PPY@Fe₃O₄的制备及其磁共振成像和光热性能

金磊

摘 要： 通过合理转化残余铁（Fe）在聚吡咯（PPY）纳米粒子原位生产了磁性四氧化三铁（Fe3O4）晶体，从而合成PPY@Fe3O4纳米粒子.得到的PPY@Fe3O4纳米粒子具有突出的横向弛豫时间（T2）加权磁共振成像（MRI）效果和良好的光热性能，在肿瘤的诊断和治疗中具有良好的应用前景.

关键词： PPY@Fe3O4纳米粒子; 光热性能; 横向弛豫时间（T2）加权; 磁共振成像（MRI）

中图分类号： O 614.24文献标志码： A文章编号： 1000-5137（2019）02-0178-06

0 引 言

利用光热转换试剂将激光的光能转换为热能，从而达到高温杀死细胞的目的.光热治疗技术所使用的近红外激光的波长范围为700～1400 nm，对生物组织的穿透能力强，光衰减弱[1].光热治疗技术研究较多的纳米光热材料主要包括4种：① 贵金属光热材料，包括金和钯[2];② 碳基光热材料，包括碳纳米管和石墨烯;③ 半导体光热材料，这类材料的种类较为丰富，且制备成本低[3];④ 有机化合物光热材料，主要包括普鲁士蓝（PB）和吲哚菁绿纳米粒子等[4].近来，近红外吸收有机物质作为肿瘤光热治疗材料也逐渐受到关注[5].聚吡咯（PPY）纳米粒子[6]表现出高的光热性质和良好的光稳定性.本研究所制得的PPY@Fe3O4纳米粒子作为多功能纳米复合光热材料，可以集诊断和治疗为一体.

1 实验部分

1.1 实验试剂

各实验试剂的质量分数为：吡咯（98%），六水合氯化铁（III）（97%），聚乙烯醇（PVA，相对分子质量为9000～10000，水解度为80%）和氢氧化铵（28.0%～30.0%），使用的所有化学品无需进一步纯化.

1.2 实验仪器

JEOL JEM-2100透射电子显微镜（TEM）;DU-730紫外可见分光光度计;VISTAMPXICP Varian电感耦合等离子体原子发射光谱仪（ICP-AES）;NM120-Analyst核磁共振成像（MRI）分析仪（上海纽迈公司）;808 nm激光器（上海兴隆光电科技有限公司）;SZCL-2温控磁力搅拌器.

1.3 PPY@Fe3O4纳米粒子合成

将吡咯单体加入到含有Fe3+离子和PVA-Fe3+络合物的PVA水溶液中.通过Fe3+离子诱导吡咯的氧化聚合，形成的PPY粒子被PVA包覆，PVA用作封端剂以控制粒子尺寸以及使粒子高度亲水.同时，Fe2+离子、未反应的Fe3+离子与PPY纳米粒子表面上的PVA形成络合物，得到PPY@Fe3O4纳米粒子[7].

1.3.1 PPY纳米粒子的制备

0.373 g的FeCl3加入到10 mL的质量分数为7.5%的PVA中（相对分子质量为9000～10000），搅拌混合物1 h.然后，向其中滴加69.2 μL的吡咯，在3 ℃下进行氧化聚合，在相同温度下加热4 h.产生的深绿色PPY纳米粒子溶液直接用于下一步骤合成PPY@Fe3O4纳米粒子.

1.3.2 PPY@Fe3O4納米粒子制备

取2.5 mL上述步骤得到的PPY纳米粒子溶液，用15 mL去离子水和2 mL乙醇稀释，混合物在搅拌下加热至70 ℃.30 min后，注入另外1 mL质量分数为1.0%的氨水溶液，并将混合物在70 ℃下再保持30 min.然后，通过11000 r/min离心20 min分离产物，用水洗涤2次，并分散在水中.水溶液分散的PPY@Fe3O4纳米粒子储存在玻璃瓶中，然后用于MRI和光热性能研究.

1.4 溶液MRI实验

配置不同浓度的PPY@Fe3O4纳米粒子，分散在水中，通过电感耦合等离子体光谱仪（ICP）确定样品中Fe的含量.0.5 T磁场条件下，进行横向弛豫时间（T2）加权成像，并测试其纵向弛豫时间（T1）.T2加权成像参数为：中心频率为539465.45 Hz，重复时间为8000 ms，谱宽为100 kHz.T2由硬脉冲CPMG（Call-Purcell-Meiboom-Gill）序列测得.得到T2后，以样品的横向弛豫时间的倒数（1/T2）为纵坐标，物质的量浓度为横坐标，拟合得横向弛豫率（r2）.

1.5 溶液光热实验

用去离子水配置4个不同浓度的PPY@Fe3O4纳米粒子溶液，分别取2 mL样品置于宽度为0.5 cm，体积为2 mL的石英比色皿中，然后在808 nm激光器照射下（激光密度为 0.3 W·cm-2），光照20 min，每隔1 s检测一次实时温度，检测完后用温度变化值ΔT做纵坐标，时间t为横坐标拟合作图，得到不同物质的量浓度的纳米粒子溶液在20 min内的升高温度曲线.

2 结果与讨论

2.1 PPY@Fe3O4纳米粒子合成与物理表征

根据TEM图像可知，所制备的PPY纳米粒子尺寸非常均匀（直径为50 nm），如图1（a）所示.在70 ℃恒温将氨溶液加入系统中沉淀Fe3+和Fe2+离子，生成的Fe3O4晶体分散在PPY纳米粒子上.通过TEM图清楚地验证了Fe3O4与PPY的成功结合，如图1（b）所示，每个PPY纳米粒子结合几个Fe3O4晶体，总体粒子直径增加到100 nm，这与紫外吸收分析一致，如图1（c），（d）所示.

通过紫外近红外吸收光谱分析，PPY@Fe3O4纳米粒子的最大吸收峰在900～1000 nm处，如图2（c）所示.PPY在水中通过使用PVA作为封端剂，具有更高的分散能力，PPY@Fe3O4纳米粒子也容易分散在水中，并且获得的悬浮液非常稳定，几乎没有粒子聚集，如图2（b）所示.其次，分别取Fe离子的物质的量浓度为3.7，7.4，14.8，29.6 μmol·L-1的PPY@Fe3O4纳米粒子溶液，测其紫外近红外吸收[图2（c）]，发现在808 nm处的吸收强度随着粒子浓度增加而线性增加，如图2（d）所示，这进一步证实了PPY@Fe3O4纳米粒子在水中的良好分散性.

2.2 核磁成像

对PPY@Fe3O4纳米粒子进行了MRI的研究.在0.5 T下检测水溶液的T2加权成像和T2值.随着物质的量浓度的增大，成像也越来越暗，如图3（a）所示，且呈现明显的成像梯度，适合于T2加权成像;r2值[8]为176.738 L·mmol-1·S-1，如图3（b）所示.PPY@Fe3O4纳米粒子具有较大的r2值，适合用作T2造影剂.

2.3 光热性质

为检测PPY@Fe3O4纳米粒子是否是理想的光热升温试剂，用808 nm激光器在较小激光密度（1 W·cm-2）条件下，照射材料20 min，观测其温度变化（图4）.由图4所示，当PPY@Fe3O4纳米粒子溶液的物质的量浓度分别为3.7，7.4，14.8，29.6 μmol·L-1时，纳米粒子依次上升11.2，17.1，19.4，22.7 ℃，同样条件下水温升高3.2 ℃.可以看出：随着纳米粒子浓度增加，温度也逐渐升高，但是升高的趋势逐渐减小;同一物质的量浓度的纳米粒子，光照开始阶段升温速度很快，随着光照时间的延长，升温的速度减慢.以上两个现象的原因在于：实验环境是室温，随着样品温度的升高，样品向周围环境释放热量的趋势变大.

光热循环曲线（图5）：取Fe离子物质的量浓度为14.8 μmol·L-1的PPY@Fe3O4纳米材料进行了4个升温—降温的循环之后，测试到溶液在每一个循环中温度都可以升高23.8 ℃，即最大温差值均为20.4 ℃左右，温差没有明显的变化，在一定程度上说明了PPY@Fe3O4纳米粒子的光热稳定性良好，纳米粒子并没有受到高温的破坏，以及具有良好的光热效果.所以，该材料用于光热治疗具有一定的优势.

3 结果与展望

Fe离子可用作制备PPY纳米粒子的氧化剂，大量的Fe3+和Fe2+保留在所获得的PPY纳米粒子中.这些残留的Fe离子会作为前体，在预合成PPY纳米粒子的表面上原位生产Fe3O4晶体.实验表明PPY@Fe3O4纳米粒子是一种形貌均一、分散性好、水溶性好、有突出的MRI效果，且具有良好的光熱效果、光热稳定性的材料，在肿瘤诊疗方面具有很大的应用潜力.

参考文献：

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（责任编辑：郁 慧）