硫族納米材料的合成、應(yīng)用以及生物效應(yīng)的研究進(jìn)展

孫梅青，丁占林，王 洪，于光平，李 平

(1.天津市武清區(qū)疾病預(yù)防控制中心，天津301700；2.天津大學(xué)化工學(xué)院生物合成教育部重點(diǎn)實(shí)驗室，天津300072)

如今納米材料幾乎影響著社會的各個領(lǐng)域，例如醫(yī)藥[1]、光催化、能源[2]和電子[3]等。硫族納米材料由于其獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì)，例如體積效應(yīng)、表面效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)以及宏觀量子隧道效應(yīng)，在光電器件和生物領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景，可以作為微納米器件的組裝單元，特別是對微納米器件的性能可以起到?jīng)Q定性的作用。因此，越來越多的硫族納米材料被應(yīng)用到微納米器件的組裝、光催化、產(chǎn)氫、太陽能電池、光電轉(zhuǎn)化、熱電、癌癥的診斷治療、毒性物質(zhì)的檢測和生物傳感器等領(lǐng)域。

正是由于納米材料的廣泛應(yīng)用，人們開始擔(dān)心這些納米材料帶來的危害會超出它們所帶來的益處。例如：常規(guī)的納米材料在動物的器官中積累，能產(chǎn)生氧化壓力，并且損傷細(xì)胞和器官，進(jìn)而引起炎癥反應(yīng)[4]。不同晶面能的納米材料由于暴露面的原子重排的結(jié)構(gòu)不同，在光電轉(zhuǎn)化和光催化方面表現(xiàn)出不同的催化性能，高反應(yīng)活性晶面的納米材料對于提高光催化反應(yīng)是非常重要的，但是在生產(chǎn)過程中，由于此晶面很容易消失，所以高晶面能的納米材料是很難合成的。因此，探討新型納米材料的合成，提高應(yīng)用效率，減少生物毒性效應(yīng)是目前面臨的主要問題。本文以硫族納米材料為例，介紹其應(yīng)用以及生物效應(yīng)的研究進(jìn)展。

1 硫族納米材料的合成研究進(jìn)展

1.1 硫族納米材料晶面能與光電光催化性能的關(guān)系

通過優(yōu)化納米材料表面的原子結(jié)構(gòu)來控制合成不同形貌或者不同晶面的納米材料，提高材料的光電和光催化性能已經(jīng)引起了研究者們的極大關(guān)注。Liu等[4]根據(jù)密度泛函理論的第一性原理(DFT)，結(jié)合水熱合成的方法優(yōu)化反應(yīng)的溶劑、反應(yīng)時間和溫度，合成了不同晶面能的納米棒狀硫化鎘。通過周期性的DFT理論計算，得出2個不同的暴露晶面({001}晶面和{101}晶面)，其晶面能分別為0.627 和0.451 J/m2，這是首次報道相同相貌的不同晶面能的納米硫化鎘生物合成的文獻(xiàn)。Bi等[5]合成了不同晶面能的不同形貌的Ag3PO4納米材料，通過DFT計算，得出每個菱形單晶的Ag3PO4的表面都有12 個高反應(yīng)活性的{110}晶面，其表面能為1.31 J/m2(而{100} 晶面立方體Ag3PO4的表面能為1.12 J/m2)，顯著增加了Ag3PO4表面的活性位點(diǎn)，這些活性位點(diǎn)增加了有機(jī)污染物被吸附的機(jī)會，提高了對有機(jī)污染物的降解能力。Ye等[6]通過控制溫度的方法，利用BiI3為Bi源，合成了暴露面為{001}晶面的BiOI SCNs，由于暴露面為{001}BiOI SCNs 具有很強(qiáng)的分離光生電子和空穴的能力，所以BiOI SCNs 在可見光下降解羅丹明B 的效果是常規(guī)BiOI 的降解效果的7倍。Zhang等[7]利用水熱方法合成的花狀{130}晶面的硫化鉍(Bi2S3)材料，與{211} 晶面的硫化鉍相比，{130}晶面的硫化鉍材料具有較高的表面能、較好的導(dǎo)電性和更高的光電轉(zhuǎn)換效率。Zhang等[8]報道了{(lán)102}晶面的納米片狀BiOBr 比{001}晶面的納米片狀BiOBr具有更高的光催化降解羅丹明B的能力，并且通過DFT理論計算得出{102}晶面的納米片狀的BiOBr 具有較低的導(dǎo)帶和較高的價帶。因此，{102}晶面的BiOBr具有更高的電子轉(zhuǎn)移速率、較高的光生空穴的氧化還原電位和很小的帶隙，從而導(dǎo)致其具有更好的光催化性能。

總之，已有文獻(xiàn)表明晶面能較高的納米材料具有更多的活性位點(diǎn)，因此有更強(qiáng)的催化性能[9-10]。但是，在合成過程中，由于具有高的表面能，此晶面很容易消失[11]。為了解決這個問題，研究者們采用有機(jī)聚合物或者無機(jī)離子對所需的晶面進(jìn)行控制合成。然而，這樣合成的材料高反應(yīng)活性的晶面所占的百分比仍然相對較低。由于溶劑的殘留，所用的溶劑會吸附到納米材料的表面，進(jìn)而影響其高的催化活性，在去除吸附到表面的溶劑時，又會導(dǎo)致材料表面原子的重排，從而使材料失去了高的反應(yīng)活性。因此，控制合成高反應(yīng)活性的晶面的納米材料依然面臨著很大的挑戰(zhàn)。

1.2 納米硫化鎘合成的研究進(jìn)展

最近幾十年，半導(dǎo)體納米材料已經(jīng)引起了人們的廣泛關(guān)注[12]。一維納米材料通過各種合成方法已經(jīng)被大量合成出來[13]，除此之外，一些有趣的形貌，例如納米線[14]、納米帶[15-16]、納米立方體[17]、納米片[18]以及納米棒也已經(jīng)被合成。傳統(tǒng)的方式是用液相法合成疏水的半導(dǎo)體材料[19]，或者氣相-固相結(jié)合的方法合成出疏水的硫化鎘(CdS) 納米線[20]。然而，由于生物成像、生物載藥的需求，疏水性的納米材料受到了一定的限制，亟需合成出水溶性的納米材料。Dameron等[21]利用真核生物(釀酒酵母)首次合成了CdS納米粒子，合成的原理是在特定的培養(yǎng)條件下，將釀酒酵母中谷氨?；念愇镔|(zhì)螯合鎘鹽，繼而生成CdS的納米顆粒，并且表面被半胱氨酰硫醇包覆，形成水溶性的納米粒子。另外一種合成水溶性納米粒子的方法是在納米材料合成的過程中，采用一個額外的步驟，用親水的配基取代或者原位包覆一個親水的外殼[22]。然而，直接合成水溶性的納米材料顯得尤為重要[23]。例如，用小分子的配體作為極性基團(tuán)，比如巰基乙酸[24]或者使用水溶性的模板聚乙烯吡咯烷酮(PVP)[25]。Xing等[26]、Hu等[27]和鄧文清等[28]利用共價結(jié)合為抗體與量子點(diǎn)的表面功能基團(tuán)活化作用相互反應(yīng)生成共價鍵，活化羧基化的CdSe/ZnS 量子點(diǎn)的官能團(tuán)，并且與抗體進(jìn)行耦合，獲得了具有較高的靈敏度、精確診斷性的細(xì)菌、病毒以及癌癥的診斷納米材料。Tyrakowski等[29]利用賴氨酸/生物素與CdSe/ZnS量子點(diǎn)進(jìn)行耦聯(lián)，并用凝血素修飾，制備了由凝血素包裹的QDs，建立了高靈敏度的蛋白質(zhì)檢測材料。

1.3 納米硫化鉛合成的研究進(jìn)展

納米硫化鉛(PbS)的合成有膠體溶液法[30]、反膠束法[31]、溶劑熱法[32]、微波輻射法[33]和氨基酸介導(dǎo)的方法[34]，其中溶劑熱法是最簡單可控的方法。水熱合成法的步驟為在特制的密閉反應(yīng)釜內(nèi)，以水為反應(yīng)介質(zhì)，通過對反應(yīng)釜進(jìn)行加熱，使得反應(yīng)釜內(nèi)形成一個高溫、高壓的環(huán)境，這種環(huán)境會使難溶或不溶的物質(zhì)溶解，并且在室溫下冷卻進(jìn)行重結(jié)晶，得到一系列的納米材料。溶劑熱法和水熱溶劑法相似，是以有機(jī)溶劑為反應(yīng)介質(zhì)(或者有機(jī)溶劑和水的混合物)，相對于其他方法，水熱/溶劑熱法有利于生長取向好、完美的晶體，并且產(chǎn)物結(jié)晶度高及易于控制晶體的粒度；通常實(shí)驗室常用的水熱/溶劑熱合成大多數(shù)是在中溫中壓(100～240 ℃、1～20 MPa)條件下合成，釜內(nèi)填充物控制在體積分?jǐn)?shù)為50%～80%[35]。

Zhang等[36]采用溶劑熱法，通過調(diào)節(jié)表面活性劑的濃度、反應(yīng)物的比例、反應(yīng)時間等合成了不同尺寸和不同形貌的納米晶。有趣的是，他們通過調(diào)節(jié)合適的雙尾表面活性劑琥珀酸二異辛酯磺酸鈉(NaAOT)濃度，使得Pb2+和S2-在膠團(tuán)中反應(yīng)成核。當(dāng)核長到一定尺寸時，表面活性劑會吸附到粒子的表面，從而對粒子的生長起到一定的導(dǎo)向作用。當(dāng)NaAOT濃度達(dá)到臨界膠團(tuán)濃度時，就會自聚，形成不同形狀的膠團(tuán)。受到布朗運(yùn)動的作用，膠團(tuán)不斷的碰撞聚集形成二聚體或者三聚體，然后，形成納米立方體以及納米立方體和納米管共存的結(jié)構(gòu)，并且納米管的兩端是封閉的。王娜[37]利用生物擬態(tài)的思想在蛋膜上合成硫化鉛的納米晶，利用蛋膜載體的物理作用以及纖維表層豐富的活性大分子官能團(tuán)與浸泡液中無機(jī)成分之間復(fù)雜的物理化學(xué)作用，硫化鉛在蛋膜表面原位成核生長，并在蛋膜表層氨基酸殘基的包覆作用下組裝形成面心立方結(jié)構(gòu)的納米晶粒，有序地分布在蛋膜上，組裝成為大小均勻的納米團(tuán)簇，以控制納米晶的合成。

2 納米硫化鎘和硫化鉛應(yīng)用的研究進(jìn)展

納米硫化鎘是直接帶隙的納米材料，其帶隙能為2.42 eV，因其特殊的光電性能，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到生物成像(細(xì)胞的蛋白質(zhì)標(biāo)記、細(xì)胞追蹤和體內(nèi)成像)[38]和傳遞有針對性的基因和藥物[39]等方面。Zaman等[40]使用生物分子包裹具有熒光特性的硅包裹的CdSe/ZnS 量子點(diǎn)，對小鼠纖維細(xì)胞實(shí)現(xiàn)熒光成像。何治柯等[41]通過一步法合成了高質(zhì)量 DNA 功能化的 CdTe:Zn2+量子點(diǎn)，制備了適配體功能化的量子點(diǎn)，并與可識別腫瘤細(xì)胞的適配體相連接，實(shí)現(xiàn)了人肺腺癌細(xì)胞的活體靶向成像。

硫化鉛納米材料的波爾半徑為18 nm，如此小的波爾半徑使得其具有較強(qiáng)的電子-空穴對限域效應(yīng)和較大的光學(xué)非線性系數(shù)，從而成為一種典型的量子尺寸效應(yīng)的材料[42]；另外，納米硫化鉛是直接帶隙半導(dǎo)體納米晶，禁帶寬度精確調(diào)節(jié)范圍可達(dá)0.41 eV，與太陽能在近紅外區(qū)域相吻合，這也使得納米硫化鉛成為最具潛力的太陽能電池開發(fā)材料之一的原因[43]。此外，該類材料具有突出的三階非線性光學(xué)性質(zhì)[44]，還可被廣泛地應(yīng)用于紅外光電探測器、太陽輻射能吸收器、發(fā)光二極管、紅外二維成像顯示器、光檢波器、生物熒光探針、熱電和熱磁器件等方面[45]。并且，利用生物活性載體來合成的納米無機(jī)-有機(jī)雜化的符合材料，可大大提高單半導(dǎo)體的抗脆性、耐沖擊性及與其他材料的生物相容性。Deng等[46]研究表明，通過兩步法合成的谷胱甘肽外殼包裹的PbS量子點(diǎn)具有很穩(wěn)定的耐光性、低的細(xì)胞毒性以及很好的熒光成像效果，是癌細(xì)胞定位的很好的探針材料。

3 硫化鎘和硫化鉛納米材料生物效應(yīng)的研究進(jìn)展

3.1 硫化鎘量子點(diǎn)納米材料生物效應(yīng)的研究進(jìn)展

目前有報道硫化鎘的量子點(diǎn)(quantum dots，QDs)通過干擾細(xì)胞氧化還原平衡，增加細(xì)胞內(nèi)的活性氧(reactive oxygen species-ROS)產(chǎn)物，使得機(jī)體不能恢復(fù)正常的生理氧化-還原調(diào)節(jié)功能，從而損傷細(xì)胞和有機(jī)機(jī)體。在正常情況下，當(dāng)少量的ROS 產(chǎn)生時，細(xì)胞自身的防御系統(tǒng)開啟，激活抗氧化系統(tǒng)，例如谷胱甘肽和抗氧化酶的提高，然而，當(dāng)過多的ROS 產(chǎn)生時，導(dǎo)致氧化壓力超出了細(xì)胞自身的保護(hù)能力，從而導(dǎo)致細(xì)胞的死亡(凋亡、壞死或者自噬)[47]。通過靜脈注射的量子點(diǎn)，血管內(nèi)皮細(xì)胞很容易遭受ROS 誘導(dǎo)的線粒體的損傷，并且促進(jìn)動脈粥樣硬化性心血管疾病[48]。另外，有文獻(xiàn)報道QDs 導(dǎo)致神經(jīng)系統(tǒng)的損傷。例如，體外實(shí)驗和體內(nèi)實(shí)驗表明，幾種典型的QDs對星形膠質(zhì)細(xì)胞和小膠質(zhì)細(xì)胞產(chǎn)生了強(qiáng)烈的毒性反應(yīng)[49-51]。CdSe/ZnS QDs導(dǎo)致大鼠海馬神經(jīng)元細(xì)胞[52]和小鼠神經(jīng)細(xì)胞內(nèi)[53]的Ca2+信號紊亂。其中CdS QDs直徑一般都是小于10 nm，現(xiàn)在已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到半導(dǎo)體電極方面[54]。QDs的毒性一般與其小的粒徑、高的表面活性、光催化活性和機(jī)械穩(wěn)定性相關(guān)[55]。有報道稱量子點(diǎn)的暴露會導(dǎo)致人的呼吸系統(tǒng)的損傷，從而導(dǎo)致肺炎，但是主要的毒理機(jī)制還沒有被闡述清楚[56]。

3.2 硫化鉛納米材料生物效應(yīng)的研究進(jìn)展

納米硫化鉛被大量用在光學(xué)開關(guān)、太陽能電池以及紅外檢測器等方面，在這些納米硫化鉛被制造、運(yùn)輸與應(yīng)用的同時，通過吸入、攝取以及皮膚吸收等途徑，對職業(yè)工人造成了很嚴(yán)重的職業(yè)暴露，一旦被人體吸收，各種各樣的納米顆粒就會分布到人體的各個器宮，甚至可以通過生物屏障，比如血腦屏障；另外，大量的納米硫化鉛也被釋放到環(huán)境當(dāng)中，考慮到其在生物體內(nèi)的積累、是否在生物鏈傳遞的過程中存在生物放大效應(yīng)以及納米硫化鉛的穩(wěn)定性問題，研究納米硫化鉛的毒理機(jī)制迫在眉睫[4]。

為評價納米硫化鉛的環(huán)境和健康風(fēng)險，以及納米材料的健康可持續(xù)發(fā)展和安全應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。盡管鉛離子毒性的研究已經(jīng)有很多報道[57]，但是與納米硫化鉛相比，它們的致毒機(jī)制又有很多不同。Cao等[58]實(shí)驗證明：納米硫化鉛可以引起大鼠神經(jīng)和肺的氧化損傷，并且引起炎癥反應(yīng)。有研究表明：納米硫化鉛能夠引起中樞神經(jīng)系統(tǒng)的損害，影響學(xué)習(xí)記憶功能,造成大鼠皮質(zhì)和海馬中氨基酸類神經(jīng)遞質(zhì)谷氨酸水平升高，以及γ-氨基丁酸和甘氨酸水平下降[59]。

4 結(jié)論與展望

新型硫族納米材料的合成與應(yīng)用面臨一定的挑戰(zhàn)，如何合成出更加綠色環(huán)保、高效能的納米材料值得廣大科學(xué)工作者研究。納米材料進(jìn)入環(huán)境后，會對環(huán)境中的有機(jī)體產(chǎn)生一定的毒性效應(yīng)，其生物毒性除了與其本身的物理化學(xué)性質(zhì)有關(guān)外，還與納米材料與生物機(jī)體的相互作用有關(guān)。因此，進(jìn)一步開展綠色納米材料對生物有機(jī)體全面系統(tǒng)的研究，并對納米材料生態(tài)風(fēng)險進(jìn)行評估，對于更好地利用納米材料，促進(jìn)納米技術(shù)健康有序的發(fā)展也是非常必要的。