NaYF4上转换纳米颗粒在大豆中的生物安全性

20 smll201500701-gra-0001-m稀土上转换荧光纳米材料(Up-conversion Nanoparticles, UCNPs)是一类重要的稀土发光材料,它能够通过多光子吸收将红外/近红外的长波长的激发光转换成短波长的可见光。近年来,UCNPs在太阳能电池、光学传感器、远程光电开关等领域的研究备受关注。另外,UCNPs作为一种新型纳米荧光探针在生物成像方面的研究也成了人们研究的热点。相比传统有机染料和半导体量子点,UCNPs具有能有效避免生物样品自身荧光的干扰和散射光、背景噪声干扰小、对活体组织的光损伤小、毒性低、稳定性好、发光强度高等优点。目前,在所有稀土上转换荧光纳米材料中,NaYF4的声子能量最低,发光效率最高而被广泛研究和应用。在研究和应用过程中,该材料在自然环境中的释放机会也会越来越多,最终可能对人类的健康和环境造成潜在的影响。大自然中,植物作为人类和动物赖以生存不可或缺的重要组分之一,也是人类和动物的主要食物来源之一,它对保持生态系统平衡起到了至关重要的作用。更重要的是,纳米颗粒有可能被植物吸收、蓄积、生物放大、生物转化、这些如何影响其毒理学行为,目前还知之甚少。稀土上转换荧光纳米材料在植物体系中的毒性以及与植物体系的相互作用行为研究尚处于起步阶段。

中国科学院高能物理研究所的研究团队在同步辐射装置上发展了一系列的纳米生物效应分析与表征实验技术。利用这些技术研究了直径约50 nm的稀土上转换荧光纳米材料NaYF4对模式植物大豆生长阶段的生物安全性、在大豆中的转运以及生物转化行为。研究人员利用UCNPs在980 nm近红外激光激发下可进行生物荧光成像并可避免植物组织自身背景荧光干扰的独特优势,同时结合扫描电子显微镜成像、透射电子显微成像以及电感耦合等离子体质谱技术,示踪和定量了不同共培育时间点1、4和8 天时NaYF4在大豆的根、茎、叶中的转运情况。研究表明,稀土上转换荧光纳米材料NaYF4主要分布于大豆的根内,但是,通过维管束可将少量NaYF4输运到茎和叶中。这一结果对理解稀土上转换荧光纳米材料与植物和环境的相互作用有着重要的科学意义。

此外,他们结合不同浓度NaYF4对大豆发芽率以及根茎伸长率的‘低促高抑’的亚长期毒性实验结果,利用同步辐射X射线近边吸收谱以及能谱技术对NaYF4在大豆中的生物转化行为进行了深入研究,研究发现,在长达10天的大豆生长过程中,UCNPs在大豆根部的存在化学形态主要为NaYF4,但有少许发生转化成为尺寸约3 nm的团簇状Y-磷酸盐,并且是在NaYF4与大豆根部共培育的第1天就已经开始发生了转化。这一研究成果对于深入评估NaYF4 UCNPs在生态环境系统中的毒理学行为及相关生物转化机制提供了有力的证据。相关结果最近在线发表在Small上。相关工作得到了国家科技部973计划以及国家自然科学基金的资助。