石墨烯及其表面官能化衍生物对大型溞的氧化应激效应

摘要

一些碳纳米材料在光照下可经能量转移和电子传递途径产生活性氧物种(ROS)，引发氧化应激效应，进而对生物产生毒性作用。石墨烯作为新型碳纳米材料，其毒理学研究主要关注氧化石墨烯。不同种类的表面官能团如何改变石墨烯的电子结构，影响其诱导产生ROS导致氧化应激效应需要进一步的研究。
　　本研究采用电子自旋共振光谱(EPR)技术和分子探针方法测定了羧基化石墨烯、氨基化石墨烯和未官能化石墨烯光致产生ROS的种类和水平，同时基于密度泛函理论研究了石墨烯及其表面官能化衍生物诱导产生ROS的反应途径。利用能带结构预测石墨烯及表面官能化衍生物的氧化应激效应，并以大型溞为模式生物，测定氧化应激效应的生物标志物，验证了氧化应激效应的预测结果。
　　(1)基于EPR技术测定光致产生ROS的种类，发现羧基化石墨烯和氨基化石墨烯在紫外光照下具有经能量转移产生单线态氧(1O2)和经电子传递产生羟基自由基(·OH)的能力。基于分子探针方法，定量测定了石墨烯及其表面官能化衍生物光致产生ROS的水平，发现产生1O2的能力大小:羧基化石墨烯＞氨基化石墨烯，产生超氧阴离子(O2·-)的能力大小:羧基化石墨烯＞氨基化石墨烯＞未官能化石墨烯，产生·OH的能力大小:氨基化石墨烯≈羧基化石墨烯。
　　(2)基于密度泛函理论计算了石墨烯及其表面官能化衍生物的能带结构，发现羧基化石墨烯和氨基化石墨烯的能隙值（Eg）大于分子态氧的跃迁能(0.97 eV)，表明光照下它们可经能量转移产生1O2，而未官能化石墨烯不具有产生1O2的能力。石墨烯及其表面官能化衍生物的最低未占据轨道能(ELUMO)均大于-4.30 eV，表明它们可经电子传递产生O2·-。然而，石墨烯及其表面官能化衍生物的最高占据轨道能(EHOMO)的均大于-6.70 eV，表明它们不能直接氧化H2O产生·OH，·OH产生可能是O2·-发生歧化反应而生成的。
　　(3)羧基化石墨烯和未官能化石墨烯的ELUMO计算值在生物体内标准氧化还原电势(-4.12 eV～-4.84 eV)范围内，表明它们可能对生物体具有氧化应激效应。通过测定大型溞体内氧化应激标志物，发现未官能化石墨和羧基化石墨烯可显著地提高体内总ROS的水平，且趋势为:未官能化石墨烯＞羧基化石墨烯。未官能化石墨烯和羧基化石墨烯使体内总超氧化物歧化酶活性显著升高，而经氨基化石墨烯处理后总超氧化物歧化酶活性活性无显著改变。维生素C的加入降低了未官能化石墨烯和羧基化石墨烯诱导的体内总ROS水平。结果表明:羧基化石墨烯和未官能化石墨烯具有氧化应激效应，而氨基化不具有氧化应激效应。

目录

声明

摘要

引言

1 碳纳米材料氧化应激效应的研究进展及选题依据

1．1 碳纳米材料的分类

1．2 碳纳米材料氧化应激效应的研究进展

1．2．1 纳米毒理学的发展

1．2．2 碳纳米材料的氧化应激效应

1．3 氧化应激的评价方法

1．3．1 光致产生ROS的反应途径及检测方法

1．3．2 生物体内抗氧化活性的变化及检测方法

1．4 碳纳米材料氧化应激效应的影响因素

1．4．1 物理化学因素

1．4．2 外界环境因素

1．5 选题依据、研究内容以及技术路线

1．5．1 选题依据

1．5．2 研究内容

1．5．3 技术路线

2 石墨烯及其表面官能化衍生物光致产生ROS的研究

2．1 材料和方法

2．1．1 实验材料

2．1．2 实验仪器

2．1．3 光化学反应的实验设备和条件

2．1．4 材料分散液的制备与表征

2．1．5 ROS的电子自旋共振光谱检测

2．1．6 ROS的分子探针检测

2．2 结果与讨论

2．2．1 石墨烯及其表面官能化衍生物悬浮液的表征

2．2．2 石墨烯及其表面官能化衍生物在光照下产生ROS的能力

2．2．3 石墨烯及其表面官能化衍生物产生ROS的动力学

2．3 本章小结

3 石墨烯及其表面化衍生物光致诱导产生ROS的计算模拟

3．1 计算模拟的构建及方法

3．1．1 模型构建方法

3．1．2 产生ROS的反应途径分析

3．2 结果与讨论

3．2．1 模型构建准确性的验证

3．2．2 石墨烯及其表面官能化衍生物的前线轨道能

3．2．3 产生ROS的反应途径

3．2．4 产生ROS的反应机制

3．3 小结

4 石墨烯及其表面官能化衍生物对大型溞的氧化应激效应

4．1 材料和方法

4．1．1 实验材料

4．1．2 实验仪器

4．1．3 光照实验的设备和条件

4．1．4 大型泽的培养

4．1．5 急性毒性试验

4．1．6 体内总ROS的测定

4．1．7 体内总超氧化物歧化酶活性的测定

4．1．8 抗氧化剂对体内总ROS水平的影响

4．1．9 数据处理与统计学分析

4．2 结果与讨论

4．2．1 预测石墨烯及其表面官能化衍生物的氧化应激效应

4．2．2 大型泾对石墨烯及其表面官能化衍生物的摄取

4．2．3 石墨烯及其表面官能化衍生物对大型溞的光致急性毒性

4．2．4 体内总ROS的产生水平

4．2．5 体内总超氧化物岐化酶活性的变化

4．2．6 抗氧化剂的加入对体内总ROS的水平影响

4．3 本章小结

结论与展望

参考文献

附录

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢