学术论文

一石三鸟，氢气为大［靓图］

文章来源：孙学军氢思语发布日期：2021-04-17 11:19浏览次数：

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这一研究利用一种人工光合作用纳米颗粒，这种系统可以把近红外光变成可见光。远红外在人体等生物组织的穿透力强，容易实现光线补充，但是这种光难以参与光合作用，通过转化为可见光，实现了用近红外启动光合作用的目的。光合作用常见结果分解水产生氧气，当然也能产生氢气，这里就是利用光合作用产生氢气。另外利用自由基启动光合作用，而光合作用产生的氢气中和自由基。总之这一研究是将红外线穿透能力，红外转化为可见光，自由基启动光合作用产生氢气，氢气中和自由基，实现了定向分析自由基并中和自由基的多重目的。

这个研究有多重目的，可谓一石三鸟：光合作用产生氢气，活性氧启动产氢气实现在体氧化分析，产生的氢气发挥抗氧化。这三个任务的核心就是氢气。

该研究来自台湾清华大学Wei-Lin Wan教授团队，近期发表在《自然通讯》。

活性氧稳态的紊乱可能是许多疾病的发病机制。受到自然光合作用的启发，这项工作提出了一种光驱动的氢气释放脂质体纳米平台(Lip NP)，它包括一个上转换纳米颗粒，它通过一个能响应活性氧的链接子与金纳米颗粒(AuNPs)结合，后者封装在脂质体系统中，在脂质双分子层嵌入叶绿素a (Chla)。纳米颗粒作为一个传感器，将近红外光转换为可见光，用于同时成像和原位改善。金纳米颗粒作为光收集天线，用于FRET生物传感中的局部活性氧浓度检测，而Chla激活光合作用产生氢气，氢气清除局部过量的活性氧。结果表明，在生物组织分析中使用脂质体纳米颗粒有应用潜力，可以恢复活性氧稳态，可能具有防治疾病的发生和发展的作用。

许多致病过程涉及活性氧的过量产生，包括羟基自由基(•OH)、过氧亚硝酸盐(ONOO -)和过氧化氢。生理上，细胞内产生的活性氧调节细胞信号，调节蛋白功能，介导炎症。然而，炎症细胞如巨噬细胞中产生过量活性氧会破坏细胞蛋白、DNA和脂质。活性氧产生的这种不平衡可能导致许多人类疾病的发病机制，包括癌症、心血管疾病和糖尿病。

氢气具有抗氧化的潜力，能够选择性地降低病变细胞中高细胞毒性活性氧浓度，包括•OH和ONOO -，同时保留其他有生理功能的活性氧。此外，氢气比其他抗氧化剂体积小，它很容易扩散到细胞和组织中，在那里发挥改善功能。由于其调节活性氧稳态的独特能力，近年来氢气改善备受关注。然而，氢气在体液中的溶解度较低，传统给药途径输送到病变组织的氢气浓度比较低，限制了氢气最理想效应的发挥。

受到天然植物光合作用的启发，这项工作提出一种纳米复合物，由掺镧的上转换纳米颗粒(纳米颗粒;NaYbF4:Er@CaF2)与金纳米颗粒(AuNPs)通过一种基于活性氧响应的硫代酮(TK)的连接剂结合，该连接剂封装在脂质体系统中，脂质双分子层嵌入叶绿素a (Chla)。纳米颗粒已被用作Forster共振能量转移(FRET)生物检测的优良给体荧光团，金纳米颗粒已被用作FRET生物传感的受体荧光团。

图1描述了纳米颗粒的组成结构，以及它在原位同时检测和清除过量活性氧、调节活性氧稳态的机制。为了使纳米颗粒亲水用于水中，表面用柠檬酸修饰，柠檬酸是一个电子供体，提供电子和质子。柠檬酸纳米颗粒也作为一种远程控制传感器，将组织穿透近红外辐射(980 nm)转换为约550 nm(绿色)和660 nm(红色)的光。与柠檬酸-纳米颗粒结合的金纳米颗粒被用作探测局部活性氧浓度的光收集天线。

以下选部分研究结果图，全面了解，建议全文下载阅读。

图1:纳米颗粒的组成结构及其作用机理。

在生理状态下，纳米复合物的TK键(柠檬酸- 纳米颗粒 -TK-AuNPs)是完整的，并且纳米复合物中柠檬酸- 纳米颗粒(荧光团的供体)和AuNPs(荧光团的受体)之间的距离足够短，可以实现FRET (FRET on)。因此，在980 nm NIR光的激发下，AuNPs吸收柠檬酸-纳米颗粒的绿色发射光。在氧化应激条件下，活性氧稳态改变，过量活性氧能裂解纳米复合物的TK键，将柠檬酸- 纳米颗粒与AuNPs分离(FREToff)，最终在550 nm处生成绿色光。因此，这种荧光成像技术可以用于检测生物组织中过量的活性氧。

图2展示了氢的光催化演化的潜在机制。当Chla(一种光敏剂)在660 nm处收获红光时，后者(Chla)被激活。激活的Chla释放光激发电子，电子被迅速转移到与柠檬酸-纳米颗粒结合金纳米颗粒AuNPs(一个电子受体和一个质子还原催化剂)。然后，AuNPs从柠檬酸中接受质子，从而脱离纳米颗粒形成氢气，氢气在局部清除过量活性氧。氧化后Chla可通过从柠檬酸盐中接受一个电子而被还原回到基态。光催化制氢通常包括光敏剂、质子还原催化剂和牺牲电子供体，已广泛应用于人工光合系统，以有效利用太阳能，解决能源相关和环境问题。