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方法文章

具有光热特性的电活性聚合物纳米颗粒

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DOI：

10.3791/53631

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2016年1月8日

 ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  , 
1Materials Science, Engineering, and Commercialization Program, Texas State University, 2Department of Chemistry and Biochemistry, Texas State University, 3Department of Biomedical Engineering, The University of Texas at Austin

本文内容

摘要

本文介绍了一种由电活性聚合物组成的纳米粒子的合成与制备方案。

摘要

本文演示了一种电活性聚合物的合成方法，首先通过三步反应合成具有扩展共轭结构的单体，最后一步为Negishi偶联反应。Negishi偶联是一种交叉偶联反应，其中化学前体首先发生锂化反应，随后与ZnCl2进行转金属化反应。所得的有机锌化合物可与二溴代芳香前体偶联，生成共轭单体。通过该单体的电化学聚合可制备聚合物薄膜，并利用循环伏安法和紫外-可见-近红外（UV-Vis-NIR）光谱法对其进行表征。纳米颗粒（NPs）则通过该单体的乳液聚合制备，采用双表面活性剂体系，得到聚合物纳米颗粒的水相分散液。对纳米颗粒的表征采用动态光散射、电子显微镜和UV-Vis-NIR光谱法。通过细胞活力实验评估纳米颗粒的细胞相容性。最后，使用近红外（NIR）激光照射纳米颗粒悬浮液，以评估其作为光热治疗（PTT）潜在材料的有效性。

引言

电活性聚合物会改变其性质（颜色、导电性、反应性、体积、 等等。在电场存在的情况下。电活性聚合物因其快速的响应时间、可调性、耐用性和轻质特性，已被提出用于多种应用，包括替代能源、传感器、电致变色器件和生物医学装置。电活性聚合物可作为柔性、轻质的电池和电容器电极，具有潜在的应用价值。1 电活性聚合物在电致变色器件中的应用包括建筑和汽车的防眩光系统、太阳镜、防护眼镜、光存储器件以及智能纺织品。2-5 智能窗可通过按需阻挡特定波长的光来降低能耗，并保护住宅和汽车内部。智能纺织品可用于服装，以帮助抵御紫外线辐射。6 导电聚合物也开始被用于医疗设备中。在生物医学设备所使用的导电聚合物中，聚吡咯（PPy）、聚苯胺（PANI）和聚（3,4-乙烯二氧噻吩）（PEDOT）是最常见的几种。例如，这类聚合物通常用作生物传感器设备中的换能器。7 在治疗递送方面的应用也显示出前景；已有研究证明，从由电活性聚合物制备的器件中可实现药物和治疗性蛋白的释放。8-12 近年来，电活性聚合物已被用作光热治疗中的治疗剂。13-15 在光热治疗中，光热剂必须吸收近红外（NIR）区域（约700−900 nm）的光，该区域也被称为治疗窗口，此处光在组织中的穿透深度最大，通常可达1 cm。16,17 在此波段范围内，血红蛋白、氧合血红蛋白、脂质和水等生物发色团几乎不吸收光，从而使光能够轻易穿透。当光热剂在此治疗窗口吸收光时，光能即转化为光热能。

Irvin 及其同事此前曾报道过采用根岸偶联反应合成的烷氧基取代双EDOT苯单体18。根岸偶联反应是形成碳-碳键的优选方法，该方法具有多种优势，包括使用有机锌中间体，其毒性较低，且通常比其他有机金属试剂具有更高的反应活性19,20。有机锌化合物还与有机卤化物上的多种官能团具有良好的相容性20。在根岸偶联反应中，有机卤化物与有机金属试剂在钯(0)催化剂的作用下发生偶联20。在本研究中，该交叉偶联方法被用于合成1,4-二烷氧基-2,5-双(3,4-亚乙二氧基噻吩基)苯（BEDOT-B(OR)2）单体。这些单体随后可通过电化学或化学方法 facile 地聚合，生成的聚合物在生物医学应用中具有广阔前景。

用于生物医学应用的胶体聚合物水相悬浮液的传统制备方法通常包括先将块状聚合物溶解，随后采用纳米沉淀法或乳液-溶剂蒸发法。21,22 为了制备聚(BEDOT-B(OR)的纳米颗粒2），本文展示了一种自下而上的方法，其中纳米颗粒通过以下方式合成： 原位 乳液聚合。乳液聚合是一种易于放大的、相对较快的纳米颗粒制备方法。22 已有研究报道采用乳液聚合法制备其他导电聚合物纳米颗粒，如聚吡咯（PPy）和聚（3,4-乙撑二氧噻吩）（PEDOT）。15,23,24 例如，PEDOT 纳米颗粒已通过喷雾乳液聚合法制备。24 该方法难以重复，通常会产生较大的微米级颗粒。本文所述方案探讨采用滴加超声法，以可重复地制备100 nm的聚合物纳米颗粒。

在此方案中，电活性聚合物经过定制，可吸收近红外（NIR）区域的光，类似于先前报道的聚(BEDOT-B(OR)2) 通过Negishi偶联反应合成了单体，并利用核磁共振（NMR）和紫外-可见-近红外（UV-Vis-NIR）光谱对其进行了表征，以验证其在电致变色器件及光热治疗（PTT）剂中的应用潜力。随后描述了在水相介质中通过氧化乳液聚合法制备纳米颗粒（NP）胶体悬浮液的方法。该过程基于Han先前报道的两步乳液聚合工艺。 等 应用于不同单体的处理。采用双表面活性剂体系控制纳米颗粒的单分散性。通过细胞活力实验评估纳米颗粒的细胞相容性。最后，通过近红外激光照射，验证这些纳米颗粒作为光热治疗换能器的潜力。

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方案

注意：使用前请查阅所有相关的安全数据表（SDS）。这些合成过程中使用的多种试剂可能具有危险性。请采取一切适当的安全措施，包括佩戴个人防护装备（护目镜、手套、实验服、长裤和不露脚趾的鞋子），并在通风橱中进行合成操作。锂化反应尤其危险，应仅由经过适当培训并在监督下的人员操作。

1. 单体合成

注意：图1展示了前体和单体的化学合成路线，其合成方法在第1.2至1.5节中描述。

  1. 材料
    1. 参照先前方法纯化EDOT25。
    2. 用乙酸乙酯重结晶高氯酸四丁基铵（TBAP），并在真空下干燥24小时。在使用前48小时内，按照Hoye 等26所述方法滴定正丁基锂（nBuLi，己烷中2.5 M）以确定其实际浓度。
    3. 在使用前于100 °C下干燥硫酸镁和碳酸钾24小时。本方案中使用的其他化学品均按原样使用。
  2. 1,4-二烷氧基苯的合成
    注意：图1A展示了使用1-溴己烷制备1,4-二己氧基苯的方法。
    1. 将一个经烘箱干燥的三颈圆底烧瓶装配上橡胶隔膜、氩气进气接头以及连接至鼓泡器的带有气体出口接头的冷凝管。在密封前向烧瓶中加入搅拌子。
    2. 使用聚氯乙烯（PVC）管将进气接头连接至施兰克线，并用氩气吹扫圆底烧瓶。
    3. 向圆底烧瓶中加入12.5 g（113.5 mmol）对苯二酚，并在20 ml无水四氢呋喃（THF）中搅拌溶解。
    4. 另取一个单颈圆底烧瓶，将14 g（250 mmol）KOH溶于30 ml乙醇中，搅拌至完全溶解。
    5. 溶解后，用注射器缓慢将KOH溶液加入三颈圆底烧瓶中。让混合物继续搅拌1小时。
    6. 1小时后，向反应混合物中加入250 mmol的1-溴代烷烃。
    7. 在氩气氛围下加热回流并持续搅拌24小时。
    8. 24小时后，使反应混合物冷却至室温，加入15 ml去离子水和10 ml二氯甲烷。
    9. 将混合物转移至分液漏斗中，分离有机层，并用10 ml去离子水洗涤三次。
    10. 用15 g MgSO4干燥有机层15分钟。
    11. 通过滤纸进行减压过滤，除去MgSO4。
    12. 在50 °C和21 kPa条件下使用旋转蒸发仪除去溶剂，得到呈粗品白色固体的1,4-二烷氧基苯。
    13. 通过加入适量热乙醇使粗产物完全溶解进行重结晶。溶解后，将烧瓶置于冰浴中诱导结晶。
    14. 通过滤纸减压过滤收集晶体，并用冷乙醇洗涤。
    15. 在室温下真空干燥晶体24小时，并在氩气氛围下保存以备后续使用。该方法可制得1,4-二己氧基苯。
    16. 通过熔点测定以及1H和13C核磁共振（NMR）波谱法对产物进行表征27。
  3. 含酯基团的1,4-二烷氧基苯的合成
    注意：图1B展示了使用4-溴丁酸乙酯制备1,4-二烷氧基苯的化学路线。
    1. 将一个经烘箱干燥的三颈圆底烧瓶装配上橡胶隔膜、氩气进气接头以及连接至鼓泡器的带有玻璃出口接头的冷凝管。在密封前向烧瓶中加入搅拌子。
    2. 使用PVC管将进气接头连接至施兰克线，并用氩气吹扫。
    3. 称取1.88 g（93.5 mmol）KI和15.69 g（93.3 mmol）K2CO3，加入圆底烧瓶中。
    4. 加入25 ml无水N,N-二甲基甲酰胺（DMF），搅拌至盐类完全溶解。
    5. 溶解后，向反应混合物中加入2.5 g（18.7 mmol）对苯二酚，继续搅拌至完全溶解。
    6. 当所有固体溶解后，加入46.8 mmol的溴代烷基烷酸酯；在氩气氛围下加热回流并持续搅拌24小时。
    7. 停止加热，使反应混合物冷却至室温。
    8. 将反应混合物转移至分液漏斗中，加入水（20 ml）和乙酸乙酯（20 ml）以萃取有机层。分离有机层，并用水（每次20 ml）洗涤三次。
    9. 用15 g MgSO4干燥有机层15分钟。干燥后，通过滤纸减压过滤除去MgSO4。
    10. 在100 °C和21 kPa条件下使用旋转蒸发仪除去溶剂。将粗产物在室温下真空干燥过夜。
    11. 通过加入适量热乙醇使产物完全溶解进行重结晶。溶解后，将烧瓶冷却于冰中，使晶体析出。通过减压过滤收集产物，并用冷乙醇洗涤。
    12. 在室温下真空干燥晶体24小时，并在氩气氛围下保存以备后续使用。该方法可制得1,4-双(丁酰氧基乙酯)苯。
    13. 通过熔点测定以及1H和13C核磁共振（NMR）波谱法对产物进行表征28。
  4. 1,4-二烷氧基-2,5-二溴苯的合成
    注意：1,4-二烷氧基-2,5-二溴苯的制备化学路线如图1A和1B所示。
    1. 将一个干燥的三颈圆底烧瓶装配上氩气进气口、一个顶部配有玻璃塞或橡胶隔膜的恒压滴液漏斗，以及连接至塑料管的出口，塑料管末端连接一个倒置的玻璃漏斗并悬于1 M NaOH溶液上方。
    2. 在该圆底烧瓶中，将218 mmol的1,4-二烷氧基苯溶于二氯甲烷（15 ml）中。
    3. 另取一个250 ml烧瓶，加入12 ml（598 mmol）Br2，并用二氯甲烷（12 ml）稀释。
    4. 将Br2/二氯甲烷溶液转移至恒压滴液漏斗中。在2小时内，于氩气氛围下边搅拌边将Br2溶液逐滴加入三颈圆底烧瓶中。
    5. 加料完毕后，在持续通入氩气的条件下继续搅拌过夜。
    6. 通过加入去离子水（20 ml）淬灭反应，然后将混合物倒入分液漏斗中。
    7. 分离有机层，并用去离子水（每次20 ml）洗涤三次。用15 g MgSO4干燥有机层15分钟。
    8. 通过滤纸减压过滤除去MgSO4，并在75 °C和21 kPa条件下使用旋转蒸发仪除去溶剂。
    9. 通过加入适量热乙醇使粗品1,4-二烷氧基-2,5-二溴苯完全溶解进行纯化。溶解后，将烧瓶冷却于冰中，使晶体析出。通过减压过滤收集产物，并用冷乙醇洗涤。
    10. 将纯化后的产物在室温下真空干燥过夜，并在氩气氛围下保存。
    11. 通过熔点测定以及1H和13C核磁共振（NMR）波谱法对产物进行表征27,28。
  5. 1,4-二烷氧基-2,5-二溴苯与3,4-乙烯二氧噻吩（EDOT）的根岸偶联反应
    注意：图1C展示了1,4-二烷氧基-2,5-二溴苯与EDOT发生根岸偶联反应生成单体M1和M2的过程。
    1. 将一个洁净的三颈圆底烧瓶装配上橡胶隔膜、一个带有连接至氩气的进气流量控制接头的冷凝管，以及一个连接至鼓泡器的出气流量控制接头。
    2. 使用厚壁PVC管将进气接头连接至施兰克线。开始向反应烧瓶中通入氩气数分钟。
    3. 使用本生灯在真空下火焰干燥装置，并用氩气置换三次，以确保无氧环境。
    4. 称取1.07 g（10 mmol）纯化的EDOT，通过插入隔膜的注射器加入反应烧瓶中。用20 ml无水THF稀释EDOT，并在氩气氛围下搅拌。
    5. 使用干冰/丙酮浴将含有EDOT溶液的烧瓶冷却15分钟至−78 °C。
    6. 15分钟后，在保持温度为−78 °C的条件下，缓慢逐滴加入11 mmol的正丁基锂己烷溶液。在−78 °C下继续搅拌反应1小时。
      注意：nBuLi的确切浓度应在使用前通过滴定确定，方法见第1.1节。
    7. 搅拌1小时后，移除干冰/丙酮浴。
    8. 移除浴液后立即逐滴加入14.13 ml的1.0 M ZnCl2溶液。在室温下继续搅拌反应1小时。
    9. 搅拌1小时后，向反应混合物中加入4 mmol的1,4-二烷氧基-2,5-二溴苯和0.08 mmol的四（三苯基膦）钯（0）。
    10. 将反应混合物置于油浴中加热回流（70 °C）。
    11. 使用薄层色谱法（TLC）监测反应进程：每天用注射器取少量（0.2 ml）反应混合物，滴入2 ml 1 M HCl中使其沉淀。用2 ml CHCl3萃取，将萃取液点样于硅胶TLC板上，同时点样EDOT和相应的1,4-二烷氧基-2,5-二溴苯溶液作为对照。以60:40的乙酸乙酯:己烷为展开剂展开。
    12. 当反应完成后，使反应混合物冷却至室温。加入10 ml 1 M HCl淬灭反应，随后加入二氯甲烷（20 ml）。
    13. 转移至分液漏斗中，分离有机层。
    14. 用去离子水洗涤有机层，直至洗涤水不再呈酸性。使用pH试纸检测洗涤水的酸碱性。
    15. 用15 g MgSO4干燥有机层，过滤后在50 °C和21 kPa条件下使用旋转蒸发仪除去溶剂，得到呈黄色至橙色固体的粗品扩展共轭单体（M1或M2）。
    16. 使用热的3:1乙醇:苯溶液（适用于M1）或7:2己烷:苯溶液（适用于M2）对粗产物进行重结晶。加入适量热溶剂混合物使固体完全溶解。溶解后，将烧瓶冷却于冰中，使晶体析出。通过减压过滤收集产物，并用冷乙醇洗涤。
    17. 在室温下真空干燥产物24小时。在避光及氩气氛围下保存。
    18. 通过熔点测定以及1H和13C核磁共振（NMR）波谱法对产物进行表征18。

2. 电化学

  1. 电聚合
    1. 在50 ml容量瓶中，用无水乙腈（CH3CN）配制100 mM的四丁基高氯酸铵（TBAP）电解质溶液。
    2. 在10 ml容量瓶中，以100 mM TBAP/CH3CN溶液为稀释液，配制10 mM单体（M1或M2）溶液。
    3. 将银丝（准参比电极）和铂片（对电极）放入已烘干的电化学池中。
    4. 插入新抛光的铂纽扣电极（直径2 mm2）作为工作电极。确保铂纽扣电极底部不接触电化学池底部。
    5. 向电化学池中加入足够的单体电解质溶液，确保三个电极的末端均浸入溶液中。
    6. 通过浸入溶液中的针头缓慢通入氩气5分钟，以除去溶液中的氧气。
    7. 将针头抬高至液面上方2 mm处，并在整个实验过程中持续通入氩气，以在溶液上方维持氩气保护层。
    8. 将电极连接至电化学工作站，通过在-1.5 V至+1.0 V电位范围内以100 mV/sec的扫描速率循环扫描五次，开始聚合反应。
    9. 记录此过程中的电流输出，以获得循环伏安图。
  2. 聚合物电化学
    1. 在铂纽扣工作电极上沉积聚合物膜后，将所有电极从单体电解质溶液中取出，并用不含单体的电解质溶液（3 ml）轻轻冲洗。
    2. 将电极转移至洁净的电化学池中，加入足量的不含单体的电解质溶液，确保三个电极的末端均浸入溶液中。
    3. 将电极连接至电化学工作站。在-1.5 V至+1.0 V电位范围内以50 mV/sec的扫描速率循环扫描两次。
    4. 分别在100、200、300和400 mV/sec的扫描速率下重复实验。每次实验均记录电流输出，以生成循环伏安图。
  3. 用于紫外-可见-近红外光谱和光热研究的电聚合膜的制备
    1. 按照上述第2.1节所述方法制备聚合物膜，此次使用氧化铟锡（ITO）镀膜玻璃片作为工作电极。在100 mV/sec的扫描速率下循环5次生长聚合物膜。
    2. 聚合物沉积完成后，将电极从单体溶液中取出，并用乙腈（5 ml）冲洗。
    3. 在进行光谱研究前，将聚合物膜保存在乙腈中。

3. 纳米颗粒制备

图2展示了通过乳液聚合法制备纳米颗粒的流程示意图。

  1. 在玻璃小瓶中配制1 ml 2% (w/v) 聚（4-苯乙烯磺酸-共-马来酸）（PSS-co-MA）水溶液。向小瓶中加入一个小磁力搅拌子。此为水相。
  2. 在微量离心管中配制100 µl 浓度为16 mg/ml的单体氯仿溶液。
  3. 通过将0.03 g 十二烷基苯磺酸（DBSA）溶解于100 µl 单体溶液中来制备有机相。使用自动涡旋混合器混合有机相30–60分钟，以确保溶液均匀。
  4. 在磁力搅拌下，将有机相以每份10 µl 的方式逐滴加入水相中，直至用完全部有机相体积。每次加样之间继续搅拌60秒。
  5. 加入2 ml 水稀释混合物。从小瓶中取出搅拌子。
  6. 将小瓶浸入冰浴中，使用探头式超声仪对乳液进行超声处理，总时长20秒，分两次进行，每次10秒，超声振幅为30%。
  7. 将样品小瓶从冰浴中取出，重新放入搅拌子，继续搅拌乳液。
  8. 向单体乳液中加入3.8 µl 浓度为100 mg/ml的FeCl3水溶液。持续搅拌条件下反应1小时，使聚合反应进行。本方案可得到由PSS-co-MA稳定的聚合物纳米颗粒（NPs）。
  9. 将纳米颗粒悬浮液从磁力搅拌器上取下，转移至7 ml 离心管中。在75,600 × g 条件下离心3分钟；收集上清液，弃去沉淀。
  10. 使用截留分子量为100 kDa的透析袋对上清液透析24小时。

4. 聚合物薄膜和纳米颗粒的表征

注意：通过紫外-可见-近红外光谱法对聚合物薄膜和纳米颗粒进行表征，并利用动态光散射、zeta 电位分析和电子显微镜对纳米颗粒进行表征。

  1. 测定聚合物在紫外-可见-近红外光谱中的吸收29
    1. 纳米颗粒悬浮液：将悬浮液转移至石英比色皿中，在 300 – 1,000 nm 范围内以 5 nm 的扫描间隔采集光谱。
    2. 氧化态聚合物薄膜：将涂覆有聚合物的 ITO 玻璃片转移至石英比色皿中，并用无水乙腈填充比色皿。向乙腈中加入 2 滴 FeCl3（100 mg/ml，溶于 CHCl3）溶液，混合均匀以确保聚合物薄膜完全氧化。在 300 – 1,000 nm 范围内以 5 nm 的扫描间隔采集光谱。
    3. 还原态聚合物薄膜：将涂覆有聚合物的 ITO 玻璃片转移至比色皿中，并用无水乙腈填充比色皿。向液体中加入一滴肼，混合均匀以确保聚合物薄膜完全还原。在 300 – 1,000 nm 范围内以 5 nm 的扫描间隔采集光谱。
  2. 利用动态光散射（DLS）测定纳米颗粒尺寸30
    1. 开启 DLS 仪器，并预热 15 分钟。
    2. 将纳米颗粒悬浮液用水稀释至浓度为 0.01 mg/ml，并置于一次性聚苯乙烯比色皿中。
    3. 将比色皿放入检测仪中，开始测量。
  3. 测定纳米颗粒的Zeta电位31
    1. 开启Zeta电位仪器，并预热30分钟。
    2. 通过将200 μl纳米颗粒悬浮液稀释于800 μl的10 mM KCl溶液中制备样品。
    3. 用700 μl样品填充一次性聚苯乙烯比色皿。
    4. 将Zeta电位电极插入样品中，确保电极之间或激光光路中无气泡残留。
    5. 将比色皿放入仪器中，并按照软件提示运行测量。
  4. 利用扫描电子显微镜（SEM）测定纳米颗粒尺寸32
    1. 将10 μl纳米颗粒悬浮液滴加到硅片上，使其自然干燥。
    2. 对干燥后的纳米颗粒进行溅射镀膜，覆盖2 nm厚的铱层。
    3. 在5 mm的工作距离和5 kV的电压下对样品进行成像。

5. 研究纳米颗粒的细胞相容性

注意：所有细胞操作均应在生物安全柜（层流罩）中进行，以防止环境中的细菌、酵母或真菌污染细胞，同时保护操作者免受潜在传染性疾病的危害。所有与细胞接触的溶液和用品均应为无菌状态。应采用正确的无菌细胞培养技术。

  1. 使用添加10%胎牛血清的杜氏改良伊格尔培养基（DMEM）作为生长培养基，在37 °C、5% CO2的CO2培养箱中，将SKOV-3卵巢癌细胞培养于T75培养瓶中。
  2. 以每孔5,000个细胞的密度将细胞接种至96孔板中，并在37 °C、CO2培养箱中培养24小时。
  3. 使用前立即用完全生长培养基将纳米颗粒（NP）悬浮液稀释至1 mg/ml的浓度。
  4. 将NP悬浮液通过无菌0.2-μm滤膜过滤，并用添加1%青霉素/链霉素的完全生长培养基稀释至所需的暴露浓度（2–500 μg/ml）。
  5. 轻轻吸去96孔板中各孔的培养基，替换为100 μl不同暴露浓度的NP悬浮液；对于阳性和阴性细胞相容性对照组，则替换为100 μl不含NP的培养基。每种条件设置6个复孔。
  6. 在下一步操作前立即配制0.5 mg/ml的3-(4,5-二甲基噻唑-2-基)-2,5-二苯基四氮唑溴盐（MTT）溶液，溶剂为不含酚红的DMEM，并通过无菌0.2-μm滤膜进行无菌过滤。
  7. 让纳米颗粒与细胞共孵育所需时间（通常为24或48小时）后，小心吸去各孔中的NP悬浮液。
  8. 立即根据以下条件更换培养基：
    1. 对于阴性细胞相容性对照组，向6个孔中各加入100 μl甲醇，静置至少5分钟；甲醇处理后，吸去甲醇，替换为100 μl经无菌过滤的0.5 mg/ml MTT溶液（溶于不含酚红的DMEM中）。
    2. 对于阳性对照组和经NP处理的样品组，直接替换为100 μl经无菌过滤的0.5 mg/ml MTT溶液（溶于不含酚红的DMEM中）。
  9. 将细胞在培养箱中继续孵育2至4小时。孵育结束后，在显微镜下观察细胞中是否形成甲臜晶体。
  10. 小心吸去MTT溶液，每孔加入100 μl二甲基亚砜（DMSO）。
  11. 将96孔板置于摇床上，振荡数分钟以促进甲臜晶体充分溶解。
  12. 测定各孔在590 nm（甲臜产物的最大吸收波长）和700 nm（基线）处的吸光度。
  13. 将每孔在590 nm处的吸光度减去其在700 nm处的吸光度（基线校正）。
  14. 将校正后的吸光度除以阳性对照组的平均吸光度，并乘以100，换算为百分比。
  15. 计算每种条件下细胞存活率的平均值及标准差。

6. 光热转换研究

注意：本研究采用 Pattani 和 Tunell 之前描述的激光系统。33

  1. 纳米颗粒悬液的光热转换
    1. 将纳米颗粒用去离子水稀释至所需浓度。
    2. 取100 μl纳米颗粒悬液加入96孔板的一个孔中，将孔板置于维持在25 °C的加热板上。
    3. 开启激光器电源，预热数分钟。本研究中使用的是额定功率最高为1 W的光纤耦合808 nm激光二极管。
    4. 通过光纤将激光束引导至样品台，使用凸透镜将激光束发散至所需的光斑尺寸。
    5. 使用标准功率计测量输出功率，并调节至1 W/cm2。
    6. 开启红外相机（InSb红外相机（FLIR Systems SC4000）），设置感兴趣区域（ROI）光斑，用于读取激光聚焦处6 mm光斑的温度。
    7. 将待测孔置于激光束焦点位置，记录样品的初始基线温度。开启激光器，持续照射该孔5分钟，同时记录温度变化。
    8. 照射5分钟后，关闭激光器，并继续记录孔内温度，直至其冷却恢复至初始基线温度。
      注意：每种悬液重复加热和冷却三次，计算随时间变化的平均温度变化。以25 °C的去离子水代替纳米颗粒悬液作为光热转换的阴性对照。
  2. 聚合物薄膜的光热转换
    1. 将涂覆聚合物的ITO玻璃载玻片转移至维持在25 °C的加热板上。
    2. 开启激光器电源，预热数分钟。本研究中使用的是额定功率最高为1 W的光纤耦合808 nm激光二极管。
    3. 通过光纤将激光束引导至样品台，使用凸透镜将激光束发散至所需的光斑尺寸。
    4. 使用标准功率计测量输出功率，并调节至1 W/cm2。
    5. 开启红外相机（InSb红外相机（FLIR Systems SC4000）），设置感兴趣区域（ROI）光斑，用于读取激光聚焦处6 mm光斑的温度。
    6. 将薄膜置于激光束焦点位置，记录样品的初始基线温度。开启激光器，持续照射样品5分钟，同时记录温度变化。
    7. 照射5分钟后，关闭激光器，并继续记录样品温度，直至其冷却恢复至初始基线温度。
      注意：每种薄膜重复加热和冷却三次，计算随时间变化的平均温度变化。以25 °C的空白ITO载玻片作为光热转换的阴性对照。

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结果

生成 M1 和 M2 的反应方案如图 1所示。单体可通过1H 和 13C NMR 波谱、熔点及元素分析进行表征。1H NMR 谱图可提供原子连接方式及其电子环境的信息，因此常用于常规验证反应是否成功完成。Negishi 偶联反应涉及苯环与 EDOT 的偶联，导致苯环质子峰从 7.1 ppm 位移至 7.8 ppm。噻吩环上的质子也会发生向上场位移，移至 6.5 ppm。亚乙基二氧桥碳上的四个质子将在 4.3 ppm 处分裂为两组多重峰。脂肪族碳上的质子信号则无明显变化。13C NMR 谱图中，噻吩环碳原子在 170、145、140 和 113 处出现峰，苯环碳原子在 150、120 和 112 处出现峰。脂肪族碳原子的化学位移无明显变化。M2 的化学结构、1H NMR 和 13C NMR 谱图如图 3所示。

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讨论

在本研究中，合成了具有电活性的聚合物纳米颗粒（NPs），作为癌症治疗中潜在的光热治疗（PTT）试剂。文中描述了这些纳米颗粒的制备过程，首先合成单体，然后进行乳液聚合。尽管已有文献报道过使用如EDOT和吡咯等电活性聚合物制备纳米颗粒的方法，但本文首次描述了以具有扩展共轭结构的独特单体为起始材料制备聚合物纳米颗粒的过程，证明该方法可拓展应用于更大、更复杂的单体体系。

合成二烷氧基苯单体需要采用两种不同的路线。1,4-二己氧基苯可使用KOH/EtOH法合成，但该方法在合成1,4-双(乙基丁酰氧基)苯时失败，最可能的原因是碱促进的酯水解反应。当采用KI/K2CO3混合物时，可避免水解，成功获得产物。两种二烷氧基苯的溴化均使用Br2完成。该反应必须在流动氩气氛围下进行，以排出反应过程中生成的HBr。气体出口应通入中和用的NaOH溶液，防止HBr腐蚀通风橱部件；需注意HBr可能随时间推移导致塑料管路硬化。

使用Negishi偶联反应合成了BEDOT-B(OR)2<...

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披露

作者无任何利益冲突需要披露。

致谢

本工作部分由德克萨斯州新兴技术基金（初创项目资助，资助对象为 TB）、德克萨斯州立大学研究增强计划、德克萨斯州立大学博士研究奖学金（资助对象为 TC）、美国国家科学基金会材料领域的研究与教育合作伙伴关系计划（PREM，项目编号 DMR-1205670）、韦尔奇基金会（项目编号 AI-0045）以及美国国立卫生研究院（项目编号 R01CA032132）资助。

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材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
2 mm直径铂工作电极CH InstrumentsCH102使用极细砂纸抛光
3,4-乙烯二氧噻吩Sigma-Aldrich483028通过真空蒸馏纯化
3-(4,5-二甲基噻唑-2-基)-2,5-二苯基氯化四氮唑（MTT）98%Alfa AesarL11939
505型超声波破碎仪Fisher Scientific™ FB505110配备1/8“探头，额定功率500 瓦
808 nm激光二极管ThorLabsL808P1WJ额定功率1 W
无水乙腈 99%Acros61022-0010
Avanti J-26 XPIBeckman Coulter393127
溴己烷 98%MP Biomedicals202323
透析膜（100,000 截留分子量）SpectrumLabsG235071
二甲基亚砜 99%（DMSO）BDHBDH1115
无水二甲基甲酰胺（DMF）99%Acros326870010
十二烷基苯磺酸（DBSA） TCID0989
Dulbecco’s改良伊格尔培养基（DMEM） Corning10-013 CV
EMS 150 TES溅射镀膜仪Electron Microscopy Sciences
乙醇（EtOH）100%BDHBDH1156
4-溴丁酸乙酯（98%）Acros173551000
乙酸乙酯 99%FisherUN1173
胎牛血清（FBS）Corning35-010-CV
Helios NanoLab 400FEI
正己烷FisherH306-4
盐酸（HCl）FisherA142-212
对苯二酚 99.5%Acros120915000
无水肼 98%Sigma-Aldrich215155
氧化铟锡（ITO）镀膜玻璃Delta TechnologiesCG-41IN-CUV4-8 Ω/方
氯化铁 97% FeCl3Sigma-Aldrich157740
硫酸镁（MgSO4）Fisher593295在100 °C下干燥
SKOV-3ATCCHTB-26
甲醇BDHBHD1135
正丁基锂（2.5 M） Sigma-Aldrich230707易燃
聚（苯乙烯磺酸-共-马来酸）（PSS-co-MA）分子量20,000Sigma-Aldrich434566
碳酸钾Sigma-Aldrich209619在100 °C下干燥
氢氧化钾Alfa AesarA18854
碘化钾FisherP410-100
RO-5磁力搅拌器IKA-Werke
SC4000红外相机FLIR
Synergy H4多功能微孔板检测仪Biotek
高氯酸四丁基铵（TBAP）99%Sigma-Aldrich3579274通过乙酸乙酯重结晶纯化
无水四氢呋喃（THF）99%Sigma-Aldrich401757
四（三苯基膦）钯（0）Sigma-Aldrich216666对湿气敏感
恒温混匀仪Eppendorf
USB恒电位仪/恒电流仪WaveNowAFTP1
Zetasizer Nano ZsMalvern光学配置175°
氯化锌（1 M）ZnCl2Acros370057000

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