李 健 王菁華 楊阿龍 石振寧 王江韋 趙勤富 張 瑩

(沈陽(yáng)藥科大學(xué)，沈陽(yáng) 110016)

0 引 言

金納米粒是直徑為1～100 nm的金的締合膠體[1]，具有非常獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì)，主要表現(xiàn)為以下3方面：(1)金納米粒相對(duì)安全，易于制備，穩(wěn)定性良好；(2)具有納米粒所特有的小尺寸效應(yīng)，表面效應(yīng)，量子尺寸效應(yīng)，宏觀量子隧道效應(yīng)和介電效應(yīng)等；(3)具有獨(dú)特的電學(xué)效應(yīng)，光學(xué)效應(yīng)，磁學(xué)效應(yīng)，催化效應(yīng)和生物親和效應(yīng)[2-4]。在各種形態(tài)的金納米粒的研究中，金納米球和金納米棒因具有優(yōu)異的光學(xué)和催化性能，在化學(xué)、生物、醫(yī)藥等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

在近紅外光照射下，金納米粒能在短時(shí)間內(nèi)升高溫度，達(dá)到殺死腫瘤細(xì)胞的目的且不影響正常細(xì)胞的功能，該特征使金納米粒用于體內(nèi)光熱治療淺表腫瘤，包括：乳腺癌、乳腺術(shù)后的胸壁侵犯、惡性黑色素瘤及部分軟組織肉瘤等[5-7]。在生理?xiàng)l件下，金納米粒還是一種高效的催化劑，通過(guò)催化血液中的S-亞硝基硫醇的分解誘導(dǎo)NO的釋放。NO作為一種氣體性信使分子對(duì)腫瘤的發(fā)生、發(fā)展和轉(zhuǎn)化引起了人們的關(guān)注，成為腫瘤預(yù)防和治療的嶄新領(lǐng)域[8-10]。金納米粒對(duì)NO催化作用的研究對(duì)腫瘤的發(fā)生發(fā)展具有理論和實(shí)際意義。

本文以HAuCl4為原料，PVP為穩(wěn)定劑，NaBH4為還原劑制備了小粒徑金納米球和不同長(zhǎng)徑比的金納米棒，進(jìn)一步研究了金納米球和金納米棒光熱和催化性能。用808 nm的激光發(fā)射器在功率為2 W·cm-2的條件下測(cè)定金納米球和金納米棒近紅外光熱性能。用Griess試劑盒在模擬血漿條件下，通過(guò)NO釋放量測(cè)定金納米球和金納米棒催化性能。本文對(duì)金納米球和金納米棒的熱性能及催化性能研究對(duì)于金納米粒在體內(nèi)腫瘤熱療方面的研究具有理論價(jià)值和實(shí)際意義。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 金納米球的制備

1.92 mL 的 HAuCl4溶液(50 mmol·L-1)和 0.039 5 g的PVP溶液混合稀釋到100 mL，攪拌加熱至100 ℃，加入 1.2 mL 的 NaBH4溶液(0.3 mol·L-1)反應(yīng)10 min，冷卻至室溫，4℃避光保存，制備金納米球。

1.2 金納米棒的制備

7.5 mL去離子水和364 mg CTAB(wCTAB)攪拌均勻，加入 2.5 mL 的 HAuCl4(1 mmol·L-1)溶液，0.5 mL的冰 NaBH4溶液(0.01 mol·L-1)，靜置生長(zhǎng) 1 h，制備待用晶種溶液(seed solution)。

7.5 mL去離子水和364 mg CTAB攪拌均勻，加入 2.5 mL 的 HAuCl4溶液(1 mmol·L-1)和 4 mmol·L-1的 0.4～1.2 mL AgNO3溶液(VAgNO3)，加入 1 mol·L-1的0.5 mL抗壞血酸溶液(AA)(VAA)和0.05 mL晶種溶液(VSEED)，避光靜置生長(zhǎng)24 h，制備小長(zhǎng)徑比金納米棒(R=2.5～3.01)。

25 mL去離子水和0.9 g CTAB，0.123 4 g NaOL攪拌均勻，加入 25 mL HAuCl4溶液(1 mmol·L-1)和3.6 mL AgNO3溶液(4 mmol·L-1)，再加入 0.3 mL 的HCl溶液(12 mol·L-1)，0.125 mL 的抗壞血酸溶液(0.064 mol·L-1)和0.02 mL晶種溶液，避光靜置生長(zhǎng)12 h，制備大長(zhǎng)徑比金納米棒(R=4)。

1.3 金納米粒子熱性能測(cè)定

用808 nm激光發(fā)射器，在2 W·cm-2的條件下對(duì) C(0.4 mg·mL-1)、0.5C 濃度的金納米球與 C、0.5C濃度的金納米棒樣品進(jìn)行近紅外光熱性能分析，用水作為空白對(duì)比。文中的濃度C均為0.4 mg·mL-1。

1.4 金納米粒子催化性能測(cè)定

將裝有1 mL金納米球溶液，2 mL PBS(pH=7.4)和 300 μL 的 1.20 mmol·L-1GSNO(亞硝基谷胱甘肽)(2.5 mg)的PBS溶液的透析袋，放入到裝有20 mL PBS溶液的燒杯中攪拌1 h，取1 mL袋內(nèi)的液體，加入GriessⅠ試劑(對(duì)胺基本磺酸磷酸溶液)、GriessⅡ試劑(鹽酸萘乙二胺水溶液)，避光反應(yīng)15min后，測(cè)定反應(yīng)液的紫外吸光度。按照上述方法，在10、20、30、40、50、60 min 分別取樣， 測(cè)定溶液吸光度，從而計(jì)算出C濃度下金納米粒的催化時(shí)間與NO釋放量的關(guān)系。在催化時(shí)間為10 min條件下，測(cè)定C、0.5C和0.1C濃度的金納米球反應(yīng)液吸光度，從而計(jì)算出金納米球濃度與NO釋放量的關(guān)系。相同方法測(cè)定長(zhǎng)徑比為3.01，濃度為C、0.5C和0.25C的金納米棒反應(yīng)液吸光度，從而計(jì)算出金納米棒催化性能與濃度的關(guān)系。

2 結(jié)果與討論

2.1 金納米球和金納米棒形貌表征

為了更直觀觀察金納米粒的分布和水凝膠的形態(tài)，對(duì)所做的金納米球和金納米棒樣品進(jìn)行了透射電鏡表征(圖1)。金納米球形貌規(guī)則，大小均一，表面光滑，平均粒徑約為5 nm(圖1a)。金納米棒(R=4)形貌規(guī)則，大小均一，長(zhǎng)徑為85 nm、短徑21 nm，圖中泛白的地方是由CTAB殘余所致(圖1b)。

圖1 (a)金納米球和(b)金納米棒(R=4)透射電鏡圖片F(xiàn)ig.1 TEM images of(a)gold nanospheres and(b)gold nanorods(R=4)

從表1可見，隨著AgNO3的增加，金納米棒的R先增大后減小，反應(yīng)中如果加入過(guò)量AgNO3，會(huì)導(dǎo)致金納米棒形狀不規(guī)則。由于適量Ag+的存在使CTAB在金納米棒的橫向部位排列更加有序，生長(zhǎng)速度變得非常緩慢，易于形成有序的雙層結(jié)構(gòu)，從而促進(jìn)了晶種在縱向部位的生長(zhǎng)[11]。而過(guò)量的Ag+會(huì)影響橫向部位的有序排列。因而，生長(zhǎng)液中硝酸銀的濃度是調(diào)控金納米棒長(zhǎng)徑比最為重要的參數(shù)之一。

表1 硝酸銀用量與金納米棒長(zhǎng)徑比的關(guān)系Table 1 Relationship between silver nitrate dosage and aspect ratio of gold nanorods

2.2 金納米球和金納米棒紫外-可見吸收光譜測(cè)定結(jié)果和討論

圖2為金納米球和金納米棒紫外-可見吸收光譜。如圖2a所示，金納米球溶液最大吸收峰在516 nm處，表現(xiàn)為金納米球溶液的紫外特征吸收。在存放7 d后，金納米球溶液的最大吸收峰紅移到526 nm處，說(shuō)明金納米球溶液在存放過(guò)程中會(huì)有一個(gè)生長(zhǎng)過(guò)程。金納米棒(R=4)在520和894.5 nm處各有一個(gè)吸收峰(圖2b)，表現(xiàn)為金納米棒的橫向和縱向特征吸收峰[12]。在存放過(guò)程中，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)吸收峰存在紅移現(xiàn)象，說(shuō)明金納米棒的生長(zhǎng)穩(wěn)定性更好。

圖3為不同長(zhǎng)徑比的金納米棒紫外－可見吸收光譜。從圖中可以看出，隨硝酸銀濃度的增加金納米棒在510 nm處的紫外吸收峰的位置及強(qiáng)度幾乎相同，但最大紫外吸收波長(zhǎng)從674 nm增加到709 nm，同時(shí)吸收強(qiáng)度也明顯增大。

圖2 (a)金納米球和(b)金納米棒(R=4)的紫外-可見吸收光譜Fig.2 UV-Vis Absorption Spectra of(a)Gold Nanospheres and(b)Gold Nanorods(R=4)

圖3 不同硝酸銀用量所對(duì)應(yīng)的金納米棒紫外-可見吸收光譜Fig.3 UV-Visible absorption spectra of gold nanorods corresponding to different silver nitrate dosages

2.3 金納米球和金納米棒熱性能測(cè)定

2 W·cm-2的條件下水、0.5C、C濃度的金納米球和金納米棒的熱效應(yīng)曲線見圖4。實(shí)驗(yàn)條件下金納米球和金納米棒溶液溫度隨著照射時(shí)間的增加而升高，照射時(shí)間為10 min時(shí)C濃度溶液升溫效果最好，金納米球溶液溫度升高了10.2℃(圖4a)。0.5C濃度的金納米球溫度升高了8.6℃，水溫升高了2.7℃。圖4b所示，C濃度下金納米棒溶液溫度升高了41.3℃。0.5C濃度的金納米棒溫度升高了29.1℃，水溫升高了2.7℃。說(shuō)明金納米球和金納米棒溶液的溫度變化值隨濃度的增加而增大，可見金納米球和金納米棒有良好的光熱轉(zhuǎn)化性能，可以有效地進(jìn)行局部加熱且金納米棒光熱轉(zhuǎn)化性能要強(qiáng)于金納米球。

圖4 (a)金納米球和(b)金納米棒(R=3.01)熱效應(yīng)曲線Fig.4 (a)Thermal effect curves of gold nanospheres and(b)gold nanorods(R=3.01)

2.4 金納米球催化亞硝基硫醇(RSNOs)釋放NO

由于金與巰基的配位作用，引起亞硝基硫醇中S-N化學(xué)鍵的斷裂，催化了NO的生成[13]。選取GSNO-人體血漿中的一種內(nèi)源性亞硝基硫醇，用來(lái)研究金納米粒催化NO釋放的能力。金納米球溶液催化亞硝基谷胱甘肽(GSNO)釋放NO結(jié)果見圖5。C濃度的金納米球催化反應(yīng)在前30 min反應(yīng)最快，在30～50 min持續(xù)穩(wěn)定釋放，釋放量最大為1.42 nmol·L-1(圖5a)。NO的釋放量隨金納米球的濃度增加而增加，隨著催化反應(yīng)中金納米球濃度從0.1C增大到C，NO 的釋放量從 0.167 nmol·L-1增大到 1.42 nmol·L-1(圖 5b)。

圖5 不同條件下金納米球催化釋放NO曲線Fig.5 Catalytic NO release curves of gold nanospheres under different conditions

金納米棒溶液催化GSNO釋放NO結(jié)果見圖6。金納米棒濃度越大，催化性能越好，誘導(dǎo)釋放NO的量越多。金納米棒(R=3.01)溶液濃度從0.25C增大到 C，NO的釋放量從 1.05 nmol·L-1增大到 1.89 nmol·L-1。

圖6 不同濃度金納米棒(R=3.01)催化釋放NO曲線Fig.6 Release curves of NO of gold nanorods(R=3.01)with different concentrations

3 結(jié) 論

本文研究了金納米球和金納米棒(R=2.5～4)的制備，以氯金酸為原料，聚乙烯吡咯烷酮K30為穩(wěn)定劑，硼氫化鈉為還原劑制備了5 nm金納米球。以CTAB為單穩(wěn)定劑，晶種的老化生長(zhǎng)時(shí)間為60 min時(shí)，AgNO3對(duì)金納米棒的長(zhǎng)徑比起到促進(jìn)作用，調(diào)控AgNO3的用量制備了長(zhǎng)徑比R=2.5～3.01的金納米棒。在生長(zhǎng)液中加入油酸鈉(NaOL)作為雙重穩(wěn)定劑制備了長(zhǎng)徑比R=4的金納米棒。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在功率2 W·cm-2的808 nm激光照射條件下，實(shí)驗(yàn)濃度范圍內(nèi)金納米球在10 min內(nèi)升高10.2℃，金納米棒在10 min內(nèi)溫度迅速升高41.3℃，金納米球和金納米棒的升溫速率隨著濃度增加而增加，都可以有效地進(jìn)行局部加熱。金納米球和金納米棒能催化血液中亞硝基硫醇釋放NO，實(shí)驗(yàn)濃度范圍內(nèi)金納米球最大釋放量可達(dá)1.42 nmol·L-1，金納米棒最大釋放量可達(dá)1.89 nmol·L-1，金納米球和金納米棒的催化性能隨著濃度的增加而增加，都具有良好的催化性能。金納米棒的催化及光熱轉(zhuǎn)化性能要優(yōu)于金納米球。本文對(duì)金納米粒子的熱性能及催化性能研究及用于體內(nèi)腫瘤熱療具有理論價(jià)值。