs纳米粒子的传感应用，通过使用Cy5拉曼分子作为模型分析物来评估MPDPs纳米粒子的SERS性能。为了验证合成的MPDPs纳米粒子的拉曼增强性能，分别在金基底上对Cy5拉曼分子、Mo O2、Mo O2＠PDA和MPDPs进行了SERS检测，见图16。Mo O2组采用混合方法将拉曼分子与Mo O2纳米粒子混合进行SERS检测，Mo O2＠PDA和MPDPs组则采用醌基和巯基相连的方式，将拉曼分子上的巯基与PDA表面的醌基结合连接到纳米粒子表面。Cy5拉曼分子的拉曼光谱，观察到了1 594、1 500、1 271和1 200 cm－1处的4个主要Cy5带，分别对应于ν(CN)拉伸，ν(CC)环、ν(CC)环，ν(CN)拉伸模式。由于Mo O2、Mo O2＠PDA和MPDPs纳米粒子具有更高的灵敏度，与Cy5相比显示出其他峰(例如1 150，1 325和1 390 cm－1)。随着层层修饰，SERS信号不断增强，说明MPDPs纳米粒子能够大大增强拉曼信号。接下来通过公式(1)对MPDPs的SERS增强因子(EF)进行计算。

图16 Cy5、MoO2、MoO2＠PDA和MPDPs的SERS检测图Fig．16 SERS spectra of Cy5，Mo O2，MoO2＠PDA and MPDPs NPs

由公式(1)计算可得Cy5修饰的MPDPs的EF为7.2×106。而且由于PDA表面具有大量的官能团易于生物功能化，这使得该纳米探针能够应用于后续的DNA、多肽等生物分子的连接，从而为肿瘤细胞、细菌、病毒等生物分子的检测和治疗提供有效途径。

3 结 论

通过多巴胺在碱性条件下的自聚合特性，合成了具有表面增强拉曼散射和光热转换性能的MPDPs纳米粒子。实验中的MoO2纳米粒子，自聚合成为掺杂Mo O2的聚多巴胺纳米材料，随后在聚多巴胺粒子的表面原位还原上铂颗粒以合成最终的MPDPs纳米粒子。设计合成的MPDPs纳米粒子同时具备表面增强拉曼、光热和产生氧气的作用。MPDPs纳米粒子出色的SERS效果由电荷转移和分子共振的耦合产生。结合近红外吸收和出色的光热转换能力，MPDPs纳米粒子还可作为一种有PTT治疗剂。铂颗粒生成的氧气可以为后续实验的光敏剂PDT治疗供氧，以增强治疗效果。