《基於分子模擬研究碳納米顆粒物誘導產生ROS的機制》是依託大連理工大學,由李雪花擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：基於分子模擬研究碳納米顆粒物誘導產生ROS的機制
- 依託單位：大連理工大學
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：李雪花
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
碳納米顆粒物誘導產生活性氧物種(ROS)，引起氧化應激被認為是碳納米顆粒物的主要毒性機制。然而，碳納米顆粒物誘導ROS的產生途徑、反應機制以及關鍵的影響因素尚不清楚。因此，本項目基於分子模擬方法，研究碳納米顆粒物經電子轉移和能量轉移過程誘導ROS的產生途徑和機制。採用螢光探針標記法，定量測試典型碳納米顆粒物經電子轉移誘導產生的超氧陰離子自由基和羥基自由基、經能量轉移誘導產生的單線態氧，對分子模擬結果進行驗證。研究碳納米顆粒物的表面官能團(種類和數量)和電子結構(金屬性和半導體性)對ROS產生的影響規律，揭示碳納米顆粒物的電子結構參數(電離能、電子親和勢、電負性等)與ROS的產生途徑和水平之間的關係，闡明產生ROS的分子機制，建立碳納米顆粒物誘導產生ROS的預測方法。
結題摘要
誘導活性氧物種(ROS)的產生，引發氧化應激是碳納米顆粒物的主要毒性作用機制。研究碳納米顆粒物誘導產生ROS的機制，對於評估碳納米顆粒物的毒性效應至關重要。本項目採用分子模擬方法，研究不同形狀的碳納米顆粒物誘導產生 ROS 的途徑以及不同表面官能團修飾對碳納米顆粒物誘導產生ROS的影響。同時，基於電子自旋共振光譜技術和分子探針方法測定了碳納米顆粒物誘導產生 ROS 的水平。 基於能帶結構的理論計算，發現富勒烯、碳納米管和石墨烯的最低非占據軌道能均大於超氧陰離子自由基生成勢(-4.3 eV)，可以通過光致電子轉移反應誘導生成超氧陰離子自由基。此外，富勒烯和碳納米管的能隙值大於氧分子的躍遷能(0.97 eV)，可通過光致能量轉移過程誘導生成單線態氧。基於單電子占據分子軌道能，發現金屬型碳納米管能夠通過電子轉移誘導產生羥基自由基。此外，基於密度泛函理論計算了石墨烯及其表面官能化衍生物的能帶結構，發現羧基化石墨烯和氨基化石墨烯的能隙值大於氧分子的躍遷能(0.97 eV)，表明光照下它們可經能量轉移產生單線態氧。石墨烯及其表面官能化衍生物的最低未占據軌道能均大於-4.30 eV，表明它們可經電子傳遞產生超氧陰離子自由基。然而，石墨烯及其表面官能化衍生物的最高占據分子軌道能均大於-6.70 eV，表明它們不能直接氧化水產生羥基自由基，羥基自由基產生可能通過超氧陰離子自由基發生歧化反應而生成。基於電子自旋共振光譜技術和分子探針方法測定石墨烯及其表面官能化衍生物光致產生ROS的水平，發現石墨烯及其表面官能化衍生物光致產生單線態氧的能力大小：羧基化石墨烯 ＞ 氨基化石墨烯，產生超氧陰離子自由基的能力大小：羧基化石墨烯 ＞ 氨基化石墨烯 ＞ 未官能化石墨烯，產生羥基自由基的能力大小：氨基化石墨烯 ≈ 羧基化石墨烯。實驗測試結果與理論計算結果具有較好的吻合，說明本項目建立的碳納米顆粒物誘導產生ROS的理論預測方法可用於納米顆粒的水生毒性以及毒性作用機制的評價。
