金纳米双锥的光热特性研究

Study on the Photothermal of Au Nano Bipyramids

摘要: 本文采用种子介导法制备了金纳米双锥光热剂，评价了其光热转换性能。制备出的金纳米双锥吸收峰位于808 nm。在2 W/cm²的808 nm激光辐照下，温度升高值为33.3℃，且连续升降温循环5次升降温幅度基本无变化。光热转换效率为44.28%。具有优异的光热性能和光热稳定性。

Abstract: In this paper, gold nanoscale double-cone photothermal agent was prepared by seed-mediated method and its photothermal conversion performance was evaluated. The absorption peak of the prepared gold nano double-cone diagnostic agent was 808 nm. Under the irradiation of 808 nm laser of 2 W/cm², the temperature rise value is 33.3˚C, and the temperature rise amplitude of 5 consecutive irradiation is basically unchanged. The photothermal conversion efficiency is 44.28%. It has excellent photothermal properties and photothermal stability.

1. 引言

癌症是导致人类死亡的主要因素之一。每年有数百万人因癌症而丧生[1]。癌症严重威胁着人类的生命安全[2]。传统的治疗策略主要包括手术切除、化疗、放疗等治疗手段。可是这些治疗策略都存在一些不足。光热治疗(Photothermal Therapy, PTT)也被称为光热疗法。是一种非侵入性肿瘤治疗方法，具有特异性高、侵袭性小、选择性高等独特优势[3]。通过光热转换剂(Photothermal Transduction Agents, PTAs)将光能转化为热能，破坏肿瘤细胞，进而实现治疗的效果[4]。目前，各种纳米材料被报道作为PTAs，包括贵金属纳米材料[5]、聚合物[6]、碳纳米材料[7]。材料的光热转换效率和光热稳定性对其在PTT中的应用也很重要。金纳米材料由于具有局域表面等离子共振(Local Surface Plasmon Resonance, LSPR)特性，是一种优异的光热转换剂，同时还具有卓越的化学稳定性，在光热治疗中表现出巨大潜力[8]。常见的金纳米材料有金纳米球[9]、金纳米片[10]、金纳米棒等。本文通过种子介导法制备出具有两个尖端的金纳米双锥(AuNBPs)，利用金纳米材料的尖端增强LSPR特性，提高材料的光热转换效率。制备的AuNBPs形貌均一、稳定，具有较高近红外光热转换效率。在20 min的照射周期内，808 nm激光照射下温度升高值为33.3℃，光热转换效率为44.28%。

2. 实验部分

2.1. 试剂与仪器

氯金酸(HAuCl₄∙4H₂O，99.99%，国药集团)、十六烷基三甲基氯化铵(CTAC, 97%, aladdin)、硝酸(HNO₃，天津北联试剂)、硼氢化钠(NaBH₄, 98%, Alfa Aesar)、氢氧化钠(NaOH，天津市化学试剂三厂)、柠檬酸三钠(C₆H₅Na₃O₇, 99%, aladdin)、十六烷基三甲基溴化铵(CTAB，90%，国药集团)、油酸钠(NaOL，98%，TCI)、硝酸银(AgNO₃, 99.99%, Alfa Aesar)、盐酸(HCl，分析纯，辽宁泉瑞试剂有限公司)、对苯二酚(C₆H₆O₂, 99%, Sigma-Aldrich)。

2.2. 金纳米双锥光热剂的制备以及表征

采用种子介导法制备形貌均一稳定、具有较高近红外光热转换效率的AuNBPs。借助透射电子显微镜(TEM)、紫外可见分光光度计和X射线衍射分析仪(XRD)等表征手段对AuNBPs进行表征，研究不同制备参数对AuNBPs的结构与形貌的影响。具体制备方式如下：

(1) 金种子液的制备

配置8 mL浓度为66 mmol/L的CTAC溶液，加入HAuCl₄ (25 mmol/L)溶液80 μL和74 μL的HNO₃ (25 mmol/L)溶液，搅拌15 min，在剧烈搅拌条件下加入100 μL新鲜配制的NaOH-NaBH₄混合溶液，100 μL的柠檬酸钠(1 mol/L)溶液，搅拌2 min，80℃水浴1 h，得到金种子溶液。

(2) AuNBPs的制备

取1.82 g的CTAB、58 mg的NaOL加入35 mL的去离子水中，使其充分溶解。随后加入0.5 mLHAuCl₄ (25 mmol/L)、2.25 mLAgNO₃ (4 mmol/L)，溶液由黄色变为无色后，加入0.5 mL的HCl (1 mol/L)调节pH值，再加入10 mL对苯二酚(0.1 mol/L)。最后加入金种子液200 μL，搅拌30 s。得到的溶液于25℃静置24 h。将溶液转移至离心管中，7800 rpm离心10 min，去离子水清洗3次，去除过量的表面活性剂。最后将得到的产物分散到去离子水中保存使用。

Figure 1. X-ray diffraction analysis of AuNBPs

图1. AuNBPs的X射线衍射分析图谱

我们对制备的Au纳米材料进行了X射线衍射分析，扫描范围2θ为10~90˚。利用收集到的原始数据进行了图谱绘制。如图1所示，Au纳米材料的XRD衍射图谱与JCPDS标准卡片(04-002-1170)对比分析，图谱清晰地展现了Au的特征衍射峰，其中，2θ位于35.20˚、44.39˚、64.59˚、77.58˚和81.74˚处分别对应Au的(111)、(200)、(220)、(311)和(222)晶面衍射，证实了Au纳米材料的成功制备。

Figure 2. (a) TEM (scale 50 nm) of AuNBPs; (b) HRTEM of AuNBPs (scale 10 nm)

图2. (a) AuNBPs的TEM(比例尺50 nm)；(b) AuNBPs的HRTEM (比例尺10 nm)

通过透射电子显微镜对制备的Au纳米材料进行了TEM表征，如图2(a)呈现了50 nm尺度下Au的TEM表征。该图像中可以看出材料大小均一，具有两个尖端，证明我们成功制备了AuNBPs。图2(b)为对AuNBPs进行高分辨率透射电子显微镜(HRTEM)分析，观察到了AuNBPs清晰显著的晶格条纹，这一发现证明了AuNBPs材料具有良好的结晶度。进一步通过精确的量测技术，我们确定了其晶格间距为0.24 nm，这一数值与金(Au)的(111)面心立方结构特征晶格间距相吻合，从而进一步验证了我们成功制备了高结晶度AuNBPs材料。

Figure 3. TEM photos of AuNBPs prepared with different amounts of seed liquid. (a) The amount of seed liquid is 300 μL; (b) The amount of seed liquid is 250 μL; (c) The amount of seed liquid is 200 μL; (d) Absorption spectra of AuNBPs prepared with different amounts of seed liquid

图3. 不同种子液量制备的AuNBPs的TEM照片。(a) 种子液量为300 μL；(b) 种子液量为250 μL；(c) 种子液量为200 μL；(d) 不同种子液量制备的AuNBPs的吸收光谱

如图所示，由于AuNBPs的双锥形状，在吸收光谱上出现了吸收位置不同的两个峰。这是由于AuNBPs在横向和纵向上有两个表面等离子体共振(LSPR)吸收峰。可以看出随着金种子液量的减少，AuNBPs的吸收峰位逐渐红移。从图3(a)~(c)的TEM照片中可以看出，随着金种子液量的减少，AuNBPs的锥状形状变得更长且更尖，在图3(d)中AuNBPs的纵向LSPR峰也逐渐从790 nm红移到808 nm。根据上述实验结果，我们可以得出，金种子液的量在AuNBPs的制备过程中起着关键作用。随着金种子液量的减少，AuNBPs两端变得更长且更尖，这是导致LSPR吸收红移的原因。AuNBPs在808 nm附近表现出强消光带，使其在808 nm激光照射下的光热治疗中非常有前景。

3. 金纳米双锥光热剂的光热性能及光热转换效率

光热转换能力是衡量材料在光热治疗中效果的关键指标[11]。为了精确衡量AuNBPs的光热转换效率，使用808 nm激光器研究了AuNBPs的光热性能。记录温度-时间变化曲线。

对AuNBPs的光热性能进行了评估，如图4所示，对比AuNBPs与金纳米棒(AuNR)和去离子水的光热效果。金纳米材料在激光照射后升温速率与所能达到的极限温度均展现出显著的优势。这种优越性的根源在于金纳米材料的LSPR特性。该特性使得金纳米材料在特定波长的光照射下，能够高效地将光能转化为热能，从而加速了溶液的升温过程，并提升了其所能达到的温度上限。与AuNRs相比，AuNBPs具有尖端结构，表现出了更高的升温速率和极限温度。

Figure 4. Temperature-time curves of AuNBPs, AuNRs and deionized water

图4. AuNBPs、AuNRs和去离子水的温度–时间曲线

我们对AuNBPs的光热升温实验参数进行了优化，图5展示了AuNBPs在不同功率密度的808 nm激光器照射下，温度随时间变化的曲线图。结果显示，随着激光功率的提升，AuNBPs展现出了更为显著的光热性能。据文献报道，2.0 W/cm²的激光功率密度在生物光热治疗应用中被认为是安全且有效的，它能够在不损害生物组织的前提下，实现治疗目标且不会对生物体造成损伤[12]。在我们的实验中，当激光功率密度达到2.0 W/cm²时，在20 min的照射周期内，AuNBPs溶液温度能够迅速上升至60℃左右，适用于光热治疗。

Figure 5. Temperature variation of AuNBPs sample over time under 808 nm laser irradiation with different power densities (1.0 W/cm², 1.5 W/cm² and 2.0 W/cm²)

图5. 不同功率密度(1.0 W/cm²、1.5 W/cm²及2.0 W/cm²)的808 nm激光照射下，AuNBPs温度随时间变化的曲线图

基于上述发现，我们进一步采用波长为808 nm、功率密度2 W/cm²的激光器，对之前通过调控种子液量制备的AuNBPs进行了光热性能测试，探索不同制备条件下AuNBPs的光热转换能力，并监测了其温度随时间的变化，整理并绘制成图6的曲线。实验结果表明，种子液量设定为200 μL时，所制备的AuNBPs具有更尖锐的尖端，由于LSPR效应在808 nm激光照射下，具有更高的升温速率和更高的光热温度，即具有更佳的光热转换效果。

Figure 6. Temperature-time curves of AuNBPs prepared with 200, 250 and 300 μL seed liquid, respectively

图6. 种子液量分别为200、250、300 μL制备AuNBPs的温度–时间曲线

Figure 7. Temperature-time curves of AuNBPs with different concentrations

图7. 不同浓度AuNBPs的温度–时间曲线

在探讨AuNBPs浓度对溶液光热性能的影响时，图7显示，随着AuNBPs浓度的提升，不仅溶液的升温速度显著加快，而且所能达到的最高温度也呈现上升趋势。具体而言，当AuNBPs的浓度达到100 μg/mL时，溶液在激光照射下能够迅速且稳定地升温至60℃。这一温度范围恰好利用了肿瘤细胞对温度变化的高度敏感性，特别是在达到50℃这一关键温度阈值时，肿瘤细胞的存活率将大幅下降。

Figure 8. Evaluation of photothermal performance of AuNBPs. (a) AuNBPs photothermal stability test. (b) The characteristic thermal time constant of AuNBPs. (The red line is the fitting line R² = 0.99)

图8. AuNBPs的光热性能评估。(a) AuNBPs的光热稳定性测试。(b) AuNBPs的特征热时间常数。(红线为拟合直线R² = 0.99)

为了探讨AuNBPs诊疗剂的光热稳定性，我们用功率密度2 W/cm²的808 nm激光器对种子液量为200 μL的AuNBPs进行测试。对2 mL分散均匀的100 μg/mL的AuNBPs溶液进行照射，激光照射10 min，自然冷却10 min，重复进行5次，记录AuNBPs溶液的温度变化，绘制温度–时间曲线。特别关注每个循环周期内溶液所能达到的最高温度与冷却后的最低温度，通过对比分析这些关键温度点，我们能够深入了解材料的光热稳定性。最终，基于收集到的数据，我们绘制了光热稳定性曲线，直观展示了AuNBPs在多次光热循环中的温度响应特性。从图8(a)中可以看出，AuNBPs在多次过程中表现出的升降温速率基本一致，并且所能达到的最高温度没有明显变化，说明AuNBPs在多次升降温中的结构没有被破坏，性质也没有改变。根据图8(a)中降温过程，根据公式(1)计算出θ，以降温时间作为纵坐标，−lnθ作为横坐标，绘制散点图，并线性拟合，拟合直线R² = 0.99。此直线的斜率代表了系统的特征热时间常数τ_s = 354.78，将τ_s代入到公式(2)中计算出系统的热导率与表面积的乘积hS。盛装样品的容器吸收的热量Q₀ = 0.03。最终，将已知的实验条件以及从温度变化曲线中提取的其他参数代入到公式(3)中。计算出AuNBPs的光热转换效率[13]。计算公式如下：

$\theta =\frac{T-T_{S\text{urr}}}{T_{M\text{ax}}-T_{S\text{urr}}}$ (1)

${\tau }_S=\frac{M_D{C}_D}{hS}$ (2)

$\eta =\frac{hS\left(T_{Max}-T_{Surr}\right)-Q_0}{I\left(1-{10}^{-A_{808}}\right)}$ (3)

其中T_Max：激光照射样品过程中产生的最高温度；T_Surr：实验过程中的环境温度；τ_s：系统的特征热时间常数；M_D：溶液的质量；C_D：溶液的比热容；h：系统传热系数；S：盛装样品的容器内表面积；Q₀：样品容器吸收的热量；I：激光功率；A₈₀₈：808 nm处的吸收光谱强度值。纳米粒子的质量可忽略不计，仅考虑溶剂2 mL水的质量。最后计算AuNBPs的光热转换效率η为44.28%。适用于光热治疗。

4. 结论

本文制备了AuNBPs，采用了TEM和XRD技术进行表征，并分析了其吸收光谱数据。最终，通过调控种子介导生长法中的金种子液量为200 μL，使AuNBPs在808 nm波段附近实现了显著的吸收增强，从而制备出了满足光热治疗应用的AuNBPs。通过实验深入分析了AuNBPs的光热转换效率为44.28%，是一种出色的光热剂。