吉林大学杜建时&单亚明&杨清彪团队在CEJ发表：通过静电喷雾制备的富集纳米颗粒用于低氯酸盐的检测，并用于肿瘤成像、抗菌和抗病毒|微迈

吉林大学杜建时&单亚明&杨清彪团队在CEJ发表：通过静电喷雾制备的富集纳米颗粒用于低氯酸盐的检测，并用于肿瘤成像、抗菌和抗病毒

发布时间：2024.12.11
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2024年11月28日，吉林大学杜建时教授&单亚明教授&杨清彪教授团队在《Chemical Engineering Journal》上发表了题为“Enriched detection nanoparticles for hypochlorite prepared by electrostatic spray, applied to tumor imaging, antibacterial and antiviral”的论文。该研究采用静电喷雾技术制备了多功能纳米颗粒C@B NPs，并首次在离子传感器中提出通过增强静电吸附来提高传感器的灵敏度。C@B NPs能够将次氯酸盐（ClO-）富集在其表面，形成高浓度区域，从而与ClO-更好地反应，显著提升传感灵敏度，其最低检测限为1.81 nM。C@B NPs具有良好的抗干扰能力和生物兼容性，能够区分和识别正常细胞与癌细胞，并实现小鼠体内肿瘤成像。此外，由于C@B NPs中含有大量季铵盐结构，它们还展现出出色的抗菌和抗病毒特性，对细菌和病毒的抑制率达到100%。这是一种集肿瘤成像、抗菌和抗病毒功能于一体的纳米颗粒，具有在肿瘤可视化和感染治疗中的潜力。

一、研究背景

次氯酸/次氯酸盐在生理过程中的作用及其危害：次氯酸/次氯酸盐（HClO/ClO-）在细胞内具有抗菌、调节炎症和辅助免疫功能，但在外部刺激下可能产生过量，导致蛋白质、核酸和脂质损伤，进而与阿尔茨海默病、动脉粥样硬化、癌症等疾病相关。因此，监测细胞内次氯酸浓度十分重要。

传统固相荧光传感器的缺陷：当前，基于聚合物材料（如纳米粒子、纳米纤维和薄膜）的固态传感器在次氯酸检测中得到了广泛研究，但由于固–液相分离的影响，这些传感器的灵敏度低于溶液相有机分子传感器。因此，提高固态聚合物传感器的灵敏度是一个重要的研究方向。

静电喷雾技术在传感器中的应用：静电喷雾技术通过高电压电场使聚合物溶液带电，形成微米或纳米级小滴，制备出可调尺寸和结构的纳米颗粒。这些颗粒具有高比表面积，能与水相充分接触，广泛应用于水处理、环境消毒、化学传感和农业控制等领域。阳离子聚合物通过静电吸附作用能去除有害阴离子，具有重要的抗菌和抗病毒功能。

二、研究方法

合成阳离子聚合物：通过合成不同质量分数的苄基修饰聚合物（P(MMA-co-DMAEMA)-Bn），制备阳离子聚合物。该聚合物具有增强的电荷分布，有助于提高检测灵敏度。

功能化聚合物的制备：将聚(4-乙烯基吡啶)（P4VP）改性为氯化苄基修饰的吡啶类衍生物（CBPI），使其具有响应ClO-的功能，用于制备具有抗菌抗病毒特性的纳米颗粒。

静电喷雾法制备纳米颗粒：采用静电喷雾技术制备具有高ClO-敏感性的纳米颗粒（C@B NPs），这些颗粒还具备抗菌和抗病毒功能。

图1：(A) C@B纳米颗粒制备的示意图。(B) C@B纳米颗粒在水中吸附、富集和荧光响应的过程。(C)(D) C@B纳米颗粒在肿瘤识别中的应用。(E)(F) C@B纳米颗粒在抗菌和抗病毒领域的应用。

ClO-的检测性能研究：研究发现，C@B NPs在ClO-存在下，在570 nm处表现出显著的荧光增强，且其检测灵敏度随着阳离子聚合物P(MMA-co-DMAEMA)-Bn含量的增加而提高。

细胞相容性与生物成像：C@B-8% NPs表现出较低的细胞毒性和良好的生物相容性，能够在HUVEC细胞中特异性识别并成像内源性和外源性ClO-，并能区分正常组织细胞和肿瘤细胞。

抗菌抗病毒性能评估：C@B NPs具有广谱的抗菌抗病毒特性，能够有效杀灭大肠杆菌、金黄色葡萄球菌，并对伪HIV具有抑制作用。

三、图文解释

图2：C@B NPs的形貌表征。SEM图像显示C@B NPs具有均匀的尺寸、球形结构和良好的分散性。局部放大图显示其平均直径约为400 nm，表面光滑。TEM分析结果表明，C@B-8 % NPs悬液的粒径约为400 nm，且观察到中空核壳结构。

图3：为研究不同P(MMA-co-DMAEMA)-Bn含量的C@B纳米粒子对ClO的荧光响应，进行了荧光滴定实验。实验中，C@B纳米粒子以不同含量（0%、2%、4%、6%、8%、10%）分散于pH 7.4水溶液中。结果表明，C@B-8%纳米粒子在570 nm处的荧光强度随着ClO浓度的增加逐步增强，且与ClO浓度呈线性关系。C@B-8%的检测限为1.81 nM，优于其他组。引入P(MMA-co-DMAEMA)-Bn增加了纳米粒子表面正电荷，增强了对ClO的静电吸附，提升了反应灵敏度。然而，C@B-10%的LOD反而增加，可能与P(MMA-co-DMAEMA)-Bn中P4VP-CBPI含量较低有关。紫外吸收光谱分析显示，C@B-8%纳米粒子与ClO反应后，吸收峰蓝移至430 nm，颜色由橙红色变为黄色，便于肉眼识别ClO。

图4：研究了C@B-8%纳米粒子的抗干扰性能，以评估其在复杂环境中的应用潜力。首先，通过选择性实验将ClO和一系列干扰物（如CO₃²⁻、SO₄²⁻、Cl⁻等）添加到纳米粒子分散液中，检测其荧光响应。结果表明，只有ClO能显著增强570 nm处的荧光，而其他干扰物未引起任何荧光变化，显示出纳米粒子对ClO具有良好的选择性。接着，进行了竞争实验，模拟了复杂环境中ClO与多种干扰物共存的情况。结果表明，即使在干扰物浓度较高的情况下，C@B-8%纳米粒子依然能够快速响应ClO，并表现出明显的荧光信号。综合来看，C@B-8%纳米粒子具备较强的抗干扰能力，能够在复杂的环境中快速、特异性地检测ClO。

图5：为了扩大C@B-8%纳米粒子在生物成像中的应用潜力，首先通过MTT法评估了其生物安全性。结果显示，在加入60 mg/L C@B-8%纳米粒子后，细胞活性仍保持在80%以上，证明C@B-8%纳米粒子具有较低的细胞毒性，可以用于后续的细胞及体内成像实验。

图6：使用HUVEC细胞进行内外源性成像实验，结果表明C@B-8 % NPs能够通过细胞膜进入细胞，并在外源性ClO存在时显示黄色荧光。内源性ClO实验中，C@B-8 % NPs在LPS和PM刺激的细胞中也能成像ClO。进一步实验表明，C@B-8 % NPs能准确区分肿瘤细胞（如MCF-7、Hela）与正常细胞（HUVEC、RAW264.7）。体内成像实验中，注射C@B-8 % NPs的小鼠肿瘤部位显示明显荧光，且随时间扩展，验证了其对肿瘤成像的能力。肿瘤特异性成像表明，C@B-8 % NPs未在正常器官中扩散，显示其潜在的肿瘤诊断价值。

图7：季铵盐聚合物是常见的抗菌抗病毒材料。C@B NPs含有大量季铵盐结构，因此研究了其抗菌抗病毒性能。图7为抗菌实验结果，使用不同P(MMA-co-DMAEMA)-Bn含量的0.54 mg/mL C@B NPs对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌进行处理，结果表明C@B NPs能抑制细菌生长，且随着P(MMA-co-DMAEMA)-Bn含量的增加，实验组的菌落数逐渐减少，C@B-10 % NPs组表现出最佳抗菌效果。进一步研究表明，C@B-10 % NPs的最佳抗菌浓度为1.080 mg/mL，此时几乎没有菌落生长，证明该浓度能完全杀灭大肠杆菌和金黄色葡萄球菌。以上实验结果证明了C@B NPs具有出色的抗菌性能，且在水处理和感染防控中具有潜力。

四、总结展望

报告了采用静电喷雾技术制备多功能纳米粒子C@B NPs的方法。C@B NPs能够通过静电吸附富集溶液中的ClO，实现高灵敏度的ClO传感，最低检测限为1.81 nM。其次，C@B NPs具有出色的抗干扰能力和快速响应性能，能够在复杂环境中迅速准确地完成ClO响应。由于其低细胞毒性和良好的生物相容性，C@B NPs可用于活体小鼠肿瘤细胞及肿瘤组织的成像，并能通过不同的荧光信号准确区分正常细胞与肿瘤细胞。此外，C@B NPs在抗菌和抗病毒领域也表现优异，能够实现对伪HIV的100%灭菌率和100%中和率。这是首次使用静电吸附技术提高化学传感器对阴离子检测的灵敏度，也是首次将生物成像功能与抗菌、抗病毒功能结合于同一纳米材料上。通过增强静电吸附提高检测灵敏度的方法，预计将在未来为传感材料的多功能开发提供新的思路，并在生物分析和临床医学中具有一定的潜在意义。

DOI: 10.1016/j.cej.2024.157990

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