本文通過用不同功率808 nm近紅外(NIR)激光照射不同濃度和狀態下金納米棒溶液來探索金納米棒溶液光熱轉換引起溫度升高的可能影響因素和規律。結果發現,金納米棒的濃度越高,溫度升高越快,幅度越大。當金納米棒的濃度一定時,激光功率與溫度升高幅度呈線性關系。溫度的升高與所盛容器的形狀也有一定關系。結果顯示,金納米棒反應體系溫度升高的幅度與納米微粒的濃度、照射功率及所盛容器形狀有關,可以通過調節NIR激光照射功率來控制含金納米棒反應液的溫度。
引用本文： 張世文, 何曉光, 董守安, 李曉江, 楊輔龍, 王苑伶. 近紅外激光照射金納米棒溶液光熱升溫實驗. 生物醫學工程學雜志, 2015, 32(4): 821-825. doi: 10.7507/1001-5515.20150148 復制
引言
金納米材料制備技術的飛速發展為其生物醫學領域的應用開辟了廣闊前景。作為金納米微粒的代表，金納米棒(gold nanorods,AuNRs)因具有獨特的光熱轉換效能及良好的生物相容性而成為腫瘤物理治療方面研究的熱點，而近紅外(near infrared region,NIR)激光照射金納米棒導致反應體系溫度升高是治療腫瘤的基本原理。本研究目的是探索NIR激光照射引起金納米棒溶液溫度升高的可能影響因素和規律，為進一步的生物醫學實驗提供物理學理論依據。
1 材料與方法
1.1 主要試劑和材料
0.4 nmol/L聚苯乙烯磺酸鈉(polystyrene sulfonate acid,PSS)包被的金納米棒(AuNRs@PSS)水溶液由昆明貴金屬研究所提供。808 nm光纖耦合激光器購自北京凱普林光電科技有限公司。JEM-1010型透射電鏡由日本JEOL公司生產。
1.2 實驗方法
1.2.1 不同濃度金納米棒溶液的配制
分別取0.4 nmol/L的金納米棒溶液1 000、500、250 μL加入24孔板，每孔以水稀釋至1 000 μL，得到濃度分別為0.4、0.2、0.1 nmol/L的金納米棒溶液。4 ℃下靜置備用。
1.2.2 電鏡表征及吸光譜測定
將配制的AuNRs溶液用移液槍移取50 μL滴到銅網中心，移至烘干箱中干燥，透射電鏡觀察拍照并測量金納米棒的長徑和橫徑，計算縱橫比=長徑/橫徑，電鏡下測200個計算平均值。金納米棒原液及不同濃度AuNRs溶液紫外-紅外(UV-Vis-NIR)吸光譜測定。
1.2.3 照射方法
808 nm二極管激光發射器接通電源后，預熱1 min,打開激活開關，此時可見激光發射頭有可見近紅外光線，垂直置于培養板孔上方，調整發射頭，距離孔底壁1.5~2.5 cm高度,使光斑的大小和孔的大小一致，將測溫儀的探頭置入金納米棒溶液，如圖 1所示。照射時間長度為從照射開始至出現恒定溫度并維持3 min以上為止。
圖1
NIR激光照射方法
Figure1.
Irradiated method of NIR laser
1.2.4 分組升溫實驗
(1)不同功率NIR激光照射0.1 nmol/L金納米棒溶液升溫實驗(24孔板)。功率分級： 0.5、1.25、2.5、3.0、3.6、5.2 W/cm2。
(2)3.0 W/cm2 NIR激光照射不同濃度金納米棒溶液升溫實驗(24孔板)。濃度分級：0.4、0.2、0.1、0.05、0 nmol/L(對照組)。
(3)3.0 W/cm2 NIR激光照射不同容積狀態下0.1 nmol/L濃度金納米棒溶液升溫實驗。分組：24孔板、96孔板、EP管，以96孔板不照射作對照組 。24孔板每孔1 000 μL 0.1 nmol/L金納米棒溶液,96孔板每孔200 μL 0.1 nmol/L金納米棒溶液，1.5 mL EP管每管1 000 μL 0.1 nmol/L金納米棒溶液。每實驗組設平行樣本3孔，循環照射，實驗重復3次，取平均值。
2 結果
2.1 電鏡表征
結果顯示：金納米棒顆粒大小一致，分布均勻、單分散性好，平均縱橫比為3.92，如圖 2所示。溶液穩定，長時間放置無絮狀沉淀。進一步用紫外-紅外光譜儀檢測顯示，不同濃度AuNRs溶液均表現出一致的雙共振吸收峰，位于510 nm左右的吸收峰為金納米棒的橫向等離子共振吸收峰，位于810 nm左右的為縱向等離子共振吸收峰，處于近紅外區域。同時觀察到，不同濃度的AuNRs@PSS溶液的光密度(optical density,OD)是不一樣的，濃度越高，光密度越大。濃度為0.4 nmol/L時，OD值為2.75；濃度為0.2 nmol/L時OD值為1.5；濃度為0.1 nmol/L時OD值為0.8，如圖 3所示。
圖2
AuNRs電鏡照片
Figure2.
Electron microscopy picture of AuNRs
圖3
UV-Vis-NIR吸光譜測定
Figure3.
Measurement of UV-Vis-NIR absorption spectrometry of AuNRs
2.2 不同功率NIR激光照射0.1 nmol/L金納米棒溶液溫度升高情況
結果顯示，NIR激光照射0.1 nmol/L的金納米棒溶液可迅速引起溫度升高。不同功率照射溶液溫度升高的情況不同。隨著照射功率的升高，溶液溫度上升增快，溶液的最高溫度和功率大小成正比關系，隨著照射時間的延長，溶液溫度上升到一定范圍后進入平臺期。從圖 4中可以看到，在5.2 W/cm2 NIR激光照射2 min時，溶液溫度最先達到最高值，隨后穩定；而0.5 W/cm2 NIR激光照射5 min時溶液溫度才達到穩定狀態。0.5、1.25、2.5、3.0、3.6、5.2 W/cm2激光照射下溶液的溫度變化的幅度分別是8、14、18、23、33、45 ℃。實驗中還發現，一旦停止照射，溶液溫度迅速下降至室溫范圍。實驗說明，NIR激光照射金納米棒是溶液溫度升高的主要原因，溶液溫度與照射功率正相關。在實驗功率范圍內，照射2~5 min后溶液溫度趨于穩定，如圖 4所示。經SPSS17.0軟件包一元線性回歸分析，F=88.546，P=0.001,功率和溫度變化之間呈線性關系，線性回歸模型方程：y=7.865x+2.460(x取值范圍為0.5~8 W/cm2),如圖 5所示。
圖4
不同功率NIR激光照射0.1 nmol/L濃度金納米棒溶液溫度上升幅度
Figure4.
Amplitude of temperature rise in 0.1 nmol/L gold nanorods solution irradiated by different power NIR laser
圖5
NIR激光照射0.1 nmol/L金納米棒溶液時功率和溫度上升幅度線性回歸分析
Figure5.
Linear regression analysis between laser power and amplitude of temperature rise of 0.1 nmol/L gold nanorods solution irradiated by NIR laser
2.3 3.0 W/cm2功率NIR激光照射不同濃度金納米棒溶液升溫實驗
結果顯示，3.0 W/cm2功率NIR激光照射不同濃度的金納米棒溶液時可以引起不同程度的溫度升高。隨著金納米棒濃度的升高，溶液溫度升高增快；溶液的最高溫度與金納米棒濃度成正比關系；隨著照射時間的延長，溫度上升到一定范圍會穩定在平臺期。從圖 6中可以看出，0.4 nmol/L濃度時溶液溫度在照射后1 min時達到最高值,而0.05 nmol/L濃度時在照射4 min時才達到最高溫度。0.05、0.1、0.2、0.4 nmol/L濃度的金納米棒溶液在3.0 W/cm2功率NIR激光照射下，溫度升高幅度分別是18、23、32、41 ℃。對照組為水溶液，在3.0 W/cm2功率NIR激光照射下也出現溫度輕度的升高，升高幅度僅為4 ℃。本實驗說明，金納米棒的濃度對NIR照射后溶液溫度的升高也產生直接的影響，存在一定的正比關系，如圖 6所示。
圖6
3.0 W/cm2功率NIR照射不同濃度金納米棒溶液溫度上升幅度
Figure6.
Amplitude of temperature rise of gold nanorods solution with different concentration irradiated by 3.0 W/cm2 NIR laser
2.4 3.0 W/cm2NIR激光照射不同容積狀態下0.1 nmol/L濃度金納米棒溶液升溫實驗
為了明確不同容積狀態下是否對溶液在NIR激光照射下溫度的升高產生影響，課題組對不同處理組進行了3.0 W/cm2功率NIR激光照射實驗。結果發現，EP管、96孔板及24孔板三組溶液溫度的升高幅度分別是56、38、23 ℃，隨后達到穩定狀態。溶液的體積及容積的形狀對溶液溫度的升高產生了明顯的影響。在同樣的照射條件下，溶液的體積小，溫度上升快，幅度大；照射面集中的EP管和24孔板相比，溫度上升快，幅度大。說明除金納米棒的濃度和照射激光功率是溫度升高的主要因素外，溶液的體積和受光面積也影響光熱轉換的效能，如圖 7所示。
圖7
3.5 W/cm2功率NIR激光照射0.1 nmol/L濃度金納米棒不同容積溶液溫度上升幅度
Figure7.
Amplitude of temperature rise of 0.1 nmol/L gold nanorods solution in different container or volume irradiated by 3.5 W/cm2 NIR laser
3 討論
光熱療法作為光動力療法的一種方法，近些年發展較快，其最大的優勢是可以實現人體腫瘤組織的靶向局部加熱治療。金納米微粒是最近發現的一種新型高效光吸收劑，和傳統的光吸收劑相比，光熱轉換效能明顯提高。納米金的光熱轉換效能與微粒的形狀有關。目前研究較為廣泛的金納米微粒是金納米球和金納米棒。金納米球具有各向一致性，可調性不強。而各向異性的金納米棒具有可調的長橫徑比率，因而具有可調的光學特性，表現為金納米棒具有橫向和縱向表面等離子體共振峰[1](surface plasmon resonance，SPR)。本研究所采用的金納米棒經電鏡表征后發現，微粒分布均勻，穩定性好，長徑平均為49.81 nm,橫徑平均為12.70 nm,長橫比為3.92。進一步用紫外-紅外光譜儀檢測顯示，不同濃度AuNRs溶液均表現出一致的雙共振吸收峰，位于510 nm左右的吸收峰為金納米棒的橫向等離子共振吸收峰，位于810 nm左右的為縱向等離子共振吸收峰，處于近紅外區域。650～900 nm的近紅外光被稱為“組織光學窗口(tissue optical window)”，而808 nm的近紅外光組織穿透性最強。金納米棒可以隨血液達到腫瘤組織并在腫瘤細胞內滯留，因此，本研究所采用的這種尺寸大小的金納米棒是研究人體深層腫瘤光熱治療的理想納米材料。
Link等[2]觀察發現，當用激光照射金納米微粒時會產生局部瞬間高溫。如果照射激光頻率和金納米微粒表層電子的共振頻率一致，就會大大增強金納米微粒光熱轉換的效率，比最強的光吸收劑若丹明6G要高4~5個數量級[3-4]。實驗表明，在100 nJ能量激光照射下，金納米微粒表層電子的溫度很容易達到數千K氏溫度[2]。Khlebtsov等[5]對不同形狀結構的金納米微粒光熱轉換效率進行了研究，結果發現，光熱轉換效率和SPR現象有關。30~40 nm直徑的金納米球在可見光區有高效的光熱轉換。而金納米棒的長度控制在15~70 nm范圍內光熱轉換效率最高。上述研究表明，金納米棒存在高效的光熱轉換能力，但在實驗室范圍內，這種光熱轉換引起金納米棒所處環境溶液溫度升高的規律還不是十分清楚。
為此，我們在研究中設計了不同的照射模式，結果發現，溫度的升高幅度與金納米棒濃度以及NIR激光功率大小有直接關系。進一步研究發現，金納米棒的濃度越高，照射的功率越大，溶液溫度升高的幅度越大，達到最高溫度的時間越短。不同的容器對溫度的升高有著明顯的影響，如實驗用EP管和24孔板的培養孔裝載同樣體積的金納米棒溶液，在同一照射條件下，其溫度升高幅度分別是56 ℃和23 ℃。我們知道，大多數細胞的臨界溫度為42.5℃~43℃,少數細胞可高達44℃,細胞受損形式和熱負荷有直接關系。熱負荷決定于溫度、時間兩個因素,通常可用如下公式比較計算[6-7]：D=tRT=43,D為熱療作用劑量,t為作用時間,T為作用溫度,R為常數。T≥43 ℃時，R=2；T<43℃時，R=4。也就是說，溫度高于43 ℃時,每升高1℃,要達到同樣殺傷效應的加熱時間只需原來的1/2；而低于43 ℃時,每升高1 ℃,要獲得同樣的殺傷效應,加熱時間只需要原來的1/4。金納米棒濃度為0.1 nmol/L時其水溶膠光密度為0.8，是常用的生物效應濃度。本研究發現，在0.1 nmol/L金納米棒濃度條件下，二極管NIR激光功率和溫度升高幅度呈線性關系，線性回歸模型方程為：y=7.865x+2.460,y為溫度升高幅度，x為功率(實驗范圍為0.5~8 W/cm2)。當激光功率為3.0 W/cm2時，溫度升高23 ℃，即如果室溫為23 ℃，則反應體系溫度會穩定在46 ℃，在此溫度條件下可以研究金納米棒的光熱慢反應作用，即誘導腫瘤細胞凋亡的效應。
在光熱療法中需要考慮合適的溫度，目的是保證對腫瘤組織有效殺傷的同時避免對正常組織細胞產生損傷。惡性腫瘤細胞的熱耐受性較差，為熱療提供了一個溫度選擇窗口。在高熱條件下，細胞損傷迅速而直接，表現為細胞內空泡化、蛋白質變性、細胞水腫變形，繼而出現細胞膜破裂、細胞骨架崩解而死亡。而在微熱時，癌細胞內則發生一系列復雜的變化，包括凋亡。因此，有效控制金納米棒光熱作用時的溫度是獲得安全治療的關鍵。本實驗的意義是為研究金納米棒光熱治療腫瘤的機制以及實驗中的溫度控制提供一些理論依據和參考。
引言
金納米材料制備技術的飛速發展為其生物醫學領域的應用開辟了廣闊前景。作為金納米微粒的代表，金納米棒(gold nanorods,AuNRs)因具有獨特的光熱轉換效能及良好的生物相容性而成為腫瘤物理治療方面研究的熱點，而近紅外(near infrared region,NIR)激光照射金納米棒導致反應體系溫度升高是治療腫瘤的基本原理。本研究目的是探索NIR激光照射引起金納米棒溶液溫度升高的可能影響因素和規律，為進一步的生物醫學實驗提供物理學理論依據。
1 材料與方法
1.1 主要試劑和材料
0.4 nmol/L聚苯乙烯磺酸鈉(polystyrene sulfonate acid,PSS)包被的金納米棒(AuNRs@PSS)水溶液由昆明貴金屬研究所提供。808 nm光纖耦合激光器購自北京凱普林光電科技有限公司。JEM-1010型透射電鏡由日本JEOL公司生產。
1.2 實驗方法
1.2.1 不同濃度金納米棒溶液的配制
分別取0.4 nmol/L的金納米棒溶液1 000、500、250 μL加入24孔板，每孔以水稀釋至1 000 μL，得到濃度分別為0.4、0.2、0.1 nmol/L的金納米棒溶液。4 ℃下靜置備用。
1.2.2 電鏡表征及吸光譜測定
將配制的AuNRs溶液用移液槍移取50 μL滴到銅網中心，移至烘干箱中干燥，透射電鏡觀察拍照并測量金納米棒的長徑和橫徑，計算縱橫比=長徑/橫徑，電鏡下測200個計算平均值。金納米棒原液及不同濃度AuNRs溶液紫外-紅外(UV-Vis-NIR)吸光譜測定。
1.2.3 照射方法
808 nm二極管激光發射器接通電源后，預熱1 min,打開激活開關，此時可見激光發射頭有可見近紅外光線，垂直置于培養板孔上方，調整發射頭，距離孔底壁1.5~2.5 cm高度,使光斑的大小和孔的大小一致，將測溫儀的探頭置入金納米棒溶液，如圖 1所示。照射時間長度為從照射開始至出現恒定溫度并維持3 min以上為止。
圖1
NIR激光照射方法
Figure1.
Irradiated method of NIR laser
1.2.4 分組升溫實驗
(1)不同功率NIR激光照射0.1 nmol/L金納米棒溶液升溫實驗(24孔板)。功率分級： 0.5、1.25、2.5、3.0、3.6、5.2 W/cm2。
(2)3.0 W/cm2 NIR激光照射不同濃度金納米棒溶液升溫實驗(24孔板)。濃度分級：0.4、0.2、0.1、0.05、0 nmol/L(對照組)。
(3)3.0 W/cm2 NIR激光照射不同容積狀態下0.1 nmol/L濃度金納米棒溶液升溫實驗。分組：24孔板、96孔板、EP管，以96孔板不照射作對照組 。24孔板每孔1 000 μL 0.1 nmol/L金納米棒溶液,96孔板每孔200 μL 0.1 nmol/L金納米棒溶液，1.5 mL EP管每管1 000 μL 0.1 nmol/L金納米棒溶液。每實驗組設平行樣本3孔，循環照射，實驗重復3次，取平均值。
2 結果
2.1 電鏡表征
結果顯示：金納米棒顆粒大小一致，分布均勻、單分散性好，平均縱橫比為3.92，如圖 2所示。溶液穩定，長時間放置無絮狀沉淀。進一步用紫外-紅外光譜儀檢測顯示，不同濃度AuNRs溶液均表現出一致的雙共振吸收峰，位于510 nm左右的吸收峰為金納米棒的橫向等離子共振吸收峰，位于810 nm左右的為縱向等離子共振吸收峰，處于近紅外區域。同時觀察到，不同濃度的AuNRs@PSS溶液的光密度(optical density,OD)是不一樣的，濃度越高，光密度越大。濃度為0.4 nmol/L時，OD值為2.75；濃度為0.2 nmol/L時OD值為1.5；濃度為0.1 nmol/L時OD值為0.8，如圖 3所示。
圖2
AuNRs電鏡照片
Figure2.
Electron microscopy picture of AuNRs
圖3
UV-Vis-NIR吸光譜測定
Figure3.
Measurement of UV-Vis-NIR absorption spectrometry of AuNRs
2.2 不同功率NIR激光照射0.1 nmol/L金納米棒溶液溫度升高情況
結果顯示，NIR激光照射0.1 nmol/L的金納米棒溶液可迅速引起溫度升高。不同功率照射溶液溫度升高的情況不同。隨著照射功率的升高，溶液溫度上升增快，溶液的最高溫度和功率大小成正比關系，隨著照射時間的延長，溶液溫度上升到一定范圍后進入平臺期。從圖 4中可以看到，在5.2 W/cm2 NIR激光照射2 min時，溶液溫度最先達到最高值，隨后穩定；而0.5 W/cm2 NIR激光照射5 min時溶液溫度才達到穩定狀態。0.5、1.25、2.5、3.0、3.6、5.2 W/cm2激光照射下溶液的溫度變化的幅度分別是8、14、18、23、33、45 ℃。實驗中還發現，一旦停止照射，溶液溫度迅速下降至室溫范圍。實驗說明，NIR激光照射金納米棒是溶液溫度升高的主要原因，溶液溫度與照射功率正相關。在實驗功率范圍內，照射2~5 min后溶液溫度趨于穩定，如圖 4所示。經SPSS17.0軟件包一元線性回歸分析，F=88.546，P=0.001,功率和溫度變化之間呈線性關系，線性回歸模型方程：y=7.865x+2.460(x取值范圍為0.5~8 W/cm2),如圖 5所示。
圖4
不同功率NIR激光照射0.1 nmol/L濃度金納米棒溶液溫度上升幅度
Figure4.
Amplitude of temperature rise in 0.1 nmol/L gold nanorods solution irradiated by different power NIR laser
圖5
NIR激光照射0.1 nmol/L金納米棒溶液時功率和溫度上升幅度線性回歸分析
Figure5.
Linear regression analysis between laser power and amplitude of temperature rise of 0.1 nmol/L gold nanorods solution irradiated by NIR laser
2.3 3.0 W/cm2功率NIR激光照射不同濃度金納米棒溶液升溫實驗
結果顯示，3.0 W/cm2功率NIR激光照射不同濃度的金納米棒溶液時可以引起不同程度的溫度升高。隨著金納米棒濃度的升高，溶液溫度升高增快；溶液的最高溫度與金納米棒濃度成正比關系；隨著照射時間的延長，溫度上升到一定范圍會穩定在平臺期。從圖 6中可以看出，0.4 nmol/L濃度時溶液溫度在照射后1 min時達到最高值,而0.05 nmol/L濃度時在照射4 min時才達到最高溫度。0.05、0.1、0.2、0.4 nmol/L濃度的金納米棒溶液在3.0 W/cm2功率NIR激光照射下，溫度升高幅度分別是18、23、32、41 ℃。對照組為水溶液，在3.0 W/cm2功率NIR激光照射下也出現溫度輕度的升高，升高幅度僅為4 ℃。本實驗說明，金納米棒的濃度對NIR照射后溶液溫度的升高也產生直接的影響，存在一定的正比關系，如圖 6所示。
圖6
3.0 W/cm2功率NIR照射不同濃度金納米棒溶液溫度上升幅度
Figure6.
Amplitude of temperature rise of gold nanorods solution with different concentration irradiated by 3.0 W/cm2 NIR laser
2.4 3.0 W/cm2NIR激光照射不同容積狀態下0.1 nmol/L濃度金納米棒溶液升溫實驗
為了明確不同容積狀態下是否對溶液在NIR激光照射下溫度的升高產生影響，課題組對不同處理組進行了3.0 W/cm2功率NIR激光照射實驗。結果發現，EP管、96孔板及24孔板三組溶液溫度的升高幅度分別是56、38、23 ℃，隨后達到穩定狀態。溶液的體積及容積的形狀對溶液溫度的升高產生了明顯的影響。在同樣的照射條件下，溶液的體積小，溫度上升快，幅度大；照射面集中的EP管和24孔板相比，溫度上升快，幅度大。說明除金納米棒的濃度和照射激光功率是溫度升高的主要因素外，溶液的體積和受光面積也影響光熱轉換的效能，如圖 7所示。
圖7
3.5 W/cm2功率NIR激光照射0.1 nmol/L濃度金納米棒不同容積溶液溫度上升幅度
Figure7.
Amplitude of temperature rise of 0.1 nmol/L gold nanorods solution in different container or volume irradiated by 3.5 W/cm2 NIR laser
3 討論
光熱療法作為光動力療法的一種方法，近些年發展較快，其最大的優勢是可以實現人體腫瘤組織的靶向局部加熱治療。金納米微粒是最近發現的一種新型高效光吸收劑，和傳統的光吸收劑相比，光熱轉換效能明顯提高。納米金的光熱轉換效能與微粒的形狀有關。目前研究較為廣泛的金納米微粒是金納米球和金納米棒。金納米球具有各向一致性，可調性不強。而各向異性的金納米棒具有可調的長橫徑比率，因而具有可調的光學特性，表現為金納米棒具有橫向和縱向表面等離子體共振峰[1](surface plasmon resonance，SPR)。本研究所采用的金納米棒經電鏡表征后發現，微粒分布均勻，穩定性好，長徑平均為49.81 nm,橫徑平均為12.70 nm,長橫比為3.92。進一步用紫外-紅外光譜儀檢測顯示，不同濃度AuNRs溶液均表現出一致的雙共振吸收峰，位于510 nm左右的吸收峰為金納米棒的橫向等離子共振吸收峰，位于810 nm左右的為縱向等離子共振吸收峰，處于近紅外區域。650～900 nm的近紅外光被稱為“組織光學窗口(tissue optical window)”，而808 nm的近紅外光組織穿透性最強。金納米棒可以隨血液達到腫瘤組織并在腫瘤細胞內滯留，因此，本研究所采用的這種尺寸大小的金納米棒是研究人體深層腫瘤光熱治療的理想納米材料。
Link等[2]觀察發現，當用激光照射金納米微粒時會產生局部瞬間高溫。如果照射激光頻率和金納米微粒表層電子的共振頻率一致，就會大大增強金納米微粒光熱轉換的效率，比最強的光吸收劑若丹明6G要高4~5個數量級[3-4]。實驗表明，在100 nJ能量激光照射下，金納米微粒表層電子的溫度很容易達到數千K氏溫度[2]。Khlebtsov等[5]對不同形狀結構的金納米微粒光熱轉換效率進行了研究，結果發現，光熱轉換效率和SPR現象有關。30~40 nm直徑的金納米球在可見光區有高效的光熱轉換。而金納米棒的長度控制在15~70 nm范圍內光熱轉換效率最高。上述研究表明，金納米棒存在高效的光熱轉換能力，但在實驗室范圍內，這種光熱轉換引起金納米棒所處環境溶液溫度升高的規律還不是十分清楚。
為此，我們在研究中設計了不同的照射模式，結果發現，溫度的升高幅度與金納米棒濃度以及NIR激光功率大小有直接關系。進一步研究發現，金納米棒的濃度越高，照射的功率越大，溶液溫度升高的幅度越大，達到最高溫度的時間越短。不同的容器對溫度的升高有著明顯的影響，如實驗用EP管和24孔板的培養孔裝載同樣體積的金納米棒溶液，在同一照射條件下，其溫度升高幅度分別是56 ℃和23 ℃。我們知道，大多數細胞的臨界溫度為42.5℃~43℃,少數細胞可高達44℃,細胞受損形式和熱負荷有直接關系。熱負荷決定于溫度、時間兩個因素,通常可用如下公式比較計算[6-7]：D=tRT=43,D為熱療作用劑量,t為作用時間,T為作用溫度,R為常數。T≥43 ℃時，R=2；T<43℃時，R=4。也就是說，溫度高于43 ℃時,每升高1℃,要達到同樣殺傷效應的加熱時間只需原來的1/2；而低于43 ℃時,每升高1 ℃,要獲得同樣的殺傷效應,加熱時間只需要原來的1/4。金納米棒濃度為0.1 nmol/L時其水溶膠光密度為0.8，是常用的生物效應濃度。本研究發現，在0.1 nmol/L金納米棒濃度條件下，二極管NIR激光功率和溫度升高幅度呈線性關系，線性回歸模型方程為：y=7.865x+2.460,y為溫度升高幅度，x為功率(實驗范圍為0.5~8 W/cm2)。當激光功率為3.0 W/cm2時，溫度升高23 ℃，即如果室溫為23 ℃，則反應體系溫度會穩定在46 ℃，在此溫度條件下可以研究金納米棒的光熱慢反應作用，即誘導腫瘤細胞凋亡的效應。
在光熱療法中需要考慮合適的溫度，目的是保證對腫瘤組織有效殺傷的同時避免對正常組織細胞產生損傷。惡性腫瘤細胞的熱耐受性較差，為熱療提供了一個溫度選擇窗口。在高熱條件下，細胞損傷迅速而直接，表現為細胞內空泡化、蛋白質變性、細胞水腫變形，繼而出現細胞膜破裂、細胞骨架崩解而死亡。而在微熱時，癌細胞內則發生一系列復雜的變化，包括凋亡。因此，有效控制金納米棒光熱作用時的溫度是獲得安全治療的關鍵。本實驗的意義是為研究金納米棒光熱治療腫瘤的機制以及實驗中的溫度控制提供一些理論依據和參考。
