CN111892922A - 一种具有抗肿瘤效应的稀土上转换纳米颗粒/钒酸铋纳米复合材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种具有抗肿瘤效应的稀土上转换纳米颗粒/钒酸铋纳米复合材料的制备方法,它涉及抗肿瘤纳米材料的合成方法。本发明要解决现有方法合成的BiVO4尺寸较大,限制了其在生物医学领域的应用的问题。制备方法:一、合成核结构纳米颗粒的制备;二、合成核壳结构纳米颗粒;三、制备亲水性的上转换纳米颗粒;四、合成硝基酞菁锌;五、合成氨基酞菁锌;六、高温热解法合成BiVO4纳米片;七、UCNPs连接氨基酞菁锌;八、复合材料PVP/UCNPs‑ZnPc@BiVO4的制备及修饰。本发明用于具有抗肿瘤效应的稀土上转换纳米颗粒/钒酸铋纳米复合材料的制备。
Description
技术领域
本发明涉及抗肿瘤纳米材料的合成方法。
背景技术
肿瘤治疗已经成为一个重要的全球性难题。近些年来,光动力治疗技术的开发应用逐渐成为肿瘤治疗领域的重要研究目标之一。研究表明,通过选择合适的光源和光敏剂能够有效提高光动力治疗效果。传统无机和有机光敏剂有一些缺点导致其应用受限,例如高毒性、水溶性差和可见光吸收。镧系元素掺杂的上转换纳米材料应用于近红外光激发的光动力可以解决以上问题,近红外光激发的光动力治疗具有独特优势,首先波长为980nm的近红外光作为激发光源,可以大幅度提高组织穿透深度,其次一些高效且疏水性光敏剂可直接加载于上转换纳米载体中用于光动力治疗。
作为无机光敏剂,BiVO4由于具有良好的稳定性和表面交互作用引起了广泛的关注,之前在光催化领域具有广泛的应用。但是目前方法合成的BiVO4尺寸较大的缺点限制了其在生物医学领域的应用。之后在一系列的探索中发现BiVO4纳米片在光化学,电化学和催化等应用中具有良好的特性,具有稳定性高、毒性低、生物相容性好以及表面易修饰等特点,能够有效促进电子空穴对的迁移和分离。因此,具有良好的水溶性及物理化学稳定性的小尺寸BiVO4纳米片,有望成为新型光敏药物以及药物载体。
发明内容
本发明要解决现有方法合成的BiVO4尺寸较大,限制了其在生物医学领域的应用的问题,而提供一种具有抗肿瘤效应的稀土上转换纳米颗粒/钒酸铋纳米复合材料的制备方法,同时,利用上转换纳米颗粒对近红外光的吸收以及对BiVO4晶体的二次激发功能,实现近红外光照射下的光动力治疗。
一种具有抗肿瘤效应的稀土上转换纳米颗粒/钒酸铋纳米复合材料的制备方法,它是按以下步骤进行的:
一、合成核结构纳米颗粒的制备:
①、将钇源、镱源及铥源分别加入到水中,分别得到钇源水溶液、镱源水溶液及铥源水溶液,然后将钇源水溶液、镱源水溶液与铥源水溶液混合,得到钇源、镱源及铥源的混合溶液;
所述的钇源、镱源及铥源的混合溶液中钇源的浓度为0.13g/mL~0.15g/mL;所述的钇源、镱源及铥源的混合溶液中镱源的浓度为0.07g/mL~0.09g/mL;所述的钇源、镱源及铥源的混合溶液中铥源的浓度为0.0002g/mL~0.0003g/mL;
②、在温度为85℃~95℃的条件下,加热钇源、镱源及铥源的混合溶液至水分完全蒸发,然后加入油酸和十八烯,得到透明均匀的溶液A;
所述的钇源、镱源及铥源的混合溶液与步骤一②中所述的油酸的体积比为1:(4~7);所述的钇源、镱源及铥源的混合溶液与步骤一②中所述的十八烯的体积比为1:(13~17);
③、按升温速度为3℃/min~10℃/min,将透明均匀的溶液A升温至150℃~160℃,并在温度为150℃~160℃的条件下,反应5min~10min,反应后降温至室温,然后加入无机氟化物和钠源的甲醇溶液,得到乳白色的混合溶液B;
步骤一③中所述的无机氟化物和钠源的甲醇溶液中无机氟化物的浓度0.01g/mL~0.02g/mL;步骤一③中所述的无机氟化物和钠源的甲醇溶液中钠源的浓度0.008g/mL~0.02g/mL;所述的透明均匀的溶液A与步骤一③中无机氟化物和钠源的甲醇溶液的体积比为1:(0.4~0.6);
④、按升温速度为3℃/min~10℃/min,将乳白色的混合溶液B升温至40℃~60℃,在温度为40℃~60℃的条件下,保温20min~50min,再升温至105℃~110℃,并在温度为105℃~110℃的条件下,抽真空0.5h~1h,然后通入氮气并升温到300℃~320℃,并在温度为300℃~320℃的条件下,保温1h~2h,再降温至室温,然后静置过滤或离心洗涤并干燥,得到白色的粉体NaYF4:Yb/Tm;
⑤、将白色的粉体NaYF4:Yb/Tm加入到环己烷中超声溶解,得到溶液C;
所述的溶液C中白色的粉体NaYF4:Yb/Tm的浓度0.04g/mL~0.045g/mL;
二、合成核壳结构纳米颗粒:
①、将钇源及镱源分别加入到水中,分别得到钇源水溶液及镱源水溶液,然后将钇源水溶液及镱源水溶液混合,得到钇源及镱源的混合溶液;
所述的钇源及镱源的混合溶液中钇源的浓度为0.15g/mL~0.18g/mL;所述的钇源及镱源的混合溶液中镱源的浓度为0.02g/mL~0.04g/mL;
②、在温度为80℃~96℃的条件下,加热钇源及镱源的混合溶液至水分完全蒸发,然后加入油酸和十八烯,再按升温速度为3℃/min~10℃/min,升温至150℃~160℃,在温度为150℃~160℃的条件下,反应5min~15min,反应后降温至室温,得到溶液D;
所述的钇源及镱源的混合溶液与步骤二②中所述的油酸的体积比为1:(4~7);所述的钇源及镱源的混合溶液与步骤二②中所述的十八烯的体积比为1:(13~17);
③、常温下,将溶液C与溶液D混合,得到溶液E;
所述的溶液C与溶液D的体积比为1:(4~5);
④、将溶液E升温至温度为60℃~80℃,并在温度为60℃~80℃的条件下,保温0.5h~1h,降温至室温,然后加入无机氟化物和钠源的甲醇溶液,得到溶液F;
步骤二④中所述的无机氟化物和钠源的甲醇溶液中无机氟化物的浓度0.01g/mL~0.02g/mL;步骤二④中所述的无机氟化物和钠源的甲醇溶液中钠源的浓度0.02g/mL~0.03g/mL;所述的溶液E与步骤二④中所述的无机氟化物和钠源的甲醇溶液的体积比为1:(0.3~0.6);
⑤、按升温速度为3℃/min~10℃/min,将溶液F升温至40℃~60℃,并在温度为40℃~60℃的条件下,保温0.3h~0.6h,再升温至105℃~110℃,并在温度为105℃~110℃的条件下,抽真空0.5h~1h,然后通入氮气并升温到300℃~320℃,并在温度为300℃~320℃的条件下,保温1h~2h,再降温至室温,然后静置过滤或离心洗涤并干燥,得到UCNPs-OA粉体;
⑥、然后将UCNPs-OA粉体溶解于环己烷中,得到UCNPs-OA溶液;
所述的UCNPs-OA溶液中UCNPs-OA粉体的浓度为0.07g/mL~0.085g/mL;
三、制备亲水性的上转换纳米颗粒:
①、向UCNPs-OA溶液中依次加入环己烷、叔丁醇、水和碳酸钾溶液,在温度为30℃~50℃及搅拌速度为100r/min~300r/min的条件下,搅拌10min~25min,得到溶液H;
所述的碳酸钾溶液的质量百分数为5%~10%;
所述的UCNPs-OA溶液与步骤三①中所述的环己烷的体积比为1:(2~4);所述的UCNPs-OA溶液与叔丁醇的体积比为1:(3~5);所述的UCNPs-OA溶液与步骤三①中所述的水的体积比为1:(1~2);所述的UCNPs-OA溶液与碳酸钾溶液的体积比为1:(0.1~0.3);
②、在温度为35℃~50℃的条件下,向溶液H中滴入勒米厄-冯鲁德洛夫试剂,在温度为35℃~50℃及搅拌速度为100r/min~300r/min的条件下,搅拌3h~3.5h,然后离心洗涤、酸化处理及再洗涤,得到UCNPs-COOH粉体;
所述的溶液H与勒米厄-冯鲁德洛夫试剂的体积比为1:(0.08~0.1);
③、将UCNPs-COOH粉体溶解在超纯水中备用,得到UCNPs-COOH溶液;
四、合成硝基酞菁锌:
将硝基邻苯二腈溶解在醇中,得到溶液K,在搅拌速度为100r/min~300r/min及通入氮气的条件下,将溶液K升温至温度为40℃~65℃,并在搅拌速度为100r/min~300r/min及温度为40℃~65℃的条件下,搅拌0.3h~0.5h,然后加入锌源和1,8-二氮杂二环十一碳-7-烯,再将温度由40℃~65℃升温至140℃~160℃,在温度为140℃~160℃及搅拌速度为100r/min~300r/min的条件下,搅拌12h~24h,然后降温至室温,最后抽滤提纯或离心洗涤提纯,得到固体NO2-ZnPc;
所述的硝基邻苯二腈的质量与醇的体积比为1g:(55~65)mL;所述的硝基邻苯二腈与锌源的质量比为1:(1~2);所述的硝基邻苯二腈的质量与1,8-二氮杂二环十一碳-7-烯的体积比为1g:(3~6)mL;
五、合成氨基酞菁锌:
将固体NO2-ZnPc与Na2S·9H2O溶解在溶剂中,得到溶液M,将溶液M升温至30℃~60℃,在搅拌速度为100r/min~300r/min及温度为30℃~60℃的条件下,搅拌4h~6h,降温至室温,然后抽滤提纯或离心洗涤,最后干燥,得到固体NH2-ZnPc;
所述的固体NO2-ZnPc与Na2S·9H2O的质量比为1:(4~6);所述的固体NO2-ZnPc的质量与步骤五中所述的溶剂的体积比为1g:(45~50)mL;
六、高温热解法合成BiVO4纳米片:
将铋源加入到溶剂中,通入氮气并升温至160℃~180℃,加热直至铋源溶解,得到溶液O,将温度由160℃~180℃降至90℃~110℃,在温度为90℃~110℃的条件下,加入钒源溶液,得到溶液P,然后在温度为90℃~110℃的条件下,保温0.3h~0.6h,再降温至室温,最后抽滤提纯或离心洗涤,得到BiVO4纳米片;
步骤六中所述的铋源的质量与步骤六中所述的溶剂的体积比为1g:(45~60)mL;步骤六中所述的铋源的质量与钒源溶液的体积比为1g:(45~60)mL;
所述的钒源溶液具体为钒源加入到质量百分数为60%~68%的硝酸及蒸馏水中得到的,所述的钒源的质量与质量百分数为60%~68%的硝酸的体积比为1g:(30~40)mL;所述的钒源的质量与蒸馏水的体积比为1g:(165~175)mL;
步骤六中所述的溶剂为油酸、油胺与十八烯的混合溶液;所述的油酸与油胺的体积比为1:(0.33~1),所述的油酸与十八烯的体积比为1:(3.3~10);
七、UCNPs连接氨基酞菁锌:
①、将UCNPs-COOH溶液分离干燥,得到UCNPs-COOH,将UCNPs-COOH、氨基源、羟基源溶解在N,N-二甲基甲酰胺中,得到溶液R;
所述的溶液R中UCNPs-COOH的浓度为0.001g/mL~0.0015g/mL,所述的溶液R中氨基源的浓度为0.001g/mL~0.0015g/mL,所述的溶液R中羟基源的浓度为0.001g/mL~0.0015g/mL;
②、将固体NH2-ZnPc溶解在N,N-二甲基甲酰胺中,得到溶液S;
所述的溶液S中固体NH2-ZnPc的浓度为0.001g/mL~0.0015g/mL;
③、常温条件下,将溶液R与溶液S混合反应60h~80h,抽滤提纯或离心洗涤,得到固体UCNPs-ZnPc;
所述的溶液R与溶液S的体积比为1:(0.9~1);
八、复合材料PVP/UCNPs-ZnPc@BiVO4的制备及修饰:
将固体UCNPs-ZnPc与BiVO4纳米片溶解在N,N-二甲基甲酰中,得到溶液U,通氮气并升温至40℃~55℃,在搅拌速度为100r/min~300r/min及温度为40℃~55℃的条件下,保持20h~30h,然后加入聚乙烯吡咯烷酮,在搅拌速度为100r/min~300r/min及温度为40℃~55℃的条件下,搅拌10h~15h,抽滤提纯或离心洗涤并干燥,得到PVP/UCNPs-ZnPC@BiVO4纳米材料;
所述的溶液U中固体UCNPs-ZnPc的浓度为0.0003g/mL~0.0004g/mL,所述的溶液U中BiVO4纳米片的浓度为0.0003g/mL~0.0004g/mL;所述的固体UCNPs-ZnPc与聚乙烯吡咯烷酮的质量为1:(2~5)。
本发明的有益效果是:
①采用溶剂热法合成NaYF4:Yb,Tm@NaYF4:Yb(UCNPs)核壳结构上转换纳米粒子。②采用高温热解的方法合成了小尺寸且超薄BiVO4纳米片:纳米材料的设计(不同的合成方法及条件)与常规的水热合成BiVO4纳米片相比,使用高温热解合成小尺寸BiVO4纳米片,具有优异的形貌,其小尺寸有利于细胞摄取。③溶剂热法合成氨基酞菁锌(NH2-ZnPc)。④通过在UCNPs表面氧化油酸基团使其转化为羧基,酞菁锌由酰胺化反应接在UCNPs表面,之后由静电吸附法与合成的BiVO4纳米片结合,再在其表面修饰聚乙烯比咯烷酮,提升了复合材料的亲水性能和生物相容性,BiVO4和ZnPc是具有低毒性的光敏剂,两种光敏剂的吸收波长不同,可以实现能量的充分利用和能量转移,提高能量利用率和治疗效果。⑤该体系制备的复合材料可以被980nm近红外光激发生成活性氧,从而诱导细胞凋亡或坏死,在980nm光激发下,体外肿瘤细胞活性抑制率达到62.5%,具有优异的光动力治疗效果。活性氧的产生主要通过UCNPs对近红外光吸收与上转换荧光发射对氨基酞菁锌和BiVO4进行二次激发,产生荧光共振能量转移。BiVO4纳米片提高能量转移效率,促进活性氧生成。⑥合成制备的工艺流程较为简单,通过高温热解合成,操作较为简单,重复性好,所提出的工艺路线不仅具有很好的应用前景和经济效益,而且也具有重要的实用价值。
本发明用于一种具有抗肿瘤效应的稀土上转换纳米颗粒/钒酸铋纳米复合材料的制备方法。
附图说明
图1为对比实验一利用溶剂热法合成的固体BiVO4的扫描电镜图;a为BiVO4在1μm尺度下片层正面扫描电镜图,b为BiVO4在500nm尺度下的片层侧面扫描电镜图,c为BiVO4在1μm尺度下的片层侧面扫描电镜图;
图2为X射线衍射图,1为对比实验一利用溶剂热法合成的固体BiVO4,2为标准卡片;
图3为对比实验二利用共沉淀法合成的固体BiVO4的透射电镜图,a为在500nm尺度下油酸钠为表面活性剂合成的BiVO4,b为在200nm尺度下油酸钠为表面活性剂合成的BiVO4,c为在500nm尺度下CTAB为表面活性剂合成的BiVO4,d为在150nm尺度下CTAB为表面活性剂合成的BiVO4;
图4为实施例二及实施例三制备的BiVO4纳米片的TEM图片,a为100nm尺度下实施例二制备的BiVO4-2-1-10较大的个体,b为100nm尺度下实施例二制备的BiVO4-2-1-10较小的个体,c为500nm尺度下实施例三制备的BiVO4-3-1-10较聚集的部分,d为500nm尺度下实施例三制备的BiVO4-3-1-10较分散的部分;
图5为BiVO4纳米片的XRD谱图,1为标准卡片,2为实施例一步骤六制备的BiVO4-1-1-10,3为实施例二制备的BiVO4-2-1-10,4为实施例三制备的BiVO4-3-1-10;
图6为BiVO4纳米片的紫外-可见光的漫反射谱图,1为实施例一步骤六制备的BiVO4-1-1-10,2为实施例二制备的BiVO4-2-1-10,3为实施例三制备的BiVO4-3-1-10;
图7为实施例一步骤一④制备的白色的粉体NaYF4:Yb/Tm分散在无水乙醇中获得的透射图像;
图8为实施例一步骤一④制备的白色的粉体NaYF4:Yb/Tm的粒径统计图;
图9为实施例一步骤二⑤制备的UCNPs-OA粉体分散在无水乙醇中获得的透射图像;
图10为实施例一步骤二⑤制备的UCNPs-OA粉体的粒径统计图;
图11为实施例一步骤三②制备的UCNPs-COOH粉体分散在无水乙醇中获得的透射图像;
图12为实施例一步骤三②制备的UCNPs-COOH粉体的粒径统计图;
图13为实施例一步骤六制备的BiVO4-1-1-10的透射图像;
图14为实施例一制备的PVP/UCNPs-ZnPC@BiVO4纳米材料在50nm尺度的透射图像;
图15为实施例一制备的PVP/UCNPs-ZnPC@BiVO4纳米材料在100nm尺度的透射图像;
图16为实施例一制备的PVP/UCNPs-ZnPC@BiVO4纳米材料的元素Mapping照片;
图17为实施例一步骤六制备的BiVO4-1-1-10的原子力显微图像;
图18为图17中A点的厚度示意图;
图19为图17中B点的厚度示意图;
图20为FT-IR图,1为实施例一步骤二⑤制备的UCNPs-OA粉体,2为实施例一步骤三②制备的UCNPs-COOH粉体,3为实施例一制备的PVP/UCNPs-ZnPC@BiVO4纳米材料;
图21为热重曲线图,1为实施例一步骤二⑤制备的UCNPs-OA粉体,2为实施例一步骤三②制备的UCNPs-COOH粉体;
图22为动力光学散射的粒子尺寸分布图,1为实施例一步骤二⑥制备的UCNPs-OA溶液,2为实施例一步骤三③制备的UCNPs-COOH溶液;
图23为实施例一步骤四合成硝基酞菁锌和步骤五氨基酞菁锌合成路线图;
图24为实施例一步骤五制备的固体NH2-ZnPc的紫外-可见吸收光谱;
图25为XRD谱图,1为实施例一制备的PVP/UCNPs-ZnPC@BiVO4纳米材料,2为实施例一步骤七③制备的固体UCNPs-ZnPc,3为标准卡JCPDS:16-0334,4为实施例一步骤六制备的BiVO4-1-1-10,5为标准卡JCPDS:14-0688;
图26为电动电势图,1为实施例一步骤二⑤制备的UCNPs-OA粉体,2为实施例一步骤三②制备的UCNPs-COOH粉体,3为实施例一步骤七③制备的固体UCNPs-ZnPc,4为实施例一步骤六制备的BiVO4-1-1-10,5为实施例一制备的PVP/UCNPs-ZnPC@BiVO4纳米材料;
图27为实施例一制备的PVP/UCNPs-ZnPC@BiVO4纳米材料的XPS能谱;
图28为上转换发射光谱在980nm激光照射下的发射光谱,1为实施例一步骤一④制备的白色的粉体NaYF4:Yb/Tm分散在无水乙醇中,2为实施例一步骤二⑤制备的UCNPs-OA粉体分散在无水乙醇中,3为实施例一制备的PVP/UCNPs-ZnPC@BiVO4纳米材料分散在无水乙醇中;
图29为上转换纳米粒子发射光谱和光敏剂紫外吸收图谱,1为实施例一步骤六制备的BiVO4-1-1-10的紫外-可见-红外光谱曲线,2为实施例一步骤五制备的NH2-ZnPc的紫外-可见-红外光谱曲线,3为实施例一步骤二⑤制备的UCNPs-OA粉体的上转换发射光谱;
图30为实施例一能量传递过程流程图;
图31为实施例一制备的PVP/UCNPs-ZnPC@BiVO4纳米材料+DPBF在980nm近红外光以1.0W/cm2的泵浦功率下照射不同时间的紫外吸收光谱图;
图32为TA+实施例一制备的PVP/UCNPs-ZnPC@BiVO4纳米材料在980nm近红外光1.0W/cm2的泵浦功率照射下不同时间的荧光发射光谱;
图33用2',7'-二氯荧光素二乙酸酯处理实施例一制备的PVP/UCNPs-ZnPC@BiVO4培养的海拉细胞的激光共聚焦显微镜图像;
图34为不同浓度的实施例一制备的PVP/UCNPs-ZnPC@BiVO4纳米材料与L929成纤维细胞培养24h后的细胞存活率;
图35为海拉细胞与不同浓度的不同材料培养24h后的细胞存活率,a为UCZB,b为UCZ+NIR,c为UCB+NIR,d为UCZB+NIR;
图36为与碘化丙啶染色后的激光共聚焦显微镜图像,Control为对照组,a为UCZB,b为UCZ+NIR,c为UCB+NIR,d为UCZB+NIR;
图37为海拉细胞与实施例一制备的PVP/UCNPs-ZnPC@BiVO4纳米材料共同培养0.5h,1h和3h时吞噬图片,A为DAPI,B为FITC,C为重叠图像。
具体实施方式
具体实施方式一:本实施方式一种具有抗肿瘤效应的稀土上转换纳米颗粒/钒酸铋纳米复合材料的制备方法,它是按以下步骤进行的:
一、合成核结构纳米颗粒的制备:
①、将钇源、镱源及铥源分别加入到水中,分别得到钇源水溶液、镱源水溶液及铥源水溶液,然后将钇源水溶液、镱源水溶液与铥源水溶液混合,得到钇源、镱源及铥源的混合溶液;
所述的钇源、镱源及铥源的混合溶液中钇源的浓度为0.13g/mL~0.15g/mL;所述的钇源、镱源及铥源的混合溶液中镱源的浓度为0.07g/mL~0.09g/mL;所述的钇源、镱源及铥源的混合溶液中铥源的浓度为0.0002g/mL~0.0003g/mL;
②、在温度为85℃~95℃的条件下,加热钇源、镱源及铥源的混合溶液至水分完全蒸发,然后加入油酸和十八烯,得到透明均匀的溶液A;
所述的钇源、镱源及铥源的混合溶液与步骤一②中所述的油酸的体积比为1:(4~7);所述的钇源、镱源及铥源的混合溶液与步骤一②中所述的十八烯的体积比为1:(13~17);
③、按升温速度为3℃/min~10℃/min,将透明均匀的溶液A升温至150℃~160℃,并在温度为150℃~160℃的条件下,反应5min~10min,反应后降温至室温,然后加入无机氟化物和钠源的甲醇溶液,得到乳白色的混合溶液B;
步骤一③中所述的无机氟化物和钠源的甲醇溶液中无机氟化物的浓度0.01g/mL~0.02g/mL;步骤一③中所述的无机氟化物和钠源的甲醇溶液中钠源的浓度0.008g/mL~0.02g/mL;所述的透明均匀的溶液A与步骤一③中无机氟化物和钠源的甲醇溶液的体积比为1:(0.4~0.6);
④、按升温速度为3℃/min~10℃/min,将乳白色的混合溶液B升温至40℃~60℃,在温度为40℃~60℃的条件下,保温20min~50min,再升温至105℃~110℃,并在温度为105℃~110℃的条件下,抽真空0.5h~1h,然后通入氮气并升温到300℃~320℃,并在温度为300℃~320℃的条件下,保温1h~2h,再降温至室温,然后静置过滤或离心洗涤并干燥,得到白色的粉体NaYF4:Yb/Tm;
⑤、将白色的粉体NaYF4:Yb/Tm加入到环己烷中超声溶解,得到溶液C;
所述的溶液C中白色的粉体NaYF4:Yb/Tm的浓度0.04g/mL~0.045g/mL;
二、合成核壳结构纳米颗粒:
①、将钇源及镱源分别加入到水中,分别得到钇源水溶液及镱源水溶液,然后将钇源水溶液及镱源水溶液混合,得到钇源及镱源的混合溶液;
所述的钇源及镱源的混合溶液中钇源的浓度为0.15g/mL~0.18g/mL;所述的钇源及镱源的混合溶液中镱源的浓度为0.02g/mL~0.04g/mL;
②、在温度为80℃~96℃的条件下,加热钇源及镱源的混合溶液至水分完全蒸发,然后加入油酸和十八烯,再按升温速度为3℃/min~10℃/min,升温至150℃~160℃,在温度为150℃~160℃的条件下,反应5min~15min,反应后降温至室温,得到溶液D;
所述的钇源及镱源的混合溶液与步骤二②中所述的油酸的体积比为1:(4~7);所述的钇源及镱源的混合溶液与步骤二②中所述的十八烯的体积比为1:(13~17);
③、常温下,将溶液C与溶液D混合,得到溶液E;
所述的溶液C与溶液D的体积比为1:(4~5);
④、将溶液E升温至温度为60℃~80℃,并在温度为60℃~80℃的条件下,保温0.5h~1h,降温至室温,然后加入无机氟化物和钠源的甲醇溶液,得到溶液F;
步骤二④中所述的无机氟化物和钠源的甲醇溶液中无机氟化物的浓度0.01g/mL~0.02g/mL;步骤二④中所述的无机氟化物和钠源的甲醇溶液中钠源的浓度0.02g/mL~0.03g/mL;所述的溶液E与步骤二④中所述的无机氟化物和钠源的甲醇溶液的体积比为1:(0.3~0.6);
⑤、按升温速度为3℃/min~10℃/min,将溶液F升温至40℃~60℃,并在温度为40℃~60℃的条件下,保温0.3h~0.6h,再升温至105℃~110℃,并在温度为105℃~110℃的条件下,抽真空0.5h~1h,然后通入氮气并升温到300℃~320℃,并在温度为300℃~320℃的条件下,保温1h~2h,再降温至室温,然后静置过滤或离心洗涤并干燥,得到UCNPs-OA粉体;
⑥、然后将UCNPs-OA粉体溶解于环己烷中,得到UCNPs-OA溶液;
所述的UCNPs-OA溶液中UCNPs-OA粉体的浓度为0.07g/mL~0.085g/mL;
三、制备亲水性的上转换纳米颗粒:
①、向UCNPs-OA溶液中依次加入环己烷、叔丁醇、水和碳酸钾溶液,在温度为30℃~50℃及搅拌速度为100r/min~300r/min的条件下,搅拌10min~25min,得到溶液H;
所述的碳酸钾溶液的质量百分数为5%~10%;
所述的UCNPs-OA溶液与步骤三①中所述的环己烷的体积比为1:(2~4);所述的UCNPs-OA溶液与叔丁醇的体积比为1:(3~5);所述的UCNPs-OA溶液与步骤三①中所述的水的体积比为1:(1~2);所述的UCNPs-OA溶液与碳酸钾溶液的体积比为1:(0.1~0.3);
②、在温度为35℃~50℃的条件下,向溶液H中滴入勒米厄-冯鲁德洛夫试剂,在温度为35℃~50℃及搅拌速度为100r/min~300r/min的条件下,搅拌3h~3.5h,然后离心洗涤、酸化处理及再洗涤,得到UCNPs-COOH粉体;
所述的溶液H与勒米厄-冯鲁德洛夫试剂的体积比为1:(0.08~0.1);
③、将UCNPs-COOH粉体溶解在超纯水中备用,得到UCNPs-COOH溶液;
四、合成硝基酞菁锌:
将硝基邻苯二腈溶解在醇中,得到溶液K,在搅拌速度为100r/min~300r/min及通入氮气的条件下,将溶液K升温至温度为40℃~65℃,并在搅拌速度为100r/min~300r/min及温度为40℃~65℃的条件下,搅拌0.3h~0.5h,然后加入锌源和1,8-二氮杂二环十一碳-7-烯,再将温度由40℃~65℃升温至140℃~160℃,在温度为140℃~160℃及搅拌速度为100r/min~300r/min的条件下,搅拌12h~24h,然后降温至室温,最后抽滤提纯或离心洗涤提纯,得到固体NO2-ZnPc;
所述的硝基邻苯二腈的质量与醇的体积比为1g:(55~65)mL;所述的硝基邻苯二腈与锌源的质量比为1:(1~2);所述的硝基邻苯二腈的质量与1,8-二氮杂二环十一碳-7-烯的体积比为1g:(3~6)mL;
五、合成氨基酞菁锌:
将固体NO2-ZnPc与Na2S·9H2O溶解在溶剂中,得到溶液M,将溶液M升温至30℃~60℃,在搅拌速度为100r/min~300r/min及温度为30℃~60℃的条件下,搅拌4h~6h,降温至室温,然后抽滤提纯或离心洗涤,最后干燥,得到固体NH2-ZnPc;
所述的固体NO2-ZnPc与Na2S·9H2O的质量比为1:(4~6);所述的固体NO2-ZnPc的质量与步骤五中所述的溶剂的体积比为1g:(45~50)mL;
六、高温热解法合成BiVO4纳米片:
将铋源加入到溶剂中,通入氮气并升温至160℃~180℃,加热直至铋源溶解,得到溶液O,将温度由160℃~180℃降至90℃~110℃,在温度为90℃~110℃的条件下,加入钒源溶液,得到溶液P,然后在温度为90℃~110℃的条件下,保温0.3h~0.6h,再降温至室温,最后抽滤提纯或离心洗涤,得到BiVO4纳米片;
步骤六中所述的铋源的质量与步骤六中所述的溶剂的体积比为1g:(45~60)mL;步骤六中所述的铋源的质量与钒源溶液的体积比为1g:(45~60)mL;
所述的钒源溶液具体为钒源加入到质量百分数为60%~68%的硝酸及蒸馏水中得到的,所述的钒源的质量与质量百分数为60%~68%的硝酸的体积比为1g:(30~40)mL;所述的钒源的质量与蒸馏水的体积比为1g:(165~175)mL;
步骤六中所述的溶剂为油酸、油胺与十八烯的混合溶液;所述的油酸与油胺的体积比为1:(0.33~1),所述的油酸与十八烯的体积比为1:(3.3~10);
七、UCNPs连接氨基酞菁锌:
①、将UCNPs-COOH溶液分离干燥,得到UCNPs-COOH,将UCNPs-COOH、氨基源、羟基源溶解在N,N-二甲基甲酰胺中,得到溶液R;
所述的溶液R中UCNPs-COOH的浓度为0.001g/mL~0.0015g/mL,所述的溶液R中氨基源的浓度为0.001g/mL~0.0015g/mL,所述的溶液R中羟基源的浓度为0.001g/mL~0.0015g/mL;
②、将固体NH2-ZnPc溶解在N,N-二甲基甲酰胺中,得到溶液S;
所述的溶液S中固体NH2-ZnPc的浓度为0.001g/mL~0.0015g/mL;
③、常温条件下,将溶液R与溶液S混合反应60h~80h,抽滤提纯或离心洗涤,得到固体UCNPs-ZnPc;
所述的溶液R与溶液S的体积比为1:(0.9~1);
八、复合材料PVP/UCNPs-ZnPc@BiVO4的制备及修饰:
将固体UCNPs-ZnPc与BiVO4纳米片溶解在N,N-二甲基甲酰中,得到溶液U,通氮气并升温至40℃~55℃,在搅拌速度为100r/min~300r/min及温度为40℃~55℃的条件下,保持20h~30h,然后加入聚乙烯吡咯烷酮,在搅拌速度为100r/min~300r/min及温度为40℃~55℃的条件下,搅拌10h~15h,抽滤提纯或离心洗涤并干燥,得到PVP/UCNPs-ZnPC@BiVO4纳米材料;
所述的溶液U中固体UCNPs-ZnPc的浓度为0.0003g/mL~0.0004g/mL,所述的溶液U中BiVO4纳米片的浓度为0.0003g/mL~0.0004g/mL;所述的固体UCNPs-ZnPc与聚乙烯吡咯烷酮的质量为1:(2~5)。
应用:制备的PVP/UCNPs-ZnPC@BiVO4纳米材料应用于生物医学方面治疗肿瘤,将材料注射到生物体内,良好生物相容性的药物通过肿瘤的EPR效应聚集和堆积在肿瘤附近的微环境内。在肿瘤目标区域给予高穿透性的近红外光照射,上转换纳米离子通过将外界给予的近红外光转变为可见光,进而激活ZnPc以及BiVO4光敏剂产生活性氧,能精准地对局部区域进行治疗,通过光动力治疗杀死肿瘤细胞。
根据本实施方式方法可以得到PVP/UCNPs-ZnPC@BiVO4纳米复合材料,为制备新型的光动力肿瘤治疗材料提供一种新的材料思路和工艺流程,制备出的复合材料在上转换发光、光动力治疗、高的能量转换效率以及生物体友好性能等方面体现出全新的科研思路和应用前景。
本实施方式步骤六中溶剂热高温热解法,合成纳米材料其大小形貌等特点较为稳定,体积较小,纯度较高结晶度高,且有明显的片状结构。
本实施方式步骤一④及步骤二⑤中反应前抽真空,可以去除溶液中的水分和氧气。
本实施方式步骤一③、步骤一④、步骤二②及步骤二⑤按升温速度为3℃/min~10℃/min进行升温有利于减少爆沸现象,反应可以充分进行,同时有利于及时观察与控制。
本实施方式步骤一④、步骤二⑤、步骤四、步骤六及步骤八中通氮气作为保护气,避免生成杂质或引入外界氧气等杂质,保证反应纯净,避免空气对于反映体系的干扰。
本实施方式搅拌是为了更好的分散试剂,达到反应完全、均匀升温等目的。
本实施方式步骤六中高温热解法通过加热帮助溶解,降温后在溶液中进行反应,这种方法合成的产物相比溶剂热法合成的颗粒更小,比共沉淀法合成材料的分散性好,因此更适合作用于细胞内部。
本实施方式步骤一③和步骤二④中在常温下加入钠源和氟源,防止溶剂挥发造成损失。本实施方式步骤一⑤、步骤二⑥和步骤三③中将产物溶解在环己烷中进行密封保存,有效并稳定地保存产物,防止聚沉。本实施方式步骤二③将核在常温下加入,步骤二④升温维持一定时间,有利于核更好的分散,稳定;本实施方式步骤三②中使用酸化处理,洗涤杂质保持反应产物的稳定。本实施方式步骤七中通过加入氨基源与羟基源连接UCNPs与氨基酞菁锌,利用酰胺化反应连接。本实施方式步骤八中UCNPs-ZnPc与BiVO4反应连接,利用静电吸附连接。
本实施方式公开了一种治疗肿瘤的光动力复合材料:PVP/UCNPs-ZnPC@BiVO4,通过稀土离子掺杂与核壳结构提升上转换效率,通过加入BiVO4增强光催化性产生活性氧达到光动力治疗效果的提升,通过加入氨基酞菁锌作为有机光敏剂。
综上所述,本实施方式工艺稳定,方法成熟,反应体系对环境无污染,所提出的工艺路线能成功合成目标复合材料,有着良好的应用前景。高温热解合成的小尺寸BiVO4纳米片具有优异的形貌,小尺寸有利于细胞摄取。制备的复合材料中,BiVO4纳米片、氨基酞菁锌、NaYF4:Yb,Tm@NaYF4:Yb几种材料的吸收波长不同且都有着低毒性,共同发挥作用下,可以实现能量的充分利用和能量转移,提高能量利用率和治疗效果,且在细胞实验中有着优异的光动力治疗效果。有着良好的应用前景和开拓性的创新引导。
本实施方式的有益效果是:
①采用溶剂热法合成NaYF4:Yb,Tm@NaYF4:Yb(UCNPs)核壳结构上转换纳米粒子。②采用高温热解的方法合成了小尺寸且超薄BiVO4纳米片:纳米材料的设计(不同的合成方法及条件)与常规的水热合成BiVO4纳米片相比,使用高温热解合成小尺寸BiVO4纳米片,具有优异的形貌,其小尺寸有利于细胞摄取。③溶剂热法合成氨基酞菁锌(NH2-ZnPc)。④通过在UCNPs表面氧化油酸基团使其转化为羧基,酞菁锌由酰胺化反应接在UCNPs表面,之后由静电吸附法与合成的BiVO4纳米片结合,再在其表面修饰聚乙烯比咯烷酮,提升了复合材料的亲水性能和生物相容性,BiVO4和ZnPc是具有低毒性的光敏剂,两种光敏剂的吸收波长不同,可以实现能量的充分利用和能量转移,提高能量利用率和治疗效果。⑤该体系制备的复合材料可以被980nm近红外光激发生成活性氧,从而诱导细胞凋亡或坏死,在980nm光激发下,体外肿瘤细胞活性抑制率达到62.5%,具有优异的光动力治疗效果。活性氧的产生主要通过UCNPs对近红外光吸收与上转换荧光发射对氨基酞菁锌和BiVO4进行二次激发,产生荧光共振能量转移。BiVO4纳米片提高能量转移效率,促进活性氧生成。⑥合成制备的工艺流程较为简单,通过高温热解合成,操作较为简单,重复性好,所提出的工艺路线不仅具有很好的应用前景和经济效益,而且也具有重要的实用价值。
具体实施方式二:本实施方式与具体实施方式一不同的是:步骤一①中所述的钇源为氯化钇;步骤一①中所述的镱源为氯化镱;步骤一①中所述的铥源为氯化铥;步骤一③中所述的无机氟化物为NH4F;步骤一③中所述的钠源为NaOH。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式三:本实施方式与具体实施方式一或二之一不同的是:步骤一④中所述的离心洗涤具体为在离心速率为4000转/分~10000转/分的条件下,先用乙醇离心取沉淀,然后用环己烷离心取上清液,再用乙醇离心取沉淀。其它与具体实施方式一或二相同。
本实施方式使用乙醇与环己烷先后提取产物并离心分离,去除杂质对产物进行提纯和分离。
具体实施方式四:本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是:步骤二①中所述的钇源为氯化钇;步骤二①中所述的镱源为氯化镱;步骤二④中所述的无机氟化物为NH4F;步骤二④中所述的钠源为NaOH。其它与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式五:本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是:步骤二⑤中所述的离心洗涤具体为在离心速率为4000转/分~10000转/分的条件下,先用乙醇离心取沉淀,然后用环己烷离心取上清液,再用乙醇离心取沉淀。其它与具体实施方式一至四相同。
本实施方式使用乙醇与环己烷先后提取产物并离心分离,去除杂质对产物进行提纯和分离。
具体实施方式六:本实施方式与具体实施方式一至五之一或不同的是:步骤三②中所述的离心洗涤、酸化处理及再洗涤,具体为在离心速率为4000转/分~10000转/分的条件下,先用超纯水离心取沉淀,然后用乙醇离心取沉淀,再用丙酮离心取沉淀,然后使用pH为3~5的稀盐酸进行酸化处理0.3h~0.5h,最后使用超纯水洗涤3次~5次;步骤三③中所述的UCNPs-COOH溶液中UCNPs-COOH粉体的浓度为0.07g/mL~0.1g/mL。其它与具体实施方式一至五相同。
具体实施方式七:本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是:步骤四中所述的醇为正戊醇;步骤四中所述的锌源为醋酸锌;步骤四中所述的离心洗涤提纯具体为加入正己烷超声并离心取沉淀,然后加入蒸馏水超声离心并取沉淀,然后再依次利用甲醇、乙酸乙酯、乙二醇进行索式提取。其它与具体实施方式一至六相同。
本实施方式使用甲醇、乙酸乙酯、乙二醇过索式提取NO2-ZnPc,利用溶剂回流和虹吸原理进行高效率萃取分离。
具体实施方式八:本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是:步骤五中所述的溶剂为N,N-二甲基甲酰胺;步骤五中所述的抽滤提纯具体为通过冰水抽滤,然后再依次利用甲醇、乙酸乙酯、乙二醇进行索式提取;步骤五中所述的干燥具体为在干燥温度为70℃~90℃的条件下,干燥18h~25h。其它与具体实施方式一至七相同。
本实施方式使用甲醇、乙酸乙酯、乙二醇过索式提取NO2-ZnPc,利用溶剂回流和虹吸原理进行高效率萃取分离。
本实施方式用冰水稀释并抽滤,提升产量。
具体实施方式九:本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是:步骤六中所述的铋源为Bi(NO3)3·5H2O;步骤六中所述的钒源为NH4VO3;步骤六中所述的离心洗涤具体是按以下步骤进行:a、在分液漏斗中加入反应后的溶液,然后加入正己烷和乙醇分层,去掉下层水溶液,将上层有机溶液取出离心,取沉淀,在沉淀中加入正己烷洗涤超声分散并离心,取沉淀;b、重复步骤a三次;c、加入乙醇洗涤超声分散并离心,取沉淀;d、重复步骤c洗涤三次。其它与具体实施方式一至八相同。
具体实施方式十:本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是:步骤七①中所述的氨基源为1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐;步骤七①中所述的羟基源为N-羟基琥珀酰亚胺;步骤七③中所述的离心洗涤为在离心速率为4000转/分~10000转/分的条件下离心,取沉淀,加入乙醇超声分散并离心,再取沉淀;步骤八中所述的离心洗涤具体为在离心速率为4000转/分~10000转/分的条件下离心,取沉淀,加入乙醇超声分散并离心,再取沉淀。其它与具体实施方式一至九相同。
采用以下实施例验证本发明的有益效果:
实施例一:
一种具有抗肿瘤效应的稀土上转换纳米颗粒/钒酸铋纳米复合材料的制备方法,它是按以下步骤进行的:
一、合成核结构纳米颗粒的制备;
①、将钇源、镱源及铥源分别加入到水中,分别得到钇源水溶液、镱源水溶液及铥源水溶液,然后将0.69mL钇源水溶液、0.3mL镱源水溶液与0.01mL铥源水溶液混合,得到钇源、镱源及铥源的混合溶液;
步骤一①中所述的钇源水溶液浓度为0.1955g/mL;步骤一①中所述的镱源水溶液浓度为0.2794g/mL;步骤一①中所述的铥源水溶液浓度为0.0275g/mL;
步骤一①中所述的钇源为氯化钇;步骤一①中所述的镱源为氯化镱;步骤一①中所述的铥源为氯化铥;
②、在温度为90℃的条件下,加热1mL钇源、镱源及铥源的混合溶液至水分完全蒸发,然后加入6mL油酸和15mL十八烯,得到透明均匀的溶液A;
③、按升温速度为5℃/min,将22mL透明均匀的溶液A升温至156℃,并在温度为156℃的条件下,反应10min,反应后降温至室温,然后加入10mL无机氟化物和钠源的甲醇溶液,得到乳白色的混合溶液B;
步骤一③中所述的无机氟化物和钠源的甲醇溶液中无机氟化物的浓度0.0148g/mL;步骤一③中所述的无机氟化物和钠源的甲醇溶液中钠源的浓度0.01g/mL;
步骤一③中所述的无机氟化物为NH4F;步骤一③中所述的钠源为NaOH;
④、按升温速度为5℃/min,将乳白色的混合溶液B升温至50℃,在温度为50℃的条件下,保温30min,再升温至110℃,并在温度为110℃的条件下,抽真空40min,然后通入氮气并升温到310℃,并在温度为310℃的条件下,保温90min,再降温至室温,然后离心洗涤并干燥,得到白色的粉体NaYF4:Yb/Tm;
步骤一④中所述的离心洗涤具体为在离心速率为8000转/分的条件下,先用乙醇离心取沉淀,然后用环己烷离心取上清液,再用乙醇离心取沉淀;
⑤、将0.210g白色的粉体NaYF4:Yb/Tm加入到5mL环己烷中超声溶解,得到溶液C;
二、合成核壳结构纳米颗粒:
①、将钇源及镱源分别加入到水中,分别得到钇源水溶液及镱源水溶液,然后将0.9mL钇源水溶液及0.1mL镱源水溶液混合,得到钇源及镱源的混合溶液;
步骤二①中所述的钇源水溶液浓度为0.1955g/mL;步骤二①中所述的镱源水溶液浓度为0.2794g/mL;
步骤二①中所述的钇源为氯化钇;步骤二①中所述的镱源为氯化镱;
②、在温度为90℃的条件下,加热1mL钇源及镱源的混合溶液至水分完全蒸发,然后加入6mL油酸和15mL十八烯,再按升温速度为5℃/min,升温至156℃,在温度为156℃的条件下,反应10min,反应后降温至室温,得到溶液D;
③、常温下,将5mL溶液C与22mL溶液D混合,得到溶液E;
④、将27mL溶液E升温至温度为75℃,并在温度为75℃的条件下,保温40min,降温至室温,然后加入10mL无机氟化物和钠源的甲醇溶液,得到溶液F;
步骤二④中所述的无机氟化物和钠源的甲醇溶液中无机氟化物的浓度0.0148g/mL;步骤二④中所述的无机氟化物和钠源的甲醇溶液中钠源的浓度0.02g/mL;
步骤二④中所述的无机氟化物为NH4F;步骤二④中所述的钠源为NaOH;
⑤、按升温速度为5℃/min,将溶液F升温至50℃,并在温度为50℃的条件下,保温0.3h,再升温至110℃,并在温度为110℃的条件下,抽真空40min,然后通入氮气并升温到310℃,并在温度为310℃的条件下,保温90min,再降温至室温,然后离心洗涤并干燥,得到UCNPs-OA粉体;
步骤二⑤中所述的离心洗涤具体为在离心速率为8000转/分的条件下,先用乙醇离心取沉淀,然后用环己烷离心取上清液,再用乙醇离心去沉淀;
⑥、然后将0.402g UCNPs-OA粉体溶解于5mL环己烷中,得到UCNPs-OA溶液;
三、制备亲水性的上转换纳米颗粒:
①、向5mL UCNPs-OA溶液中依次加入15mL环己烷、20mL叔丁醇、5mL去离子水和0.95mL碳酸钾溶液,在温度为40℃及搅拌速度为180r/min的条件下,搅拌20min,得到溶液H;
所述的碳酸钾溶液的质量百分数为5%;
②、在温度为40℃的条件下,利用移液枪向45.95mL溶液H中滴入4mL勒米厄-冯鲁德洛夫试剂,在温度为40℃及搅拌速度为180r/min的条件下,搅拌3h,然后离心洗涤、酸化处理及再洗涤,得到UCNPs-COOH粉体;
步骤三②中所述的离心洗涤、酸化处理及再洗涤,具体为在离心速率为8000转/分的条件下,先用超纯水离心取沉淀,然后用乙醇离心取沉淀,再用丙酮离心取沉淀,然后使用pH为4的稀盐酸进行酸化处理0.5h,最后使用超纯水洗涤3次;
③、将0.447g UCNPs-COOH粉体溶解在5mL超纯水中,得到UCNPs-COOH溶液;
四、合成硝基酞菁锌:
将0.5g硝基邻苯二腈溶解在30mL醇中,得到溶液K,在搅拌速度为150r/min及通入氮气的条件下,将溶液K升温至温度为50℃,并在搅拌速度为150r/min及温度为50℃的条件下,搅拌30min,然后加入0.8g锌源和2mL 1,8-二氮杂二环十一碳-7-烯,再将温度由50℃升温至温度为150℃,在温度为150℃及搅拌速度为150r/min的条件下,搅拌15h,然后降温至室温,最后离心洗涤提纯,得到固体NO2-ZnPc;
步骤四中所述的醇为正戊醇;步骤四中所述的锌源为醋酸锌;步骤四中所述的离心洗涤提纯具体为加入正己烷超声并离心取沉淀,然后加入蒸馏水超声离心并取沉淀,然后再依次利用甲醇、乙酸乙酯、乙二醇进行索式提取;
五、合成氨基酞菁锌:
将0.626g固体NO2-ZnPc与3g Na2S·9H2O溶解在30mL溶剂中,得到溶液M,将溶液M升温至50℃,在搅拌速度为180r/min及温度为50℃的条件下,搅拌5h,降温至室温,然后抽滤提纯,最后干燥,得到固体NH2-ZnPc;
步骤五中所述的溶剂为N,N-二甲基甲酰胺;步骤五中所述的抽滤提纯具体为通过100mL冰水抽滤,然后再依次利用甲醇、乙酸乙酯、乙二醇进行索式提取;步骤五中所述的干燥具体为在干燥温度为80℃的条件下,干燥24h;
六、高温热解法合成BiVO4纳米片:
将0.242g铋源加入到溶剂中,通入氮气并升温至170℃,加热直至铋源溶解,得到溶液O,将温度由170℃降至100℃,在温度为100℃的条件下,加入10mL钒源溶液,得到溶液P,然后在温度为100℃的条件下,保温30min,再降温至室温,最后离心洗涤,得到BiVO4纳米片;
所述的钒源溶液具体为0.0585g钒源加入到2mL质量百分数为65%的硝酸及10mL蒸馏水中得到的;步骤六中所述的溶剂为1mL油酸、1mL油胺与10mL十八烯的混合溶液;
步骤六中所述的铋源为Bi(NO3)3·5H2O;步骤六中所述的钒源为NH4VO3;步骤六中所述的离心洗涤具体是按以下步骤进行:a、在分液漏斗中加入反应后的溶液,然后加入正己烷和乙醇分层,去掉下层水溶液,将上层有机溶液取出离心,取沉淀,在沉淀中加入正己烷洗涤超声分散并离心,取沉淀;b、重复步骤a三次;c、加入乙醇洗涤超声分散并离心,取沉淀;d、重复步骤c洗涤三次;
七、UCNPs连接氨基酞菁锌:
①、在转速为8000r/min的条件下,将UCNPs-COOH溶液离心取沉淀干燥,得到UCNPs-COOH,将0.01g UCNPs-COOH、0.01g氨基源、0.01g羟基源溶解在10mL N,N-二甲基甲酰胺中,得到溶液R;
步骤七①中所述的氨基源为1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐;步骤①七中所述的羟基源为N-羟基琥珀酰亚胺;
②、将0.01g固体NH2-ZnPc溶解在10mL N,N-二甲基甲酰胺中,得到溶液S;
③、常温条件下,将10mL溶液R与10mL溶液S混合反应72h,离心洗涤,得到固体UCNPs-ZnPc;
步骤七③中所述的离心洗涤为在离心速率为8000转/分的条件下离心,取沉淀,加入乙醇超声分散并离心,再取沉淀;
八、复合材料PVP/UCNPs-ZnPc@BiVO4的制备及修饰:
将0.01g固体UCNPs-ZnPc与0.01g BiVO4纳米片溶解在30mL N,N-二甲基甲酰中,得到溶液U,通氮气并升温至50℃,在搅拌速度为150r/min及温度为50℃的条件下,保持24h,然后加入0.03g聚乙烯吡咯烷酮,在搅拌速度为150r/min及温度为50℃的条件下,搅拌12h,离心洗涤,过滤后干燥,得到PVP/UCNPs-ZnPC@BiVO4纳米材料;
步骤八中所述的离心洗涤具体为在离心速率为8000转/分的条件下离心,取沉淀,加入乙醇超声分散并离心,再取沉淀。
实施例二:
高温热解法合成BiVO4纳米片:
将0.242g铋源加入到溶剂中,通入氮气并升温至170℃,加热直至铋源溶解,得到溶液O,将温度由170℃降至100℃,在温度为100℃的条件下,加入钒源溶液,得到溶液P,然后在温度为100℃的条件下,保温30min,再降温至室温,最后离心洗涤,得到BiVO4纳米片;
所述的钒源溶液具体为0.0585g钒源加入到2mL质量百分数为65%的硝酸及10mL蒸馏水中得到的;步骤六中所述的溶剂为2mL油酸、1mL油胺与10mL十八烯的混合溶液;
步骤六中所述的铋源为Bi(NO3)3·5H2O;步骤六中所述的钒源为NH4VO3;步骤六中所述的离心洗涤具体是按以下步骤进行:a、在分液漏斗中加入反应后的溶液,然后加入正己烷和乙醇分层,去掉下层水溶液,将上层有机溶液取出离心,取沉淀,在沉淀中加入正己烷洗涤超声分散并离心,取沉淀;b、重复步骤a三次;c、加入乙醇洗涤超声分散并离心,取沉淀;d、重复步骤c洗涤三次。
实施例三:
高温热解法合成BiVO4纳米片:
将0.242g铋源加入到溶剂中,通入氮气并升温至170℃,加热直至铋源溶解,得到溶液O,将温度由170℃降至100℃,在温度为100℃的条件下,加入钒源溶液,得到溶液P,然后在温度为100℃的条件下,保温30min,再降温至室温,最后离心洗涤,得到BiVO4纳米片;
所述的钒源溶液具体为0.0585g钒源加入到2mL质量百分数为65%的硝酸及10mL蒸馏水中得到的;步骤六中所述的溶剂为3mL油酸、1mL油胺与10mL十八烯的混合溶液;
步骤六中所述的铋源为Bi(NO3)3·5H2O;步骤六中所述的钒源为NH4VO3;步骤六中所述的离心洗涤具体是按以下步骤进行:a、在分液漏斗中加入反应后的溶液,然后加入正己烷和乙醇分层,去掉下层水溶液,将上层有机溶液取出离心,取沉淀,在沉淀中加入正己烷洗涤超声分散并离心,取沉淀;b、重复步骤a三次;c、加入乙醇洗涤超声分散并离心,取沉淀;d、重复步骤c洗涤三次。
对比实验一:溶剂热法合成BiVO4:
将2.21g BiCl3与1.05g十六烷基三甲基溴化铵溶解在60mL乙二醇中,在搅拌速度为150r/min的条件下,加入NaVO3,并搅拌30min,然后在温度为120℃的条件下,保温12h,降温至室温,然后用乙醇和去离子水清洗,在温度为60℃的条件下真空干燥,在煅烧温度为400℃的条件下,煅烧10min,得到固体BiVO4。
对比实验二:共沉淀法合成BiVO4:
在搅拌速度为150r/min的条件下,将5.82g Bi(NO3)3·5H2O、1.404g NH4VO3及表面活性剂混合,然后再溶解在50mL浓度为2mol/L的硝酸中,搅拌30min,得到稳定且黄色均一的溶液,利用质量百分数为29%的氨溶液滴定稳定且黄色均一的溶液至pH为9,在搅拌速度为150r/min的条件下,搅拌30min,得到亮黄色的沉淀,将亮黄色的沉淀离心洗涤,干燥,在煅烧温度为200℃的条件下,煅烧2h,得到固体BiVO4;
所述的离心洗涤为8000转/分的条件下离心,取沉淀,加入乙醇超声分散,8000转/分的条件下离心,取沉淀;所述的表面活性剂为1.09g十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)或0.91g油酸钠。
制备的BiVO4纳米片分别记为BiVO4-A-B-C,其中A代表加入油酸量,B代表加入油胺量,C代表加入十八烯量,单位为mL,实施例一步骤六中为BiVO4-1-1-10,实施例二制备的为BiVO4-2-1-10,实施例三制备的为BiVO4-3-1-10。
图1为对比实验一利用溶剂热法合成的固体BiVO4的扫描电镜图;a为BiVO4在1μm尺度下片层正面扫描电镜图,b为BiVO4在500nm尺度下的片层侧面扫描电镜图,c为BiVO4在1μm尺度下的片层侧面扫描电镜图;图2为X射线衍射图,1为对比实验一利用溶剂热法合成的固体BiVO4,2为标准卡片。从图1可见合成的纳米片尺寸较大,长宽都在2μm~3μm之间,厚度50nm左右,纳米片之间出现了插层现象。由于溶剂热法合成时间较长,在高温的环境下材料生长时间较长,导致尺寸较大,且厚度较大,不能用作生物应用。从图2可知,BiVO4纳米片XRD谱图与标准卡片JCPDS No.14-0688对比,可见溶剂热法合成的BiVO4结晶性良好,保留了2θ=28.9°处的特征衍射峰,同时也保持了很好的单斜相的结构。
图3为对比实验二利用共沉淀法合成的固体BiVO4的透射电镜图,a为在500nm尺度下油酸钠为表面活性剂合成的BiVO4,b为在200nm尺度下油酸钠为表面活性剂合成的BiVO4,c为在500nm尺度下CTAB为表面活性剂合成的BiVO4,d为在150nm尺度下CTAB为表面活性剂合成的BiVO4;从图3中的a及b可见以油酸钠作为表面活性剂利用共沉淀合成的BiVO4尺寸较大,在500nm左右,没有固定的形貌,类似于片层结构,发生了很明显的团聚。从图3中的c及d可知,使用十六烷基三甲基溴化铵作为表面活性剂合成,可以看出也是没有固定的形貌,但是类似于很多的纳米管聚集在一起,单个纳米管的尺寸较小,发生很明显的团聚现象。
图4为实施例二及实施例三制备的BiVO4纳米片的TEM图片,a为100nm尺度下实施例二制备的BiVO4-2-1-10较大的个体,b为100nm尺度下实施例二制备的BiVO4-2-1-10较小的个体,c为500nm尺度下实施例三制备的BiVO4-3-1-10较聚集的部分,d为500nm尺度下实施例三制备的BiVO4-3-1-10较分散的部分。通过前期探索实验时发现当加入的油酸与油胺体积比大于1:0.33(即当油酸为1mL时,选取小于0.33mL的油胺)的同时,油酸与十八烯体积比大于1:3.3(即当油酸为1mL时,选取小于3.3mL的十八烯)时,溶液在三口烧瓶中升温过程中会出现爆沸的现象,而且产物不是BiVO4典型的亮黄色。通过图4中的a和b透射图可知,油酸与油胺比例为1:0.5同时,油酸与十八烯比例为1:5,合成的BiVO4纳米片大小不一,接近于正方形,边长在200nm~500nm之间,实验中产物产率很低。如图4中的c及d油酸与油胺比例为1:0.33,与十八烯比例为1:3.3时,形状为接近正方形,尺寸有所增加,厚度减少,边长在300nm~600nm之间,实验中产量有所增加。
图5为BiVO4纳米片的XRD谱图,1为标准卡片,2为实施例一步骤六制备的BiVO4-1-1-10,3为实施例二制备的BiVO4-2-1-10,4为实施例三制备的BiVO4-3-1-10;图6为BiVO4纳米片的紫外-可见光的漫反射谱图,1为实施例一步骤六制备的BiVO4-1-1-10,2为实施例二制备的BiVO4-2-1-10,3为实施例三制备的BiVO4-3-1-10。通过对三种样品的XRD谱图分析对比,可知三种样品在整体的晶相都是单斜相,和标准卡片JCPDS:14-0688基本保持一致,出现28.9°处的特征衍射峰,但是在其他的特征峰峰强上略有差别。通过紫外-可见漫反射光谱分析,三种样品在特征吸收值方面差别不大,吸收的峰值在450nm左右,在最低峰的吸收值略有不同,BiVO4-1-1-10的吸收的最低峰在575nm左右,通过公式计算作图可以得到三种样品的禁带宽度,都在2.4eV左右。
图7为实施例一步骤一④制备的白色的粉体NaYF4:Yb/Tm分散在无水乙醇中获得的透射图像;图8为实施例一步骤一④制备的白色的粉体NaYF4:Yb/Tm的粒径统计图;由图可以看出合成的上转换纳米粒子核结构分散均匀,NaYF4:Yb,Tm核直径约为22nm,分布均匀,基本呈现为六方相。
图9为实施例一步骤二⑤制备的UCNPs-OA粉体分散在无水乙醇中获得的透射图像;图10为实施例一步骤二⑤制备的UCNPs-OA粉体的粒径统计图;由图可以看出,为了使活化剂远离材料的表面缺陷和与表面相关的高频振动,使用外部延伸生长方法将NaYF4:Yb外壳均匀包覆到制备的核上,得到的核壳结构NaYF4:Yb,Tm@NaYF4:Yb,简称为UCNPs-OA,OA指的是油酸,表示上转换纳米粒子表面是油酸基团。制备的UCNPs-OA粒径约为30nm,均匀分散。
图11为实施例一步骤三②制备的UCNPs-COOH粉体分散在无水乙醇中获得的透射图像;图12为实施例一步骤三②制备的UCNPs-COOH粉体的粒径统计图;经过氧化修饰羧基之后的UCNPs的透射图,简称为UCNP-COOH,由透射图像可知分散在水中的经过氧化的纳米粒子,形貌和大小基本没有变化,说明氧化之后仅仅改变纳米粒子表面的官能团,将油酸基团氧化为羧基,对于大小形貌没有很大的影响。
图13为实施例一步骤六制备的BiVO4-1-1-10的透射图像;调整油酸量之后,将油酸量减少至1mL之后钒酸铋的透射图像,尺寸进一步减小,实验中产量相比于油酸量为2mL时有所减少。通过观察可以看出基本为整齐的长方形纳米片结构,大小均匀,长在150nm~200nm之间,宽在30nm~50nm之间,符合生物应用的标准,而且形貌规整,尺寸分布均匀。
图14为实施例一制备的PVP/UCNPs-ZnPC@BiVO4纳米材料在50nm尺度的透射图像,图15为实施例一制备的PVP/UCNPs-ZnPC@BiVO4纳米材料在100nm尺度的透射图像;最终复合材料透射图象,由图可知纳米粒子均匀分布BiVO4纳米片上,与纳米片相连。
图16为实施例一制备的PVP/UCNPs-ZnPC@BiVO4纳米材料的元素Mapping照片;元素Mapping照片表明:Na、V、Yb、Bi和O等元素均匀地分布在PVP/UCNPs-ZnPC@BiVO4纳米材料上。
图17为实施例一步骤六制备的BiVO4-1-1-10的原子力显微图像;图18为图17中A点的厚度示意图;图19为图17中B点的厚度示意图。合成的BiVO4纳米片通过原子力显微镜的观察,经过从不同点高度剖面曲线的厚度,可以得出纳米片的厚度基本在5nm~8nm之间,平均厚度在6.5nm,是具有超薄结构的纳米片。
图20为FT-IR图,1为实施例一步骤二⑤制备的UCNPs-OA粉体,2为实施例一步骤三②制备的UCNPs-COOH粉体,3为实施例一制备的PVP/UCNPs-ZnPC@BiVO4纳米材料;如UCNPs-OA、UCNPs-COOH在3450cm-1处有一个宽振动带,对应于O-H的伸缩振动。UCNPs-OA在1564-1和1448cm-1处振动带对应于油酸基团之间羧基的伸缩振动,可是氧化UCNPs(UCNPs-COOH)中移至1638cm-1,证明了氧化UCNPs的成功以及羧基的成功修饰。最终材料的FTIR谱线,连接完氨基酞菁以及修饰完聚乙烯比咯烷酮之后,羧基的伸缩振动消失,证明发生了酰胺化反应,此外1491cm-1~1321cm-1范围是属于酞菁环的C=C和C=N的伸缩振动峰,证明成功连接氨基酞菁。
图21为热重曲线图,1为实施例一步骤二⑤制备的UCNPs-OA粉体,2为实施例一步骤三②制备的UCNPs-COOH粉体;由图可知,上转换发光纳米粒子氧化之前(UCNPs-OA)和之后(UCNPs-COOH)热重分析图,温度区间为室温到800℃,在通氦气的条件下进行,对实验测量有保护作用。由图可以得到,UCNPs-OA质量分数伴着温度的提高逐渐减少,最后减少至70%,这表明油酸配体的损失,油酸配体损失较多,和上转换纳米粒子的合成方式有关系,采用水法合成的上转换纳米粒子比现有技术用油酸盐合成的上转换纳米粒子表面的配体要多和富集。经过氧化之后,上转换纳米粒子的失重减少25%,主要由于分子量的变化282.46减少至188.22,油酸以及断裂双键之后的羧基,这表明几乎所有配体在氧化过程中与上转换纳米粒子结合。
图22为动力光学散射的粒子尺寸分布图,1为实施例一步骤二⑥制备的UCNPs-OA溶液,2为实施例一步骤三③制备的UCNPs-COOH溶液。制备样品的粒径变化通过动态光散射(DLS)测量,改性后的纳米粒子的流体动力学尺寸约为50nm,表明氧化后的UCNPs(UCNPs-COOH)的水溶性相比于氧化之前有了一定的提高,且具有良好的分散性,有助于提高最终复合材料的生物相容性和水溶性。
图23为实施例一步骤四合成硝基酞菁锌和步骤五氨基酞菁锌合成路线图;
图24为实施例一步骤五制备的固体NH2-ZnPc的紫外-可见吸收光谱;
由图可知,先合成硝基酞菁锌,之后通过硫化钠的还原将硝基还原为氨基,合成氨基酞菁锌。合成过程中第一步和第二步中的硝基酞菁锌和氨基酞菁锌都经过索式提取进行提纯,分别用甲醇,乙酸乙酯和二氯甲烷进行萃取,萃取之后测试在二甲基亚砜中的紫外吸收光谱,酞菁锌有两个特征吸收峰,600nm~800nm之间一般称之为Q带,300nm~400nm之间称之为B带,酞菁的合成可以经过对紫外-可见吸收光谱图像分析判断。图24所示,氨基酞菁锌的Q带和B带很明显,a为是酞菁单体的吸收峰,b被认为是酞菁二聚体的吸收峰,出现少量酞菁二聚体,在b带出现一个杂质峰,为合成出现的杂质,或者是提纯不彻底。
图25为XRD谱图,1为实施例一制备的PVP/UCNPs-ZnPC@BiVO4纳米材料,2为实施例一步骤七③制备的固体UCNPs-ZnPc,3为标准卡JCPDS:16-0334,4为实施例一步骤六制备的BiVO4-1-1-10,5为标准卡JCPDS:14-0688;在图中,UCNPs-ZnPc的XRD谱图与NaYF4标准卡片匹配良好,为六方相的结构,连接氨基酞菁锌之后XRD谱图与标准卡片对应良好,说明氧化以及连接氨基酞菁锌对于UCNPs的晶相并没有影响。合成的BiVO4纳米片和单斜相的标准卡片相对应,单斜相是BiVO4四种晶型催化效率最好的晶型,在2θ=28.9°的位置有明显的特征衍射峰,在产物PVP/UCNPs-ZnPC@BiVO4纳米材料的XRD谱图之中,在28.9°的位置出现了BiVO4特征衍射峰以及UCNPs的峰,说明了复合材料的成功制备。
图26为电动电势图,1为实施例一步骤二⑤制备的UCNPs-OA粉体,2为实施例一步骤三②制备的UCNPs-COOH粉体,3为实施例一步骤七③制备的固体UCNPs-ZnPc,4为实施例一步骤六制备的BiVO4-1-1-10,5为实施例一制备的PVP/UCNPs-ZnPC@BiVO4纳米材料。由图可以看出,对不同合成阶段的样品材料进行电动电势测量,可以看出BiVO4的电动电势为+8.3eV,而合成的UCNPs-ZnPc电动电势为-16.7eV,表明最终材料的复合是通过静电吸附作用复合,而且所制备的纳米复合材料具有较好的水溶性。
图27为实施例一制备的PVP/UCNPs-ZnPC@BiVO4纳米材料的XPS能谱。从X射线光电子能谱中,可以看出制备的纳米复合材料含有C、N、O、Zn、Bi、V、Yb等元素,可以证明复合材料的成功制备。
爱丁堡FLS980瞬态/稳态荧光光谱仪,对不同样品的激发/发射光谱和上转换发射光谱进行检测。激发光源为980nm激光器以及150W氙灯,光谱仪的测量范围为400nm~750nm。保持激光器的功率恒定不变,发光光谱使用Origin软件进行处理并做图。
图28为上转换发射光谱在980nm激光照射下的发射光谱,1为实施例一步骤一④制备的白色的粉体NaYF4:Yb/Tm分散在无水乙醇中,2为实施例一步骤二⑤制备的UCNPs-OA粉体分散在无水乙醇中,3为实施例一制备的PVP/UCNPs-ZnPC@BiVO4纳米材料分散在无水乙醇中;由图可知,453nm、475nm和640nm~670nm处的发射分别归因于1D2→3H6、1D2→3F4、1G4→3H6和1G4→3F4的Tm3+离子跃迁。将NaYF4:Yb惰性层包覆在核纳米颗粒上,可以在低激发功率下获得超高亮上转换。显然,UCNPs-OA的上转换发射强度比纯核纳米粒子的要强得多。因此,NaYF4:Yb层可以保护Tm3+活化剂免受表面相关的高频非辐射衰减振动的影响,同时Yb3+也能够为发光中心供给大量的激发能量,从而提高核心纳米粒子的发射强度。与具有核-壳结构的PVP/UCNPs-ZnPC@BiVO4纳米材料相比,PVP/UCNPs-ZnPC@BiVO4纳米材料的上转换发射强度在453nm和475nm急剧下降,在650nm左右发光强度同样出现下降,这可能是由于UCNPs-OA与BiVO4纳米片以及ZnPc之间的有效能量转移所致。
图29为上转换纳米粒子发射光谱和光敏剂紫外吸收图谱,1为实施例一步骤六制备的BiVO4-1-1-10的紫外-可见-红外光谱曲线,2为实施例一步骤五制备的NH2-ZnPc的紫外-可见-红外光谱曲线,3为实施例一步骤二⑤制备的UCNPs-OA粉体的上转换发射光谱;由图可知,BiVO4纳米片和ZnPc的吸收与UCNPs-OA的发射区域重叠。因此,将其偶联后,BiVO4纳米片和ZnPc的紫外吸收使材料发射峰减弱,可证明BiVO4纳米片和ZnPc的成功连接。而且由于有能量转移的过程,在其偶联后,BiVO4纳米片和ZnPc可以被偶联UCNPs-OA的激发以产生活性氧,达到光动力效果。
图30为实施例一能量传递过程流程图。如图合成的UCNPs-OA中Yb3+做敏化剂,Tm3+作为激活剂,经过上转换过程,产生高能辐射,激发BiVO4纳米片,产生I型光动力,由于肿瘤环境的特殊性,肿瘤细胞内H2O2和谷胱甘肽过渡表达,能级跃迁产生的电子和空穴,经过分离之后,电子能够与表面的氧分子反应,产生O2-或O2 2,空穴也可以和H2O反应生成·OH,一部分空穴也能够O2-反应生成1O2。和传统光催化不同,由于肿瘤微环境的特殊性,H2O2在其中也扮演了重要的角色,同时能够产生·OH。肿瘤微比较环境复杂,可能还有更多的物质参与了反应。
1,3-二苯基异苯并呋喃(DPBF)用作活性氧探针,因为其可以经历活性氧的氧化还原过程,当激光刺激溶液时会引起1,3-二苯基异苯并呋喃在410nm处的吸光度降低。首先,将10mg实施例一制备的PVP/UCNPs-ZnPC@BiVO4纳米材料与2mL浓度为0.5mg/mL的1,3-二苯基异苯并呋喃避光混合。在超声处理后用980nm激光器,以1.0W/cm2的泵浦功率以特定的时间间隔照射混合溶液。
图31为实施例一制备的PVP/UCNPs-ZnPC@BiVO4纳米材料+DPBF在980nm近红外光以1.0W/cm2的泵浦功率下照射不同时间的紫外吸收光谱图;采用活性氧捕捉剂1,3-二苯基异苯并呋喃(DPBF)用作活性氧探针,当激光刺激溶液时会引起1,3-二苯基异苯并呋喃在410nm处的吸光度降低。由图显示了用980nm光激发时,与PVP/UCNPs-ZnPC@BiVO4纳米材料混合不同时间的1,3-二苯基异苯并呋喃溶液的吸光度变化。显然,在350nm~450nm波长范围内,曲线的紫外吸收峰值随着照射时间的延长而减少,说明PVP/UCNPs-ZnPC@BiVO4纳米材料可以有效产生活性氧。
爱丁堡FLS980瞬态/稳态荧光光谱仪,对发射光谱进行检测。激发光源为980nm激光器以及150W氙灯,光谱仪的测量范围为350nm~550nm。同一组测试要保持激光器的功率恒定不变,发光光谱使用Origin软件进行处理并做图。
首先,0.5mL浓度为0.1mmol/L的对苯二甲酸(TA)溶液加入到2mL浓度为0.2mol/L磷酸盐缓冲液。加入10mg实施例一制备的PVP/UCNPs-ZnPC@BiVO4纳米材料,在超声处理后,用980nm激光器,以1.0W/cm2的泵浦功率以特定的时间间隔照射混合溶液。对苯二甲酸的激发波长315nm,发射波长425nm。
图32为TA+实施例一制备的PVP/UCNPs-ZnPC@BiVO4纳米材料在980nm近红外光1.0W/cm2的泵浦功率照射下不同时间的荧光发射光谱;图为对苯二甲酸(TA)检测羟基自由基的图像,对苯二甲酸可以与光敏剂产生的羟基自由基反应,在425nm处的荧光发射光强度会有明显的增加,通过分析观察可知,随着照射时间的增加,425nm处的荧光发射光强度逐渐增加,说明了羟基自由基的产生。
通过2',7'-二氯荧光素二乙酸酯染料进一步研究了PVP/UCNPs-ZnPC@BiVO4纳米材料在海拉细胞内产生的活性氧。2',7'-二氯荧光素二乙酸酯是活性氧探针,可被细胞同化。然后通过水解作用将其转化为2',7'-二氯双氢荧光素。在活性氧的存在下,非荧光的2',7'-二氯双氢荧光素进而氧化为2',7'-二氯荧光素,就可用于检测细胞内活性氧水平。
将海拉细胞在6孔板中培养过夜。加入浓度为500μg/mL的实施例一制备的PVP/UCNPs-ZnPC@BiVO4溶液培养6h,用磷酸盐缓冲液洗去未结合样品,加入2',7'-二氯荧光素二乙酸酯培养基溶液调整浓度为5μmol/L避光培养20min。然后,用980nm以1.0W/cm2光照射不同的时间后(1min、5min、10min),收集光照细胞获得单细胞悬浮液。通过Leica SP8激光共聚焦显微镜(CLSM)对体外细胞进行观察,激发波长488nm,发射波长535nm,调节物像与样品的距离、亮度对比度以及镜头的放大倍数进行拍摄。
图33用2',7'-二氯荧光素二乙酸酯处理实施例一制备的PVP/UCNPs-ZnPC@BiVO4培养的海拉细胞的激光共聚焦显微镜图像。在图中,激光共聚焦显微镜拍摄的照片标尺是50μm。可以看出随着照射时间的延长,海拉细胞显示出更亮的绿色荧光,这表明UCZB复合材料在细胞内可以有效产生活性氧,具备肿瘤细胞抑制作用。
对小鼠成纤维L929细胞进行MTT实验:
首先,将L929成纤维细胞接种在96孔板中并孵育24h。然后将溶解在培养基中的100μL浓度分别为16μg/mL、32μg/mL、64μg/mL、125μg/mL、250μg/mL、500μg/mL和1000μg/mL的实施例一制备的PVP/UCNPs-ZnPC@BiVO4纳米材料溶液加入到每个孔中继续培养24h。其中,没有纳米材料的纯培养基作为对照组。之后,向孔中加入20μL浓度为5mg/mL的MTT原溶液,并在37℃条件下培养4h。然后,加入150μL二甲基亚砜,用酶标仪在490nm处检测吸光度。
图34为不同浓度的实施例一制备的PVP/UCNPs-ZnPC@BiVO4纳米材料与L929成纤维细胞培养24h后的细胞存活率;通过Versamax酶标仪在490nm处的检测结果来计算细胞存活率。图显示了用不同浓度PVP/UCNPs-ZnPC@BiVO4纳米材料培养后的细胞存活率。在0μg/mL~1000μg/mL的整个浓度范围内,细胞存活率均高于80%,这表明PVP/UCNPs-ZnPC@BiVO4纳米材料对L929细胞没有明显的毒副作用,具有良好的生物相容性,可以用于医学领域。
为了测定所得材料的光动力治疗能力,将海拉细胞分成五个不同的处理组:对照、UCZB、UCZ+NIR、UCB+NIR和UCZB+NIR:
将海拉细胞(7000-8000/孔)种植在96孔板之后放于培养箱(5%CO2,37℃)中培养12h~24h。之后,加入不同浓度梯度的样品溶液(1000μg/mL、500μg/mL、250μg/mL、125μg/mL、63μg/mL、32μg/mL、16μg/mL和8μg/mL)后在培养箱中培养2h,然后将细胞用不同条件处理(对照、UCZB、UCZ+NIR、UCB+NIR和UCZB+NIR)。培养12h后,将培养基替换为MTT(5mg/mL,每孔20μL),并培养4h。之后,倒出培养基并添加二甲基亚砜,培养10min,测量490nm处的吸光度来计算细胞存活率。
其中对照组为未加入样品溶液;UCZB组为实施例一制备的PVP/UCNPs-ZnPC@BiVO4纳米材料;UCZ+NIR组为PVP/UCNPs-ZnPc联合近红外光照射,仅连接一种光敏剂ZnPc,为实施例一省略步骤一至五及七制备得到;UCB+NIR组为PVP/UCNPs@BiVO4并联合近红外光照射,仅负载BiVO4,为实施例一省略步骤一至三、六及八制备得到;UCZB+NIR组为实施例一制备的PVP/UCNPs-ZnPC@BiVO4纳米材料联合近红外光照。
图35为海拉细胞与不同浓度的不同材料培养24h后的细胞存活率,a为UCZB,b为UCZ+NIR,c为UCB+NIR,d为UCZB+NIR;从图中可以看出不光照时材料对海拉细胞的破坏性较小(细胞存活率80.6%~100%),其中两个实验中采用的是单一的光敏剂,其中UCZ进行980nm以1.0W/cm2近红外光照,UZB同样进行980nm以1.0W/cm2近红外光照,由图可得UCZB+NIR实验组细胞活性最低,说明其光动力效果最佳,材料浓度为1000μg/mL时,海拉细胞存活率仅有22.5%,由此可知,双光敏剂对海拉细胞的破坏作用远强于负载单一光敏剂,说明双光敏剂可以加强光动力效果。在1000μg/mL时,UCZB+NIR实验组存活率22.5%,无红外光照射的UCZB实验组存活率85%。可见材料拥有62.5%的光动力治疗效果。
碘化丙啶(PI)能够穿过死细胞膜对其细胞核进行染色(其荧光为红色),并用于在不同条件下显着标记死细胞,以此说明材料对细胞的杀伤力。如果对活细胞染色必须在染色前进行固定,以增加细胞膜对染料的通透性。使用0.01mol/LPBS(pH7.4)配制终浓度为0.5mg/mL的PI工作液。单层细胞培养标本经预冷70%乙醇固定1小时,4℃;使用0.01mol/LPBS(pH7.4)进行冲洗。沥干后加入PI工作液,室温孵育15分钟。冲洗后封片。PI最大激发波长和最大发射波长分别为488nm和630nm,在荧光显微镜观察DNA呈红色荧光的照片。
图36为与碘化丙啶染色后的激光共聚焦显微镜图像,Control为对照组,a为UCZB,b为UCZ+NIR,c为UCB+NIR,d为UCZB+NIR;由图所示,UCZB在不用近红外光照射的情况下,细胞死亡比较少,UCZ+NIR和UCB+NIR两组死细胞明显增加,说明产生了活性氧,对于海拉细胞有了明显的杀伤作用。而UCZB+NIR组在所有组中红色细胞最多,说明死细胞最多,说明最终复合材料对于海拉肿瘤细胞有很强的杀伤效果,也说明了复合材料的光动力治疗效果明显。
为了使用共聚焦激光扫描显微镜(CLSM)研究海拉细胞对于材料的细胞摄取过程,将海拉细胞在6孔板中培养过夜。之后,将1mL实施例一制备的PVP/UCNPs-ZnPC@BiVO4纳米材料溶液(1mg/mL)加入孔中,并分别培养不同的时间(0.5h、1h和3h)。之后,将细胞用磷酸缓冲溶液清洗,用4',6-二脒基-2-苯基吲哚和异硫氰酸荧光素(Flouresceinisothiocyanate,FITC)染色10min。再加入1mL戊二醛(2.5%)以固定细胞形态后,使用Leica TCS SP8仪器记录细胞的荧光照片。
图37为海拉细胞与实施例一制备的PVP/UCNPs-ZnPC@BiVO4纳米材料共同培养0.5h,1h和3h时吞噬图片,A为DAPI,B为FITC,C为重叠图像。为了确定PVP/UCNPs-ZnPC@BiVO4纳米材料是否可以被肿瘤细胞吞噬,将三组海拉肿瘤细胞分别与复合材料共同培养0.5h、1h和3h。图中的蓝色荧光来自的4',6-二脒基-2-苯基吲哚(DAPI),绿色荧光来自异硫氰酸荧光素(FITC),这两种材料分别标记细胞核以及合成的样品。可见当培养0.5h时,绿色荧光发光强度很弱,这表明有很少量的PVP/UCNPs-ZnPC@BiVO4纳米材料被肿瘤细胞摄取。当培养时间延长至1h和3h时,绿色荧光变得更强,表明更多的纳米复合材料被细胞吞噬。重叠图像也证实了PVP/UCNPs-ZnPC@BiVO4纳米材料被肿瘤细胞有效吞噬。
Claims (10)
1.一种具有抗肿瘤效应的稀土上转换纳米颗粒/钒酸铋纳米复合材料的制备方法,其特征在于它是按以下步骤进行的:
一、合成核结构纳米颗粒的制备:
①、将钇源、镱源及铥源分别加入到水中,分别得到钇源水溶液、镱源水溶液及铥源水溶液,然后将钇源水溶液、镱源水溶液与铥源水溶液混合,得到钇源、镱源及铥源的混合溶液;
所述的钇源、镱源及铥源的混合溶液中钇源的浓度为0.13g/mL~0.15g/mL;所述的钇源、镱源及铥源的混合溶液中镱源的浓度为0.07g/mL~0.09g/mL;所述的钇源、镱源及铥源的混合溶液中铥源的浓度为0.0002g/mL~0.0003g/mL;
②、在温度为85℃~95℃的条件下,加热钇源、镱源及铥源的混合溶液至水分完全蒸发,然后加入油酸和十八烯,得到透明均匀的溶液A;
所述的钇源、镱源及铥源的混合溶液与步骤一②中所述的油酸的体积比为1:(4~7);所述的钇源、镱源及铥源的混合溶液与步骤一②中所述的十八烯的体积比为1:(13~17);
③、按升温速度为3℃/min~10℃/min,将透明均匀的溶液A升温至150℃~160℃,并在温度为150℃~160℃的条件下,反应5min~10min,反应后降温至室温,然后加入无机氟化物和钠源的甲醇溶液,得到乳白色的混合溶液B;
步骤一③中所述的无机氟化物和钠源的甲醇溶液中无机氟化物的浓度0.01g/mL~0.02g/mL;步骤一③中所述的无机氟化物和钠源的甲醇溶液中钠源的浓度0.008g/mL~0.02g/mL;所述的透明均匀的溶液A与步骤一③中无机氟化物和钠源的甲醇溶液的体积比为1:(0.4~0.6);
④、按升温速度为3℃/min~10℃/min,将乳白色的混合溶液B升温至40℃~60℃,在温度为40℃~60℃的条件下,保温20min~50min,再升温至105℃~110℃,并在温度为105℃~110℃的条件下,抽真空0.5h~1h,然后通入氮气并升温到300℃~320℃,并在温度为300℃~320℃的条件下,保温1h~2h,再降温至室温,然后静置过滤或离心洗涤并干燥,得到白色的粉体NaYF4:Yb/Tm;
⑤、将白色的粉体NaYF4:Yb/Tm加入到环己烷中超声溶解,得到溶液C;
所述的溶液C中白色的粉体NaYF4:Yb/Tm的浓度0.04g/mL~0.045g/mL;
二、合成核壳结构纳米颗粒:
①、将钇源及镱源分别加入到水中,分别得到钇源水溶液及镱源水溶液,然后将钇源水溶液及镱源水溶液混合,得到钇源及镱源的混合溶液;
所述的钇源及镱源的混合溶液中钇源的浓度为0.15g/mL~0.18g/mL;所述的钇源及镱源的混合溶液中镱源的浓度为0.02g/mL~0.04g/mL;
②、在温度为80℃~96℃的条件下,加热钇源及镱源的混合溶液至水分完全蒸发,然后加入油酸和十八烯,再按升温速度为3℃/min~10℃/min,升温至150℃~160℃,在温度为150℃~160℃的条件下,反应5min~15min,反应后降温至室温,得到溶液D;
所述的钇源及镱源的混合溶液与步骤二②中所述的油酸的体积比为1:(4~7);所述的钇源及镱源的混合溶液与步骤二②中所述的十八烯的体积比为1:(13~17);
③、常温下,将溶液C与溶液D混合,得到溶液E;
所述的溶液C与溶液D的体积比为1:(4~5);
④、将溶液E升温至温度为60℃~80℃,并在温度为60℃~80℃的条件下,保温0.5h~1h,降温至室温,然后加入无机氟化物和钠源的甲醇溶液,得到溶液F;
步骤二④中所述的无机氟化物和钠源的甲醇溶液中无机氟化物的浓度0.01g/mL~0.02g/mL;步骤二④中所述的无机氟化物和钠源的甲醇溶液中钠源的浓度0.02g/mL~0.03g/mL;所述的溶液E与步骤二④中所述的无机氟化物和钠源的甲醇溶液的体积比为1:(0.3~0.6);
⑤、按升温速度为3℃/min~10℃/min,将溶液F升温至40℃~60℃,并在温度为40℃~60℃的条件下,保温0.3h~0.6h,再升温至105℃~110℃,并在温度为105℃~110℃的条件下,抽真空0.5h~1h,然后通入氮气并升温到300℃~320℃,并在温度为300℃~320℃的条件下,保温1h~2h,再降温至室温,然后静置过滤或离心洗涤并干燥,得到UCNPs-OA粉体;
⑥、然后将UCNPs-OA粉体溶解于环己烷中,得到UCNPs-OA溶液;
所述的UCNPs-OA溶液中UCNPs-OA粉体的浓度为0.07g/mL~0.085g/mL;
三、制备亲水性的上转换纳米颗粒:
①、向UCNPs-OA溶液中依次加入环己烷、叔丁醇、水和碳酸钾溶液,在温度为30℃~50℃及搅拌速度为100r/min~300r/min的条件下,搅拌10min~25min,得到溶液H;
所述的碳酸钾溶液的质量百分数为5%~10%;
所述的UCNPs-OA溶液与步骤三①中所述的环己烷的体积比为1:(2~4);所述的UCNPs-OA溶液与叔丁醇的体积比为1:(3~5);所述的UCNPs-OA溶液与步骤三①中所述的水的体积比为1:(1~2);所述的UCNPs-OA溶液与碳酸钾溶液的体积比为1:(0.1~0.3);
②、在温度为35℃~50℃的条件下,向溶液H中滴入勒米厄-冯鲁德洛夫试剂,在温度为35℃~50℃及搅拌速度为100r/min~300r/min的条件下,搅拌3h~3.5h,然后离心洗涤、酸化处理及再洗涤,得到UCNPs-COOH粉体;
所述的溶液H与勒米厄-冯鲁德洛夫试剂的体积比为1:(0.08~0.1);
③、将UCNPs-COOH粉体溶解在超纯水中备用,得到UCNPs-COOH溶液;
四、合成硝基酞菁锌:
将硝基邻苯二腈溶解在醇中,得到溶液K,在搅拌速度为100r/min~300r/min及通入氮气的条件下,将溶液K升温至温度为40℃~65℃,并在搅拌速度为100r/min~300r/min及温度为40℃~65℃的条件下,搅拌0.3h~0.5h,然后加入锌源和1,8-二氮杂二环十一碳-7-烯,再将温度由40℃~65℃升温至140℃~160℃,在温度为140℃~160℃及搅拌速度为100r/min~300r/min的条件下,搅拌12h~24h,然后降温至室温,最后抽滤提纯或离心洗涤提纯,得到固体NO2-ZnPc;
所述的硝基邻苯二腈的质量与醇的体积比为1g:(55~65)mL;所述的硝基邻苯二腈与锌源的质量比为1:(1~2);所述的硝基邻苯二腈的质量与1,8-二氮杂二环十一碳-7-烯的体积比为1g:(3~6)mL;
五、合成氨基酞菁锌:
将固体NO2-ZnPc与Na2S·9H2O溶解在溶剂中,得到溶液M,将溶液M升温至30℃~60℃,在搅拌速度为100r/min~300r/min及温度为30℃~60℃的条件下,搅拌4h~6h,降温至室温,然后抽滤提纯或离心洗涤,最后干燥,得到固体NH2-ZnPc;
所述的固体NO2-ZnPc与Na2S·9H2O的质量比为1:(4~6);所述的固体NO2-ZnPc的质量与步骤五中所述的溶剂的体积比为1g:(45~50)mL;
六、高温热解法合成BiVO4纳米片:
将铋源加入到溶剂中,通入氮气并升温至160℃~180℃,加热直至铋源溶解,得到溶液O,将温度由160℃~180℃降至90℃~110℃,在温度为90℃~110℃的条件下,加入钒源溶液,得到溶液P,然后在温度为90℃~110℃的条件下,保温0.3h~0.6h,再降温至室温,最后抽滤提纯或离心洗涤,得到BiVO4纳米片;
步骤六中所述的铋源的质量与步骤六中所述的溶剂的体积比为1g:(45~60)mL;步骤六中所述的铋源的质量与钒源溶液的体积比为1g:(45~60)mL;
所述的钒源溶液具体为钒源加入到质量百分数为60%~68%的硝酸及蒸馏水中得到的,所述的钒源的质量与质量百分数为60%~68%的硝酸的体积比为1g:(30~40)mL;所述的钒源的质量与蒸馏水的体积比为1g:(165~175)mL;
步骤六中所述的溶剂为油酸、油胺与十八烯的混合溶液;所述的油酸与油胺的体积比为1:(0.33~1),所述的油酸与十八烯的体积比为1:(3.3~10);
七、UCNPs连接氨基酞菁锌:
①、将UCNPs-COOH溶液分离干燥,得到UCNPs-COOH,将UCNPs-COOH、氨基源、羟基源溶解在N,N-二甲基甲酰胺中,得到溶液R;
所述的溶液R中UCNPs-COOH的浓度为0.001g/mL~0.0015g/mL,所述的溶液R中氨基源的浓度为0.001g/mL~0.0015g/mL,所述的溶液R中羟基源的浓度为0.001g/mL~0.0015g/mL;
②、将固体NH2-ZnPc溶解在N,N-二甲基甲酰胺中,得到溶液S;
所述的溶液S中固体NH2-ZnPc的浓度为0.001g/mL~0.0015g/mL;
③、常温条件下,将溶液R与溶液S混合反应60h~80h,抽滤提纯或离心洗涤,得到固体UCNPs-ZnPc;
所述的溶液R与溶液S的体积比为1:(0.9~1);
八、复合材料PVP/UCNPs-ZnPc@BiVO4的制备及修饰:
将固体UCNPs-ZnPc与BiVO4纳米片溶解在N,N-二甲基甲酰中,得到溶液U,通氮气并升温至40℃~55℃,在搅拌速度为100r/min~300r/min及温度为40℃~55℃的条件下,保持20h~30h,然后加入聚乙烯吡咯烷酮,在搅拌速度为100r/min~300r/min及温度为40℃~55℃的条件下,搅拌10h~15h,抽滤提纯或离心洗涤并干燥,得到PVP/UCNPs-ZnPC@BiVO4纳米材料;
所述的溶液U中固体UCNPs-ZnPc的浓度为0.0003g/mL~0.0004g/mL,所述的溶液U中BiVO4纳米片的浓度为0.0003g/mL~0.0004g/mL;所述的固体UCNPs-ZnPc与聚乙烯吡咯烷酮的质量为1:(2~5)。
2.根据权利要求1所述的一种具有抗肿瘤效应的稀土上转换纳米颗粒/钒酸铋纳米复合材料的制备方法,其特征在于步骤一①中所述的钇源为氯化钇;步骤一①中所述的镱源为氯化镱;步骤一①中所述的铥源为氯化铥;步骤一③中所述的无机氟化物为NH4F;步骤一③中所述的钠源为NaOH。
3.根据权利要求1所述的一种具有抗肿瘤效应的稀土上转换纳米颗粒/钒酸铋纳米复合材料的制备方法,其特征在于步骤一④中所述的离心洗涤具体为在离心速率为4000转/分~10000转/分的条件下,先用乙醇离心取沉淀,然后用环己烷离心取上清液,再用乙醇离心取沉淀。
4.根据权利要求1所述的一种具有抗肿瘤效应的稀土上转换纳米颗粒/钒酸铋纳米复合材料的制备方法,其特征在于步骤二①中所述的钇源为氯化钇;步骤二①中所述的镱源为氯化镱;步骤二④中所述的无机氟化物为NH4F;步骤二④中所述的钠源为NaOH。
5.根据权利要求1所述的一种具有抗肿瘤效应的稀土上转换纳米颗粒/钒酸铋纳米复合材料的制备方法,其特征在于步骤二⑤中所述的离心洗涤具体为在离心速率为4000转/分~10000转/分的条件下,先用乙醇离心取沉淀,然后用环己烷离心取上清液,再用乙醇离心取沉淀。
6.根据权利要求1所述的一种具有抗肿瘤效应的稀土上转换纳米颗粒/钒酸铋纳米复合材料的制备方法,其特征在于步骤三②中所述的离心洗涤、酸化处理及再洗涤,具体为在离心速率为4000转/分~10000转/分的条件下,先用超纯水离心取沉淀,然后用乙醇离心取沉淀,再用丙酮离心取沉淀,然后使用pH为3~5的稀盐酸进行酸化处理0.3h~0.5h,最后使用超纯水洗涤3次~5次;步骤三③中所述的UCNPs-COOH溶液中UCNPs-COOH粉体的浓度为0.07g/mL~0.1g/mL。
7.根据权利要求1所述的一种具有抗肿瘤效应的稀土上转换纳米颗粒/钒酸铋纳米复合材料的制备方法,其特征在于步骤四中所述的醇为正戊醇;步骤四中所述的锌源为醋酸锌;步骤四中所述的离心洗涤提纯具体为加入正己烷超声并离心取沉淀,然后加入蒸馏水超声离心并取沉淀,然后再依次利用甲醇、乙酸乙酯、乙二醇进行索式提取。
8.根据权利要求1所述的一种具有抗肿瘤效应的稀土上转换纳米颗粒/钒酸铋纳米复合材料的制备方法,其特征在于步骤五中所述的溶剂为N,N-二甲基甲酰胺;步骤五中所述的抽滤提纯具体为通过冰水抽滤,然后再依次利用甲醇、乙酸乙酯、乙二醇进行索式提取;步骤五中所述的干燥具体为在干燥温度为70℃~90℃的条件下,干燥18h~25h。
9.根据权利要求1所述的一种具有抗肿瘤效应的稀土上转换纳米颗粒/钒酸铋纳米复合材料的制备方法,其特征在于步骤六中所述的铋源为Bi(NO3)3·5H2O;步骤六中所述的钒源为NH4VO3;步骤六中所述的离心洗涤具体是按以下步骤进行:a、在分液漏斗中加入反应后的溶液,然后加入正己烷和乙醇分层,去掉下层水溶液,将上层有机溶液取出离心,取沉淀,在沉淀中加入正己烷洗涤超声分散并离心,取沉淀;b、重复步骤a三次;c、加入乙醇洗涤超声分散并离心,取沉淀;d、重复步骤c洗涤三次。
10.根据权利要求1所述的一种具有抗肿瘤效应的稀土上转换纳米颗粒/钒酸铋纳米复合材料的制备方法,其特征在于步骤七①中所述的氨基源为1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐;步骤七①中所述的羟基源为N-羟基琥珀酰亚胺;步骤七③中所述的离心洗涤为在离心速率为4000转/分~10000转/分的条件下离心,取沉淀,加入乙醇超声分散并离心,再取沉淀;步骤八中所述的离心洗涤具体为在离心速率为4000转/分~10000转/分的条件下离心,取沉淀,加入乙醇超声分散并离心,再取沉淀。
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