哑铃形NaYF4:Yb,Tm@NaGdF4:Eu@NH2-MIL-53(Fe)核壳纳米复合物的优化合成与性能

《Molecules》：Optimized Synthesis and Properties of Dumbbell-Shaped NaYF4:Yb,Tm@NaGdF4:Eu@NH2-MIL-53(Fe) Core–Shell Nanocomposite

　　

癌症诊疗（theranostics）迫切需要能够同时实现高灵敏度成像和多模态协同治疗的多功能纳米材料。本研究设计并合成了一种三层核壳纳米复合物NaYF₄:Yb,Tm@NaGdF₄:Eu@NH₂-MIL-53(Fe)。NaYF₄:Yb,Tm纳米颗粒核心在近红外（NIR）激发下提供上转换发光，并可作为光动力治疗（PDT）的激发源。研究人员引入外延生长的NaGdF₄:Eu中间壳层以增强发光并提供T₁加权磁共振成像（MRI）能力。随后包覆最外层的NH₂-MIL-53(Fe)金属有机框架（MOF）壳层，以提供潜在的化学动力治疗（CDT）能力。研究人员考察了Eu³⁺掺杂浓度、反应温度、反应时间以及油酸（OA）/1-十八烯（ODE）比例对哑铃形貌各向异性生长的影响，以确定最佳条件。在最佳条件下（10 mol% Eu³⁺，300 °C，60 min，OA/ODE = 4:16），获得了形貌规整、尺寸均匀且上转换发光最强的核壳纳米晶。聚乙烯吡咯烷酮（PVP）介导的表面功能化成功诱导了NH₂-MIL-53(Fe)外壳的原位生长，从而构建出作为潜在诊疗平台的三层核壳纳米复合物。多种表征证实，所得复合物集上转换发光、顺磁性和羟基自由基生成能力于一体，表明其在近红外驱动的双模态成像引导协同治疗方面具有潜力。

癌症是全球主要死因之一，世界卫生组织2022年统计显示全球每年约2000万新发病例和近1000万死亡病例。传统化疗受限于耐药性、毒副作用和肿瘤异质性，难以满足精准医学对个性化、高效低毒治疗策略的需求。癌症诊疗一体化（theranostics）将诊断与治疗功能集成于单一平台，有望实现治疗反应的实时监测和个体化方案调整。纳米技术的发展使多功能诊疗平台成为可能，但单一纳米颗粒难以同时满足多种功能要求，因此由不同功能单元组成的纳米复合物受到关注。上转换纳米颗粒（UCNPs）可将近红外（NIR）光转换为可见或紫外发射，具有窄发射带、长发光寿命、高光稳定性和低自发荧光背景等优点，但其高比表面积导致表面缺陷引起的荧光淬灭；核壳工程可有效抑制表面淬灭并调控掺杂剂分布，其中Gd³⁺的顺磁性还可提供磁共振成像（MRI）潜力。铁基MOF材料MIL-53(Fe)具有高比表面积，可在酸性肿瘤微环境中降解释放Fe³⁺，用于潜在的化学动力治疗（CDT），但单用MIL-53(Fe)缺乏成像能力。因此，将UCNPs与MIL-53(Fe)复合可实现功能互补，但仍需在MRI灵敏度、多色荧光追踪和多功能协同方面进一步优化。

研究人员设计并合成了三层核壳纳米复合物NaYF₄:Yb,Tm@NaGdF₄:Eu@NH₂-MIL-53(Fe)。以NaYF₄:Yb,Tm为核提供上转换发光和光动力治疗激发源；NaGdF₄:Eu中间壳层增强发光并提供T₁加权MRI能力；NH₂-MIL-53(Fe)外壳提供CDT潜力。通过系统优化Eu³⁺掺杂量、反应温度、反应时间和油酸/1-十八烯比例，获得了最佳形貌和发光性能；PVP修饰成功诱导MOF外壳原位生长。结果表明，最佳条件为10 mol% Eu³⁺、300 °C、60 min、OA/ODE = 4:16，此时核壳纳米晶形貌规整、结晶度高且上转换发光最强。所得复合物兼具上转换发光、顺磁性和羟基自由基生成能力，表明其在NIR驱动的双模态成像引导协同治疗方面具有潜力，为多功能诊疗纳米平台的设计提供了可行策略。

关键技术方法：采用溶剂热法合成油酸包覆的NaYF₄:Yb,Tm核，随后外延生长NaGdF₄:Eu壳层，并系统调控Eu³⁺掺杂量、反应温度、反应时间及OA/ODE比例。优化后的核壳纳米晶经稀HCl去除油酸配体，与聚乙烯吡咯烷酮（PVP）作用实现表面功能化，再在N,N-二甲基甲酰胺中加入FeCl₃·6H₂O和2-氨基对苯二甲酸，通过原位生长包覆NH₂-MIL-53(Fe)壳。采用透射电子显微镜（TEM）、X射线衍射（XRD）、荧光光谱、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、X射线光电子能谱（XPS）、扫描透射电子显微镜-能谱（STEM-EDS）、电子自旋共振（ESR）和振动样品磁强计（VSM）对形貌、结构、发光及磁性进行表征。

研究结果如下：

2.1 合成策略：研究人员设计了从核到壳的分步合成路线，利用上转换纳米颗粒作为生长基底有效抑制了MOF在溶液中的均相成核，最终获得分层核壳复合物。

2.2 NaYF₄:Yb,Tm的形貌与结构分析：TEM显示所制核为六方相、尺寸26.50 ± 0.98 nm且分散良好；XRD衍射峰与标准六方相NaYF₄（JCPDS No. 28-1192）一致，证明成功合成了六方相核，为后续壳层外延生长奠定了基础。

2.3 Eu³⁺掺杂量对形貌和性能的影响：TEM显示低掺杂量下颗粒形貌规则，高掺杂量（15%、20%）时出现哑铃形各向异性生长；XRD证实壳层为β-NaGdF₄（JCPDS No. 27-0699），随Eu³⁺浓度增加结晶尺寸减小、结晶度下降；荧光光谱显示10 mol% Eu³⁺时上转换发光最强，过高掺杂导致晶格应变和缺陷，加剧非辐射复合。

2.4 OA/ODE体积比对形貌和性能的影响：TEM显示OA/ODE = 8:12时包覆不完全且有游离颗粒，4:16时形貌规则、单分散最佳，2:18时团聚明显；XRD显示4:16时衍射峰最尖锐，结晶度最高；荧光强度在4:16时达到最大，表明该比例实现了配体钝化与晶体生长的平衡。

2.5 反应温度对形貌和性能的影响：280 °C时无完整壳层形成，300 °C获得完整六方核壳结构，310 °C转变为哑铃形；XRD显示300 °C时衍射峰最强且无杂峰，结晶度最佳；荧光光谱在300 °C时强度最高，说明该温度下外延生长完全抑制了均相成核并减少了表面缺陷。

2.6 反应时间对形貌和性能的影响：30 min时包覆不完全，60 min形成完整核壳结构（平均尺寸36.55 ± 1.