环境中金属纳米材料分离及测定方法研究进展

金属纳米材料因其大量生产和广泛使用而不可避免地会释放到环境中,给生态环境和人体健康造成潜在的负面影响.发展环境样品中金属纳米材料高效灵敏的分析测定方法,对于研究其在环境中的分布、转化、归趋、效应和生物安全性具有重要意义.研究表明,金属纳米材料组成、结构、形态和粒径分布等显著影响其环境过程和生物效应.因此,与传统的污染物分析不同,金属纳米材料分析不仅需要测定其化学组成和浓度,还需表征其粒径、形貌和表面电荷等.本文综述了近十年来关于环境中金属纳米材料的分离及测定的相关手段和方法,主要包括痕量金属纳米颗粒的萃取富集方法以及不同粒径纳米颗粒和相应金属离子的分离方法,并展望了发展前景.     

纳米材料的环境行为与生物毒性

随着纳米科技迅猛发展, 越来越多的人开始关注并研究纳米材料的环境行为和生物毒性. 本文概括地介绍了纳米材料的排放途径和可能发生的环境行为, 重点分析了纳米材料与环境中共存物质的复合行为; 综述了碳纳米材料、金属及氧化物纳米材料、量子点等对细胞、细菌、水生生物、陆生生物等的毒性效应, 阐述了当前对纳米材料致毒机理的有关争论; 最后, 展望了纳米材料环境行为和生物毒性领域的研究方向.     

影响纳米材料毒性的关键因素

随着纳米技术的发展,越来越多的纳米产品开始进入人们的日常生活,纳米材料的毒性因此成为人们日渐关注的问题.近年来,纳米材料毒性的研究取得了很大进展,包括体内和体外实验研究纳米材料与生物大分子、细胞、器官和组织的相互作用以及其引起的毒性.纳米材料通过诱导氧化应激和炎症反应等机制产生一系列毒性效应.纳米材料本身的物理化学性质对其毒性有决定性的影响,这些性质包括尺寸、形状、表面电荷、化学组成、表面修饰、金属杂质、团聚与分散性、降解性能以及"蛋白冠"的形成.阐明物化性质对纳米材料毒性的影响,对于纳米材料的合理设计和安全应用具有重要的意义.本文对影响纳米材料毒性的关键因素进行了总结和分析,对近年来纳米材料毒性效应的研究进展进行了综述.     

纳米颗粒与细胞的交互作用

与大块材料相比,纳米尺度材料有着独特的光学、电学、力学和生物学性质,这使得纳米颗粒在药物输运和肿瘤成像等医学方面展现出巨大的应用前景.同时,愈来愈多的工业化纳米颗粒和纳米材料的制备,使得其生物安全性也受到很大的关注.由于纳米颗粒进入体内后的作用发生在细胞层面上,这要求我们很好地去理解纳米颗粒与细胞之间的相互作用.大量的实验表明,纳米颗粒吸附在细胞膜表面,并通过不同方式被细胞所摄取.纳米颗粒的尺寸、形状、表面化学性质、表面电荷分布、拓扑结构以及颗粒弹性性能等都对两者间的相互作用有着显著的影响.本文简要介绍颗粒进入细胞的路径,着重阐述影响颗粒/细胞交互作用的关键因素,并对后续的研究方向进行展望.     

纳米颗粒对大型蚤毒性效应的研究进展

随着纳米颗粒的广泛生产和使用,其生物毒性效应已成为环境研究领域的一个热点和前沿.大型蚤作为一种模式生物,广泛应用于纳米颗粒的毒性检测.本文综述了典型纳米颗粒对大型蚤毒性的研究进展,包括急性毒性、慢性毒性和生物累积,分析了主要致毒机理,并展望了需进一步加强的研究方向.     

编者按

作为21世纪最具发展潜力的新技术之一, 纳米技术将在环境污染防治领域发挥十分重要的作用. 由于纳米材料具有比表面积大、反应活性高和流动性强等特点, 被成功用于环境污染物的分析测定、去除和降解等, 为解决环境污染监测和治理等技术难题提供了新的有效途径. 然而, 纳米材料将随着其广泛应用而释放到环境中, 由此产生一系列的环境健康问题. 2003年4月以来, Nature和Science等杂志发表了多篇文章, 提出纳米材料与纳米技术的生物和环境安全性问题. 美国环境保护局(EPA)于2007年就纳米技术的环境问题发表了《纳米技术白皮书》, 指出不仅要研究纳米技术的环境应用, 还要关注纳米材料自身对环境和人体健康所带来的直接负面效应, 以及纳米材料对环境中共存的污染物的暴露、迁移和转化等环境过程和毒性效应的影响, 科学评价纳米材料的环境风险.     

基于碳纳米复合材料的乳液催化新技术研究进展

碳纳米材料具有大的比表面积、发达的孔结构和丰富的表面化学性质,可与各种无机纳米材料耦合/复合构筑新结构、高性能、表面物理化学性质可调的碳纳米复合材料并用于乳液催化领域.本文介绍了固体颗粒乳化机理,影响乳化体系的因素及基于固体颗粒构建的乳液催化体系的基本原理;综述了氧化物、氢氧化物、碳素材料及其碳纳米复合材料固体颗粒乳化剂的特点,及基于这些固体颗粒构筑的乳液催化新技术的研究进展;指出了目前乳液催化技术研究存在的问题,认为基于碳纳米复合材料作为固体颗粒乳化剂的乳液催化新技术,是未来催化技术的重要发展方向之一.     

纳米材料在易感群体小鼠模型中的潜在毒性

不同人群对环境中有害因素的反应存在差异.处于孕期、哺乳期、幼年时期、老年时期等特殊生理时期的群体以及呼吸道、心血管、肝脏等组织器官处于疾病状态的群体通常对外源性有害刺激反应更加敏感,为危害因素的易感群体.纳米科技的发展和纳米材料在各领域的广泛应用使得人类接触纳米材料的机会大大增加.在正常群体的纳米安全性值得我们关注,纳米材料对易感群体的毒性效应更应受到重视.本文结合本课题组的部分研究结果,综述了纳米材料对处于特殊生理时期或疾病状态的易感群体小鼠的生物安全性方面的进展,以及纳米材料与污染物的复合物在易感群体小鼠中的毒性效应,并讨论了将来可能的研究重点.     

聚焦电子束诱导碳沉积实现纳米线表面可控修饰

作为一种典型的准一维纳米材料,纳米线具有纳米材料所特有的小尺寸效应或纳米曲率效应,经表面修饰的纳米线一般具有不同于普通纳米线的特殊性质.利用实验室发展成熟的透射电子显微镜原位辐照技术,以透射电子显微镜中残留的有机气体分子为前驱体,成功地在纳米线表面可控沉积了非晶碳纳米颗粒和碳纳米棒,以及局域凸起的非晶碳膜并形成局域肿大的同轴结构.实验结果表明,该方法能够方便地通过控制聚焦电子束的束斑尺寸、辐照方式、辐照时间以及辐照位置等参数,在纳米线表面精确可控地沉积各种非晶碳纳米结构,从而实现纳米线的表面可控修饰.对聚焦电子束辐照下基于纳米线的各种碳纳米结构的可能沉积机理作了进一步地探索,并针对透射电子显微镜中如何减少因电子束辐照诱导非晶碳沉积造成的样品污染提出了几点建议.     

为什么要设计酶催化活体自组装?

自组装纳米材料在药物递送方面的应用具有巨大的潜能.其尺寸的可调控性、病理环境响应性等物理化学行为,使得自组装纳米载体可以通过改进主动靶向、被动靶向、血液长循环等方面来提高药物递送能力.然而,相对于大量基础研究的投入,目前的临床转化依然面临着巨大的挑战.其中除了药物研发固有的高风险特征外,其主要原因还包括自组装纳米材料在体的稳定性、递送效率以及代谢毒性等问题.由此,我们从自然的自组装过程中得到启发,率先发展了活体自组装(in vivo self-assembly)的策略.它是指通过将外源性的分子引入到特定的生理和病理环境下,在细胞、组织甚至活体生物内进行自组装,形成可控的高级有序结构.通过调控其在复杂生物环境下时空可控的组装,从而实现特定的功能.体内自组装纳米药物具有组装诱导滞留(assembly induced retention,AIR)效应,能够显著增强药物在靶点病灶部位的富集和滞留,增强递送效率,提高药物利用率,同时降低药物在肝肾部位的蓄积,降低了毒性副作用,为癌症等重大疾病的诊断和治疗提供了新思路和新策略.     

二维过渡金属硫族化合物纳米异质结气体传感器研究进展

二维过渡金属硫族化合物(2D TMDs)在气体传感方向的应用中具有显著的"先天"优势,表现出如灵敏度高、响应速度快、能耗低以及能在室温下工作等诸多优点.相对单一的2D TMDs而言,基于2D TMDs纳米异质结的气体传感器展现出更加优越的气体传感性能.本文将系统总结2D TMDs纳米异质结气体传感器的研究进展,尤其是2D TMDs与金属氧化物、金属硫化物、碳基纳米材料以及量子点之间形成的纳米异质结设计、构效关系以及传感机理等关键科学问题.传感材料和传感机制上的创新对提升传感性能并拓展传感功能具有重要的科学意义.通过对纳米异质结气敏机理的深入探究,有望实现纳米异质结结构的人为设计和可控制备,提高室温下对目标气体的高灵敏选择性识别和检测.在纳米异质结的结构设计上,以TMDs材料为导电主体,在其表面生长各种纳米结构,通过对纳米异质结表面酸碱性、功函数、气体分子极性以及纳米异质结与气体分子之间的氧化还原反应性质进行调控,来构筑基于TMDs的纳米异质结.此外,控制负载在二维TMDs上纳米颗粒尺寸小于两倍电子耗尽层厚度,充分发挥纳米颗粒量子限域效应,以纳米颗粒充当传感的"天线分子"或"探针分子",实现对目标气体分子的高灵敏选择性识别和检测.     

等离子激元纳米颗粒组装及其生物应用

近年来,通过自组装技术能够可控地将单个纳米颗粒组装成一维、二维或三维空间构象的新型复合材料.相对于单独的纳米颗粒,纳米颗粒组装材料可表现出许多新颖或优异的物理性质,具有巨大的应用前景,因此在纳米材料领域越来越受到关注并快速发展.尤其是贵金属纳米颗粒组装体具有独特的等离子激元光学性质,在生物传感、成像和治疗等方面具有广阔的应用前景.本文回顾了近年来通过分子介导方法对纳米颗粒进行组装及其生物应用的最新研究进展,重点介绍了几种分子介导的纳米颗粒组装技术,以及纳米颗粒组装体的生物医学应用,并展望了其发展前景.     

纳米材料的安全性研究及其评价

随着纳米材料和纳米技术的迅速发展和广泛应用, 人们接触不同种类的纳米材料的机会大大增加. 纳米材料与人体接触会不会引起不良的后果? 纳米材料对环境是否有危害? 当纳米材料和纳米技术与人类的关系越来越紧密的时候, 其引起的伦理学、社会和法律问题也越来越引起人们的关注. 本文就纳米安全性研究以及相关的一系列伦理学问题, 结合国内外各研究机构的实验结果和流行病学调查资料, 从纳米材料本身的安全性、纳米材料合成及使用过程中涉及的其他物质与纳米材料的共同作用、纳米材料暴露的安全性评价、纳米材料的风险评估以及纳米材料和纳米技术的有力监管5 个方面, 简要阐述如何正确认识纳米材料和纳米技术的安全性.     

“秤砣虽小压千斤”——解析金属离子在纳米药物自组装中的功能设计

<正>目前,化疗的最大障碍是化疗药物在杀死癌细胞的同时对人体正常细胞,尤其是免疫细胞造成损伤.将化疗小分子药物特异性地递送到肿瘤部位,从而提高疗效并降低其毒副作用是亟待解决的现实难题.纳米药物主要由活性药物分子和递送系统(即药物载体)组成,是纳米材料或纳米颗粒在医学中最新发展起来的应用形式.由于其颗粒小     

氧化铁纳米材料在肿瘤治疗中的研究进展

氧化铁纳米材料是目前美国食品药品监督管理局(FDA)批准的唯一可运用于临床的无机纳米材料,在磁共振医学影像中发挥着重要的作用.近年来,随着化学技术的蓬勃发展,以化学修饰改造为代表的优化策略在氧化铁纳米颗粒尺寸大小的调控、成分结构的改造以及表面功能化修饰中大量运用,使得生物相容性良好的氧化铁纳米颗粒在医学健康领域,特别是肿瘤治疗方面的运用得到极大的拓展.本文将探讨以氧化铁纳米颗粒为基元的纳米材料在肿瘤治疗领域的研究与发展,分别就当前氧化铁纳米颗粒的制备工艺、氧化铁纳米颗粒的生物学效应功能、氧化铁纳米颗粒在肿瘤治疗,以及肿瘤免疫微环境调节的运用等方面进行了总结.最后,讨论了氧化铁纳米颗粒作为肿瘤药物向临床转化面临的问题,并展望了其未来的发展方向.     

“摇铃形”金复合纳米二氧化硅在细胞和组织暗场成像中的应用

金纳米颗粒因其具有独特的物理化学及光学性质, 在生物影像、癌症诊断治疗等领域表现出极大的应用前景, 但因小尺寸纳米金颗粒(<20 nm)在生理体液环境中稳定性较差、体内安全剂量低、被动靶向效果不明显等问题, 使其在体内成像, 尤其在活体肿瘤部位成像中受到较大局限. 本文针对上述问题, 将13 nm金颗粒生长在具有特殊核壳结构的夹心二氧化硅空腔之内, 形成具有新型结构的“摇铃形”金复合纳米二氧化硅(silica nanorattles@gold nanoparticles, SN@GN), 既保留金纳米颗粒的强散射特性以利于细胞和动物组织中实现暗场成像, 同时二氧化硅壳层将金颗粒保护起来, 提高了纳米颗粒的稳定性. 细胞毒性实验表明SN@GN的细胞生物相容性良好, 毒性低. 动物急性毒性实验表明, SN@GN的最大耐受剂量大于200 mg/kg, 而GN的体内最大耐受剂量仅为4.6 mg/kg, 显著提高了金纳米颗粒的生物相容性. 本研究为SN@GN在生物暗场影像领域的应用提供了重要的实验依据.     

基于烷醇酰胺表面活性剂的新型微乳液法制备CdS量子点

量子点是一种三维量子限域的纳米材料,具有优异的发光性能,Ⅱ-Ⅵ族量子点稳定性强,得到广泛的关注和研究.在量子点制备方法中,传统的有机相和水相制备法被广泛应用,但是其存在反应条件苛刻等局限性.微乳液具有纳米级尺寸的内核,是优良的纳米材料微反应器,能够实现温和条件下制备量子点.在已有关于微乳液法制备量子点的研究中,多采用双(2-乙基己基)琥珀酸酯磺酸钠(AOT)、十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)等常规表面活性剂,较多关注试剂浓度、比例、温度等因素对合成量子点性质的调控,而关于表面活性剂分子结构对合成材料性质的影响研究尚少.本研究采用天然椰油酰胺表面活性剂微乳液体系制备了CdS量子点,通过与传统CTAB微乳液体系对比,探究了表面活性剂结构对制备量子点材料性能的影响,为微乳液法制备纳米颗粒提供了新的思路.     

石墨烯的生物安全性研究进展

石墨烯是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的二维碳纳米材料,具有优异的光学、电学、力学特性,在材料学、微纳加工、能源、生物医学和药物传递等方面具有重要的应用前景,被认为是一种未来革命性的材料.随着石墨烯在实际中的大规模生产和广泛应用,其生物安全性问题也备受关注.大量报道认为石墨烯是一种生物相容性良好的碳纳米材料,部分研究却发现石墨烯具有一定的生物毒性.石墨烯的生物毒性主要依赖于其理化性质(大小、形状、表面电荷、官能团等),与其使用剂量也密切相关.近年来,研究发现石墨烯纳米材料作用于不同生物体会表现出完全迥异的生物毒性.基于此,本文综述了近年来关于石墨烯在细胞毒性、动物毒性和抗菌性方面的研究进展,以期为石墨烯生物安全性评估和生物医学应用提供参考.     

纳米颗粒表面活性剂对T型微通道中液滴分裂的影响

液滴分裂是微通道中获得单分散小尺寸液滴的重要方法,纳米颗粒表面活性剂能够包裹液滴,是制备功能胶囊的潜在技术手段,研究纳米颗粒表面活性剂作用下的液滴分裂行为对于获得尺寸更小、分散性更好的功能液滴具有重要意义.本文通过微流体可视化实验和理论分析方法,研究纳米颗粒表面活性剂对液滴分裂的影响规律.在纳米颗粒表面活性剂作用下,液滴分裂存在阻塞分裂、过渡态分裂、非阻塞分裂、不分裂4种状态;通过分析液滴颈部宽度随时间的变化关系,得出纳米颗粒表面活性剂对液滴分裂的影响机理,即通过降低界面张力影响挤压颈缩速率;通过分析基于液滴尺寸与毛细数的液滴分裂状态分布相图,建立了液滴阻塞分裂与非阻塞分裂的临界转化理论模型.     

医药磁性氧化铁纳米材料的研究和发展

以氧化铁纳米颗粒为代表的医药磁性纳米材料,近年来在医学健康领域得到越来越多的重视.作为唯一得到食品药品监督管理局(FDA)批准,可临床使用的无机功能纳米材料,氧化铁纳米颗粒在纳米生物医学的研究和应用中发挥着至关重要的作用.本文将聚焦于氧化铁纳米颗粒等医药磁性纳米材料,主要基于本实验室的相关研究工作,介绍该领域的研究和发展.主要从如下几个方面进行论述:医药磁性氧化铁纳米材料的制备、医药磁性氧化铁纳米材料的磁学性质、医药磁性氧化铁纳米材料的生物效应、医药磁性氧化铁纳米材料的组装和性质调控以及医药磁性纳米材料及技术的发展趋势.