单细胞微环境中As(III)的实时原位电化学监测及其对细胞活性作用机制研究

The heavy metal pollution is considered as a critical health issue, resulting in the several diseases associated with the serious cytotoxicity on metabolism. However, it still unclear about the role of heavy metals on the cell cytotoxicity, which is mainly ascribed to the deficiency of the real-time and in-situ monitoring of the mobility, distribution and species evolution of heavy metals in cell microenvironment. This project, targeting at the effect of As(III) on cells, proposes a novel strategy on the real-time and in-situ monitoring of highly cytotoxic As(III) in single-cell microenvironment with the functionalized ultramicroelectrode. The hemoglobin modified ultramicroelectrode with high sensitivity and selectivity is fabricated and explored for real-time and in-situ monitoring the electrochemical behavior of As(III) in single-cell microenvironment. On the basis of the 3D electrochemical scanning with high spatiotemporal resolution, the mobility, distribution and species evolution of As(III) in single-cell microenvironment is systematically investigated, and the corresponding dynamic evolution model of As(III) is established. The role of As(III) exposure on the cell cytotoxicity will be revealed by integrating the statistical analysis of the electrochemical behavior of As(III). Furthermore, it would be expectant that this project will provide the novel strategy on the exploration of the cytotoxicity mechanism of heavy metals in cell microenvironment, and offer the theoretical basis and technology support for the development of the new-type micro/nano electrochemical devices that can be widely applied in the field of life science.

重金属污染干扰和破坏细胞正常代谢，引发多种疾病问题。然而，重金属离子对细胞活性的作用机制尚缺乏清晰认识，其主要原因在于难以实时原位监测细胞微环境中重金属离子的迁移行为、分布规律、形态转化等动态演变过程。本项目拟以类重金属As(III)与细胞作用为研究对象，提出发展单细胞微环境中高活性超微电极实时原位监测高毒性As(III)的新思路。设计构筑高灵敏、高选择性血红蛋白分子修饰超微电极，研究单细胞微环境下高毒性As(III)的实时原位电化学行为；基于三维微区高时空电化学扫描，探究As(III)在单细胞微环境中的迁移行为、分布规律及形态转化，建立As(III)在单细胞微环境中的动态演变模型，揭示As(III)暴露对细胞活性的作用机制。预期研究成果将为阐明单细胞微环境中重金属离子的生物毒理效应提供新策略，同时为发展新型微纳电化学传感器在生命科学领域提供理论依据和技术支撑。

重金属污染已成为全球性问题，不但造成环境持久性危害，而且干扰和破坏细胞正常代谢，引发多种疾病，严重威胁人类健康。然而重金属离子对生物细胞活性的作用机制尚缺乏清晰认识。作为重金属离子原位在线监测的一种有效手段，电化学方法得到广泛研究。尽管如此，电化学方法在复杂环境中对重金属离子的检测依然面临挑战，特别是针对细胞微环境。而微纳电极电化学对检测环境、电解液等依赖程度较低，适用于苛刻分析条件，已在活体细胞分析、DNA分析等细胞原位分析领域得到极大关注，为细胞微环境重金属离子实时原位监测研究提供了良好契机。本项目探究了微纳电极的构建及其对复杂环境重金属离子的电化学分析，实现了对复杂环境中重金属离子的高灵敏电化学分析。本研究：（1）以不同形式组装金微纳电极，采用简单电化学处理方式在金微电极表面构建三维多孔结构，经简单构筑的多孔金微电极极大提升了电化学活性位点，在复杂细胞微环境中对高毒性As(III)表现出良好的电化学检测灵敏度及高稳定性。此外，细胞微环境下重金属离子对细胞活性的影响也得到了初步阐释；（2）利用电化学方法构建多孔金微电极过程中高活性Zn与Au相互作用，调控电化学处理过程，优化并构建Zn-Au微电极，经热处理构筑ZnO纳米粒子负载金微电极，且ZnO纳米粒子均匀分布在多孔金微电极表面。基于其对高毒性As(III)的强吸附性能，ZnO纳米粒子与多孔金作为电化学敏感界面可在电化学分析过程显著提高对As(III)的富集。ZnO纳米粒子的高吸附性能与多孔金的高催化活性实现了复杂环境对As(III)的高灵敏检测。研究成果对发展单细胞微环境中重金属离子的实时原位监测以及探究单细胞微环境中重金属离子的动态演变分析方法具有重要的意义，为揭示细胞微环境中重金属离子的毒理效应提供新策略，并为发展新型微纳电化学传感器在生命科学领域提供理论依据和技术支撑。