水相中稳定分散的硫化铋量子点的制备方法及其作为肿瘤光热治疗剂的应用与流程

本发明属于纳米功能材料的合成及应用技术领域，具体涉及一种水相中稳定分散的硫化铋量子点的制备方法及其作为肿瘤光热治疗剂的应用。

背景技术：

量子点(quantumdot)是一种纳米级别的半导体，其三维尺寸在2-10nm范围内。由于这种超小尺寸的纳米半导体拥有限制电子和电子空穴的特性，这一特性类似于自然界中的原子或分子，因而被称为量子点。硫化铋(bi2s3)是一种重要的光电半导体，其在近红外区(～1.3ev)具有较高吸收系数和直接带隙宽度^1,2。更重要的是，在过渡金属中，铋被认为是生物相容性最好的元素，在高剂量时毒性小，耐受性好^3-5。目前已有多篇关于制备不同形貌纳米bi2s3的相关报道，如在制备纳米棒⁶、纳米线⁷和纳米花⁸等方面均取得了重要进展，然而，很少有文献报道粒径小且分散性好的bi2s3量子点的合成方法。

光热转换效应是一种通过材料吸收光能(尤其是近红外光)，经表面局域等离子体共振效应(spr)将光能转化为电子或空穴谐振的动能或者电子跃迁产生能量，通过晶格散射的振动能向周围环境传递从而使环境温度提高的现象⁹。目前光热转换效应被广泛应用于光热治疗、光热成像等领域^10,11，如在近红外激光照射下，石墨类材料、金纳米材料、半导体材料等能将光能转化为热能，导致肿瘤部位的温度升高从达到杀灭癌细胞的目的。

近年来，癌症的发病率越来越高，目前的主要疗法有传统化疗、手术和放疗等，这些固然能缓解病人的痛苦，但也引起了一系列问题，包括副作用强、复发率高、放疗剂量累积等严重限制了他们的治疗效果。因此，探索一种全新的癌症治疗手段迫在眉睫，而目前研究最多的且具有实用价值的方法就是近红外光热疗法。在将半导体纳米材料用于光热抑制癌细胞的过程中，对纳米材料的性质具有特殊的要求，首先纳米材料需要有良好的光热转化效率，以尽可能多的将光能转化为热能来杀灭癌细胞；其次，纳米材料需要在水中具有良好的稳定性及分散性能，以便纳米材料进入体内后能尽量包覆所有肿瘤部位；再次，纳米材料应具有良好的光稳定性，经近红外光照射不变质，能够持续将光转化为热。自然状态下的bi2s3不溶于水，难以进行光热治疗；目前文献报道的bi2s3纳米材料如纳米棒、纳米线和纳米花等普遍存在尺寸较大、在水中的分散性较差、且其光热转换效率低下的问题。车仁超等人¹²以氧化铋为铋源，在油酸及十八烯存在下与硫代乙酰胺反应得到了油溶性的bi2s3纳米团簇，该bi2s3纳米团簇在有机溶剂如油酸、环己烷中具有较好的分散性能，但在水溶液中极易团聚沉淀，而细胞及人体均为以水为生存介质，故其难以应用于生物体。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题是提供了一种水相中稳定分散的硫化铋量子点的制备方法及其作为肿瘤光热治疗剂的应用，该方法制得的硫化铋量子点具有优异的光热转换效率，特别适用于对肿瘤部位进行光热治疗。

本发明为解决上述技术问题采用如下技术方案，水相中稳定分散的硫化铋量子点的制备方法，其特征在于具体步骤为：将10mg油溶性bi2s3团簇溶于15ml环己烷中，然后将上述溶液与15ml含有饱和硫化物的dmso溶液混合均匀，再将混合液搅拌10min，静置分液，将dmso相分离出来，然后用环己烷进行三次萃取以除去非极性有机物，将分液后的dmso相置于超声仪中超声1h，再通过0.2μmptfe过滤器过滤，滤液经高速离心得到固体bi2s3量子点。

优选的，所述固体bi2s3量子点能够稳定分散于水中及各种水缓冲溶液中。

优选的，所述硫化物为硫化钠、硫化钾或硫化铵。

优选的，所述油溶性bi2s3团簇的具体制备过程为：

步骤s1：在搅拌条件下将0.46596gbi2o3和2.0ml冰醋酸加入到100ml三颈圆底烧瓶中，并将混合物加热至140℃直至溶液蒸干黄色氧化铋变成白色粉末状固体，将溶液冷却至130℃，将烧瓶密封并用真空泵脱气5min以除去氧气和水分，用注射器注入3.2ml油酸后将混合物在氩气气氛下于130℃搅拌反应6h得到黄色透明的油酸铋溶液，再将得到的油酸铋溶液冷却至室温后加入50ml1-十八烯得到前躯体溶液；

步骤s2：将2.5ml前驱体溶液、6.5ml1-十八碳烯和1.0ml油酸在100ml三颈圆底烧瓶中完全混合，在三颈圆底烧瓶中加入反应液前使三颈圆底烧瓶中充满氩气，加热至80℃待溶液变为无色后加入0.5ml新鲜制备的摩尔浓度为0.4mol/l的硫代乙酰胺水溶液，观察溶液变为红棕色后停止加热取出，冷却之后将混合物以4000rpm/min的转速离心5min，除去大颗粒沉淀物，然后将离心得到的上清液中加入20ml乙酸乙酯并以50000rpm/min的转速离心30min得到红棕色沉淀物，再将得到的红棕色沉淀物用乙酸乙酯洗涤3次，最后放入真空干燥箱中于50℃干燥12h得到油溶性bi2s3团簇。

本发明所述的水相中稳定分散的硫化铋量子点作为肿瘤光热治疗剂的应用，其特征在于：所述硫化铋量子点分散于肿瘤细胞液中，近红外激光照射诱导硫化铋量子点产生光热效应，使得肿瘤细胞温度高于其消融极限温度，进而实现对肿瘤细胞的抑制作用。

优选的，所述肿瘤细胞为人宫颈癌细胞hela、胰腺癌细胞panc-1、肺癌细胞a549、白血病细胞k562、乳腺癌细胞mcf-7、淋巴瘤细胞raji、结肠癌细胞hct-8或人乳腺癌细胞sk-br-3。

优选的，所述近红外激光的波长优选为808nm，该近红外激光照射下硫化铋量子点的光热转换效率高达59.9％。

优选的，所述硫化铋量子点在近红外光照下对人宫颈癌细胞hela、胰腺癌细胞panc-1、肺癌细胞a549、白血病细胞k562、乳腺癌细胞mcf-7、淋巴瘤细胞raji、结肠癌细胞hct-8和人乳腺癌细胞sk-br-3的抑制率均逐步增强，其ic50为25μg/ml，显示出其对上述8种肿瘤细胞均具有较好的抑制作用。

本发明提供了一种可以简单快速制备出超小尺寸且在水相中能够稳定均匀分散的硫化铋量子点(qds)的方法，该方法制得的硫化铋量子点能够较好地分散于水及各种水缓冲溶液中且具有优异的光热转换效率，特别适用于对肿瘤部位进行光热治疗。

附图说明

图1中a为制得硫化铋量子点的粒径分布图，b为实施例制得硫化铋量子点的高倍透射电镜图；

图2中a不同浓度的bi2s3量子点dmem培养基溶液及纯dmem培养基溶液在波长为808nm，功率为800mw的近红外光照射下随光照时间的增加，溶液温度的改变曲线，b光照时间为600s时，不同浓度下溶液温度的改变量，c循环5次近红外光照打开关闭溶液温度变化量，d、f分别为bi2s3量子点水溶液及纯水在近红外光照射下的光热变化曲线；e、g为线性拟合d、f中bi2s3量子点及纯水冷却过程中的热驱动力的自然对数对时间的曲线获得相应的系统时间常数；

图3中a为bi2s3量子点黑暗环境下对brl3a大鼠肝细胞和的hepg2细胞的相容性评价，b为近红外光照下bi2s3量子点对人宫颈癌细胞hela和人胰腺癌细胞panc-1的抑制作用，c为近红外光照下bi2s3量子点对人肺癌细胞a549癌细胞和人白血病细胞k562的抑制作用，d为近红外光照下bi2s3量子点对人乳腺癌细胞mcf-7和淋巴瘤细胞raji的抑制作用，e为近红外光照下bi2s3量子点对人结肠癌细胞hct-8和人乳腺癌细胞sk-br-3的抑制作用。

具体实施方式

以下通过实施例对本发明的上述内容做进一步详细说明，但不应该将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明上述内容实现的技术均属于本发明的范围。

实施例1

步骤s1：在搅拌条件下将0.46596gbi2o3和2.0ml冰醋酸加入到100ml三颈圆底烧瓶中，并将混合物加热至140℃直至溶液蒸干黄色氧化铋变成白色粉末状固体，此时将溶液冷却至130℃，将烧瓶密封并用真空泵脱气5min以除去氧气和水分，用注射器注入3.2ml油酸后将混合物在氩气气氛下于130℃搅拌反应6h得到黄色透明的油酸铋溶液，再将得到的油酸铋溶液冷却至室温后加入50ml1-十八烯得到前躯体溶液。

步骤s2：将2.5ml前驱体溶液、6.5ml1-十八碳烯和1.0ml油酸在100ml三颈圆底烧瓶中完全混合，为了防止油酸铋的氧化，在加入反应液前使反应容器中充满氩气，加热至80℃待溶液变为无色后加入0.5ml新鲜制备的硫代乙酰胺(taa)水溶液(0.4m)，观察到溶液变为红棕色后停止加热取出，冷却之后将混合物以4000rpm/min的转速离心5min，除去大颗粒沉淀物，然后将离心得到的上清液中加入20ml乙酸乙酯并以50000rpm/min的转速离心30min得到的红棕色沉淀物，再将得到的红棕色沉淀物用乙酸乙酯洗涤3次，最后放入真空干燥箱中于50℃干燥12h得到油溶性bi2s3团簇。

步骤s3：将10mg油溶性bi2s3团簇溶于15ml环己烷中，然后将溶液与15ml含有饱和na2s的dmso溶液混合均匀，将混合物搅拌10min，静置分液，将分液后的dmso相分离出来，然后用环己烷进行三次萃取以除去任何剩余的非极性有机物，将dmso相置于超声仪中超声1h，再通过0.2μmptfe过滤器过滤，滤液经高速离心得到固体bi2s3量子点，最终得到的bi2s3量子点能够稳定分散在水及各种水缓冲溶液中用于生物实验及光热治疗。

实施例2

将10mg油溶性bi2s3团簇溶于15ml环己烷中，然后将溶液与15ml含有饱和k2s的dmso溶液混合均匀，将混合物搅拌10min，静置分液，将dmso相分离出来，然后用环己烷进行三次萃取以除去任何剩余的非极性有机物，将分液后的dmso相置于超声仪中超声1h，再通过0.2μmptfe过滤器过滤，滤液经高速离心得到固体bi2s3量子点，最终得到的bi2s3量子点能够稳定分散在水及各种水缓冲溶液中用于生物实验及光热治疗。

实施例3

将10mg油溶性bi2s3团簇溶于15ml环己烷中，然后将溶液与15ml含有饱和(nh4)2s的dmso溶液混合均匀，将混合物搅拌10min，静置分液，将分液后的dmso相分离出来，然后用环己烷进行三次萃取以除去任何剩余的非极性有机物，将dmso相置于超声仪中超声1h，再通过0.2μmptfe过滤器过滤，滤液经高速离心得到固体bi2s3量子点，最终得到的bi2s3量子点能够稳定分散在水及各种水缓冲溶液中用于生物实验及光热治疗。

1、bi2s3量子点的制备及表征

本发明以文献报道的方法合成得到油溶性bi2s3纳米团簇，然后将该bi2s3纳米团簇分散于环己烷中，再将其与含有硫化物的二甲基亚砜溶液混合均匀，分液后超声1h，最后对二甲基亚砜溶液高速离心，所得固体即为bi2s3量子点，其在水或pbs中可均匀稳定分散，经高倍透射电镜及粒径分析(图1中b)可知所得量子点的粒径分布均匀，其直径在2.7nm左右(图1中a)。

2、光热转换的测试

将硫化铋量子点配制成1mg/ml的2ml硫化铋的pb缓冲盐溶液，以此为母液配制成浓度分别为0μg/ml、5μg/ml、10μg/ml、20μg/ml、50μg/ml、100μg/ml、150μg/ml、200μg/ml的一系列浓度的溶液，均为1ml。取一支2mlep管，剪去上边小部分剩余1.5ml的体积，将其插入泡沫板中，使其保温效果较好，从空白对照开始测试，用移液枪吸取500μl的溶液于ep管中，维持室温在30℃左右，记下初始温度t0，打开近红外光源，每隔1min用红外测温仪快速测量溶液的温度，分别标记为t1、t2、t3、t4、t5、t6、t7、t8、t9、t10。测定硫化铋的溶液时，每隔1min要快速搅拌一次。(1)整理数据得到不同浓度随着光照时间的增加温度的改变的结果(图2中a和b)，(2)并计算出10min之内溶液前后温度的变化，画图得到不同浓度下光照10min溶液温度变化的结果。为了研究水相硫化铋的热稳定性及近红外光照致热的可循环性，将浓度为100μg/ml的样品经近红外光照5次的溶液温度的变化，温度变化的值，整理数据画图可得(图2中c)。

从图2中a所示的结果来看，在不存在bi2s3量子点的情况下，在用nir激光照射10min后，dmem培养基的温度仅从30℃增加到37℃左右，表明dmem培养基的nir吸收可忽略不计。相比之下，将bi2s3量子点(50μg/ml)的dmem培养基溶液暴露于nir激光10min导致温度从30.0℃增至52.1℃，高于癌细胞消融极限温度50℃。另外，随着bi2s3量子点浓度的增加，温度升高的幅度也增大，如图2中b所示。这些数据表明，近红外激光照射诱导的bi2s3量子点具有良好的光热效应，是治疗癌症的有效光热治疗剂。更重要的是，这揭示了在nir激光照射下bi2s3量子点对肝癌细胞的细胞毒作用可归因于良好的光热效应，而不是bi2s3量子点可忽略的光动力效应。

光热治疗剂的近红外光稳定性对其实际应用至关重要。对所制备的bi2s3量子点对光热转换的稳定性进行了评估。如图2中c所示，将bi2s3量子点的dmem培养基溶液用nir激光照射10min(laseron)后关闭，然后在没有nir激光照射的情况下在20min之内冷却至室温(laseroff)。这个循环重复了五次，从这个结果来看，经过五个光热转换循环之后温度没有明显的降低，这些证明了bi2s3量子点具有良好的nir光稳定性。3、光热转换效率的测定

为了进一步评价合成的bi2s3量子点的光热转换性能，参照了roper等报道的方法测试它的光热转换效率¹³，如以下公式所示：

其中，ηt代表光热转换效率，tmax，tsurr分别代表样品升高的最高温度及环境温度，单位为℃；i为近红外光功率强度，单位为w；qdis为试剂空白时的热量变化，单位为j*s^-1；a^λ代表样品在激发波长λ下的吸光度值，无量纲；h代表系统的热转换效率；s代表容器的表面积；

其中，ch2o代表水的比热容；m代表溶液质量，单位为g；τs代表系统时间常数，无量纲，其值可由线性拟合冷却时间对驱动力常数的自然对数的负值得到：

其中，t代表冷却过程中的时间，单位为s；θ代表热驱动力常数，无量纲；t为t时刻时的即时温度。

用波长为808nm、功率为800mw的近红外激光器连续照射bi2s3量子点的水溶液，直到温度升高至最大值不再改变。然后关闭近红外光并实时监测温度变化以确定来自系统的传热速率，纯水作为对照。图2中d显示了分散在水中的bi2s3量子点的典型热分布。通过应用图2中d冷却时段的线性时间数据与驱动力温度的负自然对数，可得系统传热的时间常数(τs)被确定为152.7s，如图2中e所示，图2中f和g分别为纯水对照。因此，进一步表明bi2s3量子点在波长为808nm近红外激光照射下的光热转换效率(ηt)高达59.9％。4、样品(mtt)毒性试验及光热抑制癌细胞情况

由图3中a可知，在未进行光照的情况下，bi2s3量子点对正常细胞和hepg2细胞的抑制率较低，即便在考察的最高浓度150μg/ml，其抑制率也不超过30％，证明bi2s3量子点细胞毒性较低。图3中b、c、d和e显示，随着浓度的增加，bi2s3量子点在近红外光照下对人宫颈癌细胞hela、胰腺癌细胞panc-1、肺癌细胞a549、白血病细胞k562、乳腺癌细胞mcf-7、淋巴瘤细胞raji、结肠癌细胞hct-8和人乳腺癌细胞sk-br-3的抑制率均逐步增强，其ic50约为25μg/ml，显示出其对所选8种癌细胞均具有非常强烈的抑制作用。

参考文献：

(1)mesquita,p.r.r.；almeida,j.s.；teixeira,l.s.g.；silva,a.f.d.；silva,l.a.journalofthebrazilianchemicalsociety2013,24,280。

(2)aresti,m.；saba,m.；piras,r.；marongiu,d.；mula,g.；quochi,f.；mura,a.；cannas,c.；mureddu,m.；ardu,a.advancedfunctionalmaterials2014,24,3341。

(3)wang,y.；tsang,c.n.；xu,f.；kong,p.w.；hu,l.；wang,j.；chu,i.k.；li,h.；sun,h.chemicalcommunications2015,51,16479。

(4)pazhani,r.；kumar,h.p.；varghese,a.；raj,a.m.e.；solomon,s.；thomas,j.k.journalofalloys&compounds2011,509,6819。

(5)wang,y.；tsang,c.n.；xu,f.；kong,p.w.；hu,l.；wang,j.；chu,i.k.；li,h.；sun,h.chemicalcommunications2015,51,16479。

(6)wu,t.；zhou,x.；zhang,h.；zhong,x.nanoresearch2010,3,379。

(7)ma,j.；yang,j.；jiao,l.；wang,t.；lian,j.；duan,x.；zheng,w.daltontransactions2011,40,10100。

(8)zhang,b.；ye,x.；hou,w.；zhao,y.；xie,y.journalofphysicalchemistryb2006,37,8978。

(9)chen,x.；chen,y.；yan,m.；qiu,m.acsnano2012,6,2550。

(10)cheng,l.；wang,c.；feng,l.；yang,k.；liu,z.chinesejournalofclinicaloncology2014,114,10869。

(11)liu,b.；li,c.；cheng,z.；hou,z.；huang,s.；lin,j.biomatersci2016,4,890。

(12)shi,l.；gu,d.；li,w.；han,l.；wei,h.；tu,b.；che,r.c.jalloycompd2011,509,9382。

(13)roper,d.k.；ahn,w.；hoepfner,m.jphyschemcnanomaterinterfaces2007,111,3636。

以上实施例描述了本发明的基本原理、主要特征及优点，本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明原理的范围下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进均落入本发明保护的范围内。