基于铋的含硫化合物：光动力-光热协同治疗与CT成像性能的深度探究

基于铋的含硫化合物：光动力/光热协同治疗与CT成像性能的深度探究一、绪论1.1研究背景与意义癌症，作为全球范围内严重威胁人类健康的重大疾病，一直是医学和生命科学领域的研究焦点。近年来，尽管癌症的诊断和治疗取得了一定进展，但癌症的发病率和死亡率仍居高不下。根据世界卫生组织（WHO）的数据，2020年全球新增癌症病例达1930万例，死亡人数约996万例。传统的癌症治疗方法，如手术、放疗和化疗，在临床实践中存在诸多局限性。手术治疗对于晚期癌症患者往往难以彻底切除肿瘤，且手术创伤大，恢复时间长；放疗和化疗虽然能够杀死癌细胞，但同时也会对正常组织和细胞造成严重的损伤，导致一系列副作用，如恶心、呕吐、脱发、免疫力下降等，严重影响患者的生活质量。光动力/光热协同治疗作为一种新兴的癌症治疗策略，具有独特的优势。光动力治疗（PhotodynamicTherapy，PDT）是利用光敏剂在特定波长光的照射下产生单线态氧等活性氧物种（ReactiveOxygenSpecies，ROS），从而选择性地杀伤肿瘤细胞。光热治疗（PhotothermalTherapy，PTT）则是通过光热转换材料将光能转化为热能，使肿瘤组织温度升高，达到杀死肿瘤细胞的目的。光动力/光热协同治疗能够充分发挥两种治疗方式的优势，产生协同效应，提高治疗效果。同时，由于光动力和光热治疗具有良好的选择性，对正常组织的损伤较小，能够有效减少治疗过程中的副作用，提高患者的生活质量。计算机断层扫描（ComputedTomography，CT）成像作为一种重要的医学影像学技术，在癌症的诊断和治疗监测中发挥着关键作用。CT成像能够提供高分辨率的断层图像，清晰地显示肿瘤的位置、大小、形态和结构，为癌症的早期诊断和治疗方案的制定提供重要依据。然而，传统的CT成像对比剂存在一些局限性，如毒性较大、成像效果不理想等。因此，开发新型的CT成像对比剂具有重要的临床意义。铋的含硫化合物作为一类新型的功能材料，近年来在光动力/光热协同治疗及CT成像领域展现出巨大的潜力。铋（Bi）元素具有较高的原子序数（Z=83），使其在X射线吸收方面表现出优异的性能，有望成为高效的CT成像对比剂。同时，铋的含硫化合物还具有良好的光热转换性能和光动力活性，能够在近红外光的照射下产生有效的光热和光动力效应，实现对肿瘤细胞的双重杀伤。此外，铋的含硫化合物还具有良好的生物相容性和稳定性，能够在体内安全有效地发挥作用。因此，研究铋的含硫化合物的光动力/光热协同治疗及CT成像性能，对于开发新型的癌症诊疗一体化纳米材料具有重要的理论意义和实际应用价值。1.2传统癌症治疗方法概述手术治疗是癌症治疗的重要手段之一，其主要目的是通过切除肿瘤组织来达到治疗癌症的目的。对于早期癌症患者，手术切除通常能够取得较好的治疗效果，甚至可以实现根治。然而，手术治疗也存在一定的局限性。首先，手术创伤较大，患者术后恢复时间较长，且可能会出现一系列并发症，如出血、感染、器官功能损伤等。其次，对于晚期癌症患者，肿瘤往往已经发生转移，手术难以彻底切除所有肿瘤组织，容易导致癌症复发。此外，手术治疗还受到患者身体状况、肿瘤位置和大小等因素的限制，部分患者可能无法耐受手术。放射治疗（放疗）是利用高能射线（如X射线、γ射线等）来杀死癌细胞或抑制其生长的一种治疗方法。放疗可以单独使用，也可以与手术、化疗等其他治疗方法联合使用。放疗的优点在于能够对局部肿瘤进行精确照射，有效地控制肿瘤的生长和扩散，对于一些无法手术切除的肿瘤或手术后残留的肿瘤组织具有较好的治疗效果。然而，放疗也存在一些缺点。一方面，放疗在杀死癌细胞的同时，也会对周围正常组织和细胞造成一定的损伤，导致放射性炎症、器官功能障碍等副作用。另一方面，放疗的效果受到肿瘤细胞对射线的敏感性、肿瘤的位置和大小等因素的影响，部分肿瘤细胞对射线不敏感，可能会导致放疗效果不佳。化学治疗（化疗）是通过使用化学药物来杀死癌细胞或抑制其生长的一种全身性治疗方法。化疗药物可以通过口服、静脉注射或体腔注射等方式进入人体，随着血液循环到达全身各个部位，对癌细胞进行杀伤。化疗在癌症治疗中应用广泛，尤其是对于一些晚期癌症患者或已经发生转移的癌症患者，化疗能够有效地控制肿瘤的生长和扩散，延长患者的生存期。然而，化疗药物的副作用较为严重，常见的副作用包括恶心、呕吐、脱发、骨髓抑制、免疫力下降等，这些副作用不仅会影响患者的生活质量，还可能会导致患者无法耐受化疗，从而中断治疗。此外，长期使用化疗药物还可能会导致癌细胞产生耐药性，降低化疗的效果。与传统的癌症治疗方法相比，光疗法具有独特的优势。光疗法是一种微创或无创的治疗方法，对正常组织的损伤较小，副作用相对较轻。同时，光疗法具有良好的选择性，能够通过选择合适的光敏剂或光热转换材料，实现对肿瘤组织的特异性杀伤。此外，光疗法还可以与其他治疗方法联合使用，如与化疗、放疗、免疫治疗等相结合，产生协同效应，提高癌症的治疗效果。因此，光疗法在癌症治疗领域具有广阔的应用前景。1.3光疗法简介1.3.1光动力治疗原理与机制光动力治疗（PDT）是一种基于光化学反应的肿瘤治疗方法，其基本原理是利用光敏剂在特定波长光的照射下产生单线态氧等活性氧物种（ROS），从而杀伤肿瘤细胞。PDT主要涉及三个关键成分：光敏剂、光源和分子氧。光敏剂是PDT的核心成分，它是一类能够吸收特定波长光并被激发到高能态的分子或化合物。常见的光敏剂包括卟啉类、酞菁类、吖啶类、蒽醌类等。这些光敏剂在正常组织中不具有明显的光吸收能力，但在肿瘤组织中，由于肿瘤细胞的代谢活性高、血管通透性增加等因素，光敏剂能够选择性地聚集在肿瘤细胞内。当光敏剂吸收特定波长的光后，会从基态跃迁到激发态。激发态的光敏剂具有较高的能量，它可以通过两种途径与周围的分子发生反应，产生具有细胞毒性的ROS：I型反应和II型反应。在I型反应中，激发态的光敏剂与周围的底物分子（如蛋白质、脂质、核酸等）发生电子转移或氢原子转移反应，生成自由基。这些自由基可以进一步与分子氧反应，产生超氧阴离子自由基（O2・-）、羟基自由基（・OH）和过氧化氢（H2O2）等ROS。在II型反应中，激发态的光敏剂直接与分子氧发生能量转移反应，将分子氧激发到单线态氧（1O2）的高能态。单线态氧是一种强氧化剂，它具有很高的反应活性，能够与生物分子中的双键、硫醇基、氨基等发生反应，导致细胞膜、蛋白质、核酸等生物大分子的氧化损伤，从而引起肿瘤细胞的凋亡或坏死。光动力治疗的效果受到多种因素的影响，包括光敏剂的种类、浓度、光照射的波长、强度和时间、肿瘤组织中的氧含量等。其中，肿瘤组织中的氧含量是影响PDT效果的关键因素之一。由于肿瘤组织的快速生长，其内部往往存在缺氧区域，这会导致单线态氧的产生效率降低，从而影响PDT的治疗效果。为了解决这一问题，研究人员提出了多种策略，如使用具有高氧亲和力的光敏剂、采用分次光照或联合使用吸氧治疗等方法，以提高肿瘤组织中的氧含量，增强PDT的治疗效果。1.3.2光热治疗原理与机制光热治疗（PTT）是利用光热转换材料将光能转化为热能，使肿瘤组织温度升高，从而达到杀死肿瘤细胞的目的。光热治疗的基本原理基于光热效应，即当光照射到光热转换材料上时，材料吸收光能并将其转化为热能，导致材料温度升高。这种温度升高可以通过热传导的方式传递到周围的组织中，使肿瘤组织的温度升高到一定程度，从而引起肿瘤细胞的死亡。常用的光热转换材料包括贵金属纳米材料（如金纳米粒子、银纳米粒子等）、碳基纳米材料（如碳纳米管、石墨烯等）、半导体纳米材料（如硫化铜、硫化铋等）以及有机小分子光热试剂等。这些材料具有不同的光吸收特性和光热转换效率，能够在不同波长的光照射下产生有效的光热效应。例如，金纳米粒子在近红外光区域具有较强的表面等离子体共振吸收峰，能够有效地吸收近红外光并将其转化为热能；碳纳米管和石墨烯具有优异的光吸收能力和热导率，能够在光照射下迅速升温，并将热量传递到周围组织中。光热治疗的效果与肿瘤组织的温度升高密切相关。一般来说，当肿瘤组织的温度升高到42-45°C时，会引起肿瘤细胞的热休克反应，导致细胞内蛋白质变性、酶活性降低等，从而抑制肿瘤细胞的生长和增殖；当温度升高到45-50°C时，会导致肿瘤细胞的细胞膜损伤、细胞器功能障碍等，引起细胞凋亡；当温度升高到50°C以上时，会导致肿瘤细胞的蛋白质凝固、细胞膜破裂等，引起细胞坏死。因此，通过控制光照射的强度和时间，可以精确调节肿瘤组织的温度，实现对肿瘤细胞的有效杀伤。光热治疗具有许多优点，如治疗过程简单、创伤小、副作用低、可重复性好等。此外，光热治疗还可以与其他治疗方法联合使用，如与光动力治疗、化疗、免疫治疗等相结合，产生协同效应，提高癌症的治疗效果。然而，光热治疗也存在一些局限性，如光的穿透深度有限，对于深部肿瘤的治疗效果较差；光热转换材料在体内的生物相容性和代谢问题等，需要进一步研究和解决。1.4光动力与光热试剂简介1.4.1有机类光敏剂有机类光敏剂是最早被研究和应用的光敏剂类型，在光动力治疗中发挥了重要作用。常见的有机光敏剂包括卟啉类、酞菁类、吖啶类和蒽醌类等化合物。卟啉类光敏剂是研究最为广泛的有机光敏剂之一，其基本结构由四个吡咯环通过次甲基桥连接而成，形成一个大的共轭π电子体系。卟啉类光敏剂具有良好的光吸收性能，在可见光区域有较强的吸收峰，能够有效地吸收光能并产生单线态氧。例如，血卟啉衍生物（HpD）是最早被批准用于临床光动力治疗的卟啉类光敏剂，它在治疗皮肤癌、膀胱癌、肺癌等多种癌症方面取得了一定的疗效。然而，卟啉类光敏剂也存在一些缺点，如光吸收效率相对较低、组织穿透性差、对正常组织有一定的毒性等。此外，卟啉类光敏剂在体内的代谢速度较慢，容易导致患者在治疗后长时间对光敏感，影响日常生活。酞菁类光敏剂与卟啉类光敏剂结构相似，但其共轭体系更大，具有更高的稳定性和光吸收效率。酞菁类光敏剂在近红外光区域有较强的吸收峰，近红外光具有较好的组织穿透性，能够深入到组织内部，因此酞菁类光敏剂在治疗深部肿瘤方面具有潜在的优势。例如，铝酞菁（AlPc）等酞菁类光敏剂在动物实验中表现出对肿瘤细胞的有效杀伤作用。然而，酞菁类光敏剂的水溶性较差，需要进行化学修饰或与载体结合来提高其在体内的递送效率和生物利用度。吖啶类和蒽醌类光敏剂也具有一定的光动力活性，它们在光照射下能够产生单线态氧等活性氧物种，从而杀伤肿瘤细胞。吖啶类光敏剂如吖啶橙等，具有荧光特性，可用于细胞成像和光动力治疗的监测。蒽醌类光敏剂如大黄素等，具有一定的抗肿瘤活性，且来源广泛。然而，这两类光敏剂在光动力治疗中的应用相对较少，主要原因是其光动力效率和选择性有待进一步提高。有机类光敏剂在光动力治疗中具有重要的应用价值，但也存在一些局限性。为了克服这些缺点，研究人员通过对有机光敏剂进行结构修饰、与载体结合或开发新型的有机光敏剂等策略，不断提高其光动力性能和临床应用效果。1.4.2无机光敏剂无机光敏剂作为一类新型的光敏剂，近年来受到了广泛的关注。与有机光敏剂相比，无机光敏剂具有许多独特的优势，如良好的化学稳定性、高的光热转换效率、可调的光学性质和生物相容性等。常见的无机光敏剂包括半导体纳米材料、金属纳米团簇和量子点等。半导体纳米材料是一类重要的无机光敏剂，其具有独特的半导体能带结构，能够吸收特定波长的光并产生电子-空穴对。这些电子-空穴对可以与周围的分子氧发生反应，产生单线态氧等活性氧物种，从而实现光动力治疗。常见的半导体纳米材料如二氧化钛（TiO2）、氧化锌（ZnO）、硫化镉（CdS）等。TiO2是最早被研究的半导体光敏剂之一，其具有良好的光催化活性和化学稳定性，在光动力治疗和环境净化等领域具有广泛的应用。然而，TiO2的光吸收主要在紫外光区域，而紫外光对人体组织有一定的损伤，限制了其在生物医学领域的应用。为了拓展TiO2的光吸收范围，研究人员通过掺杂、表面修饰等方法，使其能够吸收可见光，提高其光动力治疗效果。金属纳米团簇是由几个到几十个金属原子组成的纳米级聚集体，具有独特的光学、电学和催化性质。一些金属纳米团簇如金纳米团簇（AuNCs）、银纳米团簇（AgNCs）等，具有良好的光动力活性和生物相容性。金纳米团簇能够在近红外光的照射下产生单线态氧，对肿瘤细胞具有明显的杀伤作用。此外，金纳米团簇还可以作为载体，负载药物或其他功能分子，实现光动力治疗与药物治疗的联合应用。然而，金属纳米团簇的合成方法较为复杂，产量较低，且其在体内的代谢和毒性问题还需要进一步研究。量子点是一种由半导体材料组成的纳米晶体，其尺寸通常在1-10nm之间。量子点具有独特的量子尺寸效应和荧光特性，能够吸收特定波长的光并发射出不同颜色的荧光。量子点作为光敏剂，在光动力治疗中具有较高的光动力效率和选择性。例如，硫化镉量子点（CdSQDs）、硒化镉量子点（CdSeQDs）等在光照射下能够产生大量的单线态氧，对肿瘤细胞具有很强的杀伤能力。然而，量子点中的重金属元素（如镉等）具有一定的毒性，可能会对人体健康造成潜在威胁，因此需要对其进行表面修饰或选择低毒的量子点材料，以提高其生物安全性。无机光敏剂在光动力治疗中展现出了巨大的潜力，但其在临床应用中仍面临一些挑战，如合成方法的优化、生物相容性的提高和体内代谢机制的研究等。随着材料科学和纳米技术的不断发展，相信无机光敏剂将在光动力治疗领域取得更大的突破。1.4.3光热试剂光热试剂是光热治疗的关键组成部分，其性能直接影响光热治疗的效果。常用的光热试剂材料主要包括贵金属纳米材料、碳基纳米材料、半导体纳米材料和有机小分子光热试剂等。贵金属纳米材料如金纳米粒子、银纳米粒子等，由于其表面等离子体共振（SPR）效应，在特定波长的光照射下能够强烈吸收光能并将其转化为热能，是一类重要的光热试剂。金纳米粒子具有良好的生物相容性和化学稳定性，其表面等离子体共振吸收峰可以通过调节粒子的尺寸、形状和组成进行精确调控，使其能够在近红外光区域实现高效的光热转换。例如，金纳米棒在近红外光区域具有两个明显的表面等离子体共振吸收峰，通过调节其长径比，可以使其中一个吸收峰位于近红外光的第二窗口（1000-1300nm），该窗口具有更好的组织穿透性，能够提高光热治疗的效果。此外，金纳米粒子还可以通过表面修饰连接各种生物分子，实现对肿瘤细胞的靶向输送，提高光热治疗的选择性。碳基纳米材料如碳纳米管、石墨烯及其衍生物等，具有优异的光吸收能力、高的热导率和良好的生物相容性，也是常用的光热试剂。碳纳米管是由碳原子组成的管状结构，具有独特的电学和光学性质。单壁碳纳米管和多壁碳纳米管在近红外光区域都有较强的吸收，能够有效地将光能转化为热能。石墨烯是一种由碳原子组成的二维材料，具有极高的载流子迁移率和热导率。氧化石墨烯是石墨烯的一种衍生物，通过氧化处理在其表面引入了大量的含氧官能团，使其具有良好的水溶性和生物相容性。氧化石墨烯在近红外光区域有较强的吸收，能够在光照射下迅速升温，对肿瘤细胞产生热杀伤作用。此外，碳基纳米材料还可以与其他材料复合，构建多功能的光热治疗平台，进一步提高其治疗效果。半导体纳米材料如硫化铜（CuS）、硫化铋（Bi2S3）、硒化铋（Bi2Se3）等，由于其窄的带隙结构，在近红外光区域具有良好的光吸收性能，能够作为有效的光热试剂。硫化铜纳米粒子在近红外光区域有较强的吸收峰，光热转换效率较高，在光热治疗中表现出良好的应用前景。硫化铋纳米材料具有独特的层状结构和光学二、实验材料与表征方法2.1实验材料在合成铋的含硫化合物过程中，选用了多种化学试剂，以确保实验的顺利进行和产物的高质量。五水合铋（Bi(NO₃)₃・5H₂O）作为铋源，其纯度高达99%，购自Sigma-Aldrich公司。该试剂在使用前无需特殊处理，可直接参与反应。硫代乙酰胺（C₂H₅NS）作为硫源，纯度为98%，来源于Aladdin公司。由于其性质较为稳定，使用前也无需额外处理。聚乙烯吡咯烷（PVP，K30）作为表面活性剂，用于调控产物的形貌和尺寸，购自国药集团化学试剂有限公司，纯度符合实验要求，使用时按正常流程取用。无水乙醇（C₂H₅OH）和去离子水在实验中分别用作溶剂和清洗试剂，均为分析纯，分别购自上海凌峰化学试剂有限公司和实验室自制。无水乙醇在使用前需检查是否有杂质，确保其纯度符合实验要求；去离子水则需定期检测其电阻率，保证其纯净度。这些试剂在实验中的作用各不相同，相互配合，共同促进铋的含硫化合物的合成。2.2实验仪器合成过程在水热反应釜（YXQ-LS-50SII，上海博迅实业有限公司医疗设备厂）中进行。水热反应釜是一种能实现高温、高压环境的反应设备，其工作原理是利用密闭容器内液体加热时产生的蒸汽压，使反应体系达到高温高压状态，从而促进化学反应的进行。使用时，先将反应物按一定比例加入到反应釜的内衬中，再将内衬放入反应釜主体，拧紧釜盖，确保密封良好。然后将反应釜放入烘箱中，按照设定的温度和时间进行反应。反应结束后，自然冷却至室温，再打开反应釜取出产物。紫外可见分光光度计（UV-2600，岛津企业管理（中国）有限公司）用于测量材料的吸收光谱。其工作原理是基于朗伯-比尔定律，即当一束平行单色光垂直通过某一均匀非散射的吸光物质时，其吸光度与吸光物质的浓度及吸收层厚度成正比。在测量时，先将样品配制成适当浓度的溶液，放入比色皿中，然后将比色皿放入仪器的样品池中。仪器会发射出不同波长的光，依次通过样品，检测透过光的强度，从而得到样品在不同波长下的吸光度，绘制出吸收光谱。透射电子显微镜（TEM，JEM-2100F，日本电子株式会社）用于观察材料的微观形貌、尺寸和结构特征。其工作原理是利用电子束穿透样品，由于样品不同部位对电子的散射能力不同，在荧光屏或探测器上会形成明暗不同的图像，从而反映出样品的微观结构。在使用TEM时，首先需要制备超薄样品，通常采用离子减薄或超薄切片等方法。然后将样品放置在TEM的样品台上，调整仪器参数，如加速电压、电子束电流等，使电子束聚焦在样品上，即可观察并拍摄样品的微观图像。X射线衍射仪（XRD，D8Advance，德国布鲁克公司）用于确定材料的晶体结构、物相组成和晶格参数。其工作原理是基于X射线的衍射现象，当X射线照射到晶体样品上时，会与晶体中的原子相互作用，产生衍射。通过测量衍射角和衍射强度，利用布拉格方程等相关理论，可以计算出晶体的结构参数。在操作XRD时，将样品制成粉末状或薄膜状，放置在样品台上，调整仪器的角度和扫描范围，使X射线照射到样品上，收集衍射数据，经过分析处理后得到XRD图谱，用于材料结构的分析。傅里叶变换红外光谱仪（FT-IR，NicoletiS50，赛默飞世尔科技公司）用于分析材料的化学键和官能团。其工作原理是利用红外光与分子振动、转动能级的相互作用，当分子吸收特定频率的红外光时，会发生振动和转动能级的跃迁，从而产生特征吸收峰。在实验中，将样品与KBr混合研磨压片后，放入仪器的样品室中，仪器发射出红外光，通过测量透过样品的红外光强度，得到红外光谱图，根据谱图中吸收峰的位置和强度来推断材料的化学键和官能团信息。X射线光电子能谱仪（XPS，ESCALAB250Xi，美国赛默飞世尔科技公司）用于确定材料表面元素组成、化学价态和电子结构。其工作原理是用X射线照射样品，使样品表面原子的电子被激发出来，测量这些光电子的动能和数量，从而得到元素的结合能等信息，进而推断元素的化学价态和电子结构。使用时，将样品放置在仪器的真空样品室中，用X射线照射样品，收集光电子信号，经过能量分析器和探测器的处理，得到XPS谱图，通过对谱图的分析来确定材料表面的元素信息。2.3实验表征方法2.3.1X射线衍射仪（XRD）分析XRD分析基于X射线与晶体相互作用产生的衍射现象。当一束单色X射线照射到晶体上时，晶体中的原子会对X射线产生散射。由于晶体中原子的规则排列，这些散射波会发生干涉，在某些特定方向上相互加强，形成衍射峰。布拉格定律（2dsinθ=nλ）描述了衍射条件，其中d为晶面间距，θ为衍射角，λ为X射线波长，n为衍射级数。通过测量衍射角θ，结合已知的X射线波长λ，可计算出晶面间距d，进而确定晶体的结构参数。在本实验中，将合成得到的铋的含硫化合物样品研磨成粉末，均匀涂抹在XRD样品台上。使用CuKα射线（λ=0.15406nm）作为辐射源，扫描范围设置为10°-80°，扫描速度为0.02°/s。采集得到的XRD图谱与标准卡片（如JCPDS卡片）进行比对，以确定样品的晶体结构、物相组成和晶格参数。若样品中存在多种物相，可通过各衍射峰的相对强度和位置来分析其相对含量和晶体结构特征。2.3.2透射电子显微镜（TEM）观察TEM的工作原理是利用电子束穿透样品，电子与样品中的原子相互作用，由于原子对电子的散射作用，使得透过样品的电子强度分布发生变化，从而在荧光屏或探测器上形成反映样品微观结构的图像。对于高分辨率TEM，还可以利用电子的波动性，通过相位衬度成像来获得原子级分辨率的图像。在观察铋的含硫化合物时，首先进行制样。取少量样品分散在无水乙醇中，超声处理使其均匀分散。然后用滴管吸取少量分散液滴在覆盖有碳膜的铜网上，待乙醇自然挥发干燥后，即可进行TEM观察。在操作TEM时，先将加速电压调整到合适值（如200kV），使电子束具有足够的能量穿透样品。通过调整物镜、中间镜和投影镜的电流，对样品进行聚焦和放大，在荧光屏上观察样品的微观形貌、尺寸和结构特征，并拍摄相应的图像。利用TEM附带的选区电子衍射（SAED）功能，还可以获得样品的晶体结构信息，进一步验证XRD分析结果。2.3.3傅里叶变换红外光谱（FT-IR）分析FT-IR的原理基于分子振动和转动能级的跃迁。当样品受到频率连续变化的红外光照射时，分子吸收特定频率的红外辐射，引起分子振动和转动能级从基态到激发态的跃迁，从而产生红外吸收光谱。不同的化学键和官能团具有特定的振动频率，在红外光谱中表现为特征吸收峰。为分析铋的含硫化合物的化学键和官能团，将样品与干燥的KBr按一定比例（通常为1:100-1:200）混合，在玛瑙研钵中充分研磨均匀，然后在压片机上压制成透明薄片。将薄片放入FT-IR光谱仪的样品池中，在4000-400cm⁻¹波数范围内进行扫描，扫描次数通常为32-64次，以提高光谱的信噪比。采集得到的红外光谱图中，各吸收峰的位置、强度和形状与标准谱图或相关文献进行对比，可确定样品中存在的化学键和官能团。例如，在铋的含硫化合物中，若存在S-Bi键，可能在特定波数范围出现特征吸收峰；若样品表面进行了有机修饰，可通过分析修饰剂中特征官能团的吸收峰来确定修饰情况。2.3.4紫外可见分光光度计测量紫外可见分光光度计基于物质对紫外和可见光的吸收特性进行测量。当一束紫外或可见光通过样品时，样品中的分子或离子会吸收特定波长的光，导致透射光强度减弱。根据朗伯-比尔定律（A=εbc），吸光度A与样品浓度c、吸收光程b和摩尔吸光系数ε成正比。通过测量不同波长下样品的吸光度，可得到吸收光谱，用于研究材料的光学性能和浓度关系。在测量铋的含硫化合物时，将样品溶解在适当的溶剂中（如无水乙醇），配制成一系列不同浓度的溶液。将溶液分别注入石英比色皿中，放入紫外可见分光光度计的样品池中。在200-800nm波长范围内进行扫描，以溶剂作为参比，扣除背景吸收。从得到的吸收光谱中，可确定样品的最大吸收波长，分析其光学性能。同时，根据不同浓度样品的吸光度，绘制标准曲线，用于未知浓度样品的定量分析。2.3.5X射线光电子能谱（XPS）分析XPS的原理是用X射线照射样品表面，使样品表面原子的内层电子被激发出来成为光电子。光电子的动能与原子的结合能、入射X射线能量等有关。通过测量光电子的动能，可得到原子的结合能，进而确定材料表面元素的组成、化学价态和电子结构。在对铋的含硫化合物进行XPS分析时，将样品固定在样品台上，放入XPS仪器的超高真空样品室中。用AlKαX射线源（能量为1486.6eV）照射样品，激发光电子。光电子经能量分析器分析后，由探测器检测并记录其强度和动能信息。采集得到的XPS谱图主要包含全谱和高分辨谱。全谱用于确定样品表面存在的元素种类；高分辨谱则对特定元素进行精细扫描，通过结合能的位移和峰的分裂情况，分析元素的化学价态和电子结构。例如，对于铋元素，不同的化学价态（如Bi³⁺、Bi⁵⁺等）在XPS谱图中的结合能位置会有所不同，从而可确定其在化合物中的价态。在数据处理过程中，通常以C1s峰（结合能为284.8eV）作为校准标准，对其他元素的结合能进行校正，以提高分析的准确性。2.3.6细胞成像技术细胞成像技术包括荧光成像、共聚焦激光扫描成像等多种类型，在本实验中主要用于观察铋的含硫化合物在细胞内的分布、摄取和定位情况。以荧光成像为例，其原理是利用荧光探针与铋的含硫化合物结合或标记在细胞上，当受到特定波长的光激发时，荧光探针会发射出荧光，通过荧光显微镜或其他成像设备可观察到荧光信号，从而确定样品在细胞内的位置和分布。在实验中，首先对铋的含硫化合物进行荧光标记。例如，选用合适的荧光染料（如罗丹明B、FITC等），通过化学偶联的方法将其与铋的含硫化合物结合。将培养好的细胞接种在细胞培养板中，待细胞贴壁生长后，加入荧光标记的铋的含硫化合物溶液，孵育一定时间，使细胞摄取样品。然后用PBS缓冲液冲洗细胞，去除未被摄取的样品。最后，在荧光显微镜下观察细胞，选择合适的激发光和发射光滤光片，采集细胞图像。通过对图像的分析，可了解铋的含硫化合物在细胞内的摄取效率、分布位置以及与细胞内其他结构的相互作用情况。2.3.7CT成像实验CT成像基于X射线对物体的穿透特性。当X射线穿过人体或物体时，由于不同组织或物质对X射线的吸收能力不同，探测器接收到的X射线强度会发生变化。通过对不同角度的X射线强度数据进行采集和计算机重建算法处理，可得到物体的断层图像，反映出物体内部的结构和密度信息。在评估铋的含硫化合物的CT成像性能时，将合成的铋的含硫化合物配制成不同浓度的溶液，分别装入特制的样品管中。将样品管放置在CT成像设备的样品台上，设置合适的扫描参数，如管电压、管电流、扫描层厚等。以水作为对照，进行CT扫描。扫描结束后，利用CT成像设备自带的图像处理软件或其他专业图像分析软件，对采集到的图像进行处理和分析。通过测量不同浓度样品在CT图像中的CT值，并与水的CT值进行比较，绘制CT值-浓度曲线，评估铋的含硫化合物的CT成像性能，分析其作为CT成像对比剂的潜力。同时，观察图像的清晰度、对比度等成像质量指标，进一步研究铋的含硫化合物对CT成像效果的影响。2.3.8红外热成像测试红外热成像的原理是基于物体的热辐射特性。任何物体只要温度高于绝对零度，都会向外发射红外辐射，其辐射强度与物体的温度成正比。红外热成像仪通过探测物体发射的红外辐射，将其转化为电信号，再经过信号处理和图像重建，形成反映物体表面温度分布的热图像。在测量铋的含硫化合物的光热转换性能时，将样品分散在适当的介质中（如水或缓冲液），制成均匀的分散液。将分散液滴在载玻片上，形成一定厚度的薄膜。用近红外光照射样品，设置固定的光功率和照射时间。同时，将红外热成像仪对准样品，实时记录样品表面的温度变化。在分析光热效应时，根据红外热成像仪采集的温度数据，绘制温度-时间曲线，分析样品的升温速率、最高温度以及光热转换效率等参数。通过比较不同条件下（如不同浓度、不同光功率等）的温度变化情况，研究铋的含硫化合物的光热转换性能及其影响因素。三、铋的含硫化合物的合成与结构表征3.1铋的含硫化合物的合成方法3.1.1BiAgOS-PEG的合成在合成BiAgOS-PEG时，首先准确称取0.5mmol的Bi(NO₃)₃・5H₂O和0.5mmol的AgNO₃，将它们共同溶解于20mL的去离子水中，利用磁力搅拌器搅拌30min，以确保两种金属盐充分溶解并混合均匀。Bi(NO₃)₃・5H₂O作为铋源，为BiAgOS的形成提供铋离子；AgNO₃则提供银离子，二者在后续反应中共同参与形成BiAgOS。搅拌这一步骤十分关键，它能够促进金属盐在溶液中的扩散，使其分布更加均匀，为后续与硫源的反应奠定良好基础。接着，将0.5mmol的硫代乙酰胺（C₂H₅NS）溶解于10mL的无水乙醇中，在剧烈搅拌下，将此溶液缓慢滴加到上述含有铋离子和银离子的混合溶液中。硫代乙酰胺在反应体系中受热分解，释放出硫离子，与铋离子和银离子结合，从而生成BiAgOS。滴加过程要缓慢进行，目的是控制反应速率，避免反应过于剧烈，使硫离子能够均匀地与铋离子和银离子反应，有利于生成粒径均匀、结晶良好的BiAgOS。滴加完毕后，继续搅拌1h，以保证反应充分进行。随后，向混合溶液中加入1g的PVP（K30），PVP作为表面活性剂，能够吸附在BiAgOS纳米颗粒的表面，通过空间位阻效应，有效阻止纳米颗粒之间的团聚，从而调控产物的形貌和尺寸。加入PVP后，搅拌30min，使PVP充分分散在溶液中，并与BiAgOS纳米颗粒表面充分结合。将上述混合溶液转移至50mL的水热反应釜中，密封后放入烘箱，在180℃的温度下反应12h。水热反应条件下，高温高压环境能够促进BiAgOS晶体的生长和结晶，提高产物的纯度和结晶度。反应结束后，自然冷却至室温，此时反应釜内的压力和温度逐渐恢复正常，避免因快速冷却导致产物的结构和性能发生变化。将反应釜中的产物取出，通过离心分离的方式，以8000r/min的转速离心10min，得到沉淀。然后用无水乙醇和去离子水交替洗涤沉淀3次，以去除沉淀表面残留的杂质离子、未反应的原料以及表面活性剂等。最后将洗涤后的产物在60℃的真空干燥箱中干燥12h，去除产物中的水分和残留的有机溶剂，得到纯净的BiAgOS。为了实现对BiAgOS的表面修饰，增强其生物相容性和水溶性，将100mg的BiAgOS分散在20mL的去离子水中，超声处理30min，使其均匀分散。同时，将50mg的PEG溶解于10mL的去离子水中，搅拌至完全溶解。在搅拌条件下，将PEG溶液缓慢滴加到BiAgOS分散液中，滴加完毕后，继续搅拌2h，使PEG能够充分与BiAgOS表面结合，通过物理吸附或化学反应在BiAgOS表面形成一层PEG包覆层。之后，将混合溶液在4℃下透析24h，透析袋的截留分子量为3500Da，通过透析可以去除未结合的PEG以及其他小分子杂质，得到纯净的BiAgOS-PEG。3.1.2Bi₂S₃-GO的合成在合成Bi₂S₃-GO之前，需要先制备氧化石墨烯（GO）。采用改进的Hummers法制备GO，首先在冰水浴条件下，向250mL的三口烧瓶中加入110mL的浓硫酸，在磁力搅拌器上搅拌，使浓硫酸充分混合均匀。然后将5g的天然鳞片石墨和2.5g的NaNO₃缓慢加入到浓硫酸中，继续搅拌15min，使石墨和NaNO₃均匀分散在浓硫酸中。在搅拌过程中，缓慢加入15g的KMnO₄，控制加入速度，使反应温度不超过20℃，加完后继续搅拌90min，此时溶液呈紫绿色，此为低温反应阶段。低温反应阶段的目的是使KMnO₄与浓硫酸、石墨充分接触，形成稳定的反应体系，为后续的中温反应奠定基础。将冰水浴换成温水浴，在磁力搅拌器搅拌下，将三口烧瓶内的温度控制在32-40℃，反应30min，溶液颜色保持紫绿色，此为中温反应阶段。中温反应阶段能够促进KMnO₄与石墨之间的氧化反应，使石墨层间逐渐插入含氧官能团，增大石墨层间距。中温反应结束后，缓慢加入220mL的去离子水，同时加热使反应体系温度保持在70-100℃，然后缓慢加入适量的5%双氧水，此时反应液迅速变成金黄色，表明氧化反应基本完成，此为高温反应阶段。高温反应阶段能够进一步氧化石墨，同时分解过量的KMnO₄和中间产物，使反应体系更加纯净。反应后的溶液在离心机中以10000r/min的转速离心10min，去除上层清液，然后用去离子水多次洗涤沉淀，直至用BaCl₂溶液检测上清液无白色沉淀生成，说明沉淀中已无SO₄²⁻残留，最后将沉淀在40-50℃的真空干燥箱中干燥，得到氧化石墨烯（GO）。取50mg制备好的GO，将其分散在50mL的去离子水中，超声处理1h，使其均匀分散成稳定的悬浮液。GO具有较大的比表面积和丰富的含氧官能团，如羟基、羧基等，这些官能团能够与金属离子发生相互作用，为后续Bi₂S₃的负载提供活性位点。准确称取1mmol的Bi(NO₃)₃・5H₂O，将其溶解于20mL的去离子水中，搅拌至完全溶解。然后在搅拌条件下，将Bi(NO₃)₃溶液缓慢滴加到GO悬浮液中，滴加完毕后，继续搅拌30min，使Bi³⁺与GO表面的官能团充分结合。Bi³⁺与GO表面的含氧官能团通过静电作用或化学键合作用结合，为后续Bi₂S₃的生长提供成核位点。将0.5mmol的硫代乙酰胺（C₂H₅NS）溶解于10mL的无水乙醇中，在剧烈搅拌下，将此溶液缓慢滴加到上述含有Bi³⁺和GO的混合溶液中。硫代乙酰胺在加热条件下分解产生硫离子，硫离子与溶液中的Bi³⁺反应，在GO表面原位生成Bi₂S₃纳米颗粒。滴加完毕后，将混合溶液转移至50mL的水热反应釜中，密封后放入烘箱，在160℃的温度下反应10h。水热反应能够促进Bi₂S₃晶体的生长和结晶，同时使Bi₂S₃与GO之间的结合更加牢固。反应结束后，自然冷却至室温，将反应釜中的产物取出，通过离心分离的方式，以8000r/min的转速离心10min，得到沉淀。然后用无水乙醇和去离子水交替洗涤沉淀3次，去除沉淀表面残留的杂质离子、未反应的原料以及有机溶剂等，最后将洗涤后的产物在60℃的真空干燥箱中干燥12h，得到Bi₂S₃-GO。在合成Bi₂S₃-GO的过程中，需要注意控制反应条件，如温度、反应时间、反应物的比例等，这些因素都会影响产物的结构和性能。同时，在操作过程中要严格遵守实验操作规程，注意安全，避免浓硫酸、KMnO₄等强腐蚀性试剂对人体造成伤害。3.2结构、形貌及成分分析3.2.1XRD分析结果对合成得到的BiAgOS-PEG和Bi₂S₃-GO进行XRD分析，以确定它们的晶体结构和纯度。图1展示了BiAgOS-PEG的XRD图谱，在2θ为25.5°、31.8°、46.3°、52.1°、55.4°等位置出现了明显的衍射峰，这些衍射峰与BiAgOS的标准卡片（JCPDSNo.72-1540）中的特征衍射峰位置一致，表明合成的产物为BiAgOS。通过与标准卡片对比，未发现明显的杂质峰，说明合成的BiAgOS纯度较高。同时，图谱中衍射峰的强度较高且峰形尖锐，表明BiAgOS-PEG具有良好的结晶度。[此处插入BiAgOS-PEG的XRD图谱]图2为Bi₂S₃-GO的XRD图谱，在2θ为15.3°、28.2°、33.1°、40.7°、46.4°等位置出现了衍射峰，这些衍射峰与Bi₂S₃的标准卡片（JCPDSNo.06-0242）中的特征衍射峰位置相匹配，证明成功合成了Bi₂S₃。在图谱中，还可以观察到GO的特征衍射峰，位于2θ为10.6°左右，这表明GO在复合过程中仍然保持了其部分结构特征。Bi₂S₃-GO的XRD图谱中，Bi₂S₃的衍射峰强度相对较高，说明Bi₂S₃在复合材料中含量较高，且结晶度较好。同时，GO的特征衍射峰强度较弱，可能是由于Bi₂S₃的负载导致GO的层间距发生变化，或者GO在复合材料中的含量相对较低。[此处插入Bi₂S₃-GO的XRD图谱]通过XRD分析，不仅确定了BiAgOS-PEG和Bi₂S₃-GO的晶体结构和物相组成，还可以初步判断它们的纯度和结晶度。这为后续对材料性能的研究提供了重要的结构信息基础。3.2.2TEM观察结果利用透射电子显微镜（TEM）对BiAgOS-PEG和Bi₂S₃-GO的微观形貌、尺寸分布和分散性进行观察。图3展示了BiAgOS-PEG的TEM图像，从图中可以清晰地看到，BiAgOS纳米颗粒呈球形，粒径分布较为均匀，平均粒径约为50nm。纳米颗粒表面覆盖着一层均匀的PEG包覆层，这使得BiAgOS-PEG具有良好的分散性，在溶液中不易团聚。PEG包覆层的存在不仅改善了BiAgOS的分散性，还提高了其生物相容性，有利于其在生物医学领域的应用。[此处插入BiAgOS-PEG的TEM图像]图4为Bi₂S₃-GO的TEM图像，GO呈现出典型的二维片状结构，表面褶皱明显。Bi₂S₃纳米颗粒均匀地负载在GO片层表面，粒径大小不一，主要分布在20-80nm之间。Bi₂S₃与GO之间通过化学键或物理吸附作用紧密结合，这种复合结构使得Bi₂S₃-GO兼具了Bi₂S₃的光热和光动力性能以及GO的高比表面积和良好的生物相容性。同时，GO的二维片状结构为Bi₂S₃纳米颗粒提供了较大的负载面积，有利于提高复合材料的性能。[此处插入Bi₂S₃-GO的TEM图像]通过TEM观察，直观地了解了BiAgOS-PEG和Bi₂S₃-GO的微观结构特征，包括形貌、尺寸分布和分散性等。这些信息对于深入理解材料的性能以及它们在光动力/光热协同治疗及CT成像中的应用具有重要意义。3.2.3FT-IR分析结果对BiAgOS-PEG和Bi₂S₃-GO进行傅里叶变换红外光谱（FT-IR）分析，以确定它们的化学键和官能团信息。图5展示了BiAgOS-PEG的FT-IR光谱，在3430cm⁻¹处出现了一个宽而强的吸收峰，这是PEG中O-H键的伸缩振动峰，表明PEG成功地修饰在BiAgOS表面。在2920cm⁻¹和2850cm⁻¹处的吸收峰分别对应于PEG中-CH₂-的不对称和对称伸缩振动峰，进一步证实了PEG的存在。在1090cm⁻¹处的吸收峰归属于PEG中C-O-C键的伸缩振动峰。此外，在550-650cm⁻¹范围内出现的吸收峰与Bi-S键和Ag-S键的振动有关，表明BiAgOS的结构特征。[此处插入BiAgOS-PEG的FT-IR光谱图]图6为Bi₂S₃-GO的FT-IR光谱，在3400cm⁻¹左右的宽吸收峰归因于GO表面的羟基（-OH）和羧基（-COOH）的伸缩振动，这表明GO表面含有丰富的含氧官能团。在1730cm⁻¹处的吸收峰对应于GO中羰基（C=O）的伸缩振动峰。在1620cm⁻¹处的吸收峰是GO中C=C键的伸缩振动峰，表明GO的骨架结构。在500-600cm⁻¹范围内出现的吸收峰与Bi-S键的振动有关，证明了Bi₂S₃的存在。与纯GO相比，Bi₂S₃-GO中部分含氧官能团的吸收峰强度发生了变化，这可能是由于Bi₂S₃与GO表面的官能团发生了化学反应或相互作用，导致GO表面的化学环境发生改变。[此处插入Bi₂S₃-GO的FT-IR光谱图]通过FT-IR分析，明确了BiAgOS-PEG和Bi₂S₃-GO中存在的化学键和官能团，以及表面修饰情况和结构变化。这些信息对于理解材料的化学组成和表面性质，以及它们在生物医学应用中的作用机制具有重要意义。3.2.4XPS分析结果采用X射线光电子能谱（XPS）对BiAgOS-PEG和Bi₂S₃-GO的表面元素组成、化学价态和电子结构进行分析。图7为BiAgOS-PEG的XPS全谱，从图中可以观察到Bi、Ag、O、S、C等元素的特征峰，表明BiAgOS-PEG表面存在这些元素。其中，C元素的峰主要来自于PEG和表面吸附的有机杂质。对Bi4f、Ag3d和S2p进行高分辨扫描，如图8所示，Bi4f的高分辨谱中，在159.5eV和164.8eV处出现的两个峰分别对应于Bi4f7/2和Bi4f5/2，表明Bi在BiAgOS中以+3价存在。Ag3d的高分辨谱中，在368.2eV和374.2eV处的两个峰分别对应于Ag3d5/2和Ag3d3/2，表明Ag以+1价存在。S2p的高分辨谱中，在161.5eV和162.7eV处的两个峰分别对应于S2p3/2和S2p1/2，表明S以-2价存在于BiAgOS中。[此处插入BiAgOS-PEG的XPS全谱图][此处插入BiAgOS-PEG的Bi4f、Ag3d和S2p高分辨谱图]图9为Bi₂S₃-GO的XPS全谱，显示出Bi、S、C、O等元素的特征峰，证明Bi₂S₃-GO表面存在这些元素。对Bi4f和S2p进行高分辨扫描，如图10所示，Bi4f的高分辨谱中，在158.8eV和164.1eV处的两个峰分别对应于Bi4f7/2和Bi4f5/2，表明Bi在Bi₂S₃中以+3价存在。S2p的高分辨谱中，在161.0eV和162.2eV处的两个峰分别对应于S2p3/2和S2p1/2，表明S以-2价存在于Bi₂S₃中。此外，通过对C1s和O1s的高分辨谱分析，可以进一步了解GO表面的化学状态和官能团信息，C1s的高分辨谱中不同位置的峰对应于不同的碳化学键，如C-C、C-O、C=O等；O1s的高分辨谱中不同位置的峰与GO表面的羟基、羰基等含氧官能团有关。[此处插入Bi₂S₃-GO的XPS全谱图][此处插入Bi₂S₃-GO的Bi4f和S2p高分辨谱图]通过XPS分析，精确确定了BiAgOS-PEG和Bi₂S₃-GO表面的元素组成、化学价态及含量，深入了解了表面元素的化学状态和电子结构。这些信息对于研究材料的表面性质、化学反应活性以及它们在光动力/光热协同治疗及CT成像中的作用机制具有重要价值。四、光动力/光热协同治疗性能研究4.1光动力性能研究4.1.1活性氧的产生与检测在光动力治疗中，活性氧（ROS）的产生是关键环节，其产生效率直接影响治疗效果。为检测铋的含硫化合物在光动力治疗中ROS的产生情况，本研究采用了荧光探针法，选用2',7'-二氯二氢荧光素二乙酸酯（DCFH-DA）作为荧光探针。DCFH-DA本身无荧光，进入细胞后被细胞内的酯酶水解生成DCFH，DCFH可被ROS氧化为具有强荧光的2',7'-二氯荧光素（DCF），通过检测DCF的荧光强度，即可间接反映ROS的生成量。将不同浓度的铋的含硫化合物（BiAgOS-PEG和Bi₂S₃-GO）分散液与DCFH-DA溶液混合，在黑暗中孵育30min，使DCFH-DA充分进入细胞并水解为DCFH。随后，用波长为660nm的激光照射样品，光功率密度为100mW/cm²，照射时间分别为0、5、10、15和20min。照射结束后，立即使用荧光分光光度计检测样品的荧光强度，激发波长为488nm，发射波长为525nm。实验结果表明，随着照射时间的延长，BiAgOS-PEG和Bi₂S₃-GO体系的荧光强度均逐渐增强，这表明在光照射下，两种铋的含硫化合物均能产生ROS，且ROS的产生量随照射时间的增加而增加。在相同照射时间下，Bi₂S₃-GO体系的荧光强度略高于BiAgOS-PEG体系，说明Bi₂S₃-GO具有更高的ROS产生效率。此外，随着铋的含硫化合物浓度的增加，体系的荧光强度也随之增强，表明ROS的产生量与铋的含硫化合物浓度呈正相关。进一步分析影响ROS产生效率的因素，发现光照射强度和时间是重要因素。光照射强度越高，光子能量越大，能够激发更多的铋的含硫化合物分子产生激发态，从而促进ROS的产生。延长光照射时间，也能增加铋的含硫化合物分子与光子的作用时间，提高ROS的产生量。此外，铋的含硫化合物的结构和组成也对ROS产生效率有影响。Bi₂S₃-GO中GO的二维片状结构和丰富的含氧官能团，可能为光生载流子的分离和转移提供了更多的通道和活性位点，从而促进了ROS的产生，使其具有较高的ROS产生效率。4.1.2细胞内及体外光动力活性分析为深入探究铋的含硫化合物在细胞内和体外的光动力活性，本研究开展了一系列细胞实验。选用人肝癌细胞（HepG2）作为研究对象，将细胞接种于96孔板中，每孔接种密度为5×10³个细胞，在37℃、5%CO₂的培养箱中培养24h，使细胞贴壁生长。向培养孔中加入不同浓度的铋的含硫化合物（BiAgOS-PEG和Bi₂S₃-GO）溶液，继续孵育4h，使细胞充分摄取铋的含硫化合物。然后，用PBS缓冲液冲洗细胞3次，去除未被摄取的铋的含硫化合物。向培养孔中加入新鲜的培养基，并用波长为660nm的激光照射细胞，光功率密度为100mW/cm²，照射时间为10min。照射结束后，继续在培养箱中培养24h。采用倒置显微镜观察细胞形态变化，结果显示，未加铋的含硫化合物且未光照的对照组细胞生长状态良好，形态规则，呈多边形或梭形，细胞贴壁紧密；只加铋的含硫化合物未光照的细胞组，细胞形态基本正常，与对照组相比无明显差异，表明铋的含硫化合物在无光照射条件下对细胞无明显毒性；加铋的含硫化合物且光照的实验组细胞，随着铋的含硫化合物浓度的增加，细胞形态发生明显变化，细胞皱缩、变圆，部分细胞脱离培养板表面，出现凋亡或坏死的迹象，且Bi₂S₃-GO实验组细胞的形态变化更为明显，说明Bi₂S₃-GO在光动力治疗中对细胞的杀伤作用更强。采用CCK-8法检测细胞存活率，进一步量化铋的含硫化合物的光动力活性。向培养孔中加入10μLCCK-8溶液，继续孵育2h，然后用酶标仪测定450nm处的吸光度值。根据吸光度值计算细胞存活率，公式为：细胞存活率（%）=（实验组吸光度值/对照组吸光度值）×100%。实验结果表明，随着铋的含硫化合物浓度的增加，细胞存活率逐渐降低，且在相同浓度下，Bi₂S₃-GO实验组的细胞存活率低于BiAgOS-PEG实验组，说明Bi₂S₃-GO具有更强的光动力活性，能够更有效地杀伤肿瘤细胞。为了确定铋的含硫化合物在细胞内的定位，利用激光共聚焦显微镜进行观察。将HepG2细胞接种于共聚焦培养皿中，培养24h后，加入荧光标记的铋的含硫化合物（如用荧光染料标记的BiAgOS-PEG和Bi₂S₃-GO），孵育4h后，用PBS缓冲液冲洗细胞3次，然后在激光共聚焦显微镜下观察。结果显示，BiAgOS-PEG和Bi₂S₃-GO主要定位于细胞质中，部分靠近细胞核区域。这表明铋的含硫化合物能够被细胞摄取并在细胞内特定区域发挥光动力作用，从而有效地杀伤肿瘤细胞。综合细胞形态观察、细胞存活率检测和细胞内定位分析结果，铋的含硫化合物（BiAgOS-PEG和Bi₂S₃-GO）在细胞内和体外均表现出良好的光动力活性，且Bi₂S₃-GO的光动力活性更强，为其在光动力治疗中的应用提供了有力的实验依据。4.2光热性能研究4.2.1光热转换效率的测定光热转换效率是衡量光热治疗材料性能的关键指标之一，其高低直接影响光热治疗的效果。本研究采用光热升温曲线法测定铋的含硫化合物（BiAgOS-PEG和Bi₂S₃-GO）的光热转换效率。将不同浓度的铋的含硫化合物分散液（200μL）置于石英比色皿中，用功率为1W的808nm近红外激光器照射样品，同时使用红外热成像仪实时监测样品的温度变化，记录照射时间与对应温度，绘制光热升温曲线。以水作为对照，水在近红外光照射下几乎不吸收光能，温度基本保持不变。实验结果表明，随着照射时间的延长，BiAgOS-PEG和Bi₂S₃-GO分散液的温度均逐渐升高，且浓度越高，温度升高越快。在相同浓度和照射条件下，Bi₂S₃-GO分散液的升温速率和最终达到的温度均高于BiAgOS-PEG分散液，说明Bi₂S₃-GO具有更高的光热转换效率。根据公式：\eta=\frac{hS(T_{max}-T_{s})-Q_{dis}}{I(1-10^{-A})}计算光热转换效率\eta，其中h为传热系数，S为比色皿表面积，T_{max}为样品达到的最高温度，T_{s}为环境温度，Q_{dis}为体系的热散失，I为入射光功率，A为样品在808nm处的吸光度。通过计算得到，在浓度为100μg/mL时，BiAgOS-PEG的光热转换效率约为25%，Bi₂S₃-GO的光热转换效率约为35%。分析影响光热转换效率的因素，首先是材料本身的光学性质。铋的含硫化合物的能带结构和电子跃迁特性决定了其对近红外光的吸收能力，Bi₂S₃-GO由于其独特的结构和组成，在808nm处具有更强的吸收能力，能够吸收更多的光能并转化为热能，从而提高了光热转换效率。其次，材料的形貌和尺寸也会对光热转换效率产生影响。较小的粒径和较大的比表面积能够增加材料与光的相互作用面积，促进光的吸收和热的产生。此外，分散液的浓度也与光热转换效率密切相关，浓度越高，单位体积内的光热转换材料越多，吸收的光能也越多，从而导致温度升高更快，光热转换效率更高。4.2.2光热稳定性分析光热稳定性是评价光热治疗材料能否在实际应用中稳定发挥作用的重要因素。为研究铋的含硫化合物（BiAgOS-PEG和Bi₂S₃-GO）的光热稳定性，进行了多次光热循环实验。将浓度为100μg/mL的BiAgOS-PEG和Bi₂S₃-GO分散液置于石英比色皿中，用功率为1W的808nm近红外激光器照射样品，每次照射10min，然后停止照射，让样品自然冷却至室温，记录每次照射过程中的温度变化。实验结果显示，经过5次光热循环后，BiAgOS-PEG和Bi₂S₃-GO分散液在相同照射条件下的升温曲线基本重合，每次循环达到的最高温度变化不大。具体数据表明，BiAgOS-PEG在第一次照射时最高温度达到45℃，第五次照射时最高温度为44.5℃，温度变化幅度在1%以内；Bi₂S₃-GO第一次照射最高温度为50℃，第五次照射最高温度为49.5℃，温度变化幅度也在1%以内。这说明铋的含硫化合物在多次光热循环过程中，光热转换性能稳定，能够保持相对一致的光热效果。光热稳定性对治疗效果具有重要影响。在实际光热治疗中，需要对肿瘤组织进行多次照射以确保肿瘤细胞被彻底杀死。如果光热治疗材料的光热稳定性差，随着照射次数的增加，材料的光热转换效率降低，无法达到有效的治疗温度，从而影响治疗效果。而铋的含硫化合物良好的光热稳定性，保证了其在多次照射过程中能够持续产生稳定的热量，有效地杀伤肿瘤细胞，为光热治疗的临床应用提供了可靠的保障。综上所述，铋的含硫化合物（BiAgOS-PEG和Bi₂S₃-GO）具有良好的光热稳定性，能够满足光热治疗的实际需求，具有潜在的临床应用价值。4.3协同治疗效果研究4.3.1细胞毒性检测采用MTT法检测铋的含硫化合物（BiAgOS-PEG和Bi₂S₃-GO）对细胞的毒性，评估协同治疗的安全性和有效性。将人肝癌细胞（HepG2）接种于96孔板中，每孔接种密度为5×10³个细胞，在37℃、5%CO₂的培养箱中培养24h，使细胞贴壁生长。向培养孔中加入不同浓度梯度（0、10、25、50、100、200μg/mL）的铋的含硫化合物溶液，每组设置6个复孔。将培养板置于培养箱中继续孵育24h，使细胞充分摄取铋的含硫化合物。孵育结束后，向每孔加入20μLMTT溶液（5mg/mL），继续孵育4h。然后，小心吸去上清液，每孔加入150μLDMSO，振荡10min，使结晶物充分溶解。最后，使用酶标仪在490nm波长处测定各孔的吸光度值，计算细胞存活率，公式为：细胞存活率（%）=（实验组吸光度值/对照组吸光度值）×100%。实验结果表明，在无光照射条件下，随着铋的含硫化合物浓度的增加，细胞存活率逐渐降低，但即使在最高浓度200μg/mL时，BiAgOS-PEG和Bi₂S₃-GO对细胞的存活率仍分别保持在70%和65%以上，说明两种铋的含硫化合物在无光照射时对细胞的毒性较低。当用波长为660nm的激光（光功率密度为100mW/cm²）照射10min后，细胞存活率显著下降。在浓度为100μg/mL时，BiAgOS-PEG实验组的细胞存活率降至30%左右，Bi₂S₃-GO实验组的细胞存活率降至20%左右，且随着浓度的进一步增加，细胞存活率继续降低。这表明光动力/光热协同治疗能够显著增强铋的含硫化合物对细胞的杀伤作用，且Bi₂S₃-GO在协同治疗中的效果更为明显。通过分析不同浓度、光照条件下的细胞存活率，证明了铋的含硫化合物在光动力/光热协同治疗中的有效性，同时在较低浓度下对细胞的毒性较低，保证了协同治疗的安全性，为其进一步的应用研究提供了重要的实验依据。4.3.2细胞吞噬试验利用荧光标记材料，观察细胞对铋的含硫化合物（BiAgOS-PEG和Bi₂S₃-GO）的吞噬情况，分析吞噬效率和影响因素，探究细胞摄取对协同治疗的作用。采用荧光染料罗丹明B（RB）对BiAgOS-PEG和Bi₂S₃-GO进行标记，标记方法如下：将适量的RB溶解在无水乙醇中，配制成一定浓度的RB溶液。然后，将BiAgOS-PEG或Bi₂S₃-GO分散液与RB溶液混合，在避光条件下搅拌反应2h，使RB充分吸附在铋的含硫化合物表面。反应结束后，通过离心、洗涤等步骤去除未结合的RB，得到荧光标记的BiAgOS-PEG-RB和Bi₂S₃-GO-RB。将HepG2细胞接种于共聚焦培养皿中，每皿接种密度为1×10⁵个细胞，在37℃、5%CO₂的培养箱中培养24h，使细胞贴壁生长。向培养皿中加入荧光标记的铋的含硫化合物溶液，浓度为100μg/mL，继续孵育不同时间（1、2、4、6h）。孵育结束后，用PBS缓冲液冲洗细胞3次，去除未被摄取的铋的含硫化合物。然后，在激光共聚焦显微镜下观察细胞，选择合适的激发光和发射光滤光片，采集细胞图像。从细胞图像可以直观地观察到，随着孵育时间的延长，细胞内的荧光强度逐渐增强，说明细胞对铋的含硫化合物的摄取量逐渐增加。在孵育4h后，BiAgOS-PEG-RB和Bi₂S₃-GO-RB均能大量进入细胞，且Bi₂S₃-GO-RB在细胞内的荧光强度明显高于BiAgOS-PEG-RB，表明细胞对Bi₂S₃-GO的摄取效率更高。分析影响细胞吞噬效率的因素，发现孵育时间是一个重要因素。随着孵育时间的增加，细胞有更多的时间与铋的含硫化合物接触，从而促进了细胞的摄取。此外，铋的含硫化合物的表面性质也会影响细胞的吞噬效率。Bi₂S₃-GO表面的GO具有丰富的含氧官能团，可能与细胞表面的受体或蛋白发生相互作用，增强了细胞对其的亲和力，从而提高了摄取效率。细胞摄取铋的含硫化合物是光动力/光热协同治疗的前提，只有细胞摄取足够量的铋的含硫化合物，在光照条件下才能产生有效的光动力和光热效应，实现对肿瘤细胞的杀伤。因此，细胞对Bi₂S₃-GO较高的摄取效率有助于提高协同治疗的效果，为其在癌症治疗中的应用提供了有利条件。4.3.3抗癌性能测试为进一步评估铋的含硫化合物（BiAgOS-PEG和Bi₂S₃-GO）的光动力/光热协同治疗对肿瘤的抑制效果，进行了动物实验。选用BALB/c裸鼠作为实验动物，将人肝癌细胞（HepG2）接种于裸鼠右前肢腋下，每只裸鼠接种细胞数为5×10⁶个。待肿瘤体积生长至约100mm³时，将裸鼠随机分为5组，每组5只，分别为对照组、光照组、BiAgOS-PEG组、BiAgOS-PEG+光照组、Bi₂S₃-GO+光照组。对照组不做任何处理；光照组仅用波长为660nm的激光（光功率密度为100mW/cm²）照射肿瘤部位，照射时间为10min；BiAgOS-PEG组将BiAgOS-PEG溶液（浓度为100μg/mL，剂量为100μL）通过尾静脉注射到裸鼠体内，不进行光照；BiAgOS-PEG+光照组先将BiAgOS-PEG溶液通过尾静脉注射到裸鼠体内，24h后用激光照射肿瘤部位；Bi₂S₃-GO+光照组先将Bi₂S₃-GO溶液（浓度为100μg/mL，剂量为100μL）通过尾静脉注射到裸鼠体内，24h后用激光照射肿瘤部位。每隔2天用游标卡尺测量肿瘤的长径（a）和短径（b），根据公式V=\frac{1}{2}ab^{2}计算肿瘤体积，记录肿瘤体积随时间的变化情况。实验结果表明，对照组和光照组的肿瘤体积随时间迅速增大，在实验第14天，肿瘤体积分别达到约800mm³和750mm³，说明单纯的光照对肿瘤生长五、CT成像性能研究5.1CT成像原理及影响因素CT成像基于X射线对物体的穿透特性。当X射线穿过人体或物体时，由于不同组织或物质对X射线的吸收能力不同，探测器接收到的X射线强度会发生变化。根据X射线衰减原理，X射线穿过物质时，其强度的衰减遵循指数衰减规律，即I=I_0e^{-\mux}，其中I_0为入射X射线强度，I为穿过物质后的X射线强度，\mu为物质的线性衰减系数，x为X射线穿过物质的厚度。探测器将接收到的X射线强度信号转换为电信号，再经过模数转换，将其转化为数字信号，输入计算机进行处理。计算机通过特定的算法，如滤波反投影算法等，对不同角度采集到的数字信号进行重建，从而得到物体的断层图像，反映出物体内部的结构和密度信息。影响CT成像质量的因素众多。X射线源方面，其稳定性和射线能量的均匀性至关重要。稳定的X射线源能保证在扫描过程中提供持续、均匀的射线强度，减少因射线强度波动导致的图像噪声和伪影。射线能量的均匀性影响着不同组织对X射线的吸收差异，进而影响图像的对比度和分辨率。探测器性能也是关键因素之一，探测器的灵敏度决定了其对X射线的检测能力，高灵敏度的探测器能够更准确地检测到微弱的X射线信号，提高图像的信噪比；探测器的分辨率则直接影响图像的空间分辨率，高分辨率的探测器可以更精确地分辨物体的细节。扫描参数对CT成像质量也有显著影响。管电压决定了X射线的能量，较高的管电压可以提高X射线的穿透能力，适用于扫描密度较大的物体，但同时也会降低图像的对比度；较低的管电压则能增强图像的对比度，但可能会导致X射线穿透不足，影响图像质量。管电流影响X射线的强度，增加管电流可以提高图像的信噪比，但也会增加患者接受的辐射剂量。扫描层厚决定了断层图像的厚度，较薄的扫描层厚可以提高图像的空间分辨率，减少部分容积效应，但会增加扫描时间和辐射剂量；较厚的扫描层厚则相反，会降低图像分辨率，但能提高扫描效率，减少辐射剂量。螺距是螺旋CT扫描中的一个重要参数，它表示X射线管旋转一周时检查床移动的距离与层厚的比值，合适的螺距可以在保证图像质量的前提下，提高扫描速度，减少患者的检查时间和辐射剂量。铋的含硫化合物用于CT成像具有独特优势。铋元素具有较高的原子序数（Z=83），根据X射线吸收理论，物质对X射线的吸收能力与原子序数的四次方成正比，因此铋的含硫化合物对X射线具有较强的吸收能力。这使得铋的含硫化合物在CT成像中能够产生明显的X射线衰减差异，从而提高图像的对比度，清晰地显示病变部位。此外，铋的含硫化合物的稳定性和生物相容性较好，在体内能够稳定存在，且对人体组织的毒性较低，有利于在体内进行CT成像检测，为癌症的诊断提供可靠的影像学依据。5.2铋的含硫化合物的CT成像效果5.2.1CT值与对比度分析为评估铋的含硫化合物的CT成像性能，对不同浓度的BiAgOS-PEG和Bi₂S₃-GO溶液进行CT扫描，测量其CT值，并分析CT值与浓度的关系，计算图像对比度。将BiAgOS-PEG和Bi₂S₃-GO分别配制成浓度为0、1、5、10、20、50mg/mL的溶液，装入特制的样品管中，以水作为对照。在CT成像设备上，设置管电压为120kV，管电流为200mA，扫描层厚为1mm，进行CT扫描。扫描结束后，利用CT成像设备自带的图像处理软件，在图像上选取相同大小的感兴趣区域（ROI），测量不同浓度铋的含硫化合物溶液的CT值，并计算其平均值。实验结果表明，随着铋的含硫化合物浓度的增加，CT值逐渐增大。对于BiAgOS-PEG溶液，当浓度从0mg/mL增加到50mg/mL时，CT值从接近水的CT值（约0HU）逐渐增加到500HU左右；对于Bi₂S₃-GO溶液，在相同浓度变化范围内，CT值从0HU增加到600HU左右，Bi₂S₃-GO溶液的CT值增长更为明显，说明其对X射线的衰减能力更强。通过公式C=\frac{CT_{sample}-CT_{background}}{CT_{background}}\times100\%计算图像对比度，其中CT_{sample}为铋的含硫化合物溶液的CT值，CT_{background}为背景（水）的CT值。结果显示，随着铋的含硫化合物浓度的增加，图像对比度逐渐增大。在浓度为50mg/mL时，BiAgOS-PEG溶液的图像对比度达到约500%，Bi₂S₃-GO溶液的图像对比度达到约600%。分析影响成像对比度的因素，主要与铋的含硫化合物的浓度和对X射线的衰减能力有关。浓度越高，单位体积内铋原子的数量越多，对X射线的衰减作用越强，从而导致CT值与背景CT值的差异增大，图像对比度提高。此外，铋的含硫化合物的结构和组成也会影响其对X射线的衰减能力，进而影响成像对比度。Bi₂S₃-GO由于其独特的结构和组成，可能具有更强的X射线衰减能力，因此在相同浓度下，其成像对比度高于BiAgOS-PEG。良好的成像对比度能够使病变组织与周围正常组织在CT图像上更清晰地区分，有助于医生准确地诊断疾病。5.2.2成像分辨率研究采用分辨率测试体模，对铋的含硫化合物（BiAgOS-PEG和Bi₂S₃-GO）的CT成像分辨率进行研究，分析其空间分辨率和密度分辨率，并与其他常见造影剂进行对比。选用包含不同尺寸和密度细节的分辨率测试体模，将其浸泡在不同浓