基于CE-ICP/MS的降解与团聚量子点分离分析方法的建立及其应用

Quantum dots (QDs) are widely used in the fields of life science research. Because they are cadmium-containing materials, evaluation of their biological toxicity， effects on the environment and human health are of increasing concerns.Our project team have identified various patterns of the elements composition of QDs in animal organs, which demonstrate that QDs have been part of the degradation and/or aggregation in vivo. It had been proven that the degradation and/or aggregation contribute to the overall toxicity of QDs.However, up to now, there has been few study on the analysis methods of QDs' degradation and/or aggregation in complex samples. We noticed that capillary electrophoresis (CE) offers higher separation efficiency with strong anti-interference ability and requires much smaller volume of sample. We also noticed that inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS) is a highly sensitive method for detecting metallic elements, for the detection limit for 111Cd can even approach to 0.1 ppb (ng/ml).Based on our latest study and the two notions above, this project would (1) use the new idea of electrophoresis technology for nanoparticles' separation and purification, coupling CE with ICP-MS to develop a method of capillary electrophoresis-inductively coupled plasma mass spectrometry ( CE-ICP/MS)for the detection of QDs' degradation and/or aggregation in water ,cell culture medium and biological samples, (2) evaluate the method of CE-ICP/MS,(3)using CE-ICP/MS, study on the change laws of QDs'degradation and/or aggregation in various system, and explore the relationship between the contents and patterns of QDs'degradation and/or aggregation with cytotoxicity,biological accumulation, excretion and physiological function, combined with MTT，SCGE and many other analysis methods. Our project aims for providing pivotal method and technology for the analysis and toxicity studies of QDs.

量子点被广泛应用于生命科学研究中的多个领域。由于含有镉（Cd）元素，其生物学毒性效应及其对环境、健康的影响成为新的研究热点。量子点降解或团聚与其潜在毒性密切相关，但适合复杂样本的分离分析方法目前尚无研究。本项目组在前期工作基础上，运用电泳技术鉴定和分离纳米颗粒这一新思路，将抗干扰能力强、高分辨并且环保的毛细管电泳（CE）分离技术与超灵敏的电感耦合等离子体/质谱（ICP-MS）检测技术联机，建立适合水体样本、细胞培养液和生物样本的灵敏准确的量子点及其降解与团聚物的CE-ICP/MS分析方法，并对其进行方法效能指标的评价。基于CE-ICP/MS分析方法，结合MTT、SCGE等实验，研究量子点在不同反应体系中降解与团聚的变化规律；分析量子点降解与团聚物的含量及存在形式与细胞毒性的关系，以及对生物蓄积、排泄和靶器官生理功能的影响，旨在为量子点的分析检测和毒性研究提供新的方法和关键技术支撑。

量子点（Quantum dots，QDs）又称为半导体纳米晶，由于具有独特的光学特性，目前被广泛应用于生物成像、疾病诊断和药物传输等研究领域。然而，由于QDs含有Cd、Te、Se等有毒元素，其生物学毒性、环境毒性和对人类的潜在毒性研究成为近十年来科学研究的热点。大量研究显示：QDs的毒性与其本身及其降解后释放的Cd、Te或Se离子等有关，因此，建立生物样品中QDs及其降解产物的检测方法对深入阐明QDs的毒性作用机制具有重要意义。然而如何实现QDs与其降解产物的直接、准确的分离与分析，迄今为止未见报道。. 本项目的主要研究工作包括：① 将毛细管电泳技术（CE）和电感耦合等离子体质谱技术（ICP/MS）联用，成功地实现了CE- ICP/MS对生物样品中CdTe QDs及其降解产物的分离与分析；② 研究了QDs不同组成元素的代谢动力学参数和组织分布，探讨了QDs的体内化学稳定性；③ 研究了QDs毒性作用的剂量-效应关系和时间-效应关系，探讨了QDs降解与活性氧（ROS）产生和组织病理改变的关系。重要研究成果包括：① 发现以Na2HPO4为电泳缓冲液，以Na2B4O7+ H3BO3（pH9.0）为样品缓冲液，可以实现CdTe QDs及其降解产物Cd2+ 与TeO32-的良好分离，应用CE- ICP/MS可以实现生物样品中CdTe QDs及其降解产物的分离分析，方法准确度高，灵敏度高；② 进入体内的QDs，其组成元素Cd和Te具有不同的血流动力学参数和组织分布趋势，Cd主要积聚在肝脏、肾脏和脾脏，Te主要分布于肾脏，肝组织中Cd与Te摩尔比（Cd：Te）随时间变化显著升高，提示QDs在体内可以快速降解，并且在不同组织器官中的降解速度不同；③ QDs引起的病理变化与Cd2+释放和.OH产生密切相关，并具有剂量和时间依赖关系，病理改变滞后于Cd2+和. OH浓度的升高，这种病理变化可以在一定时间后得以恢复。. 本研究建立了基于CE-ICP/MS的QDs及其降解产物的分离分析方法，实现了对生物样品中QDs存在形态的准确分析。研究成果对于正确认识QDs的生物学作用及其毒作用机制具有一定的理论意义，也为纳米材料在生物体系的存在形态研究提供了新的分析方法和关键技术支撑，具有实际意义。