一种离子掺杂型硫化铜纳米粒子的制备方法及其应用

1.本发明属于纳米生物医学技术领域，具体是涉及一种离子掺杂型硫化铜纳米粒子的制备方法及其应用。


背景技术：

2.诊疗技术是生命健康科学领域的重要研究方向，开发新型诊疗材料将“诊断”与“治疗”相结合，对精准医疗的发展具有重要意义。迄今为止，由金基纳米材料、碳基纳米材料、有机化合物、无机半导体化合物等组成的各种纳米制剂已经被广泛开发用于肿瘤的光诊疗。其中，硫化铜纳米材料因其优异的光热效率和体内生物降解性而被广泛用作光热诊疗试剂。与传统等离子体材料相比，硫化铜纳米材料具有原料成本较低、合成方法简单和近红外吸收易于调节等优点。在生物应用方面，硫化铜具有低毒性、胶体稳定性好的优点。
3.硫化铜纳米颗粒本身具有光声成像能力，为了进一步提高成像效果硫化铜可以通过表面配体螯合磁共振成像离子如铁、锰等。铁离子的螯合也使得复合材料具有化学动力学治疗能力，或诱导细胞产生铁死亡过程。然而，这些复合物在血液中稳定性较差，容易解离。另外，直接在合成硫化铜时掺入金属离子易得到cufes2等物质使其近红外吸收消失。zhaojie wang等发表的文献“synthesis of one-for-all type cu5fes
4 nanocrystals with improved near infrared photothermal and fenton effects for simultaneous imaging and therapy of tumor”中即是利用直接掺杂的形式制备出三种cu
x
feysz样品，包括fes2、cufes2和cu5fes4纳米材料。测试结果显示，随着cu/fe摩尔比从0/1.0增加到1.0/1.0和5.0/1.0，局域表面等离子共振(lsprs)特征峰向更长波长移动，光热转换效率从24.4％增加到36.6％和45.9％。从该文章中可以知晓，一步法制成的cufes2的近红外吸收是比较差的，cu5fes4虽表现出光热增强的效应，但是文章中也提到这是由于该物质具有高浓度的铜缺陷造成的，cu缺陷导致强的lsprs效应，然后导致增加的nir光吸收；不过要想实现对近红外吸收的调节，需改变纳米颗粒中的铜/铁比例，进而对铜缺陷进行调节。但是一味提高铜/铁比例，会导致铁的含量受限，这会影响芬顿反应的进行，进而影响化学动力学治疗效果，且该文章中还提到，铁含量较少时，材料能保证1000nm以上的吸收，但是提高铁含量后就不能达到了，所以一步法制备金属离子掺杂的硫化铜在实际应用时会受到一定的限制。
4.中国专利cn 107572592 b公开一种适用于近红外光激发的光热材料及其制备方法，其是在单元硫化铜的基础上引入第二种金属离子形成多元金属硫化物粉体cufes2，该专利中公开的cufes2虽是以分步的形式制备的，但是制备时所用温度为220-310℃，所以得到的是一种结构均匀稳定的纳米材料，而非是以硫化铜作为内核、在核表面掺杂金属的复合材料，由于硫化铜的近红外吸收是缺陷造成的，这一结构会导致其光吸收变差，从其说明书附图4可以看出，要使样品达到较为良好的光热效果，cufes2的浓度需达到1.0mm，cufes2的用量较大，这一特性也会限制材料的应用。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于解决现有技术中的不足，提供一种新的离子掺杂型硫化铜纳米粒子的制备方法及其应用。
6.本发明的技术方案为：一种离子掺杂型硫化铜纳米粒子的制备方法，具体包括如下步骤：
7.s1、将硫粉加入到油酸和十八烯的混合液中，在氮气保护下升温至完全溶解，再将溶液降至55℃；
8.s2、将乙酰丙酮铜加入到油胺和十八烯的混合液中，55℃下溶解；
9.s3、取一定量步骤s1所得的溶液加到步骤s2所得溶液中，在氮气保护下升温至80～140℃并维持反应1～2h；
10.s4、在反应液中加入乙醇沉降，离心收集硫化铜沉淀，将其分散在十八烯中得硫化铜溶液；
11.s5、将铁盐或锰盐溶液加入到油胺和十八烯的混合液中，55℃下溶解；
12.s6、将步骤s4所得硫化铜十八烯溶液加入到步骤s5所得溶液中，在氮气保护下升温至80～140℃并维持反应20～40min；
13.s7、在反应液中加乙醇沉降，离心洗涤后分散在氯仿中，得到分散在氯仿中的离子掺杂型硫化铜纳米粒子溶液。
14.进一步地，步骤s1中，硫粉溶液浓度为180～200mmol/l。
15.进一步地，步骤s3中，乙酰丙酮铜和硫粉的摩尔比为1:1～10。
16.进一步地，步骤s5中，铁盐为乙酰丙酮铁或乙酰丙酮亚铁，锰盐为乙酰丙酮锰(ⅱ)。
17.进一步地，步骤s5中，铁盐或锰盐和乙酰丙酮铜的摩尔比为0.1～1:1。
18.一种离子掺杂型硫化铜纳米粒子，其是基于上述制备方法制备得到的；该离子掺杂型硫化铜纳米粒子可应用在光声成像中；也可用于制备肿瘤联合治疗试剂或者工具。
19.本技术的有益效果为：
20.1.本技术采用阳离子交换法合成金属铁、锰离子掺杂的硫化铜纳米颗粒，方法简单、稳定性高，掺杂过程在较低温度下进行，制备出的掺杂材料的内核仍为硫化铜，仅在材料表面掺杂金属离子，该物质具有较高浓度的铜缺陷，会出现强的lsprs效应，进而导致较佳的nir光吸收；且由于制备出的是掺杂型材料，所以无需一味提高铜/铁比例来对铜缺陷进行调节，当铁/铜比为1:1时仍能保持强近红外吸收，这就使得芬顿反应能顺利高效进行，材料的nir光吸收和芬顿反应效果都得到保证；
21.2.本技术制备的金属离子掺杂的硫化铜纳米粒子还可通过配体交换反应连接亲水配体转入水相，在抗肿瘤方面表现出光热治疗增强的同时，增强芬顿反应催化效应和磁共振成像效应，并且可用于光声成像；
22.3.本技术制备的金属离子掺杂的硫化铜纳米颗粒可通过调节油酸和十八烯的比例改变其在近红外光区的吸收光谱，出现红移或蓝移现象。
附图说明
23.图1为实施例一所得的铁掺杂硫化铜纳米粒子的透射电子显微镜图；
24.图2为实施例一、实施例二、实施例三所得的铁掺杂硫化铜纳米粒子的吸收光谱图；
25.图3为实施例一所得的铁掺杂硫化铜纳米粒子的能谱分析图；
26.图4为实施例一所得的铁掺杂硫化铜纳米粒子的x射线衍射图；
27.图5为实施例五所得的铁掺杂硫化铜纳米粒子的吸收光谱图；
28.图6为实施例八所得的铁掺杂硫化铜纳米粒子水溶液的光声成像图；
29.图7为实施例八所得的铁掺杂硫化铜纳米粒子水溶液在不同浓度下光热温度随时间的变化图；
30.图8为实施例八所得的铁掺杂硫化铜纳米粒子和h2o2以及tmb混合水溶液的吸收光谱随时间变化图。
具体实施方式
31.以下实施例进一步说明本发明的内容，但不应理解为对本发明的限制。在不背离本发明实质的情况下，对本发明方法、步骤或条件所作的修改和替换，均属于本发明的范围。
32.实施例1：一种铁掺杂硫化铜纳米粒子的制备
33.1)将硫粉溶于油酸与十八烯的混合溶液中，油酸在混合溶液中的体积占比为50％，硫粉溶液的浓度为200mmol/l，在氮气保护下升温至完全溶解，再将溶液降至55℃；
34.2)将乙酰丙酮铜加入到油胺和十八烯的混合液中，油胺在混合溶液中的体积占比为33.3％，乙酰丙酮铜浓度为16.7mmol/l，55℃下溶解；
35.3)将步骤1)所得溶液加到步骤2)所得溶液中，在氮气保护下升温至120℃并维持1h；
36.4)在反应液中加入乙醇沉降，离心收集硫化铜沉淀，将其分散在十八烯中得50mmol/l的硫化铜溶液；
37.5)将乙酰丙酮铁加入油胺和十八烯的混合液中，油胺在混合溶液中的体积占比为33.3％，乙酰丙酮铁浓度为6.66mmol/l，55℃下溶解；
38.6)将步骤4)所得硫化铜的十八烯溶液加入步骤5)所得溶液中，使铁/铜摩尔比为0.2:1，在氮气保护下升温至120℃并维持反应30min；
39.7)在反应液中加乙醇沉降，离心洗涤后分散在氯仿中，得到分散在氯仿中的铁掺杂硫化铜纳米粒子溶液。
40.对本实施例中制备的铁掺杂硫化铜纳米粒子进行表征，透射电子显微镜图如图1所示，从图中可以看出所制得的掺杂硫化铜纳米粒子尺寸均一、分散性好。吸收光谱图如图2所示，所制得的铁掺杂硫化铜纳米粒子可控制其吸收峰在1064nm附近处。eds能谱分析图如图3所示，表明铁元素成功掺杂到硫化铜纳米粒子中。x射线衍射图如图4所示，表明产物为靛铜矿型硫化铜，而不是cufes2和cu5fes4等晶型。
41.实施例二、一种铁掺杂硫化铜纳米粒子的制备
42.1)将硫粉溶于油酸中，硫粉溶液的浓度为200mmol/l，在氮气保护下升温至完全溶解，再将溶液降至55℃；
43.2)将乙酰丙酮铜加入到油胺和十八烯的混合液中，油胺在混合溶液中的体积占比
为33.3％，乙酰丙酮铜浓度为16.7mmol/l，55℃下溶解；
44.3)将步骤1)所得溶液加到步骤2)所得溶液中，在氮气保护下升温至120℃并维持反应1h；
45.4)在反应液中加入乙醇沉降，离心收集硫化铜沉淀，将其分散在十八烯中得50mmol/l硫化铜溶液；
46.5)将乙酰丙酮铁加入油胺和十八烯混合液中，油胺在混合溶液中的体积占比为33.3％，乙酰丙酮铁浓度为6.66mmol/l ，55℃下溶解；
47.6)将步骤4)所得硫化铜十八烯溶液加入5)所得溶液中，使铁/铜摩尔比为0.2:1，在氮气保护下升温至120℃并维持反应30min；
48.7)在反应液中加乙醇沉降，离心洗涤后分散在氯仿中，得到分散在氯仿中的铁掺杂硫化铜纳米粒子溶液。
49.对本实施例中制备的铁掺杂硫化铜纳米粒子进行表征，吸收光谱图如图2所示，所制得的纳米粒子吸收峰在1000nm附近处，相对于实施例一有明显的蓝移。
50.实施例三、一种铁掺杂硫化铜纳米粒子的制备
51.1)将硫粉溶于十八烯中，硫粉溶液的浓度为200mmol/l，在氮气保护下升温至完全溶解，再将溶液降至55℃；
52.2)将乙酰丙酮铜加入到油胺和十八烯的混合液中，油胺在混合溶液中的体积占比为33.3％，乙酰丙酮铜浓度为16.7mmol/l，55℃下溶解；
53.3)将步骤1)所得的溶液加到步骤2)所得溶液中，在氮气保护下升温至120℃并维持反应1h；
54.4)在反应液中加入乙醇沉降，离心收集硫化铜沉淀，将其分散在十八烯中得50mmol/l的硫化铜溶液；
55.5)将乙酰丙酮铁加入油胺和十八烯的混合液中，油胺在混合溶液中的体积占比为33.3％，乙酰丙酮铁浓度为6.66mmol/l，55℃下溶解；
56.6)将步骤4)所得硫化铜十八烯溶液加入步骤5)所得溶液中，使铁/铜摩尔比为0.2:1，在氮气保护下升温至120℃并维持反应30min；
57.7)在反应液中加乙醇沉降，离心洗涤后分散在氯仿中，得到分散在氯仿中的铁掺杂硫化铜纳米粒子溶液。
58.对本实施例中制备的铁掺杂硫化铜纳米粒子进行表征，吸收光谱图如图2所示，所制得的铁掺杂硫化铜纳米粒子吸收峰在1200nm附近处，相对于实施例一有明显的红移。
59.实施例四、一种铁掺杂硫化铜纳米粒子的制备
60.1)将硫粉溶于油酸和十八烯的混合溶液中，油酸在混合溶液中的体积占比为50％，硫粉溶液的浓度为200mmol/l，在氮气保护下升温至完全溶解，再将溶液降至55℃；
61.2)将乙酰丙酮铜加入到油胺和十八烯的混合液中，油胺在混合溶液中的体积占比为33.3％，乙酰丙酮铜浓度为16.7mmol/l，55℃下溶解；
62.3)将步骤1)所得的溶液加到步骤2)所得溶液中，在氮气保护下升温至120℃并维持反应1h；
63.4)在反应液中加入乙醇沉降，离心收集硫化铜沉淀，将其分散在十八烯中得50mmol/l的硫化铜溶液；
64.5)将乙酰丙酮铁加入油胺和十八烯的混合液中，油胺在混合溶液中的体积占比为33.3％，乙酰丙酮铁浓度为3.33mmol/l，55℃下溶解；
65.6)将步骤4)所得硫化铜十八烯溶液加入步骤5)所得溶液中，使铁/铜摩尔比为0.1:1，在氮气保护下升温至120℃并维持反应30min；
66.7)在反应液中加乙醇沉降，离心洗涤后分散在氯仿中，得到分散在氯仿中的铁掺杂硫化铜纳米粒子溶液。
67.对本实施例中制备的铁掺杂硫化铜纳米粒子进行表征，结果显示铁元素能够成功掺杂进硫化铜纳米粒子。
68.实施例五、一种铁掺杂硫化铜纳米粒子的制备
69.1)将硫粉溶于油酸和十八烯的混合溶液中，油酸在混合溶液中的体积占比为50％，硫粉溶液的浓度为200mmol/l，在氮气保护下升温至完全溶解，再将溶液降至55℃；
70.2)将乙酰丙酮铜加入到油胺和十八烯的混合液中，油胺在混合溶液中的体积占比为33.3％，乙酰丙酮铜浓度为16.7mmol/l，55℃下溶解；
71.3)将步骤1)所得的溶液加到步骤2)所得溶液中，在氮气保护下升温至120℃并维持反应1h；
72.4)在反应液中加入乙醇沉降，离心收集硫化铜沉淀，将其分散在十八烯中得50mmol/l的硫化铜溶液；
73.5)将乙酰丙酮铁加入到油胺和十八烯的混合液中，油胺在混合溶液中的体积占比为33.3％，乙酰丙酮铁的浓度为16.7mmol/l，55℃下溶解；
74.6)将步骤4)所得硫化铜十八烯溶液加入步骤到5)所得溶液中，使铁/铜摩尔比为1:1，在氮气保护下升温至120℃并维持反应30min；
75.7)在反应液中加乙醇沉降，离心洗涤后分散在氯仿中，得到分散在氯仿中的铁掺杂硫化铜纳米粒子溶液。
76.对本实施例中制备的铁掺杂硫化铜纳米粒子进行表征，结果显示铁元素能够成功掺杂进硫化铜纳米粒子中，所得材料的吸收光谱如图5所示，从图中可以看出，在高铁/铜摩尔比的情况下，样品仍能保持优异的lspr吸收。
77.实施例六、一种亚铁掺杂硫化铜纳米粒子的制备
78.1)将硫粉溶于油酸和十八烯的混合溶液中，油酸在混合溶液中的体积占比为50％，硫粉溶液的浓度为200mmol/l，在氮气保护下升温至完全溶解，再将溶液降至55℃；
79.2)将乙酰丙酮铜加入到油胺和十八烯的混合液中，油胺在混合溶液中的体积占比为33.3％，乙酰丙酮铜的浓度为16.7mmol/l，55℃下溶解；
80.3)将步骤1)所得的溶液加到步骤2)所得溶液中，在氮气保护下升温至120℃并维持反应1h；
81.4)在反应液中加入乙醇沉降，离心收集硫化铜沉淀，将其分散在十八烯中得50mmol/l的硫化铜溶液；
82.5)将乙酰丙酮亚铁加入到油胺和十八烯的混合液中，油胺在混合溶液中的体积占比为33.3％，乙酰丙酮亚铁浓度为6.66mmol/l，55℃下溶解；
83.6)将步骤4)所得硫化铜十八烯溶液加入步骤5)所得溶液中，使亚铁与铜的摩尔比为0.2:1，在氮气保护下升温至120℃并维持反应30min；
84.7)在反应液中加乙醇沉降，离心洗涤后分散在氯仿中，得到分散在氯仿中的铁掺杂硫化铜纳米粒子溶液。
85.对本实施例制备的铁掺杂硫化铜纳米粒子进行表征，铁(ⅱ)元素能够成功掺杂进硫化铜纳米粒子，所得的掺杂硫化铜纳米粒子尺寸均一、分散性好。
86.实施例七、一种锰掺杂硫化铜纳米粒子的制备
87.1)将硫粉溶于油酸和十八烯的混合溶液中，油酸在混合溶液中的体积占比为50％，硫粉溶液的浓度为200mmol/l，在氮气保护下升温至完全溶解，再将溶液降至55℃；
88.2)将乙酰丙酮铜加入到油胺和十八烯的混合液中，油胺在混合溶液中的体积占比为33.3％，乙酰丙酮铜的浓度为16.7mmol/l，55℃下溶解；
89.3)将步骤1)所得溶液加到步骤2)所得溶液中，在氮气保护下升温至120℃并维持反应1h；
90.4)在反应液中加入乙醇沉降，离心收集硫化铜沉淀，将其分散在十八烯中得50mmol/l的硫化铜溶液；
91.5)将乙酰丙酮锰(ⅱ)加入到油胺和十八烯的混合液中，油胺在混合溶液中的体积占比为33.3％，乙酰丙酮锰的浓度为6.66mmol/l，55℃下溶解；
92.6)将步骤4)所得硫化铜十八烯溶液加入步骤5)所得溶液中，在氮气保护下升温至120℃并维持反应30min；
93.7)在反应液中加乙醇沉降，离心洗涤后分散在氯仿中，得到分散在氯仿中的锰掺杂硫化铜纳米粒子溶液。
94.对本实施例中制备的锰掺杂硫化铜纳米粒子进行表征，结果显示锰(ⅱ)元素能够成功掺杂进硫化铜纳米粒子中。
95.实施例八、掺杂硫化铜纳米粒子水溶液的制备：
96.取0.5ml实施例五中制备的铁掺杂硫化铜纳米粒子的氯仿溶液(12.8mg/ml)，边搅拌边滴加到含dspe-peg5000(35mg)的超纯水(4ml)中，超声加搅拌，分散均匀；水浴加热在60℃条件下挥发掉氯仿，最后制得浓度为1.6mg/ml铁掺杂硫化铜纳米粒子水溶液。
97.性能验证及测试如下：
98.1.近红外二区光声成像
99.配制浓度为1.0mg/ml的铁掺杂硫化铜纳米粒子水溶液，取200μl于小试管中，然后用光声成像仪进行成像，如图6所示，结果表明该纳米颗粒具有较优异的光声成像能力。
100.2.光热性能的测试
101.研究浓度不同对铁掺杂硫化铜纳米粒子水溶液的光热转换效果的影响。分别配制不同浓度的铁掺杂硫化铜纳米粒子(10，20，35，50μg/ml)溶液，测得在1064nm处的质量吸光系数可达23.2l
·
g-1
。取200μl溶液置于200μl离心管中，使用1064nm激光器作为激发光源，激光功率密度设置为1w/cm2，照射10min，利用红外热像仪读取溶液温度。以纯水作为参照，重复上述实验。实验结果如图7所示，图示结果表明，随着材料浓度的增加，纳米粒子溶液温度升高明显，在激光功率密度为1w/cm2的条件下，35ug/ml溶液温度可达65度以上，光热转换效率可达42.7％，说明铁掺杂硫化铜纳米粒子具有良好的光热性能。
102.2.化学动力学性能测试
103.将铁掺杂的cus纳米粒子(10μg/ml)分散在ph＝5.5的磷酸盐缓冲液(0.01m，2ml)
中，加入tmb(0.4mm)和h2o2(10mm)。分别在0min、10min、20min、30min取样测试混合液的吸收光谱。实验结果表明，在30分钟之内，随着反应时间增加，吸收光谱在652nm处的吸光度也明显增加，如图8所示，说明铁掺杂硫化铜纳米粒子具有良好的化学动力学性能。
104.以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。但是以上所述仅为本发明的具体实施例，本发明的技术特征并不局限于此，任何本领域的技术人员在不脱离本发明的技术方案下得出的其他实施方式均应涵盖在本发明的专利范围之中。