尺寸對NaYbF4納米晶活性氧產(chǎn)生速率的影響

張佳音，王啟宇，梁 紅，孫凱霞，張治國

(1.哈爾濱學(xué)院工學(xué)院，哈爾濱 150086；2.哈爾濱師范大學(xué)物理與電子工程學(xué)院，哈爾濱 150025；3.哈爾濱工業(yè)大學(xué)凝聚態(tài)科學(xué)與技術(shù)研究所，哈爾濱 150001)

1 引 言

光動力療法作為腫瘤的一種微創(chuàng)性治療方法，受到了廣泛關(guān)注[1-2]。與臨床上常用的腫瘤治療方法(手術(shù)、化療、放療)相比，光動力療法具有更高的選擇性，微創(chuàng)性，無并發(fā)癥等優(yōu)勢[3-5]。光動力療法包含三個要素：光、光敏劑、及氧氣。當(dāng)特定波長的光激發(fā)光敏劑會產(chǎn)生活性氧(ROS)，可以殺死腫瘤細胞[6-7]。其中，光敏劑是實施高效的光動力治療過程的關(guān)鍵因素。傳統(tǒng)光敏劑卟啉類衍生物已經(jīng)進入了光動力療法的臨床應(yīng)用。然而傳統(tǒng)光敏劑的激發(fā)光在可見光譜范圍內(nèi)，組織對這部分光的吸收很強，激發(fā)光在組織中的穿透深度較差，導(dǎo)致光動力療法只適用于表皮性腫瘤的治療[8-9]。

生物組織在近紅外區(qū)750～1000 nm范圍內(nèi)有“光學(xué)透過窗”[10,11]。組織對這部分光的吸收和散射很弱，在組織中的穿透深度很深。所以人們一直在開發(fā)近紅外光激發(fā)的光敏劑。雙光子過程可以實現(xiàn)近紅外光激發(fā)，可實現(xiàn)深組織激發(fā)[12]。然而，雙光子激發(fā)的熒光材料吸收截面小，需要較高能量的脈沖激光激發(fā)，超出了臨床應(yīng)用的安全范圍[13]。2007年，Zhang等[14]提出了利用上轉(zhuǎn)換納米粒子結(jié)合傳統(tǒng)光敏劑開展光動力療法，實現(xiàn)了980 nm近紅外光激發(fā)的光動力療法。具體地，980 nm近紅外光激發(fā)Yb3+離子，通過能量傳遞上轉(zhuǎn)換過程使Er3+的高能激發(fā)態(tài)布局，然后Er3+產(chǎn)生的540 nm上轉(zhuǎn)換熒光激發(fā)傳統(tǒng)光敏劑，傳統(tǒng)光敏劑再與O2發(fā)生作用，產(chǎn)生ROS的過程。雖然上轉(zhuǎn)換光動力過程將激發(fā)光波長轉(zhuǎn)移到了近紅外區(qū)，但是上轉(zhuǎn)換光動力療法需要復(fù)雜的能量傳遞過程，引入了很大的無輻射弛豫損耗，效率較低[15-16]。同時，光敏劑載藥和釋放可控性差，阻礙臨床應(yīng)用[17]。

最近，NaYbF4納米晶作為一種新型的近紅外激發(fā)的無機光敏劑被提出。Yb3+激發(fā)態(tài)能量(1.27 eV)稍高于ROS的激發(fā)態(tài)能量(0.97 eV)，在980 nm光的激發(fā)下，處于激發(fā)態(tài)Yb3+可將能量傳遞給O2，形成ROS。NaYbF4納米晶作為光敏劑具有近紅外光激發(fā)，能量傳遞效率高、穩(wěn)定性好、無需載藥可控性好等優(yōu)點，有實現(xiàn)臨床應(yīng)用的潛質(zhì)[18]。本文針對NaYbF4納米晶這一新型納米晶的光物理化學(xué)性質(zhì)進行優(yōu)化。NaYbF4納米晶的ROS的產(chǎn)生速率很可能和納米晶與氧之間的接觸面積有關(guān)，這里我們通過調(diào)節(jié)納米晶的尺寸，來改變納米晶的比表面積，探究NaYbF4納米晶的尺寸的調(diào)節(jié)來探究NaYbF4納米晶的尺寸對ROS產(chǎn)生速率的影響，得到優(yōu)化的NaYbF4納米晶，提高ROS產(chǎn)生效率。

2 實 驗

2.1 儀器與試劑

六水氯化鐿YbCl3·6H2O(99.9%，購買于Sigma-Aldrich)，油酸 (純度≧99%，購買于Sigma-Aldrich)，十八烯(純度90%，購買于Sigma-Aldrich)，氮氣(購買于哈爾濱黎明氣體有限公司，99.999%)，甲醇、環(huán)己烷和乙醇(購買于天津富宇化學(xué)試劑公司，分析純)，氫氧化鈉NaOH(純度≧98%，購買于Sigma-Aldrich)，氟化銨NH4F(純度≧98%，購買于Sigma-Aldrich)。

2.2 樣品的制備方法

納米晶制備采用熱解法，這種合成方法可實現(xiàn)對納米晶的形貌、尺寸及晶相的可控合成，具體的合成過程參考已報道過的方法[19]：首先，將1 mmol的YbCl3·6H2O，6 mL油酸和15 mL十八烯放入三口瓶中，通入氮氣作為保護氣，將反應(yīng)液攪拌加熱到160 ℃，恒溫1 h，反應(yīng)液變澄清，此時認為YbCl3·6H2O完全溶解。然后，將反應(yīng)液降溫至50 ℃，注入NaOH(0.1 g)和NH4F(0.148 g)的甲醇混合液 10 mL，在此溫度恒溫攪拌30 min，進一步加熱到80 ℃，蒸發(fā)掉反應(yīng)液中的甲醇和水分。最后，將溫度升高至納米晶的形成溫度300 ℃，恒溫一段時間。關(guān)閉加熱裝置，自然冷卻到室溫，在反應(yīng)液中加入乙醇，使納米晶沉淀，然后5000 r/min離心，離心后的粒子進一步用環(huán)己烷和乙醇的混合溶液清洗，將表面多余的離子和油酸清洗掉，反復(fù)清洗三遍，將離心出的裸核納米晶分散在環(huán)己烷中保存。

2.3 測量方法

利用FEI Tecnai TF20測量制備的NaYbF4納米晶TEM圖像。利用QE65000 (Ocean Optics, USA)光纖光譜儀對吸收光譜進行測量。1,3-二苯基異苯并呋喃(1,3-diphenylisobenzofuran，DPBF)作為熒光探針。 利用氘燈作為光源，在不同的光照時間下，采集樣品溶液中DPBF在可見區(qū)的透過光譜。最后根據(jù)Beer-Lambert定律計算DPBF的吸收光譜。

2.4 吸收光譜檢測DPBF濃度理論

根據(jù)化學(xué)探針DPBF檢測ROS理論，在ROS產(chǎn)生過程中，DPBF濃度隨時間的變化可以被描述如下：

(1)

其中，[DPBF] 和 [ROSi] 分別是 DPBF 和 ROSi的濃度；ki為ROS與DPBF之間的能量傳遞速率；k是DPBF的消耗速率或者描述成DPBF隨時間衰減的衰減常數(shù)的倒數(shù)。

根據(jù)方程(1)，將式子兩邊積分，溶液中DPBF的濃度可以被描述成如下形式：

[DPBF]=[DPBF0]e-kt

(2)

通過觀察DPBF濃度的變化，就可以說明是否產(chǎn)生了ROS。

將方程(2)，將兩邊取對數(shù)，可以得到k，即可以獲得ROS產(chǎn)生速率，可以用來評價樣品產(chǎn)生ROS的快慢。

k=ln([DPBF]/[DPBF0])/t

(3)

其中，[DPBF]利用溶液中DPBF的吸收系數(shù)A來評價，根據(jù)Beer-Lambert定律，透射光譜強度可以描述如下：

It=I0exp(σ[DPBF]L)

(4)

其中，σ為樣品的吸收截面；L為光源在樣品中的路徑。

A=σ[DPBF]L∝ [DPBF]

(5)

根據(jù)方程(4)與(5)，A用來評價溶液中DPBF濃度的變化，可以描述成如下形式:

A=ln(I0/It)

(6)

3 結(jié)果與討論

3.1 NaYbF4納米晶形貌表征

利用熱分解法制備，通過調(diào)節(jié)納米晶生長的時間來控制納米晶粒徑的大小，將生長時間分別控制在10 min、30 min、50 min、70 min、90 min，制備NaYbF4納米晶，其TEM照片如圖1所示，10 min時，晶核剛剛形成，形態(tài)并不很明顯，平均粒徑在1 nm。當(dāng)生長時間達到30 min時，晶核的形態(tài)逐漸形成，平均尺寸大約在4 nm左右。生長時間達到50 min時，納米晶的形貌較規(guī)則，尺寸也變得較均一，平均粒徑為8 nm。增長恒溫時間到70 min，平均粒徑尺寸達到20 nm。當(dāng)恒溫時間到90 min，發(fā)現(xiàn)晶粒生長的很飽滿，其平均尺寸在28 nm。

圖1 不同反應(yīng)時間的NaYbF4納米晶的TEM圖像Fig.1 TEM images of NaYbF4 nanocrystals at different reaction time

3.2 NaYbF4納米晶分散液中DPBF吸收光譜的測量

測量NaYbF4納米晶的ROS產(chǎn)生速率，需調(diào)節(jié)不同尺寸NaYbF4納米晶濃度相一致，在相同濃度下，比較尺寸這一變量對NaYbF4納米晶ROS產(chǎn)生速率的影響。測量不同粒徑NaYbF4納米晶(不同反應(yīng)時間的納米晶)分散液中不同光照時間下DPBF吸收光譜。將DPBF溶解在環(huán)己烷溶液中，然后不同粒徑NaYbF4納米晶分散液加入DPBF溶液，采用的NaYbF4納米晶的濃度約為5 mg/mL，DPBF的濃度為20 μmol/L，利用980 nm激發(fā)光進行光照，光功率為1.3 W，每間隔20 min對分散液中DPBF的吸收光譜進行測試。圖2 (a-e)給出了不同粒徑NaYbF4納米晶分散液，不同光照時間的DPBF的吸收光譜。從光譜中可以看出，無論粒徑尺寸大小，在980 nm激發(fā)光照射下，NaYbF4納米晶都可以使DPBF吸收光譜產(chǎn)生下降，說明不同尺寸的納米晶均可產(chǎn)生ROS，但發(fā)現(xiàn)不同粒徑納米晶分散液中DPBF濃度的變化速率不同。

圖2 NaYbF4納米晶分散液中DPBF的吸收光譜，其中的NaYbF4納米晶生長時間不同(a)10 min；(b)30 min；(c)50 min；(d)70 min；(e)90 minFig.2 The absorption spectra of DPBF in solutions of NaYbF4 nanocrystals with different growth time (a)10 min；(b)30 min；(c)50 min；(d)70 min；(e)90 min

3.2 影響ROS產(chǎn)生速率的機制研究

圖3 不同尺寸的NaYbF4納米晶分散液中DPBF的消耗速率Fig.3 Consumption rates of DPBF in solutions of NaYbF4 nanocrystals with different sizes

圖4 NaYbF4納米晶的尺寸與DPBF的消耗速率之間的關(guān)系Fig.4 Relationship between consumption rates of DPBF and sizes of NaYbF4 nanocrystals

根據(jù)DPBF的吸收光譜，可計算ROS產(chǎn)生速率(k)，k正比于ROS產(chǎn)率，ROS產(chǎn)率是評價光敏劑性能的重要指標(biāo)[20]。圖3給出了不同尺寸的NaYbF4納米晶分散液的k，隨著納米晶尺寸的變化k也發(fā)生明顯的變化。圖4建立了k和NaYbF4納米晶尺寸之間的關(guān)系。發(fā)現(xiàn)納米晶尺寸小于8 nm時，其k隨著尺寸的增加而逐漸增加，繼續(xù)增大納米晶的尺寸，k開始下降。k很可能受兩種因素的影響，一方面受納米晶比表面積的影響，比表面積越大，Yb3+與O2之間的接觸幾率越高，能量傳遞效率增加，k增大。另一方面受晶體質(zhì)量的影響。當(dāng)生長時間較短時，雖然納米晶尺寸較小，與周圍環(huán)境中氧的接觸幾率增加，但是由于生長時間較短，其晶格中的畸變和晶格缺陷較多，導(dǎo)致了多聲子輔助的無輻射弛豫很多，會影響Yb3+激發(fā)態(tài)能級與O2之間的躍遷幾率，進而影響k。圖4表明相對于大尺寸的NaYbF4納米晶，小尺寸NaYbF4納米晶的k較高，這表明小尺寸納米晶的比表面積大，增加了Yb3+與O2的接觸，提高了二者間的能量傳遞效率。同時，在小尺寸范圍內(nèi)，隨著尺寸的增加，k緩慢增加，很可能由于納米晶尺寸增加，晶體質(zhì)量提高，晶體中的缺陷減少，增加了Yb3+激發(fā)態(tài)能級向O2之間的躍遷幾率，導(dǎo)致k增加。尺寸大于8 nm時，k降低明顯，這主要因為納米晶的尺寸增加，減少了Yb3+與O2之間的相互作用機會，導(dǎo)致了低的k。實驗結(jié)果表明NaYbF4納米晶尺寸在8 nm 左右活性氧產(chǎn)率最高，相對其它尺寸更適合光動力療法應(yīng)用。

4 結(jié) 論

利用熱解法制備NaYbF4納米晶，通過控制納米晶的生長時間，可以調(diào)節(jié)納米晶的尺寸。生長時間為90 min、70 min、50 min、30 min、10 min時，NaYbF4納米晶尺寸分別為1 nm、4 nm、8 nm、20 nm、28 nm。進一步探究了NaYbF4納米晶尺寸對其k的影響，結(jié)果表明納米晶尺寸在Yb3+與O2的能量傳遞過程中占主導(dǎo)因素。但晶體生長中的晶格缺陷通過影響Yb3+激發(fā)態(tài)能級的輻射性質(zhì)，影響k。當(dāng)NaYbF4納米晶尺寸在8 nm時，其k最大，相對其它尺寸更適合開展光動力治療。