何 鵬,韓文豪,畢 成,牛淑妍

(青島科技大學(xué) 化學(xué)與分子工程學(xué)院，山東青島266042)

借助于局部表面等離子體共振(LSPR)技術(shù)[1]，納米材料可以有效地聚集和放大共振激發(fā)下其表面附近的入射光[2-3]。納米材料的近場增強(qiáng)性能也賦予了等離子體納米材料吸收光的能力。納米級(jí)的等離子體材料由于其優(yōu)越的光學(xué)特性，在光催化、光熱療法(PTT)和表面增強(qiáng)拉曼散射(SERS)等應(yīng)用方面有巨大的應(yīng)用潛力[4-6]。Au納米籠[7]、Ag納米晶體[8]和Pd納米片[9]等納米結(jié)構(gòu)貴金屬材料作為常規(guī)的等離子體納米材料引起了廣泛的科學(xué)關(guān)注。盡管上述材料對(duì)LSPR進(jìn)行了有效的放大處理，但等離子激元貴金屬納米材料仍存在一些嚴(yán)重缺陷，例如成本高、生物相容性和穩(wěn)定性差等缺陷，這不可避免的限制了其實(shí)際應(yīng)用[10]。

過渡金屬氧化物由于其金屬陽離子的d電子層電子比較活潑，容易導(dǎo)致電子或空穴載流子的局域化，具有耐熱性、抗毒性、光敏、熱敏的特性。近幾年，人們發(fā)現(xiàn)一些過渡金屬氧化物具有局部表面等離子共振效應(yīng)(LSPR)，表現(xiàn)出表面增強(qiáng)拉曼散射(SERS)活性，可作為SERS基底而受到高度關(guān)注[11-12]。SERS已被證明是一種有效的檢測痕量物質(zhì)的有效工具，除貴金屬外，等離子體半導(dǎo)體和過渡金屬氧化物由于價(jià)格低廉，拉曼增強(qiáng)性能優(yōu)越，常被用作SERS的基底，如銅硫系(Cu Te、CuS和CuSe)[13-16]、W18O29和Cu2O等。由于銅硫系其增強(qiáng)因子(EF)相對(duì)較弱，不能夠滿足對(duì)痕量化學(xué)分子的高靈敏度檢測。W18O29、Cu2O等氧化物雖然具有較高的EF值，可達(dá)8.0×105，但是其穩(wěn)定性差，在空氣中易被氧化，LSPR效應(yīng)也會(huì)隨著氧空穴的消失而減弱[17-18]。而氧化鉬(MoO2)不僅具有強(qiáng)的LSPR效應(yīng)，而且含有大量的氧空位，具有較好的穩(wěn)定性[19]。此外，MoO2還具有較高的近紅外吸收特性，可用作光熱轉(zhuǎn)換材料，用于光熱治療(PTT)[20-21]。

本研究通過多巴胺在堿性條件下的自聚合特性，在多巴胺聚合的過程中加入Mo O2納米粒子，自聚合成為摻雜MoO2的聚多巴胺納米材料。通過引入多巴胺，可以聚集Mo O2納米粒子，進(jìn)一步增強(qiáng)光熱性能。隨后在聚多巴胺粒子的表面原位還原上鉑顆粒以合成最終的MPDPs納米粒子。設(shè)計(jì)合成的MPDPs納米粒子同時(shí)具備表面增強(qiáng)拉曼、光熱和產(chǎn)生氧氣的作用，納米粒子粒徑為40 nm，并有望通過胞吞作用進(jìn)入腫瘤細(xì)胞實(shí)現(xiàn)對(duì)癌癥的檢測與治療。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1．1 試劑與儀器

檸檬酸鈉，上海阿拉丁化學(xué)試劑公司;氯鉑酸，上海阿拉丁化學(xué)試劑公司;TCEP，阿達(dá)瑪斯試劑公司;鹽酸多巴胺，上海阿拉丁化學(xué)試劑公司;MoS2(＜2μm)，上海阿拉丁化學(xué)試劑公司;乙醇，天津天力化學(xué)試劑有限公司;H2O2，天津天力化學(xué)試劑有限公司。

紫外分光光度計(jì)，Cary 50 UV-Vis-NIR型，美國Varian公司;透射電子顯微鏡，JEM-2000EX型，日本Hitachi公司;激光拉曼光譜儀，Renishaw in Via型，英國Renishaw公司;納米顆粒跟蹤分析儀，ZetaView型，德國Particle Metrix公司;XPS分析儀，Thermo ESCALAB 250XI型，美國賽默飛世爾公司;FT-IR光譜儀，Nicolet 6700型，美國Nicolet公司。

實(shí)驗(yàn)中所用的試劑均為分析純(AR)，未做進(jìn)一步處理，所用的溶液均為超純水配制。

實(shí)驗(yàn)中用到的合成寡核苷酸鏈均為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 實(shí)驗(yàn)中用到的DNA序列Table 1 DNA sequence used in the experiment

1．2 MoO2納米粒子的合成

將1.6 m L的H2O2添加到30 m L含30 mg MoS2粉末的乙醇中，攪拌15 min后，將混合物移入特氟隆高壓釜中，在180℃下加熱5 h，得到藍(lán)綠色的產(chǎn)品，冷卻至室溫后收集。然后使用1 000 D的透析袋在去離子水中透析48 h，再用0.22μm孔的纖維素酯膜進(jìn)行真空過濾。隨后，將收集的懸浮液冷凍干燥，并制備出二氧化鉬。最終將粉末于－20℃儲(chǔ)存以進(jìn)一步進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

1．3 MPDPs納米粒子的合成

首先將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溶液中分別加入0.1，0.25，0.5，0.75，1和2 mg的鹽酸多巴胺粉末，室溫下攪拌4 h，離心分散后重新溶解在去離子水中。取5 m L的PDA＠Mo O2溶液加入0.7 m L氯鉑酸水溶液(4 mg·m L－1)，在90℃的油浴中攪拌反應(yīng)24 h以在聚多巴胺表面原位還原Pt顆粒。反應(yīng)結(jié)束后離心洗滌，分散在去離子水中并與4℃儲(chǔ)存。

1．4 光熱實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證MPDPs納米粒子的光熱增強(qiáng)效果，使用808 nm紅外激光器和手持式熱敏成像檢測器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。首先分別在相同條件下使用激光器(1.2 W·cm－2)對(duì)去離子水、MoO2溶液、PDA＠Mo O2溶液和MPDPs納米粒子照射10 min，依次拍照記錄每分鐘的溫度變化。隨后停止激光照射，并每隔1 min拍照記錄MPDPs納米粒子的冷卻溫度，重復(fù)上述操作5次，繪制冷卻曲線，并計(jì)算光熱轉(zhuǎn)換效率。

1．5 SERS檢測

為驗(yàn)證MPDPs納米粒子的SERS增強(qiáng)效果，在MPDPs納米粒子的表面通過巰基-醌基的作用連接上Cy5拉曼信號(hào)DNA分子。取1μL修飾Cy5的MPDPs納米粒子滴在金玻璃片上，干燥后用激光拉曼光譜儀的633 nm激光器進(jìn)行SERS檢測。

1．6 實(shí)驗(yàn)原理

MPDPs納米粒子的合成步驟如圖1所示。首先由硫化鉬通過無表面活性劑的溶劑熱方法來制備氧化鉬納米材料，隨后由于鹽酸多巴胺的堿性自聚合特性，將氧化鉬納米材料摻雜在聚多巴胺納米球中，形成PDA＠Mo O2納米粒子。最后，在聚多巴胺納米粒子的表面原位還原上Pt顆粒以合成MPDPs納米粒子。通過合適的合成時(shí)間，制備的Mo O2納米材料表現(xiàn)出強(qiáng)烈的近紅外吸收能力，產(chǎn)生強(qiáng)烈的LSPR效應(yīng)和光熱效果。基于這種獨(dú)特的性能，等離子Mo O2納米片可作為SERS活性基底和光熱治療劑，用于痕量生物分子的檢測和腫瘤熱消融。在此基礎(chǔ)上，利用聚多巴胺的包覆和累積作用，進(jìn)一步增強(qiáng)了Mo O2納米粒子的LSPR效應(yīng)和光熱效率。同時(shí)，MPDPs納米粒子表面的Pt顆粒具有產(chǎn)氧和進(jìn)一步增強(qiáng)LSPR效應(yīng)的作用，可以提高SERS增強(qiáng)效果和光熱性能，優(yōu)秀的產(chǎn)氧能力能夠?yàn)楹罄m(xù)的光動(dòng)力治療解決乏氧的問題。

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

2 結(jié)果與討論

2．1 MPDPs的TEM表征

用透射電子顯微鏡(TEM)表征了Mo O2納米粒子、Mo O2＠PDA和MPDPs的微觀結(jié)構(gòu)和形貌，見圖2。圖2(a)顯示了等離子體Mo O2納米粒子的TEM照片，可以清楚地看到Mo O2納米粒子是均勻分散的，并且大小均勻，橫向尺寸約為3 nm。TEM圖像還顯示Mo O2的晶格條紋為0.24 nm，對(duì)應(yīng)單斜Mo O2的(200)面。通過多巴胺在堿性溶液中的自聚合反應(yīng)合成了Mo O2＠PDA納米粒子，見圖2(b)?？梢园l(fā)現(xiàn)，納米材料具有雙層結(jié)構(gòu)，對(duì)應(yīng)于深色的為Mo O2，和對(duì)比度較低的PDA涂層。Mo O2＠PDA納米材料為大小較為均一的球型納米粒子，粒徑約為40 nm。PDA具有豐富的胺基和羥基，顯示出對(duì)金屬離子的還原能力和配位點(diǎn)。因此，PDA被用作還原劑以將Pt4＋離子還原為Pt納米顆粒。同時(shí)，PDA納米粒子在穩(wěn)定和支撐Pt納米粒子方面也起著重要作用。大約5 nm的Pt納米顆粒均勻地分布在表面(圖2(c))。

圖2 MoO2納米粒子、MoO2＠PDA納米粒子和MPDPs納米粒子的TEM照片F(xiàn)ig．2 TEM images of MoO2 NPs，Mo O2＠PDA NPs and MPDPs NPs

通過EDS能譜分析可以進(jìn)一步確定MPDPs納米粒子的元素組成，見圖3。氧元素和鉬元素來自氧化鉬納米粒子，碳和氮元素由PDA外殼提供，鉑元素由最外層的Pt納米顆粒提供。圖中各元素的位置分布與探針中納米粒子的位置相對(duì)應(yīng)，進(jìn)一步證明了MPDPs納米探針的成功合成。

圖3 MPDPs的EDS能譜表征圖Fig．3 STEM-HAADF image，and the corresponding element mapping images of MPDPs

為了合成出大小更均一、形貌更好的MPDPs納米粒子，還對(duì)實(shí)驗(yàn)的條件進(jìn)行了優(yōu)化。首先對(duì)合成Mo O2＠PDA過程中鹽酸多巴胺用量的優(yōu)化，見圖4。在其他實(shí)驗(yàn)條件均不變改變鹽酸多巴胺質(zhì)量的情況下，當(dāng)加入量為0.5 mg鹽酸多巴胺粉末時(shí)，形成的Mo O2＠PDA納米粒子具有更均勻的球形，且大小更均勻。加入量過小則有大量的Mo O2納米粒子沒有被PDA包裹，加入量過多則分散不均勻且易形成大的顆粒聚集物。因此，選擇0.5 mg的鹽酸多巴胺粉末作為最終的加入量。

圖4 不同質(zhì)量鹽酸多巴胺加入量的MoO2＠PDA納米粒子的TEM照片F(xiàn)ig．4 TEM images of MoO2＠PDA NPs with different quality of dopamine involved

此外，還對(duì)氯鉑酸的用量進(jìn)行了優(yōu)化，見圖5。圖5(a)到(c)分別加入0.7 m L 2、4和6 mg·m L－1的氯鉑酸水溶液。加入的氯鉑酸的量越大，形成的Pt納米顆粒的數(shù)量越多。但是4和6 mg·m L－1的氯鉑酸對(duì)Pt納米顆粒的還原數(shù)量影響不大，因此，選擇4 mg·m L－1的氯鉑酸為最終的加入量。

圖5 不同濃度氯鉑酸制備的MPDPs納米粒子的TEM照片F(xiàn)ig．5 TEM image of MPDPs NPs with different concentration of H 2 PtCl6 was involved

2．2 材料的其他表征

圖6為MPDPs納米顆粒的XPS掃描光譜。由圖6可見，5種元素明顯的結(jié)合能結(jié)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的測試結(jié)果與氧化鉬及鉑的出峰位置一致，表明MPDPs納米顆粒成功合成。

圖6 MPDPs納米粒子的XPS表征圖Fig．6 High-resolution XPS of MPDPs NPs

圖7 顯示了MPDPs納米粒子的XRD衍射峰。圖中特征衍射峰位置及晶面指數(shù)都已標(biāo)出，MPDPs中Mo O2的晶面指數(shù)有(100)、(110)、(200)和(220)，Pt NPs的晶面指數(shù)有(111)、(200)和(220)，通過將MPDPs納米粒子的特征衍射峰與單斜Mo O2(JCPDS No.32-0671)和Pt粉(JCPDS No.0040802)的樣品對(duì)比，可以表明MPDPs納米粒子同時(shí)包含Mo O2和Pt NPs，而且由衍射峰細(xì)且尖銳，表明MPDPs納米粒子結(jié)晶狀態(tài)良好。

圖7 MPDPs納米粒子的XRD表征圖Fig．7 XRD patterns of MPDPs NPs

MPDPs納米粒子的FT-IR光譜見圖8。其500～800 cm－1是Mo—O—Mo拉伸振動(dòng)的特征吸收峰，1 052和1 038 cm－1處的兩個(gè)峰和3 423 cm－1處的一個(gè)峰可歸因于MoO和O—H拉伸振動(dòng)。此外，N—H的伸縮振動(dòng)位于3 190和3 229 cm－1，C—O的振動(dòng)位于1 295 cm－1以及1 630 cm－1的芳香環(huán)中CC伸縮振動(dòng)吸收，證實(shí)了PDA真實(shí)存在。另外，通過紫外可見(UV-vis)吸收光譜以研究氧化鉬樣品的光學(xué)性質(zhì)，見圖9。黑線表示Mo O2，在700～850 nm范圍內(nèi)都表現(xiàn)出強(qiáng)烈的可見光和NIR吸收，可作為光熱轉(zhuǎn)換物。MPDPs納米粒子不僅同時(shí)具備Mo O2的強(qiáng)烈的可見光和NIR吸收特性，還具有Pt的UV吸收峰(870 nm左右)。此外，通過Zeta電位對(duì)MPDPs在層層修飾的過程電位的監(jiān)測，如圖10所示，Mo O2納米片的Zeta電位為－18.5 m V;包裹多巴胺后，由于PDA為電負(fù)性，Mo O2＠PDA電位進(jìn)一步變負(fù)為－26.1 m V;因?yàn)樵贿€原的鉑納米顆粒的正電性，使得MPDPs的電位變?yōu)椋?1.3 m V。

圖8 MPDPs納米粒子的FT-IR表征圖Fig．8 FT-IR pattern of MPDPs NPs

圖9 MPDPs納米粒子的UV-vis表征圖Fig．9 UV-vis patterns of MPDPs NPs

圖10 MPDPs納米粒子的Zeta電位表征圖Fig．10 Zeta patterns of MPDPs NPs

通過以上3種方法的檢測，進(jìn)一步說明了MPDPs的成功合成。

2．3 MPDPs的產(chǎn)氧性能分析

對(duì)鉑納米粒子由于其獨(dú)特性能，可在過氧化氫的存在下分解過氧化氫產(chǎn)生氧氣。通過使用溶解氧計(jì)測量MPDPs的制氧能力，見圖11。加入H2O2后，溶解氧計(jì)檢測到強(qiáng)氧信號(hào)，并在28 min左右達(dá)到峰值(圖8)，并且觀察到溶液中產(chǎn)生氧氣氣泡。結(jié)合MPDPs的光熱作用，在相同條件下使用808 nm激光照射下，產(chǎn)氧量明顯增加，并且有大量氣泡冒出，這可能與光照產(chǎn)生的熱量加快過氧化氫分解有關(guān)。而其他的對(duì)照組的產(chǎn)氧量均無大幅度變化，說明MPDPs中的Pt納米粒子可以催化過氧化氫產(chǎn)生氧氣，并且由于氧化鉬的光熱作用可進(jìn)一步促進(jìn)過氧化氫分解，增加產(chǎn)氧量。

圖11 MPDPs納米粒子在不同情況下的O2產(chǎn)生濃度圖Fig．11 O2 production concentration profiles of MPDPs nanoparticles in different conditions

2．4 MPDPs的光熱性能分析

MPDPs表現(xiàn)出跨越整個(gè)NIR窗口的等離振子共振帶，會(huì)有較好的光熱轉(zhuǎn)換作用。使用808 nm NIR激光器，功率密度為1.2 W·cm－2進(jìn)行連續(xù)波NIR激光照射，持續(xù)10 min，并用溫度檢測器進(jìn)行實(shí)時(shí)溫度監(jiān)控，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖12所示。

圖12 H2 O、MoO2、MoO2＠PDA和MPDPs光熱溫度變化圖Fig．12 Temperature evolutions of H 2 O，Mo O2，Mo O2＠PDA and MPDPs NPs

由圖12可知，對(duì)相同濃度的4種液體，隨著照射時(shí)間的延長，MPDPs的溫度從23℃逐漸升高到54℃，MoO2＠PDA納米粒子的溫度從23℃逐漸升高到47℃，Mo O2納米粒子的溫度從23℃逐漸升高到40℃，而純凈水的溫度幾乎不變。

圖13為MPDPs、Mo O2＠PDA、Mo O2和PBS在光照下每分鐘的溫度變化所對(duì)應(yīng)的圖像。通過對(duì)照實(shí)驗(yàn)可以得出，功率密度為1.2 W·cm－2的NIR激光燈對(duì)于溶劑水的影響不大，只有溶質(zhì)的變化可以引起溫度的改變，被PDA包裹的Mo O2納米粒子由于聚集作用使得光熱效果增強(qiáng)，繼續(xù)原位還原上Pt納米顆粒以后，由于金屬的共振作用會(huì)進(jìn)一步提高其光熱效果。

圖13 MPDPs、MoO2＠PDA、MoO2和PBS在光照下每分鐘的溫度變化所對(duì)應(yīng)的圖像Fig．13 Images corresponding to the temprature chang of MPDPs，MoO2＠PDA，MoO2 and PBS per minute under light

為了檢驗(yàn)材料的穩(wěn)定性，接下來對(duì)MPDPs納米粒子進(jìn)行了5次重復(fù)升溫降溫實(shí)驗(yàn)(圖14)，在5次循環(huán)光照、冷卻的過程中，光熱效果幾乎沒有變化，表明MPDPs具有良好的光熱能力。

圖14 MPDPs光熱-冷卻循環(huán)溫度變化圖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

為了計(jì)算MPDPs的光熱轉(zhuǎn)換效率還對(duì)其進(jìn)行了冷卻溫度的記錄并繪制冷卻曲線，如圖15。由冷卻曲線數(shù)據(jù)點(diǎn)的線性擬合可以得出MPDPs的時(shí)間常數(shù)ts＝294.98 s，計(jì)算[21]可得，MPDPs的光熱轉(zhuǎn)換效率為η＝63.5%。

圖15 MPDPs時(shí)間與冷卻循環(huán)溫度增量的負(fù)自然對(duì)數(shù)的關(guān)系圖,數(shù)據(jù)點(diǎn)的線性擬合得出半衰期t s為294.98 s(插圖為MPDPs的升溫和降溫曲線)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

為了探索MPDPs納米粒子的傳感應(yīng)用，通過使用Cy5拉曼分子作為模型分析物來評(píng)估MPDPs納米粒子的SERS性能。為了驗(yàn)證合成的MPDPs納米粒子的拉曼增強(qiáng)性能，分別在金基底上對(duì)Cy5拉曼分子、Mo O2、Mo O2＠PDA和MPDPs進(jìn)行了SERS檢測，見圖16。Mo O2組采用混合方法將拉曼分子與Mo O2納米粒子混合進(jìn)行SERS檢測，Mo O2＠PDA和MPDPs組則采用醌基和巰基相連的方式，將拉曼分子上的巰基與PDA表面的醌基結(jié)合連接到納米粒子表面。Cy5拉曼分子的拉曼光譜，觀察到了1 594、1 500、1 271和1 200 cm－1處的4個(gè)主要Cy5帶，分別對(duì)應(yīng)于ν(CN)拉伸，ν(CC)環(huán)、ν(CC)環(huán)，ν(CN)拉伸模式。由于Mo O2、Mo O2＠PDA和MPDPs納米粒子具有更高的靈敏度，與Cy5相比顯示出其他峰(例如1 150，1 325和1 390 cm－1)。隨著層層修飾，SERS信號(hào)不斷增強(qiáng)，說明MPDPs納米粒子能夠大大增強(qiáng)拉曼信號(hào)。接下來通過公式(1)對(duì)MPDPs的SERS增強(qiáng)因子(EF)進(jìn)行計(jì)算。

圖16 Cy5、MoO2、MoO2＠PDA和MPDPs的SERS檢測圖Fig．16 SERS spectra of Cy5，Mo O2，MoO2＠PDA and MPDPs NPs

由公式(1)計(jì)算可得Cy5修飾的MPDPs的EF為7.2×106。而且由于PDA表面具有大量的官能團(tuán)易于生物功能化，這使得該納米探針能夠應(yīng)用于后續(xù)的DNA、多肽等生物分子的連接，從而為腫瘤細(xì)胞、細(xì)菌、病毒等生物分子的檢測和治療提供有效途徑。

3 結(jié) 論

通過多巴胺在堿性條件下的自聚合特性，合成了具有表面增強(qiáng)拉曼散射和光熱轉(zhuǎn)換性能的MPDPs納米粒子。實(shí)驗(yàn)中的MoO2納米粒子，自聚合成為摻雜Mo O2的聚多巴胺納米材料，隨后在聚多巴胺粒子的表面原位還原上鉑顆粒以合成最終的MPDPs納米粒子。設(shè)計(jì)合成的MPDPs納米粒子同時(shí)具備表面增強(qiáng)拉曼、光熱和產(chǎn)生氧氣的作用。MPDPs納米粒子出色的SERS效果由電荷轉(zhuǎn)移和分子共振的耦合產(chǎn)生。結(jié)合近紅外吸收和出色的光熱轉(zhuǎn)換能力，MPDPs納米粒子還可作為一種有PTT治療劑。鉑顆粒生成的氧氣可以為后續(xù)實(shí)驗(yàn)的光敏劑PDT治療供氧，以增強(qiáng)治療效果。