一种单壁碳纳米管-上转换纳米粒子复合颗粒的制备方法及其在光热中的应用

1.本发明属于纳米材料和光热转换技术领域，具体涉及一种单壁碳纳米管-上转换纳米粒子复合颗粒的制备方法及其在光热中的应用。

背景技术：

2.由于热疗的低侵袭性、低毒性、低副作用和无耐药性，目前已经成为各种癌症的一种重要方式。它通常是指将局部温度提高到正常温度以上，即42-45℃，持续一段时间，使癌细胞内部产生过高热量，从而杀死癌细胞，抑制肿瘤生长。然而，传统的射频、超声、微波等热疗方法依赖于宏观热源，由于其加热范围大和热传导效应，会对肿瘤附近的正常组织造成严重的损伤。
3.随着纳米技术的快速发展，光激活的纳米制剂受到了人们的广泛关注，它可以提供准确的加热位置，减少对肿瘤周围正常组织的损伤。特别是，采用波长位于生物透明窗口(750-1700nm)的近红外光作(nir)激发源，在光热领域具有显著的优势。这是因为在该生物窗口，组织对光的吸收和散射是最低的，从而实现极低剂量、高效、深层组织的光热。近年来，出现了各种光热转换纳米材料，包括金属纳米粒子、半导体纳米晶、小分子聚合物、碳基材料等。其中，全黑的碳基材料，特别是单壁碳纳米管，与其他碳基材料(如石墨烯、多壁碳纳米管)相比，其在近红外(nir)辐射区域具有更加显著的光吸收和高效的产热，使其有望成为理想的光热制剂。文献(high performance in vivo near-ir imaging and photothermal cancer therapy with carbon nanotubes,nano res.2010,3(11):779-793)报道了peg修饰的单壁碳纳米管在808nm激发下，展示出优异的光热效果。达到相同的效果，使用剂量和激发功率远远小于传统纳米金颗粒。但是，目前基于单壁碳纳米管的光热剂无法实现对温度的实时监测，这在光热的过程中是非常重要的。因为癌细胞周围的温度分布十分复杂，在热过程中，需要实时监测和控制温度，从而在保证效果的同时，最大限度地降低对肿瘤周围正常组织的损伤。因此开发一种能够实现实时温度监测和控制且具有高温度灵敏度的光热转换剂具有重要意义。

技术实现要素：

4.针对以上现有技术的不足，本发明提出一种单壁碳纳米管-上转换发光纳米粒子复合纳米颗粒(swcnt-ucnps)的制备方法及其在光热中的应用。该复合纳米颗粒以单壁碳纳米管作为高效光热转换剂，同时，利用具有高灵敏度的上转换发光纳米粒子作为微观纳米温度计，实时监测复合纳米颗粒的本征温度，从而实现在光热中的精准可控。
5.为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：
6.本发明的目的之一是提供一种单壁碳纳米管-上转换纳米粒子复合纳米颗粒的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
7.步骤1：将上转换纳米粒子加入溶剂中，配制成1mol/l上转换纳米粒子溶液；所述上转换纳米粒子为核壳结构，其化学表达式为：mref4：xre
3+
@mref4：yre
3+
，核壳摩尔比为0.5～1.5:1，其中re为tm、y、yb、la、er、nd、ho、ce中的一种或多种元素组合；m为na,k中的一种元素；x、y为掺杂浓度，0.1％≤x≤30％，0≤y≤30％；
8.步骤2：将步骤1得到的上转换纳米粒子溶液加入单壁碳纳米管水溶液中，搅拌10-20min后，加入表面活性剂和氨水弱碱触媒，调节溶液ph为8.5-10，为后续正硅酸乙酯(teos)水解提供碱性环境，再搅拌10-30min；
9.步骤3：将正硅酸乙酯teos加入与步骤1相同的溶剂，随后加入到步骤2得到的混合溶液中，在室温下持续搅拌36-48h；
10.步骤4：将步骤3得到的产物离心并用乙醇/水洗涤，随后溶于去离子水中，获得单壁碳纳米管-上转换纳米粒子目标产物。
11.上述技术方案中，进一步地，所述步骤1中，上转换纳米粒子的制备方法包括以下步骤：
12.a.制备上转换核纳米粒子：按上转换纳米粒子化学表达式的化学计量比称取稀土醋酸盐ⅰ，加入到油酸和/或十八烯中，加热至110-150℃，直至溶液变为淡黄透明液体并冷却至室温，然后加入溶解有naoh/koh的甲醇溶液和溶解有nh4f的甲醇溶液，在44-48℃下混合持续搅拌10-60min，随后升温至100-150℃，直至溶液变为深黄且无气泡冒出，在惰性气体保护下，升温并在280-350℃下保温1-3h，并持续搅拌，随后洗涤、离心，得到上转换核纳米粒子；
13.b.制备核壳结构上转换纳米粒子：按上转换纳米粒子化学表达式的化学计量比将上转换核纳米粒子与稀土醋酸盐ⅱ共同加入到油酸和/或十八烯中，加热至110-150℃，直至溶液变为淡黄透明液体并冷却至室温，然后加入溶解有naoh/koh和nh4f的甲醇溶液，在44-48℃下混合持续搅拌10-60min，随后升温至100-150℃，直至溶液变为深黄且无气泡冒出，在惰性气体保护下，升温并在280-350℃下保温1-3h，并持续搅拌，随后洗涤、离心，得到核壳结构上转换纳米粒子。
14.上述技术方案中，进一步地，所述步骤1中，溶剂包括甲苯、环己烷、正己烷或四氯化碳。
15.上述技术方案中，进一步地，所述步骤2中，单壁碳纳米管与上转换纳米粒子的质量比为0.5～30：1；表面活性剂包括co-520、aeo-10或油醇聚醚-3。
16.上述技术方案中，进一步地，所述步骤2中，单壁碳纳米管与表面活性剂和弱碱触媒一同加入到上转换发光纳米粒子溶液中，用于控制teos水解速度和稳定性。
17.上述技术方案中，进一步地，所述步骤3中，上转换纳米粒子的摩尔数与正硅酸乙酯的体积比为1mmol:1ml。
18.上述技术方案中，进一步地，所述溶解有naoh/koh的甲醇溶液的摩尔浓度为0.3-1.2mol/l，所述溶解有nh4f的甲醇溶液的摩尔浓度为0.3-1.2mol/l。
19.本发明另一方面提供一种上述述制备方法制得的单壁碳纳米管-上转换纳米粒子复合纳米颗粒。
20.本发明再一方面提供一种上述单壁碳纳米管-上转换纳米粒子复合纳米颗粒在光热中的应用，以单壁碳纳米管为纳米光热转换剂，以上转换纳米粒子为微观纳米温度
计，实时监测复合纳米颗粒的本征温度。
21.上述技术方案中，进一步地，采用位于生物窗口的近红外激光器照射，单壁碳纳米管可以有效吸收激发光能量转化为热量，同时，可呈现发射光谱位于可见光区的430-500nm蓝发光，500-570nm绿发光，610-720nm红发光，以及780-900nm近红外发光；
22.上述技术方案中，进一步地，在波长位于生物透明窗口的近红外光激发下，单壁碳纳米管吸收激发光并转换为热，上转换纳米粒子吸收近红外激发光产生位于可见光区的发射，通过对上转换纳米粒子的光信号收集，建立发光强度的比值与温度的关系曲线，从而计算复合纳米颗粒的本征温度。
23.本发明的有益效果为：
24.(1)本发明制备的单壁碳纳米管-上转换纳米粒子复合纳米颗粒，同时具备高效的光热转换性能以及实时监测和控制复合纳米颗粒的本征温度，从而实现光热中的精准，最大限度地降低对肿瘤周围正常组织的损伤。
25.(2)本发明提供的单壁碳纳米管-上转换纳米粒子复合纳米颗粒的制备方法，在正硅酸乙酯分解的同时将单壁碳纳米管和上转换纳米粒子复合，合成方法简单，目标产物具有良好的水溶性和生物相溶性。
26.(3)本发明方法制备的用于光热的复合纳米颗粒，采用波长位于生物透明窗口的光源作激发源，大大降低使用剂量，并能实现深层组织的光热。
附图说明
27.图1是本发明实施例1的swcnt-nayf4：nd
3+
@nayf4纳米颗粒在808nm激发下的发光光谱；
28.图2是本发明实施例2的swcnt-nayf4：tm
3+
，yb
3+
@nayf4：yb
3+
复合纳米颗粒的透射电子显微镜照片；
29.图3是本发明实施例2的swcnt-nayf4：tm
3+
，yb
3+
@nayf4：yb
3+
复合纳米颗粒在不同温度下用980nm激发的上转换发射光谱，插图为fir与温度的关系曲线；
30.图4是本发明实施例2同时测量样品表面温度和本征温度的示意图以及注射至鸡胸肉组织后的热成像图，其中a：测量样品表面温度和本征温度的示意图，b：注射至鸡胸肉组织后的热成像图；
31.图5是本发明实施例2在不同功率的980nm激发下表面温度和本征温度的差异，其中a：注射深度1mm，b：注射深度2mm。
具体实施方式
32.下面实施例用于对本发明的技术方案进行清楚、详细的描述，但实施例并不对本发明做任何形式的限定。
33.实施例1：单壁碳纳米管-nd
3+
稀土离子掺杂氟化物基质上转换纳米粒子的制备
34.按照下面步骤制备swcnt-nayf4：nd
3+
@nayf4复合纳米颗粒，核内nd
3+
离子的掺杂浓度分别为1％，3％，5％，8％，10％。
35.(1)按上转换纳米粒子结构式的化学计量比将醋酸钇、醋酸钕加入到3ml油酸和7ml十八烯中得到混合溶液，将上述混合溶液加热至110℃，直至溶液变为淡黄透明液体
并冷却至室温，然后加入1mol/l氢氧化钠甲醇溶液和0.4mol/l氟化铵甲醇溶液，混合持续搅拌40min，搅拌中混合溶液的温度保持在45℃，随后升温至130℃，直至溶液变为深黄且无气泡冒出，在惰性气体保护下，升温至310℃，保温1h，并持续搅拌，随后使用无水乙醇洗涤并离心，将所得沉淀溶于4ml正己烷中，获得nd
3+
离子掺杂上转换核纳米粒子溶液；
36.(2)将制备的上转换核纳米粒子与醋酸钇共同加入到3ml油酸和7ml十八烯中得到混合溶液，将上述混合溶液加热至110℃，直至溶液变为淡黄透明液体并冷却至室温，然后加入1mol/l氢氧化钠甲醇溶液和0.4mol/l氟化铵甲醇溶液，混合持续搅拌40min，搅拌中混合溶液的温度保持在45℃，随后升温至130℃，直至溶液变为深黄且无气泡冒出，在惰性气体保护下，升温至310℃，保温1h，并持续搅拌，随后使用无水乙醇洗涤并离心，将所得沉淀溶于4ml正己烷中，获得核@壳上转换纳米粒子溶液；
37.(3)取1ml上述稀土上转换纳米粒子溶液，使用正己烷溶剂将其稀释20倍，加入单壁碳纳米管水溶液搅拌20min后，加入0.3ml油醇聚醚-3和0.2ml氨水，调节混合溶液ph值为9，搅拌20min；
38.(4)将0.1ml teos缓慢加入到5ml正己烷后，缓慢加入到步骤(3)得到的混合溶液中，在室温下持续搅拌40h；
39.(5)将产物离心并用甲醇洗涤，随后溶于去离子水中，获得swcnt-ucnps复合纳米颗粒目标产物。
40.图1显示在808nm激发下，swcnt-nayf4：nd
3+
@nayf4的发射光谱，发射峰比值可用于表征纳米颗粒的本征温度。
41.实施例2：单壁碳纳米管-yb
3+
，tm
3+
稀土离子掺杂氟钇钠基质复合纳米颗粒的制备
42.按照下面步骤制备swcnt-nayf4：tm
3+
，yb
3+
@nayf4：yb
3+
复合纳米颗粒，其中，核内yb
3+
，er
3+
的掺杂浓度分别为30％和0.5％，壳层yb离子的掺杂浓度为10％。
43.(1)按上转换纳米粒子结构式的化学计量比吸取醋酸钇、醋酸镱和醋酸铥加入到5ml油酸和10ml十八烯中得到混合溶液，将上述混合溶液加热至150℃，直至溶液变为淡黄透明液体，然后冷却至室温，然后加入0.3mol/l的氢氧化钠甲醇溶液和1.2mol/l的氟化铵甲醇溶液，混合持续搅拌40min，搅拌中混合溶液的温度保持在48℃，随后升温至130℃，直至溶液变为深黄且无气泡冒出，在惰性气体保护下，升温并在350℃下保温2h，并持续搅拌，随后使用无水乙醇洗涤并离心，将所得沉淀溶于4ml环己烷中，获得稀土上转换纳米粒子溶液；
44.(2)将制备的上转换核纳米粒子与醋酸钇、醋酸镱共同加入到5ml油酸和10ml十八烯中得到混合溶液，将上述混合溶液加热至150℃，直至溶液变为淡黄透明液体，然后冷却至室温，然后加入0.3mol/l的氢氧化钠甲醇溶液和1.2mol/l的氟化铵甲醇溶液，混合持续搅拌40min，搅拌中混合溶液的温度保持在48℃，随后升温至130℃，直至溶液变为深黄且无气泡冒出，在惰性气体保护下，升温并在350℃下保温2h，并持续搅拌，随后使用无水乙醇洗涤并离心，将所得沉淀溶于4ml环己烷中，获得核@壳上转换纳米粒子溶液；
45.(3)取1ml上述核@壳上转换纳米粒子溶液，使用环己烷将其稀释20倍，加入单壁碳纳米管水溶液搅拌20min后，加入0.25ml co-520和0.23ml氨水，调节混合溶液ph值为9.5搅拌20min；
46.(4)将0.2ml teos缓慢加入到5ml环己烷后，缓慢加入到步骤(3)得到的混合溶液
中，在室温下持续搅拌48h；
47.(5)将产物离心并用乙醇/水洗涤，随后溶于去离子水中，获得swcnt-nayf4:tm
3+
,yb
3+
@nayf4:yb
3+
目标产物。
48.图2为目标产物的透射电子显微镜照片。
49.在980nm激光激发下，样品展示出在可见光区的来源于tm
3+
离子的两个发射峰，分别位于448(1d2→3f4)和474nm(1g4→3h6)。这两个发射峰的强度比(fir)与温度相关。采用外加热源加热复合纳米颗粒，分别测量在25、30、35、40、45、50、55、60℃下的发射光谱，对tm
3+
离子的448nm和474nm的发射峰进行fir计算，并通过以下公式对fir-温度之间的关系进行拟合：
[0050][0051]
其中，id和ig分别为发射中心在448和474nm处的发射强度，δef是1d2和1g4能级之间的能级间隙，a是一个取决于基质和掺杂离子的常数，kb是玻尔兹曼常数和t是绝对温度。图3展示了温度与fir的关系曲线。利用该曲线可以实时监测复合纳米颗粒的本征温度。
[0052]
将注射了0.1ml的swcnt-nayf4：yb
3+
，tm
3+
@nayf4：yb
3+
水溶液的鸡胸肉(注射深度分别为1mm和2mm)放置于光谱仪的载物架上，采用980nm照射，同时采用光谱仪收集鸡胸肉中样品的发射光谱，根据fir-温度关系曲线，获得纳米颗粒的本征温度。同时，采用热红外热相机收集鸡胸肉表面的热图像，获得鸡肉组织的表面温度(图4)。如图5所示，复合纳米颗粒的本征温度高于生物组织表面的温度，在2.9w/cm2功率激发下，纳米颗粒的温度已达42℃，组织温度仅为36℃，可实现癌细胞光热的同时最大限度保护周围正常组织。
[0053]
以上实施例仅仅是本发明的优选施例，并非对于实施方式的限定。本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

技术特征：

1.一种单壁碳纳米管-上转换纳米粒子复合纳米颗粒的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：步骤1：将上转换纳米粒子加入溶剂中，配制成1mol/l上转换纳米粒子溶液；所述上转换纳米粒子为核壳结构，其化学表达式为：mref4：xre
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@mref4：yre
3+
，核壳摩尔比为0.5～1.5:1，其中re为tm、y、yb、la、er、nd、ho、ce中的一种或多种元素组合；m为na,k中的一种元素；x、y为掺杂浓度，0.1％≤x≤30％，0≤y≤30％；步骤2：将步骤1得到的上转换纳米粒子溶液加入单壁碳纳米管水溶液中，搅拌10-20min后，加入表面活性剂和氨水弱碱触媒，调节溶液ph为8.5-10，再搅拌10-30min；步骤3：将正硅酸乙酯teos加入与步骤1相同的溶剂，随后加入到步骤2得到的混合溶液中，在室温下持续搅拌36-48h；步骤4：将步骤3得到的产物离心并用乙醇/水洗涤，随后溶于去离子水中，获得单壁碳纳米管-上转换纳米粒子目标产物。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤1中，上转换纳米粒子的制备方法包括以下步骤：a.制备上转换核纳米粒子：按上转换纳米粒子化学表达式的化学计量比称取稀土醋酸盐ⅰ，加入到油酸和/或十八烯中，加热至110-150℃，直至溶液变为淡黄透明液体并冷却至室温，然后加入溶解有naoh/koh的甲醇溶液和溶解有nh4f的甲醇溶液，在44-48℃下混合持续搅拌10-60min，随后升温至100-150℃，直至溶液变为深黄且无气泡冒出，在惰性气体保护下，升温并在280-350℃下保温1-3h，并持续搅拌，随后洗涤、离心，得到上转换核纳米粒子；b.制备核壳结构上转换纳米粒子：按上转换纳米粒子化学表达式的化学计量比将上转换核纳米粒子与稀土醋酸盐ⅱ共同加入到油酸和/或十八烯中，加热至110-150℃，直至溶液变为淡黄透明液体并冷却至室温，然后加入溶解有naoh/koh和nh4f的甲醇溶液，在44-48℃下混合持续搅拌10-60min，随后升温至100-150℃，直至溶液变为深黄且无气泡冒出，在惰性气体保护下，升温并在280-350℃下保温1-3h，并持续搅拌，随后洗涤、离心，得到核壳结构上转换纳米粒子。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤1中，溶剂包括甲苯、环己烷、正己烷或四氯化碳。4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤2中，单壁碳纳米管与上转换纳米粒子的质量比为0.5～30：1；表面活性剂包括co-520、aeo-10或油醇聚醚-3。5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤3中，上转换纳米粒子的摩尔数与正硅酸乙酯的体积比为1mmol:1ml。6.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述溶解有naoh/koh的甲醇溶液的摩尔浓度为0.3-1.2mol/l，所述溶解有nh4f的甲醇溶液的摩尔浓度为0.3-1.2mol/l。7.一种权利要求1-6任一项所述制备方法制得的单壁碳纳米管-上转换纳米粒子复合纳米颗粒。8.一种权利要求7所述单壁碳纳米管-上转换纳米粒子复合纳米颗粒在光热中的应用，其特征在于，以单壁碳纳米管为纳米光热转换剂，以上转换纳米粒子为微观纳米温度计，实时监测复合纳米颗粒的本征温度。
9.根据权利要求8所述的应用，其特征在于，采用位于生物窗口的近红外激光器照射，单壁碳纳米管可以有效吸收激发光能量转化为热量，同时，可呈现发射光谱位于可见光区的430-500nm蓝发光，500-570nm绿发光，610-720nm红发光，以及780-900nm近红外发光。10.根据权利要求8所述的应用，其特征在于，在波长位于生物透明窗口的近红外光激发下，单壁碳纳米管吸收激发光并转换为热，上转换纳米粒子吸收近红外激发光产生位于可见光区的发射，通过对上转换纳米粒子的光信号收集，建立发光强度的比值与温度的关系曲线，从而计算复合纳米颗粒的本征温度。

技术总结

本发明属于纳米材料和光热转换技术领域，具体涉及一种单壁碳纳米管-上转换纳米粒子复合纳米颗粒的制备方法及其在光热中的应用。在波长位于生物透明窗口的近红外光激发下，单壁碳纳米管吸收激发光并转换为热，上转换纳米粒子吸收近红外激发光产生位于可见光区的发射，通过对上转换纳米粒子的光信号收集，建立发光强度的比值与温度的关系曲线，从而计算复合纳米颗粒的本征温度。本发明可实现在碳纳米管进行光热转换的同时，实时监测光热中复合纳米制剂的微观本征温度，从而可以对光热进行精准的控制，降低对肿瘤周围正常组织的损伤，操作简便，灵敏度高，在新型肿瘤光热领域具有良好的应用前景。光热领域具有良好的应用前景。光热领域具有良好的应用前景。