水热法制备光热治疗剂纳米WO3-x的组织结构与光热效应

胡伟，黄智

(中南大学 粉末冶金研究院，长沙 410083)

恶性肿瘤的发病率和致死率极高，是威胁全人类生命的头号杀手，目前对于恶性肿瘤的治疗主要是采用一些对人体有极大副作用的治疗手段，例如化疗、手术切除等[1−2]。随着科学技术的进步，一种对人体伤害小、能在短时间起到治疗作用的恶性肿瘤治疗手段——光热治疗[3]得以开发和运用。光热治疗是采用对人体组织穿透力非常强的近红外光(780~1 100 nm)对恶性肿瘤定位后进行照射，在光热治疗剂的辅助下，近红外光经过光热效应迅速地产生热能，使恶性肿瘤部位的局部温度迅速升高，从而实现对肿瘤细胞的杀伤。理想的光热治疗剂必须在近红外区域有较强的吸收，并且具备较高的光热转换效率。目前研究较多的近红外光热转换材料主要是贵金属纳米材料和有机光热治疗剂[4−6]，但这些材料都存在许多限制其应用的缺陷。

氧化钨半导体纳米材料，特别是非计量比的纳米WO3−x，其独特的氧缺陷结构和强的局域等离子体共振效应，使其在近红外光区有着很强的光吸收[7]，这一特性使得材料在光热转换领域的应用成为可能。目前已有各种形貌且用途各异的光热转换氧化钨纳米材料得到开发与应用，例如CHANDRA等[8]开发的用于光电转换的WO3纳米多孔材料、LI等[9]研究的用于电子设备的 W18O49纳米线材以及 HORPRATHUMDEN等[10]利用WO3制备的高度敏感的气体传感器等。除了在光催化、光电化学、气体检测等领域以外，具有优异的光热转换能力的 WO3−x还可作为光热治疗剂[11−14]。氧化钨纳米材料的制备方式有以下几种：1) 液相合成法。包括水热法、溶胶凝胶法以及溶剂热法等，能在较为温和的实验条件下制备纳米氧化钨材料。其中的水热法是一种操作简单、纳米颗粒团聚相对较轻的材料制备手段[15]。LIU等[14]以钨酸作为前驱体，采用液相合成法制备了形貌与尺寸可调控的非整比结构的蓝色W18O49纳米材料，该材料在可见光范围内有强烈的吸收，并且对污染物罗丹明B具有非常强烈的光催化活性。2) 气相法。申永奇等[15]采用气相法合成了一维结构的氧化钨纳米线，材料的结晶度较高、取向性好，并且形貌可以通过生长时间、实验温度等参数进行调控。但气相法对整个体系的气密性以及对实验温度的调节能力要求很高。3) 电化学手段也是常用的氧化钨纳米材料的制备方法。郝金玲等[16]采用恒电位沉积法制备的单斜晶系氧化钨薄膜具有良好的光电转换性能，在可见光范围内有优异的光响应能力。但一般的电沉积都会加入保证产物质量的各类添加剂，容易引入对人体产生毒副作用的杂质元素，不适合用于光热治疗领域。易团聚是纳米材料的共性，而对于光热治疗而言，良好的分散性和水溶性是光热治疗剂所必备的条件。对纳米颗粒进行聚合物表面修饰，可有效防止颗粒团聚，如 MAJEED等[17]和黄鑫等[18]分别用多功能水溶性聚合物配体−聚甲基丙烯酸−季戊四醇四-3-巯基丙酸酯(PTMP-PMAA)修饰得到分散性良好的 Fe3O4磁性纳米材料和纳米金团簇。本文作者采用水热法合成用于恶性肿瘤光热治疗的WO3−x纳米粉体材料，并利用多功能水溶性硫醚聚合物配体PTPM-PMAA 对 WO3−x进行表面修饰来改善 WO3−x颗粒的团聚行为，重点研究肿瘤环境下的pH值和WO3−x的浓度对其光热转换效应的影响，希望通过对WO3−x浓度的调控来实现其用于肿瘤部位光热治疗剂时光热效应的调控。研究结果对WO3−x在光热治疗的实际应用具有重要意义。

1 实验

1.1 实验原料

所用原料有：偶氮二异丁腈(AIBN)，化学纯(CP)，江苏强盛功能化学股份有限公司；甲基丙烯酸(MAA)，分析纯(AR)，天津光复精细化工研究所；无水乙醇，分析纯(AR)，天津恒兴化学试剂制造有限公司； 季戊四醇四-3-巯基丙酸酯(PTMP)，分析纯(AR)，AlDRICH；六氯化钨，生物试剂纯度(BR)，国药集团化学试剂有限公司。

1.2 聚合物配体的合成

以偶氮二异丁腈(AIBN)为链引发剂、甲基丙烯酸(MAA)为反应单体、乙醇为反应溶剂、季戊四醇四-3-巯基丙酸酯(PTMP)为链转移剂，合成水溶性的聚合物配体。在合成之前，先采用减压蒸馏的方法去除甲基丙烯酸中的主要成分为对苯二酚的阻聚剂。

聚合物配体的制备步骤如下：首先，准确量(称)取甲基丙烯酸0.25 mol、无水乙醇150 mL、偶氮二异丁腈2.5 mmol以及5 mmol PTMP。依次将上述原料加入到以氮气做为保护气氛的 250 mL三口烧瓶中，待烧瓶内的物质混合均匀后，将烧瓶与球形冷凝管相连，构成回流冷凝系统，然后将系统的温度缓慢升高到75 ℃，并在这一温度下回流冷凝 5 h，在回流过程中若体系粘度过大而影响体系流动性，可补加5~10 mL乙醇。回流过程结束后静置冷却，然后将溶液小心转移至旋转蒸发仪中，除去过量的溶剂乙醇；最后，以无水乙醚作为沉淀剂除去多余的甲基丙烯酸单体，并沉淀出白色的粉末。将白色粉末放入真空干燥箱中，在45 ℃温度下干燥24 h，即得到聚合物配体粉末。将聚合物配体粉末放于真空袋中，抽真空后常温下保存备用。

1.3 聚合物配体修饰纳米WO3-x

利用水热反应，以六氯化钨为前驱体、乙醇为反应溶剂，加入聚合物配体粉末，通过回流冷凝的方式制备由水溶性聚合物配体进行表面修饰的纳米WO3−x。具体步骤如下：首先，准确量取 80 mL去离子水，加入到通入氮气除氧的三口烧瓶中。加热三口烧瓶，待温度上升到 80 ℃后，加入 12 mmol聚合物配体粉末，搅拌溶解；待温度上升到100 ℃时，用注射器将含有0.25 mmol六氯化钨的80 mL无水乙醇加入到三口烧瓶中，溶液立即变为蓝色，回流反应2 h。回流结束后，将冷却后的蓝色溶液用分子量为100 KDa的超滤离心管在3 000 r/min转速下用去离子水低速离心5次到6次，以去除多余的聚合物配体。

取一部分离心后的粉末，在真空干燥箱中60 ℃温度下真空干燥24 h，然后放入真空袋中，抽真空后避光保存，用于组织结构与形貌分析。另取一部分离心后的上层颗粒溶解于去离子水中，配制成质量浓度分别为200，400，600和800 μg/mL的溶液。考虑到肿瘤部位的pH值为6.0~6.5，以PBS为缓冲液调节溶液的pH值(用pH计测量pH值)，得到pH值分别为3.4，4.4，5.4，6.和 7.4 的 WO3−x溶液。在 WO3−x溶液中加入0.01 mol/L的谷胱甘肽，经氮气鼓泡后抽真空，避光保存，用于研究浓度与pH值对WO3−x纳米粉体材料光热性能的影响。

1.4 性能表征

采用Nicolet IS 50红外光谱仪对聚合物配体粉末进行红外分析。将聚合物配体修饰后的纳米WO3−x粉末用玛瑙研钵进行研磨，然后用 RigaKuD/max-2500VB 型 X 射线衍射仪(XRD)进行结构与物相分析。采用型号为K-ALPHAX射线光电子能谱仪(X-ray photoelectron spectrograph，XPS)对研磨后的聚合物配体修饰纳米WO3−x粉末的表面元素进行定性及半定量分析、元素价态及价带分析。用乙醇作为分散剂，将研磨后的聚合物配体修饰的 WO3−x粉末进行分散处理，然后用JEM-2100F型透射电镜观察其微观形貌，并用ImageJ软件统计粉末的粒径分布。

采用型号为UV-1601的紫外分光光度计测试不同浓度及pH值的WO3−x粉末溶液在不同波长下的吸光度，并根据吸光度−波长曲线上的截止波长 λg计算材料的禁带宽度Eg计算公式为：

式中：Eg为禁带宽度；λg为截止吸收波长；h为普朗克常数。用铁架台固定广东富雷精密电子厂生产的波长为808 nm、功率密度为500 mW/cm2的激光光源，用移液枪分别准确量取200 μL不同浓度以及pH值的WO3−x溶液于经避光处理的2 mL小离心管中，用激光光源逐一照射WO3−x溶液5 min，激光光源距离溶液凹液面固定为 2.5 cm，得到各溶液的吸光度−波长曲线，并采用带小型金属温度探头的具有数显功能的温度计(北京宏海永昌仪表技术开发中心生产，型号为DTM-280)记录材料的光热转换测试时的温度变化。

2 结果与讨论

2.1 聚合物配体

图 1所示为聚合物配体的傅立叶变换红外光谱图。由图 1可见，1 700 cm−1处存在吸收峰，为聚合物中羰基(—CO—)的不对称伸缩吸收峰，且 1 300 cm−1处有酯基(—COO—)的不对称伸缩振动峰，同时在 3 000及 3 500 cm−1处有羟基伸缩峰。这些标志性的吸收峰意味着合成的聚合物为水溶性的 PTMPPMAA配体。

图1 聚合物配体PTMP-PMAA的FTIR图谱Fig.1 FTIR spectroscopy spectras of PTMP-PMAA

2.2 聚合物配体修饰的WO3-x纳米粉末

图 2所示为聚合物配体修饰纳米 WO3−x粉末的XRD谱。该粉末与 W17O47的标准卡片(PDF NO.79-0171)一致，为沿(010)方向生长的单斜晶系的 W17O47(即 WO2.76)。

图2 WO3−x纳米粉末的XRD谱Fig.2 XRD pattern of nano-WO3−x powder

图3所示为经聚合物配体表面修饰后的WO3−x粉末XPS图。由图可知粉末只含有钨和氧2种元素，没有出现其它的元素峰，这表明该纳米粉末仅由钨和氧2种元素所组成。对光电子能谱用软件 XPSPEAK41进行分峰处理，如图 3(a)所示，观察到位于 35.8 eV和38.1 eV处分别对应于六价钨元素的4f7/2和4f5/2特征峰，以及位于34.6 eV和36.8 eV处对应于五价钨元素的4f5/2和4f7/2的耦合双峰，这表明所得纳米粉末由六价和五价钨的混合价态组成，为非整比的氧缺陷结构。

图3 WO3−x纳米粉末的XPS图Fig.3 XPS spectras of nano WO3−x powder(a) Result of peak separation processing;(b) Full spectrum scanning;(c) 1s photoelectron spectrogram of oxygen

图 4所示为WO3−x纳米粉末的TEM形貌，图5所示为用ImageJ软件统计的透射电镜下的WO3−x粉末粒径分布。由图4和5可知，粉末颗粒的形貌为球形，粒度分布均匀，平均粒径为4.88 nm，未见颗粒团聚，具有较好的分散性，聚合物配体的引入有效改善了WO3−x纳米颗粒的团聚行为。虽然无法从TEM图中观察到聚合物配体包裹WO3−x的结构，但从 TEM 图中观察到颗粒良好的分散性以及结合材料具有优异水溶性的宏观实验现象，可证明该粉末为聚合物配体包裹WO3−x的结构。另外对比文献[19]中WO3的大量团聚行为，进一步证明聚合物配体在改善纳米颗粒团聚中所起到的作用。这种多功能水溶性聚合物配体之所以能改善纳米颗粒的团聚行为，是因为聚合物配体上有许多水溶性的羧基(−COOH)。图6所示为聚合物配体对WO3−x进行修饰的机理图，当PTMP-PMAA与纳米颗粒接触时，这些水溶性的羧基包裹住纳米颗粒，在纳米颗粒之间形成空间位阻，在阻止纳米颗粒团聚的同时，大量羧基的包裹结构又使材料的水溶性得到提升。

图4 WO3−x纳米粉末的TEM形貌Fig.4 TEM image of nano WO3−x powder

图5 WO3−x纳米粉末的粒径分布Fig.5 Particle size distribution of nano WO3−x powder

图6 聚合物配体对纳米WO3−x颗粒的表面修饰机理Fig.6 Mechanism diagram of polymer ligand modification

2.3 纳米WO3-x的光热性能

在WO3−x溶液的配制过程中发现，随溶液pH值增加，溶液颜色逐渐变淡。这一方面可能是由于当pH值增加时，溶液中的OH−与聚合物配体中的羧基反应，破坏了聚合物包裹WO3−x的结构，另一方面可能是由于 pH值增加使得粉末材料的局域等离子共振效应(localized surface plasmon resonance)降低，从而导致溶液的颜色变淡。基于此，本文作者对WO3−x的浓度与pH值对其光热转换能力的影响进行研究。

图7 不同浓度的WO3−x在不同pH值下的紫外吸收图Fig.7 UV absorption spectrums of nano-WO3−x under different concentrations and pH values(a) ρ(WO3−x)=200 μg/mL; (b) ρ(WO3−x)=400 μg/mL; (c) ρ(WO3−x)=600 μg/mL; (d) ρ(WO3−x)=800 μg/mL

图7 所示为不同浓度以及pH值的纳米WO3−x溶液的紫外吸收图。从图7可知，经聚合物配体进行表面修饰的纳米WO3−x具有很强的pH敏感性，表现为随pH值增加，不同质量浓度的纳米WO3−x在近红外的紫外吸收均出现不同程度的降低。当溶液质量浓度增加时，WO3−x的紫外吸收增强。从图7看出，WO3−x在近红外区(NIR)有较强的吸收，符合作为光热治疗剂的前提条件。

图8所示为不同浓度与pH值的纳米WO3−x材料的紫外照射光热转换性能。从图8看出纳米WO3−x表现出相当好的光热转换能力，并且随浓度增加以及pH值降低，WO3−x的光热转换效果更好，作为光热治疗剂的可行性更高。其中光热转换效果最好的是pH值为3.4、质量浓度为800 μg/mL的样品，在5 min内温度上升约21 ℃，在第1 min时就升温到15 ℃，并在后续4 min左右达到平衡。人的体温值为37 ℃，当作为光热治疗剂使用时，在肿瘤部位5 min内实现约21℃的升温。作为对照组的纯水，无论pH值变化多大，水的温度升高仅有1到2℃，这表明在激光光源照射下，引起温度变化的是材料本身，与溶剂无关。正常人体组织和血液的pH值在7.0~7.4之间，而肿瘤病变部位在局部缺血时，其质液出现异常的酸化情况，这时肿瘤组织的 pH值低于正常组织，其 pH值约为6.0~6.5[20]。本研究制得的纳米 WO3−x材料在 pH 为6.0~6.5之间具有较好的光热转换性能，例如，在pH值为6.4、质量浓度值为800 μg/mL时，经光热转换后实现了5 min内约19 ℃的温度上升，可以应用于光热治疗领域。

图8 不同pH值和浓度的WO3−x的紫外照射光热转换性能Fig.8 Photothermal transformation diagrams of nano-WO3−x under different pH values and mass concentrations(a) pH=3.4; (b) pH=4.4; (c) pH=5.4;(d) pH=6.4; (e) pH=7.4

图9 所示为WO3−x的浓度与pH值对其禁带宽度的影响。从图9看出，随pH值降低或浓度增加，WO3−x的禁带宽度明显降低，结合图8所示的实验结果可知，pH值和浓度发生改变时会影响材料的禁带宽度，从而改变其光热转换性能。这是因为带隙能较低的半导体材料不仅能吸收高能量的光子，也可吸收较低能量的光子发生激发，因此对外在光源有着较高的利用率，具有较好的光热转换能力。而随浓度增加，材料的这种吸收效率提高[21]，即光热转换能力增强。当pH值降低或浓度增加时，WO3−x的禁带宽度出现不同程度的降低，使得WO3−x的光响应能力以及光热转换能力增强。另外，由于WO3−x产生光热效应是由于其强烈的LSPR效应引起的，根据经典的Mie理论，影响材料LSPR效应的因素主要有[22−23]：1) 纳米粒子的形状以及尺寸、纳米颗粒之间的间距；2) 由环境因素例如基体类型、溶剂类型、吸附剂等引起的材料表面等离子体的传导电子密度的变化；3) 材料的介电常数。BALITSKII等[24]的研究表明，当pH值增加时，位于导带下方的电子密度明显降低，使材料的传导电子密度明显降低，进而使得材料的LSPR效应变弱。另外，BALITSKII等的研究还发现pH值的改变会使WO3−x的氧缺陷结构发生变化，当 pH值增加时，WO3−x的氧缺陷程度降低，进而使其LSPR效应降低。

图9 WO3−x的浓度与pH值对其禁带宽度的影响Fig.9 Effects of mass concentration and pH values on energy band gap (Eg) of WO3−x

3 结论

1) 采用水热法，以乙醇为反应溶剂合成 PTMPPMAA表面修饰的WO3−x颗粒，为非整比结构的纳米W17O47，形貌呈球状，粒径在10 nm以下。

2) PTMP-PMAA修饰的W17O47颗粒具有较好的光热转换效应。当 pH值降低和浓度增加时，W17O47的光热性能增强。

3) 通过调节W17O47纳米材料的pH值和浓度可调控其光热转换性能。在应用于肿瘤部位的光热治疗时，考虑到人的体温为 37 ℃，肿瘤部位的pH为6.0~6.5之间，本文制备的W17O47纳米材料在pH值为6.4、浓度为800 μg/mL时，经光热转换后可实现在5 min内约19 ℃的温度上升，满足恶性肿瘤的光热治疗的要求。在实际应用时，可根据实际需求，通过浓度的改变来调节光热治疗的效果。