基于分子模拟研究碳纳米颗粒物诱导产生ROS的机制

Oxidative stress induced by reactive oxygen species (ROS) has been regarded as the most acceptable mechanism of the toxicity of nanoparticles. However, the underlying pathways and mechanisms of ROS generation by carbon nanoparticles remain unclear. Based on the density functional theory (DFT), this project will investigate the pathways of carbon nanoparticle-induced ROS generation through electron transfer and energy transfer processes. Simultaneously, experiments will be conducted to validate the molecular simulation results. Fluorescent tagged probe methods will be used to quantitatively analyze the ROS generated by carbon nanoparticles in two ways: production of superoxide anion radical and hydroxide radical with existence of electron donor and production of singlet oxygen under irradiation. Moreover, we will investigate the influence of type and quantity of functional groups and different electric structure to ROS generation, and reveal the relationship between electric structure parameters (ionization potential, electron affinity,electronegativity, etc.) and the production of ROS. Thereby, a theoretical approach for predicting carbon nanoparticle-induced ROS generation will be established by elucidating the molecular mechanisms of ROS production.

碳纳米颗粒物诱导产生活性氧物种(ROS)，引起氧化应激被认为是碳纳米颗粒物的主要毒性机制。然而，碳纳米颗粒物诱导ROS的产生途径、反应机制以及关键的影响因素尚不清楚。因此，本项目基于分子模拟方法，研究碳纳米颗粒物经电子转移和能量转移过程诱导ROS的产生途径和机制。采用荧光探针标记法，定量测试典型碳纳米颗粒物经电子转移诱导产生的超氧阴离子自由基和羟基自由基、经能量转移诱导产生的单线态氧，对分子模拟结果进行验证。研究碳纳米颗粒物的表面官能团(种类和数量)和电子结构(金属性和半导体性)对ROS产生的影响规律，揭示碳纳米颗粒物的电子结构参数(电离能、电子亲和势、电负性等)与ROS的产生途径和水平之间的关系，阐明产生ROS的分子机制，建立碳纳米颗粒物诱导产生ROS的预测方法。

诱导活性氧物种(ROS)的产生，引发氧化应激是碳纳米颗粒物的主要毒性作用机制。研究碳纳米颗粒物诱导产生ROS的机制，对于评估碳纳米颗粒物的毒性效应至关重要。本项目采用分子模拟方法，研究不同形状的碳纳米颗粒物诱导产生 ROS 的途径以及不同表面官能团修饰对碳纳米颗粒物诱导产生ROS的影响。同时，基于电子自旋共振光谱技术和分子探针方法测定了碳纳米颗粒物诱导产生 ROS 的水平。.基于能带结构的理论计算，发现富勒烯、碳纳米管和石墨烯的最低非占据轨道能均大于超氧阴离子自由基生成势(-4.3 eV)，可以通过光致电子转移反应诱导生成超氧阴离子自由基。此外，富勒烯和碳纳米管的能隙值大于氧分子的跃迁能(0.97 eV)，可通过光致能量转移过程诱导生成单线态氧。基于单电子占据分子轨道能，发现金属型碳纳米管能够通过电子转移诱导产生羟基自由基。此外，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大于氧分子的跃迁能(0.97 eV)，表明光照下它们可经能量转移产生单线态氧。石墨烯及其表面官能化衍生物的最低未占据轨道能均大于-4.30 eV，表明它们可经电子传递产生超氧阴离子自由基。然而，石墨烯及其表面官能化衍生物的最高占据分子轨道能均大于-6.70 eV，表明它们不能直接氧化水产生羟基自由基，羟基自由基产生可能通过超氧阴离子自由基发生歧化反应而生成。基于电子自旋共振光谱技术和分子探针方法测定石墨烯及其表面官能化衍生物光致产生ROS的水平，发现石墨烯及其表面官能化衍生物光致产生单线态氧的能力大小：羧基化石墨烯 > 氨基化石墨烯，产生超氧阴离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，产生羟基自由基的能力大小：氨基化石墨烯 ≈ 羧基化石墨烯。实验测试结果与理论计算结果具有较好的吻合，说明本项目建立的碳纳米颗粒物诱导产生ROS的理论预测方法可用于纳米颗粒的水生毒性以及毒性作用机制的评价。