CN106938857A - 一种二氧化钼纳米光热转换材料及其制备方法和应用 - Google Patents

一种二氧化钼纳米光热转换材料及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种二氧化钼纳米光热转换材料及其制备方法和应用。本发明结合液相激光烧蚀技术和溶剂热法，通过在混合溶液中激光烧蚀高纯金属钼，获得高活性溶剂热前驱体，再经过溶剂热法在较温和条件下反应合成了二氧化钼纳米颗粒。本发明制备的二氧化钼纳米颗粒具有表面等离子体共振特性，在近红外波段可以产生强烈光吸收，近红外激光辐照下，能将所吸收的光能有效转化为热能从而杀死癌细胞，同时具有优异的光热稳定性和生物相容性，可用于制备光热治疗试剂，将含有二氧化钼纳米材料的光热治疗试剂注入到肿瘤部位，利用近红外激光对肿瘤进行辐照，能够有效抑制肿瘤生长，在光热治疗肿瘤领域具有非常广泛的应用前景。

Description

一种二氧化钼纳米光热转换材料及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于光热转换材料领域，具体涉及一种二氧化钼纳米光热转换材料及其制备方法和应用。
背景技术
光热治疗通过将材料注入到肿瘤中，利用材料在近红外波段(生物窗口)大量吸收光能并转化为热能而杀死癌细胞，达到治疗癌症的效果。光热治疗与传统的放射性治疗、化学治疗等癌症治疗技术相比，其最大的优势在于精准治疗，将具有光热效应的药剂与抗体复合，通过抗体的靶向性可以准确到达癌细胞周围，同时对正常细胞、组织无伤害。此外光热治疗的疗程很短，只需几分钟，且无其他副作用，是一种应用前景十分广泛的癌症治疗方法。目前用于光热治疗的材料已经发展出四代。第一代是以为金、银为代表的贵金属纳米颗粒，这些纳米颗粒具有很强的表面等离子体共振特性，因而具有很好的光吸收效率，但因其价格昂贵、表面等离子体共振波段难与生物窗口相匹配而受到了限制。第二代光热材料主要是石墨烯为主的碳材料，这些材料的光热转换面积较大，但生物降解性不好，同时近红外吸收较弱。第三代材料包括CuS等重掺杂半导体和金属化合物，半导体的表面等离子体共振峰位可以通过掺杂调控到生物窗口，从而在生物窗口产生明显的光吸收，但掺杂使得表面等离子体共振强度减弱，影响了光吸收效果，且硫化物等的生物相容性较差，在光热治疗上的应用受到限制。因此，需要开发一种合成方法绿色、简单、成本低廉、无需掺杂就能在生物窗口产生强烈表面等离子体共振的光热转换材料。
目前制备MoO2材料的方法主要有水热合成法与化学气相沉积等。Zhou等人采用热蒸发技术，在1100℃、氩气氛围下沉积了垂直于衬底的MoO2纳米线阵列(Zhou J,etal.Large-area nanowire arrays of molybdenum and molybdenum oxides:Synthesisand field emission properties[J].Advanced Materials,2003,15(21):1835-1840.)。Liang等人利用(NH4)6Mo7O24·4H2O作为钼源通过水热合成制备MoO2纳米结构，同时通过添加乙二醇、乙二胺和水合肼作为表面活性剂调控了MoO2的微观形貌，制备出MoO2纳米球(无表面活性剂)、MoO2纳米片(乙二醇)和MoO2纳米带(乙二胺)三种不同的纳米结构(Liang Y,et al.Hydrothermal synthesis and lithium-intercalation properties of MoO2,nano-particles with different morphologies[J].Solid State Ionics,2006,177(5-6):501-505.)。这些方法通常需要较为严苛的合成环境，合成步骤繁琐、合成能耗大，同时，这些工作并未报道所合成的MoO2具有表面等离子体共振特性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种二氧化钼纳米光热转换材料的制备方法，将液相激光烧蚀与溶剂热合成相结合，制备了具有表面等离子体共振特性的MoO2纳米颗粒，所述MoO2纳米颗粒为高结晶态的单斜相二氧化钼，具有光热转换性能，可作为光热转换材料制备光热治疗试剂。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种二氧化钼纳米光热转换材料的制备方法，所述方法结合液相激光烧蚀技术和溶剂热法，通过在混合溶液中激光烧蚀高纯金属钼，获得高活性溶剂热前驱体，再经过溶剂热法反应合成二氧化钼纳米颗粒，具体包括以下步骤：
步骤1，配制体积比为1-2:1的乙醇与H2O2的混合溶液，将单质钼浸没在混合溶液中，搅拌混合均匀；
步骤2，将激光光束聚焦在单质钼表面，在100-300mJ激光能量下烧蚀10-45min，得到含氧化钼纳米颗粒的胶体；
步骤3，将含氧化钼纳米颗粒的胶体在120-220℃下保温1-5h，进行溶剂热合成，反应结束后，冷却至室温，去除上层清液，将沉淀清洗、离心、干燥后，得到二氧化钼纳米材料。
优选地，步骤1中，所述的单质钼为高纯钼靶(99.99％)或钼粉。
优选地，步骤2中，所述的脉冲激光的波长为532nm或1064nm，脉冲频率为5-10Hz。
优选地，步骤2中，所述的激光能量为250mJ，烧蚀时间为20min。
优选地，步骤3中，所述的溶剂热反应温度为160～180℃，保温时间为2h。
优选地，步骤3中，所述的清洗所用溶剂为乙醇或甲醇，离心转速为8000-10000r/min，离心时间为2-4min，离心次数为3-6次。
进一步地，本发明还提供上述制备方法制得的二氧化钼纳米光热转换材料。
更进一步地，本发明提供上述二氧化钼纳米材料在制备光热治疗试剂的应用。
本发明与现有技术相比，具有以下显著优点：
(1)制备的二氧化钼纳米光热转换材料具有表面等离子体共振特性，在近红外波段可以产生强烈光吸收，在近红外激光辐照下，能将所吸收的光能有效转化为热能从而杀死癌细胞；
(2)二氧化钼纳米光热转换材料具有非常优异的光热稳定性和生物相容性，癌细胞在MoO2溶液中具有很高的存活率；
(3)制备方法简单快速，绿色，环保，制备过程中无需添加有机类表面活性剂等对环境产生影响的试剂，制备成本低廉，制得的二氧化钼纳米材料为单斜相，具有高纯度，高活性和高结晶性；
(4)制备的二氧化钼纳米光热转换材料可用于制备光热治疗试剂，将含有二氧化钼纳米材料的光热治疗试剂注入到肿瘤部位，利用近红外激光对肿瘤进行辐照，能够有效抑制肿瘤生长，肿瘤尺寸明显减小甚至消失，在光热治疗肿瘤领域具有非常广泛的应用前景。
附图说明
图1为实施例1制备的二氧化钼纳米颗粒的(a)低倍SEM图，(b)高倍SEM图。
图2为实施例1制备的二氧化钼纳米颗粒的XRD图。
图3为实施例1制备的二氧化钼纳米颗粒的可见-红外吸收光谱图。
图4为808nm波长激光辐照下二氧化钼纳米颗粒溶液的(a)热成像图，(b)升温曲线图。
图5为808nm波长激光辐照下二氧化钼纳米颗粒溶液和ICG溶液的(a)循环升温曲线图，(b)辐照前后吸收光谱图。
图6为二氧化钼纳米颗粒溶液培育下的细胞存活率图。
图7为808nm波长激光辐照时二氧化钼纳米颗粒溶液培育下的细胞存活率图。
图8为小鼠接受二氧化钼纳米颗粒光热转换材料光热治疗后的肿瘤生长变化图。
图9为实施例2制备的二氧化钼纳颗粒的(a)低倍SEM图，(b)高倍SEM图。
图10为实施例2制备的二氧化钼纳米颗粒的XRD图。
图11为实施例2制备的二氧化钼纳米颗粒的可见-红外吸收光谱图。
图12为实施例3制备的二氧化钼纳米颗粒的可见-红外吸收光谱图。
图13为实施例4制备的二氧化钼纳米颗粒的可见-红外吸收光谱图。
图14为对比例1制备的二氧化钼纳颗粒的(a)低倍SEM图，(b)高倍SEM图。
图15为对比例1制备的二氧化钼纳米颗粒的XRD图。
图16为对比例1制备的二氧化钼纳米颗粒的吸收光谱图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步详述。
实施例1
利用液相激光烧蚀与溶剂热法相结合技术，制备二氧化钼纳米光热转换材料，具体包括以下步骤：
步骤1、配制体积比为2:1的乙醇与H2O2的混合溶液，将高纯钼靶(99.99％)浸没在混合溶液中，搅拌混合均匀；
步骤2、将1064nm波长的激光光束聚焦在单质钼表面，激光脉冲频率为10Hz，在250mJ激光能量下烧蚀钼靶20min，得到含氧化钼纳米颗粒的胶体；
步骤3、将含氧化钼纳米颗粒的胶体在180℃下保温2h，进行溶剂热合成，反应结束后，冷却至室温，去除上层清液，将反应釜底部产物用乙醇清洗离心6次，离心转速8000r/min，离心时间2min，得到沉淀，所述沉淀即为二氧化钼纳米材料。
对制备的产物进行了SEM、XRD表征分析，如图1、图2所示。SEM结果表明按照实施例1的工艺参数，获得的二氧化钼纳米颗粒尺寸均一，约80nm，且形貌非常均匀。产物XRD图谱(图2)的衍射峰位和强度与标准的单斜相MoO2衍射图谱(PDF卡片编号#32-0671)完全一致，因此该合成参数下制备的产物为具有高结晶性的单斜相MoO2，且MoO2纳米颗粒的纯度非常高，所对应的XRD衍射图像上没有任何其他物质的杂峰。
按照实施例1的工艺参数制备的二氧化钼纳米光热转换材料具有强烈的近红外光吸收，吸收峰位在810nm附近，如图3所示。在近红外激光辐照5分钟后，该纳米颗粒能实现有效的光热转化，使其溶液温度可升高37.5℃，如图4所示。所使用近红外激光具有较高的生物组织穿透性，其波长为808nm，激光功率密度为0.8W/cm2。与临床治疗常用的光热药剂ICG相比，本材料具有高度稳定性，在经过4个循环升温周期后依然具有明显的升温能力，且辐照前后材料稳定，其吸收光谱无明显变化，如图5所示；而ICG则在多次循环试验之后丧失了升温能力，其辐照前后的吸收光谱发生明显变化，这是由于材料淬灭所引起的。
将4T1癌细胞接种到浓度为0.785～25mg/mL的二氧化钼纳米溶液中，培养24h，利用标准MTT方法检测培养液中4T1细胞的存活率。本发明制备的二氧化钼纳米光热转换材料具有很好的生物相容性，如图6所示，4T1细胞在浓度为0.785％的MoO2溶液中的存活率高达97％。本发明制备的二氧化钼纳米光热转换材料可应用于光热杀死体外癌细胞，将癌细胞培育在含有MoO2纳米材料的培养基中，利用近红外激光对癌细胞辐照5分钟，癌细胞被有效杀死，存活率低至20％，如图7所示。
本发明制备的二氧化钼纳米光热转换材料应用于光热治疗活体肿瘤时，将50μL浓度为0.5mg/mL的MoO2溶液通过瘤内注射将药剂注入到小鼠的活体肿瘤中，利用能量密度为0.8W/cm2的808nm近红外激光对癌细胞辐照5分钟。治疗结束后的14天内小鼠体内肿瘤的生长得到了有效抑制，肿瘤尺寸明显减小甚至消失，如图8所示。这表明按照实施例1的工艺参数制备的MoO2纳米颗粒确实可用于高效光热治疗癌症。
实施例2
利用液相激光烧蚀与溶剂热法相结合技术，制备二氧化钼纳米光热转换材料，具体包括以下步骤：
步骤1、配制体积比为1:1的乙醇与H2O2的混合溶液，将高纯钼靶(99.99％)浸没在混合溶液中，搅拌混合均匀；
步骤2、将1064nm波长的激光光束聚焦在单质钼表面，激光脉冲频率为10Hz，在250mJ激光能量下烧蚀钼靶20min，得到含氧化钼纳米颗粒的胶体；
步骤3、将含氧化钼纳米颗粒的胶体在160℃下保温5h，进行溶剂热合成，反应结束后，冷却至室温，去除上层清液，将反应釜底部产物用乙醇清洗离心6次，离心转速8000r/min，离心时间2min，得到沉淀，所述沉淀即为二氧化钼纳米材料。
对制备的产物进行了SEM、XRD表征分析，图9为其形貌图，从图中可以看出，大量的纳米颗粒均匀分布，颗粒尺寸非常小，约为50nm；同时产物尺寸均一、形貌均匀，由此可以看出在该合成参数下可制备出高纯度、尺寸均一的二氧化钼纳米颗粒。产物XRD图谱的衍射峰位和强度与标准的单斜相MoO2衍射图谱(PDF卡片编号#32-0671)完全一致，如图10所示，因此该合成参数下制备的产物为具有高结晶性的单斜相MoO2，且其纯度非常高，所对应的XRD衍射图谱上没有任何其他物质的杂峰。合成产物可均匀分散在乙醇溶剂中，其吸收光谱在790nm附近具有明显的吸收峰，如图11所示，说明按照实施例2所制备的MoO2纳米颗粒具有近红外光吸收，可以实现光能与热能的有效转化。
实施例3
利用液相激光烧蚀与溶剂热法相结合技术，制备二氧化钼纳米光热转换材料，具体包括以下步骤：
步骤1、配制体积比为2:1的乙醇与H2O2的混合溶液，将高纯钼靶(99.99％)浸没在混合溶液中，搅拌混合均匀；
步骤2、将1064nm波长的激光光束聚焦在单质钼表面，激光脉冲频率为10Hz，在100mJ激光能量下烧蚀钼靶45min，得到含氧化钼纳米颗粒的胶体；
步骤3、将含氧化钼纳米颗粒的胶体在220℃下保温2h，进行溶剂热合成，反应结束后，冷却至室温，去除上层清液，将反应釜底部产物用乙醇清洗离心6次，离心转速8000r/min，离心时间4min，得到沉淀，所述沉淀即为二氧化钼纳米材料。
该参数下的合成产物可均匀分散在乙醇溶剂中，其吸收光谱在1100nm附近具有明显的吸收峰，如图12所示，说明按照实施例3所制备的MoO2纳米颗粒同样具有近红外光吸收，可以实现光能与热能的有效转化。将MoO2纳米颗粒注射到肿瘤中可利用808nm的激光对其进行辐照，能使得肿瘤部位快速升温从而杀死癌细胞。
实施例4
利用液相激光烧蚀与溶剂热法相结合技术，制备二氧化钼纳米光热转换材料，具体包括以下步骤：
步骤1、配制体积比为1:1的乙醇与H2O2的混合溶液，将高纯钼靶(99.99％)浸没在混合溶液中，搅拌混合均匀；
步骤2、将1064nm波长的激光光束聚焦在单质钼表面，激光脉冲频率为10Hz，在300mJ激光能量下烧蚀钼靶10min，得到含氧化钼纳米颗粒的胶体；
步骤3、将含氧化钼纳米颗粒的胶体在120℃下保温1h，进行溶剂热合成，反应结束后，冷却至室温，去除上层清液，将反应釜底部产物用乙醇清洗离心3次，离心转速10000r/min，离心时间2min，得到沉淀，所述沉淀即为二氧化钼纳米材料。
该参数下的合成产物可均匀分散在乙醇溶剂中，其吸收光谱在1100nm附近具有明显的吸收峰，如图13所示，说明按照实施例4所制备的MoO2纳米颗粒同样具有近红外光吸收，可以实现光能与热能的有效转化。将MoO2纳米颗粒注射到肿瘤中可利用808nm的激光对其进行辐照，能使得肿瘤部位快速升温从而杀死癌细胞。
对比例1
利用液相激光烧蚀与溶剂热法相结合技术，制备二氧化钼纳米光热转换材料，具体包括以下步骤：
步骤1、配制体积比为5:1的乙醇与H2O2的混合溶液，将高纯钼靶(99.99％)浸没在混合溶液中，搅拌混合均匀；
步骤2、将1064nm波长的激光光束聚焦在单质钼表面，激光脉冲频率为10Hz，在250mJ激光能量下烧蚀钼靶20min，得到含氧化钼纳米颗粒的胶体；
步骤3、将含氧化钼纳米颗粒的胶体在180℃下保温2h，进行溶剂热合成，反应结束后，冷却至室温，去除上层清液，将反应釜底部产物用乙醇清洗离心6次，离心转速8000r/min，离心时间2min，得到沉淀。
该参数下的合成产物如图14所示为均匀球形颗粒，颗粒尺寸约为200nm，XRD表征说明该产物不再是高结晶态的单斜相MoO2，而是结晶性较差的六方相MoO2，如图15所示。将产物均匀分散在乙醇溶剂中，其吸收光谱无明显吸收峰，如图16所示，说明按照实施例5所制备的纳米颗粒不再具有近红外光吸收，无法实现光能与热能的有效转化，因而不再具有光热治疗效果。

Claims (8)

1.一种二氧化钼纳米光热转换材料的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
步骤1，配制体积比为1-2:1的乙醇与H2O2的混合溶液，将单质钼浸没在混合溶液中，搅拌混合均匀；
步骤2，将激光光束聚焦在单质钼表面，在100-300mJ激光能量下烧蚀10-45min，得到含氧化钼纳米颗粒的胶体；
步骤3，将含氧化钼纳米颗粒的胶体在120-220℃下保温1-5h，进行溶剂热合成，反应结束后，冷却至室温，去除上层清液，将沉淀清洗、离心、干燥后，得到二氧化钼纳米材料。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1中，所述的单质钼为高纯钼靶或钼粉。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤2中，所述的脉冲激光的波长为532nm或1064nm，脉冲频率为5-10Hz。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤2中，所述的激光能量为250mJ，烧蚀时间为20min。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤3中，所述的溶剂热反应温度为160～180℃，保温时间为2h。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤3中，所述的清洗所用溶剂为乙醇或甲醇，离心转速为8000-10000r/min，离心时间为2-4min，离心次数为3-6次。
7.根据权利要求1至6任一所述的制备方法制得的二氧化钼纳米光热转换材料。
8.根据权利要求7所述的二氧化钼纳米光热转换材料在制备光热治疗试剂的应用。
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