納米白鎢礦及其抗腫瘤活性_圖文

1、納米白鎢礦及其抗腫瘤活性 1曹林 1,曹麗 2,劉玉蘭 1,趙婕 1,羊富強(qiáng) 1,曹潔馨 31. 北京科技大學(xué)材料物理系,北京(1000832. 中科院藥用植物研究所,北京(1000943. 北京大學(xué)醫(yī)學(xué)部,北京(100083E-mail :摘 要:用 pechini方法制備了摻 Eu 白鎢礦納米材料, 納米顆粒粒徑約在 30-50nm , 用 XRD 、 TEM 、 HRTEM 表征了納米顆粒的形貌及晶體結(jié)構(gòu)。 用熒光光譜儀表征了白鎢礦納米材料的 光譜特征, 探討了白鎢礦納米材料與體材料發(fā)光性質(zhì)的區(qū)別, 利用光譜探針分析了發(fā)光性質(zhì) 與晶體格位的關(guān)系, 利用這種關(guān)系在高分辨原子像與模擬像上直觀

2、地表示了白鎢礦晶體中的 原子的占位。用 MTT 法測定藥物的抗癌作用,結(jié)果證明隨樣品濃度的增加 , 對 HL60 細(xì)胞 的生長抑制作用亦隨之增強(qiáng) , 呈明顯的劑量依賴關(guān)系。 結(jié)構(gòu)和光譜分析說明抑瘤活性與其物 理特性有關(guān)。關(guān)鍵詞:納米白鎢礦,熒光光譜,原子占位,抗腫瘤活性具有白鎢礦結(jié)構(gòu)的 CaWO 4熒光體是在 1896年發(fā)現(xiàn)的并很快第 1個(gè)用作 X 射線發(fā)光材 料 1,經(jīng)歷近一個(gè)世紀(jì)后至今仍在使用。白鎢礦是典型的自激活熒光體,在 X 射線、電子束 和 UV 光激發(fā)下產(chǎn)生高效藍(lán)光 1,2。 在上世紀(jì) 7080年代, Powell 等人 3,4曾對 CaWO 4及 Eu 3+摻雜的 CaWO 4體

3、系的發(fā)光和能量傳遞進(jìn)行深入研究。最近兩年來,人們發(fā)現(xiàn)在一些摻 Eu 3+的鎢酸鹽和鉬酸鹽中,在近 UV 光激發(fā)下可以產(chǎn)生高效的紅色熒光,小田喜勉等人 5報(bào)告 LiEuW 2O 8中摻入少量 Sm 3+后, 在 400nm 藍(lán)紫光激發(fā)時(shí), 轉(zhuǎn)換效率是 Y 2O 2S:Eu的 6倍以上。 王稼國, 荊西平等 6對 LiEuM 2O 8(M=W,Mo體系紅色熒光體進(jìn)行改進(jìn), 獲得在近 UV 光激發(fā) 下發(fā)光強(qiáng)度高, 且色純度好的紅色熒光體。 一些 Eu 3+激活的鎢鉬酸鹽紅色熒光體具有合成溫 度低 (550o 1300o C 左右 ,化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)。但關(guān)于摻雜 Eu 3+的白鎢礦納米材料的制備及結(jié)

4、構(gòu)的分析還未見報(bào)道。 作者在嘗試?yán)冒?鎢礦納米材料量子點(diǎn)作為生物標(biāo)記材料時(shí),意外發(fā)現(xiàn)納米白鎢礦具有抗腫瘤作用。1. 實(shí)驗(yàn)部分1.1樣品制備實(shí)驗(yàn)在 90 水浴加熱并不斷攪拌的情況下, 將適量的 Ca (NO 3 2和 (NH 4 2WO 4混合, 90 水浴加熱并不斷攪拌,經(jīng)鈣離子充分反應(yīng),再加入 Eu (NO 3 3溶液,其中鈣離子和銪離子 物質(zhì)的量的比為 1.5:1。 兩小時(shí)后, 向上述溶液中加入檸檬酸和乙二醇 (物質(zhì)的量之比為 1: 4 ,并調(diào) PH 值到 5。放到恒溫干燥箱中 140 干燥,去除多余的水,在這一過程中混合液 將變成黑色粘稠狀膠體。然后將黑色膠體在 180 真空干燥,從而

5、去除多余的乙二醇,形成 蓬松的黑色前驅(qū)體。然后將該前驅(qū)體在 800 保溫兩個(gè)小時(shí),形成白色粉末狀納米材料。 由 Fluorolog-3熒光光譜儀在室溫下記錄樣品的激發(fā)和發(fā)射光譜,用 JEM-100透射電鏡 分析樣品的形貌和顆粒尺度,粒度分析等。 JEM-2010高分辨電子顯微鏡拍攝的納米白鎢礦 沿 1 1方向的高分辨像。1.2樣品制備所用試劑1本課題得到國家自然科學(xué)基金(No.40072013的資助。Ca (NO 3 2(分析純北京益利精細(xì)化學(xué)品有限公司5(NH 4 2O·12WO3·5H2O (分析純天津巨能化學(xué)有限公司C 6H 8O 7·H2O 北京(分析純北

6、京化工廠 Eu2O 3(分析純北京有色金屬研究院C 6H 6O 2(分析純北京益利精細(xì)化學(xué)品有限公司1.3 MTT法測定藥物的抗癌作用a .材料與方法11急性粒細(xì)胞白血病細(xì)胞系 HL60購自 ATCC , RPMI1640培養(yǎng)基購自 GIBCO 公司, 胎牛血清 為 Hyclone 公司產(chǎn)品,四甲基噻唑藍(lán)(MTT 購自 Sigma 公司。細(xì)胞培養(yǎng):HL60細(xì)胞用含 10%胎牛血清的 RPMI1640完全培養(yǎng)基培養(yǎng)于 5% CO2, 37O C 飽和 濕度的培養(yǎng)箱中。MTT 法檢測:取對數(shù)生長期細(xì)胞按 1×105細(xì)胞 /孔密度接種于 96孔細(xì)胞培養(yǎng)板中 , 細(xì)胞培養(yǎng) 6后, 加入不同濃

7、度度的待測樣品, 細(xì)胞培養(yǎng)至指定時(shí)間后 , 每孔加入 5 mg·mL - 1的 MTT 20ul,繼續(xù)培養(yǎng) 4h 。 加入裂解液 (5.0 %異丙醇、 0.1 %鹽酸和 10 %SDS 中止反應(yīng) , 放置過夜。 以 630 nm 為參比 , 用全自動(dòng)酶標(biāo)儀測定 570 nm 的吸光度。b. 結(jié)果b- 1 HL60 細(xì)胞形態(tài)學(xué)的變化 :培養(yǎng)期間于倒置顯微鏡下觀察 , 發(fā)現(xiàn)對照組 HL60細(xì)胞生長 旺盛 , 數(shù)量明顯增多 , 細(xì)胞體積大 , 核質(zhì)比值高 , 細(xì)胞核以圓形或橢圓形為主 , 染色質(zhì)均勻紅染。 經(jīng)樣品 處理的 HL60 細(xì)胞培養(yǎng) 48 h 后 , 細(xì)胞數(shù)量少 , 形態(tài)不規(guī)則 ,

8、 此變化的程度與藥物濃度及 作用時(shí)間有關(guān)b- 2 樣品對 HL60 細(xì)胞的生長抑制作用:隨樣品濃度的增加 , 對 HL60 細(xì)胞的生長抑制作用亦隨之增強(qiáng) , 呈明顯的劑量依賴關(guān)系,在 樣品濃度分別為 100 ug/ml、 50 ug/ml、 25 ug/ml、 12.5ug/ml、 6.25ug/ml、 3.125ug/ml的情況下, 抑制作用分別為 0.10、 0.14、 0.19、 0.24、 0.31、 0.382. 納米白鎢礦生成機(jī)理研究2.1 Pechini 方法目前,比較新穎、研究較多的形成有機(jī)聚合網(wǎng)絡(luò)的 Sol-Gel 工藝(Gel routes involving format

9、ion of organic polymeric network 有兩種方式實(shí)現(xiàn)。 第一種是 “ 原位聚合工藝 ” 凝膠網(wǎng)絡(luò) 由有機(jī)單體之間的聚合形成, 金屬離子則均勻地分布在網(wǎng)絡(luò)之中。 在具體實(shí)現(xiàn)中, 是在金屬 -螯合物溶液中加入聚合劑,以實(shí)現(xiàn)原位聚合(in-stiupolymerization ,這種工藝又稱 “polymerized complex(PC method” 7。 第二種工藝則是通過在金屬離子溶液中加入水溶性 的聚合物形成粘性溶液,當(dāng)溶液濃縮后,溶液將轉(zhuǎn)化為具有熱塑性的凝膠,這種工藝稱為 “polymer precursor(PP method” 。Pechini 法 8-9

10、因其工藝簡單,又能得到顆粒細(xì)小均勻的粉體而備受關(guān)注。該方法主要是將 多元羥基羧酸如 (檸檬酸 和某些陽離子形成多堿螯合物。 這種螯合物在多元醇如 (ethyleneglycol 存在的情況下發(fā)生縮聚反應(yīng)形成中間體樹脂。然后將樹脂煅燒而制備粉體的一種方 法。2.2 Pechini 合成機(jī)理研究W 6+和檸檬酸的絡(luò)合以及檸檬酸和乙二醇的酯化聚合是形成凝膠前驅(qū)體的兩個(gè)關(guān)鍵步驟。 檸檬酸是一種強(qiáng)絡(luò)合劑,當(dāng)檸檬酸溶解于去離子水中時(shí),用氨水調(diào) PH 值到 5,羧基上的 H +就變成游離的 H +, W 6+就可以和羧酸根上的氧絡(luò)合,其化學(xué)反應(yīng)方程式為:W 6+Hcit2-= W(HCit3, 而金屬離子

11、Eu 3+和 Ca 2+均勻分散在檸檬酸溶液中。 圖 1 球粒狀白鎢礦納米材料的 TEM 照片 圖 2 纖維狀白鎢礦納米材料的 TEM 照片檸檬酸鹽凝膠是伴隨著溶膠縮水聚合, 粘度增大, 流動(dòng)性變?nèi)? 最后將水包裹在內(nèi)而形 成的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。 在發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)和中和反應(yīng)后, 如果檸檬酸上的羧酸根都與金屬離子結(jié) 合, 這就對檸檬酸上羧基和醇的羥基之間的酯化聚合造成了困難, 這種聚合難以實(shí)現(xiàn)。 如果 檸檬酸除了和金屬離子結(jié)合外, 還剩有羧基, 這些羧基就有機(jī)會(huì)和羥基酯化甚至聚合。 經(jīng)分 析表明檸檬酸絡(luò)合后的溶膠中仍存在未解離的羧基, 這樣酯化反應(yīng)就可以一直進(jìn)行下去, 最 后形成具有空間結(jié)構(gòu)的凝膠。

12、為了促進(jìn)聚合, 在溶膠中加入醇有利于酯化和聚合, 而且這種 醇分子結(jié)構(gòu)中應(yīng)該具有兩個(gè)以上羥基, 這樣的醇將不同的檸檬酸離子聚合到一起一種 “ 橋梁 ” 的作用。 因此我們加入了乙二醇以促進(jìn)酯化聚合, 將不同的絡(luò)合物分子聚合到一起, 脫去小 分子水而形成具有空間結(jié)構(gòu)的凝膠,乙二醇在其中起著 “ 橋梁 ” 作用。 這樣防止了小顆粒的 團(tuán)聚問題,從而使納米顆粒有很好的分散度,如圖 1所示。由圖 1可知,納米顆粒的平均粒徑 在 30-50nm 范圍內(nèi),這主要是由于金屬離子(銪離子和鈣離子等與有機(jī)酸發(fā)生反應(yīng)而均勻 的分散在聚合物樹脂中, 故保證原子水平的混合, 而且樹脂的燃燒溫度較低, 可在較低溫度 下

13、煅燒得到粉體。 粉末產(chǎn)生于有機(jī)溶液和由最后的金屬氧化物的聚合前驅(qū)體。 在這個(gè)檸檬酸 體系中, 每一種組分都是均一分布的, 這是因?yàn)榻饘匐x子在完全溶于聚合樹脂中, 以至于生 成物粉末是均一相,粒度分布較小,分散度較好。在 PH 值為 9的時(shí)候有納米纖維的出現(xiàn),見 圖 2。 PH 值在這個(gè)反應(yīng)中很重要的,在某種程度上決定了納米顆粒的形貌。3. 光譜探針與結(jié)構(gòu)分關(guān)系3.1 樣品的 XRD 與晶體結(jié)構(gòu)分析圖 3是樣品的 XRD 圖, 由 X 射線衍射測定樣品的晶體結(jié)構(gòu), 結(jié)果證實(shí)是屬于具有四方 晶系的白鎢礦 (Scheelite結(jié)構(gòu)。 該試樣衍射譜的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù) JCPDS 標(biāo)準(zhǔn)卡 (No142

14、432的對比基本一致,其晶體學(xué)參數(shù)為:四方晶系, 空間群 I 4(1/a, a = 5.2430 , b = 5.2430, c = 11.3760(Å , = 90.00 , = 90.00 , = 90.00(° ,單胞體積 312.72, W 6+位于氧配位四面體中心,形成 WO 24陰離子絡(luò)合物,而 Ca 2+有八個(gè)近鄰氧配位,形成一個(gè)畸變的八面體。同時(shí)與 Ca 2+半徑不同的少量 Eu 3+取代 Ca 2+使連接氧位置稍有變化,致使 WO 24四面 體畸變。 圖 3 白鎢礦樣品的 XRD 圖譜3.2 樣品的熒光光譜分析電子從配體 (氧或鹵素等 充滿的分子軌道遷移至

15、稀土離子內(nèi)部部分填充的 4f 殼層 , 會(huì) 在光譜上產(chǎn)生較寬的電荷遷移帶 (CTB 。稀土離子的激發(fā)光譜中 ,f - f 躍遷都屬禁戒躍遷的 窄帶 , 強(qiáng)度較弱 , 不利于吸收激發(fā)光能 , 利用 CTB 對激發(fā)光能量的寬帶吸收和對稀土激活離子 R e l a t i v e i n t e n s i t y Wavelength/nm圖 4 白鎢礦納米材料的發(fā)射光譜(em=394nm 其中 a 為 Ca0.6WO4:Eu0.43+; b 為 Ca0.6WO4:Eu0.43+前驅(qū)體; c 為鎢酸銪; d 為鎢酸銪前驅(qū)體500550600650700010203040506070R e l a

16、t i v e I n t e n s i t yWavelength/nm圖 5 白鎢礦(Ca0.6WO4:Eu0.43+體材料的發(fā)射光譜(em=394nm的能量傳遞 , 是提高稀土離子發(fā)光效率的途徑之一 , 例如量子效率很高的用于照明的 Y 2O 2 Eu 3+ 紅色熒光體。圖 4 和圖 5給出室溫下,由 394nm(Eu3+的 7F 0-5L 6能級 藍(lán)紫光激發(fā)的發(fā)射光譜,在CaWO 4:Eu3+中, WO 24基團(tuán)的發(fā)光被完全猝滅,只呈現(xiàn) Eu 3+的特征紅色發(fā)射。 其光譜屬 Eu 3+的典型的特征發(fā)射,其主發(fā)射位于 614nm 附近,屬電偶極-電偶極的 5D 0-7F 2能級躍遷發(fā)

17、射,這是由于少量 Eu 3+取代部分 Ca 2+使連接氧位置稍有變化, Eu 3+晶體格位缺少反演對稱 性和破壞了宇稱選擇定則而引起的, 而且電偶極比磁偶極譜線強(qiáng)的多。 以及磁偶極 5D 0-7F 1躍遷弱的 594nm 附近的發(fā)射等等。在四方晶系的 CaWO 4中, Eu 3+取代 Ca 2+,且具有 4局部 點(diǎn)對稱, Eu 原子主要處于非對稱中心位置 4,發(fā)射以 5D 0 7F 2躍遷為主導(dǎo)。此外,在室溫 時(shí), Eu 3+的其它 4f 高能級 (如 5D 1, 2 的輻射躍遷發(fā)射很弱,可以忽略。室溫下監(jiān)測樣品中 Eu 3+的 614nm 發(fā)射的激發(fā)光譜表示在圖 6 和圖 7中。樣品的激發(fā)光 譜本質(zhì)上是位于 200330nm寬激發(fā)帶和主要分布在 350550n