1.1.1 液态金属的制备

本文用的是镓金属(Ga, 纯度99.9%)和铟金属(In, 纯度99.9%)根据固定比例来合成液态金属合金, 具体元素质量比为Ga的含量占75.5%, In的含量占24.5%^[18]。 具体制备方法是用电子称量天平分别称取75.5 g的镓金属和24.5 g 的铟金属, 然后将两种金属装到一个玻璃瓶中, 将瓶子放到60 ℃的电热鼓风干燥箱中加热4 h即可得到100 g的eGaIn液态金属。

1.1.2 液态金属核壳型纳米药物的合成

首先要配置海藻酸钠水溶液, 用电子称量天平称量0.5 g 的海藻酸钠粉末, 称好后将其放入100 mL的烧杯中, 然后在烧杯中加入100 mL的蒸馏水, 用玻璃棒搅拌使其完全溶解得到海藻酸钠水溶液。 然后用电子称量天平称量20 g的eGaIn, 将称好的eGaIn加进玻璃瓶中, 随后再将配好的海藻酸钠水溶液加入玻璃瓶中。 然后在瓶中加入磁子, 拧紧瓶盖, 把瓶子放到磁力搅拌器上, 打开开关调节转速为1 500 rpm 进行搅拌。 搅拌24 h后, 观察到瓶底液态金属呈2.00 mm的小球状, 不再自动聚合成液态金属液滴, 然后采用功率400 W的超声探头, 以工作90 s、 间隔10 s的脉冲模式对其进行超声处理, 累计时长60 min, 最后得到呈现灰色溶液的液态金属@海藻酸钠核壳纳米粒子。 液态金属@海藻酸钠核壳纳米粒子(LM@SA)合成路线见图1(a)。

图1

Fig.1

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	图1 LM@SA的合成及其光热疗法机理图 (a): LM@SA的合成流程路线图; (b): SA包裹LM形成核壳LM@SA的机理图; (c): LM@SA光热疗法杀死肿瘤细胞图; (d): eGaIn和LM@SA实物照片Fig.1 Synthesis of LM@SA and its photothermal therapy mechanism diagram (a): Synthesis process flowchart of LM@SA; (b): Mechanism diagram of SA wrapping LM to form core-shell LM@SA; (c): Diagram of LM@SA photothermal therapy killing tumor cells; (d): Physical photos of eGaIn and LM@SA

扫描电子显微镜(SEM)用于表征微观形貌、 结构和成分; 透射电子显微镜(TEM)用于表征高分辨率结构、 形态和成分; 傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)用于分析官能团组成; 紫外-可见-近红外分光光度计(UV)用于分析物质溶液组分对不同波长的光具有选择性吸收的特性; 拉曼光谱仪(Raman)用于分析样品的化学结构、 相态以及分子间相互作用等特性; X射线衍射仪(XRD)用于表征晶体结构、 物相组成和晶格参数等; X射线光电子能谱仪(XPS)用于表征材料表面的元素构成、 化学态和电子态等。

在室温环境下通过磁子(聚四氟乙烯)搅拌把块状液态金属搅成球状液态金属, 然后对溶液超声处理让海藻酸钠大分子涂层以液态金属纳米颗粒为成核位点, 对其进行包覆, 合成具有核壳结构的复合材料。 海藻酸钠能成功包裹在液态金属纳米液滴表面上依托的机理是在对溶液超声过程中^[19]液态金属纳米液滴失去电子生成Ga^{3+ [20]}, 海藻酸钠得到电子变得带负电, 通过静电吸附原理将带负电的海藻酸钠吸附在液态金属纳米液滴表面上形成具有核壳结构的液态金属@海藻酸钠核壳纳米粒子(LM@SA)^[21]。 海藻酸钠(SA)包裹液态金属纳米液滴形成核壳LM@SA机理见图1(b)。 图1(c)是LM@SA光热疗法杀死肿瘤细胞机理图, 光热疗法(PTT)的机理是用808 nm近红外激光照射LM@SA, 温度升高产生热量, 可以达到杀死肿瘤细胞的最佳温度范围(50~60 ℃), 达到光热治疗的效果^[22]。 图1(d)是实验过程中拍摄的实物照片。 如图1(d)所示, 从eGaIn照片中可以发现液态金属表面光滑圆润; 通过超声合成的LM@SA溶液呈灰色, 底部有些许沉淀; 经过干燥之后的LM@SA粉末呈黑灰色, LM@SA粉末用于后续的表征。

对LM@SA的扫描电镜(SEM)分析(图2), 图2(a)中LM@SA在200 nm尺度下呈现了一个球状形态, 这证明我们成功合成了球状的液态金属纳米液滴, 从图2(a)中可以发现液态金属纳米液滴的直径大约是400 nm; 图2(b)中LM@SA在400 nm尺度下呈现了良好的分散性, 可以观察到大量球状的液态金属纳米液滴, 证明我们合成的样品具有高分散性。 图2(b)中多处SEM视野(白色虚线圆圈)中液态金属纳米液滴的粒径有150、 200和300 nm不等。 结合图2(a)和(b)可以算出SEM视野下液态金属纳米液滴的平均粒径是258 nm。 图2(c)中在2 μ m尺度下通过EDS图像分析可以看出镓元素呈现出大量的均匀分布, 图2(d)中而铟元素则呈现出分布不均匀量少的特点, 这印证了我们的液态金属纳米液滴中镓元素含量占主导的合成想法。 图2(e)中碳元素的分布呈现出游离在表面的状态, 呈均匀分布, 图2(f)中氧元素呈现出大量均匀分布的特点, 可能是超声合成过程中镓元素发生氧化形成氧化镓所致^[23]。

图2

Fig.2

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图2 LM@SA的微观形貌 (a): LM@SA在200 nm尺度下的SEM图像; (b): LM@SA在400 nm 尺度下的SEM图像; (c): LM@SA在2 μ m尺度下的Ga元素EDS图像; (d): LM@SA在2 μ m尺度下的In元素EDS图像; (e): LM@SA在2 μ m尺度下的C元素EDS图像; (f): LM@SA在2 μ m尺度下的O元素EDS图像Fig.2 Microscopic morphology of LM@SA (a): SEM image of LM@SA at a scale of 200 nm; (b): SEM image of LM@SA at a scale of 400 nm; (c): EDS image of Ga element of LM@SA at a scale of 2 μ m; (d): EDS image of In element of LM@SA at a scale of 2 μ m; (e): EDS image of C element of LM@SA at a scale of 2 μ m; (f): EDS image of O element of LM@SA at a scale of 2 μ m

对LM@SA的透射电镜(TEM)分析(图3), 图3(a)是LM@SA在100 nm尺度下的TEM图像, 可以发现LM@SA的直径大约是100~200 nm。 图3(b)和(c)中在50和20 nm尺度下可以清晰地观察到LM@SA呈现核壳包裹状态^{[24, 25]}, 海藻酸钠涂层紧紧地包裹住液态金属纳米液滴, 这证明我们成功把海藻酸钠包裹在液态金属的表面上。 图3(d)、 (e)和(f)展示了LM@SA在20和10 nm尺度下的局部海藻酸钠涂层图像。 图3(d)中LM@SA在20 nm尺度下可以观察到液态金属表面有层较厚的海藻酸钠涂层, 海藻酸钠涂层的厚度大约是10~20 nm; 图3(e)中在10 nm尺度下可以清晰观察到海藻酸钠(红线之间的区域为海藻酸钠)紧紧贴在液态金属表面^[26], 海藻酸钠涂层的厚度大约是5~10 nm; 图3(f)中在10 nm尺度下可以观察到液态金属表面有层较薄的海藻酸钠涂层, 海藻酸钠涂层的厚度大约是5 nm。 结合图3(b)和(c)两个不同的LM@SA纳米颗粒TEM图像, 我们可以得出结论: 图3(b) LM@SA的包裹层厚度是5~10 nm; 图3(c) LM@SA的包裹层厚度是10~20 nm。 图3(g)展示了LM@SA在50 nm尺度下的代表性暗场HAADF-STEM图像, 我们可以观察到LM@SA呈现核壳包裹的形态, LM@SA的直径大约是100 nm。 图3(h)展示了LM@SA在50 nm尺度下的EDS图像, 通过EDS图像分析^[27]可以看出碳元素的分布呈现出附着在球状物表面的状态, 主要集中在表面涂层上, 这与海藻酸钠中的碳元素相关。 氧元素呈现出大量均匀分布的特点, 主要分布在内核和表层部位, 氧元素集中在内核部位可能的原因是在超声合成过程中镓元素发生了氧化形成氧化镓, 氧化产物集中在内核表面。 镓元素呈现出大量均匀分布的特点, 主要集中分布在内核部位, 这与液态金属内核主要由镓元素组成相关, 表层部位含有少量镓元素可能的原因是在成核阶段液态金属纳米液滴失去电子生成Ga³⁺, Ga³⁺远离液态金属内核附着在表层部位。 铟元素主要分布在内核部位, 含量相比于镓元素明显少很多, 这与液态金属内核中镓元素含量高出铟元素含量很多相关。

图3

Fig.3

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图3 LM@SA的透射电镜(TEM)分析 (a): LM@SA在100 nm尺度下的TEM图像; (b): LM@SA在50 nm尺度下的TEM图像; (c): LM@SA在20 nm尺度下的TEM图像; (d): LM@SA在20 nm尺度下的局部放大图像; (e): LM@SA在10 nm尺度下的海藻酸钠涂层图像; (f): LM@SA在10 nm尺度下的局部放大图像; (g): LM@SA在50 nm尺度下的HAADF-STEM图像; (h): LM@SA在50 nm尺度下的EDS图像Fig.3 TEM analysis of LM@SA (a): TEM image of LM@SA at a scale of 100 nm; (b): TEM image of LM@SA at a scale of 50 nm; (c): TEM image of LM@SA at a scale of 20 nm; (d): Magnified TEM image of LM@SA at a scale of 20 nm; (e): TEM image of the sodium alginate coating of LM@SA at a scale of 10 nm; (f): Magnified TEM image of LM@SA at a scale of 10 nm; (g): HAADF-STEM image of LM@SA at a scale of 50 nm; (h): EDS image of LM@SA at a scale of 50 nm

对LM@SA的傅里叶红外光谱[图4(a)]分析如下: 在3 221 cm^-1处有一个特征峰, 该峰是宽峰, 这个峰出现的原因可以归因于海藻酸钠中O— H官能团的伸缩振动^{[28, 29]}。 在1 601 cm^-1处的吸收峰归因于海藻酸钠的— COOH官能团的不对称伸缩振动, 而在1 412 cm^-1处的吸收峰则归因于海藻酸钠的— COOH官能团的对称伸缩振动^[30]。 在1 026 cm^-1处的特征峰可以归因于海藻酸钠中C— O— C官能团的弯曲振动^[30]。 LM@SA中这些特征峰的出现对应了海藻酸钠的红外特征峰, 这证明有海藻酸钠的存在, 结合图3(b) TEM中LM@SA的核壳结构这就证实了LM@SA的合成成功(这代表着海藻酸钠成功包裹在液态金属上)。 取静置后LM@SA的上清液做吸收测试结果如图4(b)所示, 在LM@SA的吸收光谱[图4(b)]中可以发现LM@SA从800 nm处开始呈现吸收度不断增大的现象, 一直到262 nm处吸收度达到最大, 最大值为0.765。 为了进一步证实海藻酸钠包裹在液态金属纳米液滴表面上, 利用了拉曼光谱对其进行说明。 对LM@SA的拉曼光谱[图4(c)]分析如下: LM@SA显示出D带和G带^[23], 其典型峰分别接近1 323和1 562 cm^{-1 [31]}。 D峰和G峰是碳原子的拉曼特征峰, D峰的出现是由于碳原子晶格的缺陷, G峰的出现是由于碳原子sp²杂化的面内伸缩振动。 D带和G带的出现说明了检测出LM@SA中海藻酸钠的碳原子拉曼特征峰, 这证明检测出海藻酸钠的存在。 总之, 上述结构形态和组成分析共同证实了LM@SA的合成。

图4

Fig.4

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图4 LM@SA的结构组成光谱能谱分析 (a): LM@SA的傅里叶红外光谱(FTIR); (b): LM@SA的吸收光谱; (c): LM@SA的拉曼光谱; (d): LM@SA的XRD表征结果; (e)— (i): LM@SA的XPS表征结果Fig.4 Structural composition and spectral analysis of LM@SA (a): Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) of LM@SA; (b): Absorption spectrum of LM@SA; (c): Raman spectrum of LM@SA; (d): X-ray diffraction (XRD) characterization results of LM@SA; (e)— (i): X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) characterization results of LM@SA

对LM@SA的XRD结果[图4(d)]分析如下: PDF#26-0674卡片代表的峰是GaOOH晶体的峰^[32], 这个峰出现的原因可能是海藻酸钠与液态金属在反应过程中小部分海藻酸钠中的O— H键断裂与Ga反应生成了GaOOH而造成的。 为了更准确地研究LM@SA的元素分布和价态, 我们对干燥后的LM@SA的固体粉末进行了XPS测试如图4(e)所示。 对LM@SA的XPS结果[图4(f)— (i)]分析如下: 在C(1s) 的XPS图[图4(f)]中可以发现出现三个峰, 在284.8 eV 处的峰与C— C有关, 在286.1 eV处的峰对应C— O— C, 在288.64 eV处的峰与O-C=O有关。 在O(1s) 的XPS图[图4(g)]中可以发现只有一个峰出现, 531.61 eV处的峰对应C— O。 在In3d的XPS图[图4(h)]中可以发现有两个峰出现, 在444.29 eV处的峰与In3d_5/2相关, 在451.82 eV处的峰与In3d_3/2相关, 这两个峰对应的物质是In₂O₃^{[23, 33]}, 这可能是LM@SA在合成过程中铟元素被氧化生成的In₂O₃。 在Ga2p的XPS图[图4(i)]中可以发现有两个峰出现, 在1 118.37 eV 处的峰与Ga2p_3/2相关, 在1 144.73 eV 处的峰与Ga2p_1/2相关, 这两个峰对应的物质是Ga₂O₃^{[12, 23]}, 这可能是LM@SA在合成过程中镓元素发生了氧化, 镓失去电子生成Ga³⁺与环境中的氧结合生成了Ga₂O₃。

LM@SA通过30 W 808 nm近红外激光和红外相机记录温度来进行光热实验^{[20, 34]}。 通过记录LM@SA溶液、 液态金属、 海藻酸钠水溶液、 去离子水在功率密度为1.5 W· cm^-2的808 nm近红外激光下照射10 min后的温度变化[图5(a)]来研究LM@SA的光热性能。 如图5(a)所示, 去离子水在1.5 W· cm^-2的808 nm近红外激光下照射10 min后温度基本没有什么变化, 说明其没有光热性能。 海藻酸钠水溶液在1.5 W· cm^-2的808 nm近红外激光下照射10 min后温度从开始的20 ℃到10 min后的44 ℃, 温度升高了一些, 证明海藻酸钠水溶液有一定的光热性能。 液态金属在1.5 W· cm^-2的808 nm近红外激光下照射10 min后温度从开始的23 ℃到10 min后的63 ℃, 温度得到明显的提升, 这印证了液态金属具有良好的光热性的说法。 LM@SA溶液在1.5 W· cm^-2的808 nm近红外激光下照射10 min后, 温度在0 min 时是23 ℃, 经过1 min的照射温度达到52 ℃, 温度提升迅速, 在照射10 min后温度可以达到77 ℃, 温度提升效果最显著, 对比液态金属其所能升高的温度更高, 证明海藻酸钠能够协同提升液态金属纳米颗粒的光热性能^[35], LM@SA溶液的光热性能是最好的。 通过调节808 nm近红外激光器的不同功率来探究LM@SA在不同功率密度条件下通过808 nm近红外激光下照射10 min的温度变化情况[图5(b)]^[36]。 如图5(b)所示, 在0.5 W· cm^-2下照射10 min温度从23 ℃升高到57 ℃; 在1 W· cm^-2下照射10 min温度从22 ℃升高到72 ℃; 在1.5 W· cm^-2下照射10 min温度从23 ℃升高到77 ℃, 在1和1.5 W· cm^-2下温度提升情况很接近, 均比0.5 W· cm^-2下温度提升情况强很多; 在2 W· cm^-2下照射10 min温度从20 ℃升高到88 ℃, 在照射前两分钟内温度就得到迅速提升达到80 ℃, 是温度提升最快最高的一组。 从图中可以得出结论: 在其他条件不变的情况下功率密度越大温度提升的越高^[37]。

图5

Fig.5

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图5 LM@SA的光热性能 (a): LM@SA、 液态金属、 海藻酸钠水溶液、 去离子水在功率密度为1.5 W· cm-2的808 nm近红外激光下照射10 min的温度变化图; (b): LM@SA在不同功率密度条件下通过808 nm近红外激光下照射10 min的温度变化图; (c): LM@SA在功率密度为1.5 W· cm-2的808 nm近红外激光下照射15 min的8次光热冷却循环测试图; (d): LM@SA的光热转换效率图; (e): LM@SA、 LMs、 海藻酸钠水溶液在功率密度为1.5 W· cm-2的808 nm近红外激光下照射0、 1、 3、 5和7 min时的红外热成像照片Fig.5 Photothermal performance of LM@SA (a): Temperature change curves of LM@SA, liquid metal, sodium alginate aqueous solution and deionized water under 808 nm near-infrared laser irradiation at a power density of 1.5 W· cm-2 for 10 min; (b): Temperature change curves of LM@SA under 808 nm near-infrared laser irradiation at different power densities for 10 min; (c): Eight photothermal cooling cycles of LM@SA under 808 nm near-infrared laser irradiation at a power density of 1.5 W· cm-2 for 15 min; (d): Photothermal conversion efficiency of LM@SA; (e): Infrared thermal images of LM@SA, LMs and sodium alginate aqueous solution under 808 nm near-infrared laser irradiation at a power density of 1.5 W· cm-2 for 0, 1, 3, 5 and 7 min

通过对LM@SA在功率密度为1.5 W· cm^-2的808 nm近红外激光下照射15 min 进行8次重复光热冷却循环测试[图5(c)]来探究LM@SA的光热稳定性。 如图5(c)所示, LM@SA在进行8次光热冷却循环测试中照射15 min后所能提升的温度情况接近, 之后开始降温, 在30 min时降温情况基本一致, 同时通过数学计算8次平行实验的温度标准差: 在加热到10 min时温度标准差为0.78 ℃; 在加热到15 min 时温度标准差为0.66 ℃; 冷却到30 min时温度标准差为0.86 ℃。 计算结果表明温度标准差不到1 ℃, 非常小, 这意味着在8次循环实验中结果基本保持一致, 这说明LM@SA的光热稳定性良好, 不会出现重复测试温度下降明显的情况^{[34, 38]}。 根据光热实验所得结果我们做出了LM@SA的光热转换效率图如图5(d)所示, 根据光热转换效率计算公式^{[39, 40, 41]}

$\eta=\frac{h_{s}\left(T_{\mathrm{Max}}-T_{\mathrm{Sur}}~~~\right)-Q_{\mathrm{Dis}}}{I\left(1-10^{-\mathrm{A} \mathrm{\lambda}}~~~\right)}$

式中, T_Max为光热剂所能达到的最高温度, T_Sur为光热剂所处的环境温度, Q_Dis表示塑料电池本身吸收的光耗散的热量, I为入射激光的输入能量, A_λ 为材料在波长为λ 时的吸收。 式中只有h_s为未知数。 为了获得h_s, 引入了参数θ : θ =(T-T_Sur)/(T_Max-T_Sur), 时间常数τ _s计算为: t=-τ _slnθ , 接着h_s计算为: h_s=(m₀C₀)/(τ _s), 其中, m₀为溶剂的质量, C₀为溶剂的比热容。 最终可以计算出τ _s=359.4, R²=0.938 3, η =41.9%。 LM@SA的光热转换效率为41.9%, 光热转换效率较高, 证明LM@SA具有非常好的光热性能。 用红外相机拍摄LM@SA、 LMs、 海藻酸钠水溶液在功率密度为1.5 W· cm^-2的808 nm近红外激光下照射0、 1、 3、 5和7 min 时的红外热成像照片如图5(e)所示, 从LM@SA的红外热成像照片中观察到随着近红外激光照射时间的增加, LM@SA中心部位升温明显, 最高温度呈现为白色, 在照射7 min时能达到74 ℃。 从LMs的红外热成像照片中观察到随着近红外激光照射时间的增加, LMs的边缘部位升温明显, 可能是由于液态金属的红外反射效应^[42]所导致的, 表面温度明显高于中心部位, 最高温度呈现为白色, 在照射7 min 时能达到56 ℃。 从SA的红外热成像照片中观察到随着近红外激光照射时间的增加, SA中心部位升温明显, 最高温度呈现为白色, 在照射7 min 时所能达到的温度为40 ℃, 明显低于LM@SA和LMs所能达到的温度。 从图中可以看出LM@SA的温度提升效果最好, 对比LMs和SA其所能升高的温度更高, LM@SA对热分散, 热量分布均匀, LMs和SA散热不好, 红外热成像照片更好地说明了LM@SA的优异光热性能。