色谱质谱技术用于二硫化钨纳米材料的精确组成表征和尺寸筛选方法研究

Biosafety is the key issue of nanoparticles used in clinic. Researchers indicated that nanoparticles with a hydration diameter less than 5.5 nm achieve rapid equilibrium with the renal clearance, whereas larger particles undergo long-time metabolism and present potential toxicity. In order to increase the biosafety of nanoparticles applied in clinical tumor imaging and therapy, this proposal, taking WS2 as an example, will: 1) develop mass spectrometry (MS) and liquid chromatography coupled to mass spectrometry (LC-MS) based strategy to analyze the concentration, size and core/legends ratio of WS2 nanoparticle from complex matrix, which will be a analytical platform for further WS2 nanoparticle metabolism studies；2) develop a size filtration method for WS2 nanoparticle based on mesoporous SiO2, this method can concentrate WS2 particles with a small hydration diameter which can be metabolized via renal clearance and can be further used in clinic researches with insured biosafety. The proposed methods for WS2 structural elucidation and size filtration can be extended to most of other nano-materials. The MS based structural elucidation method presents size and detailed core/legends compositions, which is benefit for explaining the relationship of nanoparticle composition, size and its biological effect. The size filtration method can be assembled as solid phase extraction (SPE) cartridge and coupled to MS, which presents on-line screening and filtration for nanoparticles. Furthermore, the size filtration method has potential to be extended in nanoparticle size filtration industry in the future.

纳米材料的生物安全性是其在临床应用中面临的重大问题。研究表明只有水合直径小于5.5 nm的纳米颗粒才能通过肾清除的方式快速代谢出体外，否则将会带来潜在的长期生物毒性。本项目从提高纳米材料在临床肿瘤诊断和治疗的安全性出发，以二硫化钨（WS2）纳米颗粒为例，基于色谱和质谱技术开展以下两个方面的研究：1）发展一种表征复杂基质中WS2纳米颗粒浓度、尺寸和内核/配体组成的方法，为评价其代谢安全性提供基础；2）发展基于二氧化硅介孔小球的WS2纳米颗粒的尺寸筛选方法，筛选和富集尺寸满足肾代谢要求的WS2以提高其生物安全性。项目研究的纳米材料的表征方法和尺寸筛选方法可以扩展到其它纳米材料当中。基于质谱的表征方法可以清晰阐述纳米颗粒的浓度、尺寸和内核/配体组成，有利于评价纳米材料组成、尺寸与生物学效应的关系。尺寸筛选方法与质谱联用可以实现纳米颗粒的在线筛选和表征，并且该方法具有规模化生产的前景。

纳米材料的生物安全性是其在临床应用中面临的重大问题。研究表明只有水合直径小于5.5 nm的纳米颗粒才能通过肾清除的方式快速代谢出体外，否则将会带来潜在的长期生物毒性。本项目从提高纳米材料在临床肿瘤诊断和治疗的安全性出发，开展纳米颗粒的尺寸表征合尺寸筛选方法的研究，选题具有十分重要的意义。本项目基于萃取分离原理和电感等离子体耦合质谱检测技术，以二硫化钨纳米颗粒为例，发展了一种表征纳米颗粒浓度、尺寸的方法，为评价其代谢安全性提供基础；基于超声分子射流-飞行时间质谱发展了用于解析纳米团簇结构的方法，基于超声分子射流技术成功制备了一系列金属氧化物纳米团簇，利用飞行时间质谱原位地表征了不同结构形态团簇的分布规律，并结合理论计算阐述纳米团簇颗粒的尺寸-光谱关系；基于纳米颗粒物尺寸-光谱关系，发展了基于溶胶银的表面增强拉曼光谱方法用于快速评估颗粒物尺寸；发展了基于焦糖化碳纳米介孔微球的分散固相萃取法用于纳米颗粒物的尺寸筛选，并以不同尺寸二硫化钨混合颗粒为例说明了该方法的可行性。本项目的研究成果可以扩展到其它纳米材料的分析，所建立的方法有利于评价纳米材料组成、尺寸与效应的关系，为纳米材料在临床肿瘤诊断和治疗方面的应用提供可靠的安全性和有效性依据。