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氧化石墨烯纳米材料与生物活性物质间相互作用的EPR应用研究

发布日期:2018/7/30 9:22:53

南开大学胡献刚老师课题组关于氧化石墨烯与生物之间的相互作用及毒理等特性方面做了系列研究。首先,对嵌入环氧树脂中的氧化石墨烯(GO-ER)在水中释放纳米颗粒的GO-ER对环境的影响做了相关研究[1]。研究中提出原始的GO可以淬灭30-45%的羟基和12%的氮氧自由基,而对于GO-ER释放的颗粒不具有这样的作用。实验中使用电子顺磁共振(EPR)波谱仪(MagnetTech MiniScope 400Germany)检测自由基和纳米颗粒之间的反应。如图1a所示,GO-ER产生的羟基自由基最多,羟基自由基与DNARNA,脂质和蛋白质极易反应,是植物中重要的信号分子,并且释放的GO-ER进入藻类细胞并诱导增加活性氧物质,但未引起明显的细胞结构损伤。一方面,激发的电子转移到GO,这减少了电子-空穴结合,并改善了环境基质中活性氧(ROS)的产生;另一方面,ROS与氮氧自由基(NFS)的共生关系对植物防御和发育至关重要,GO会损伤细胞结构(如线粒体),并促进细胞中的氧化应激和ROS产生,见图1b所示。该研究中对水中释放的纳米颗粒与环境的影响为生物毒理学领域的研究奠定了基础。


1. 纳米颗粒上的未配对电子与自由基间的相互作用EPR谱图,(aDMPO捕获羟基自由基;(bTEMPO捕获氮氧自由基。



此外,作者还对石墨烯纳米片(GONS)与生物分泌物(GOBS)和表观毒性的相关变化进行了表征[2]。来自斑马鱼培养水中分泌物的有机小分子,蛋白质,核苷酸和粘多糖与GONS结合。与GONS相比,GOBS显示出特殊的纳米板形貌,表现出比GONS更多的负表面电荷和更低的聚集状态。通过EPR研究了不成对电子和纳米材料的相互作用,如图2所示,与GONS相比,GOBS表现出更高的清除不成对电子的能力,因此说明GOBS引起的死亡和畸形不是由于ROS水平增加。

图2. GONS与GOBSEPR分析谱图



作者还发现天然有机物(NOM)对水生脊椎动物中氧化石墨烯(GO)毒性具有一定影响[3]。在斑马鱼胚胎发生过程中,GO诱导了明显的孵化延迟和心脏水肿。GO与绒毛膜的强烈相互作用会引起绒毛膜突起的损伤,过度产生?OH,以及蛋白质二级结构的变化。文中使用EPR检测了羟基自由基的变化,如图3所示,实验结果表明腐殖酸(HA),减轻了上述不利影响。这些数据表明,GO与绒毛膜之间的相互作用会引发?OH的产生并导致绒毛膜损伤,但这些影响可通过HA减轻。


图3. 不同条件下产生的羟基自由基的EPR对比图,SI表示EPR信号强度


继上述研究,作者还发现石墨烯氧化物量子点(GOQDs)作为新的纳米酶对过量饮酒的保护作用,并通过组学分析阐明这些作用的具体机制[4]。研究通过EPR检测到反应过程中的超氧自由基、羟基自由基和氮氧自由基的变化,如图4所示。从而说明了GOQD有效抑制了乙醇诱导的细胞活力的降低,并可作为纳米酶加速乙醇代谢并避免细胞中有毒中间体的积累;GOQD减轻了线粒体损伤和过量产生的自由基。

4. 体系中羟基自由基与氮氧自由基的EPR谱图


此外,还对氧化石墨烯对单细胞小球藻的包络及纳米材料的粒径对内化协同效应和代谢机制的影响进行了研究[5]。实验对纳米材料自由电子的表征使用EPR谱仪进行检测,如图5所示结果表明GONS和GOQD的峰形和强度具有一致性。

5. 纳米材料的EPR对比谱图


参考文献:

[1] Xiangang Hu,* Weilu Kang, and Li Mu, Aqueously Released Graphene Oxide Embedded in Epoxy Resin Exhibits Different Characteristics and Phytotoxicity of Chlorella vulgaris from the Pristine Form. [J] Environ. Sci. Technol. 2017, 51, 5425?5433.

[2] Li Mu, Yue Gao, and Xiangang Hu*, Characterization of Biological Secretions Binding to Graphene Oxide in Water and the Specific Toxicological Mechanisms. [J] Environ. Sci. Technol. 2016, 50, 8530?8537.

[3] Yuming Chen, Chaoxiu Ren, Shaohu Ouyang, Xiangang Hu,* and Qixing Zhou* Mitigation in Multiple Effects of Graphene Oxide Toxicity in Zebrafish Embryogenesis Driven by Humic Acid. [J] Environ. Sci. Technol. 2015, 49, 10147?10154.

[4] Anqi Sun, Li Mu, and Xiangang Hu*, Graphene Oxide Quantum Dots as Novel Nanozymes for Alcohol Intoxication [J] ACS Appl. Mater. Interfaces 2017, 9, 12241?12252.

[5] Shaohu Ouyang, Xiangang Hu,* and Qixing Zhou* Envelopment?Internalization Synergistic Effects and Metabolic Mechanisms of Graphene Oxide on Single-Cell Chlorella vulgaris Are Dependent on the Nanomaterial Particle Size [J] ACS Appl. Mater. Interfaces 2015, 7, 18104?18112.




文章中使用的德国Magnettech公司的MiniScope 400顺磁波谱仪,目前经过升级优化推出新型MS5000顺磁波谱仪,该仪器拥有快捷简便准确的定量测试方法和完善的数据处理和分析系统,它还具有小巧轻便灵活的特点,为科研工作者带来便捷。


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