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        LIBS元素分布成像技术应用:重金属量子点在白芥子中的毒性、富集和迁移

        LIBS元素分布成像技术应用:重金属量子点在白芥子中的毒性、富集和迁移

        n?应用LIBS(激光诱导击穿元素光谱分析)技术测量纳米颗粒在植物中的分布的文献很少。Jozef Kaiser教授带领的布尔诺科技大学激光光谱实验室团队在该领域进行了一系列较深入的研究,包括银纳米颗粒研究、Cd核量子点、光子上转换纳米颗粒 (Krajcarova et al., 2017; Modlitbova et al., 2018c, 2019)等。 植物包括洋葱、萝卜、浮萍等。

        n?本案例中,白芥子中荧光量子点测量的平面分辨率达25μm,为迄今发表文献中LIBS测量植物元素分布的最高平面分辨率。同时,20Hz快速测量使得元素分布高分辨率成像易用可行。

        n?LIBS元素分布成像技术与FluorCam叶绿素荧光成像技术相结合,将有害元素破坏植物光系统的毒理机制研究推向深入。

        ?微信截图_20210916110922.png

        荧光量子点(QD)标记较之传统的生物探针,具有光稳定性强等诸多优势,越来越广泛的应用于生物标记、生物成像、生物靶向、向靶给药等诸多领域中。但CdTe QD(无硅壳的Cd核量子点)在液体中会游离出Cd离子而毒害环境,硅壳处理是防止Cd游离的非??尚械慕饩霭旆?。

        Pavlina Modlitbova等(Jozef Kaiser团队)对不同浓度CdCl2、CdTe QDs、CdTe/SiO2?QDs(覆硅壳的CdTe核量子点)处理下的白芥子样品进行测量,通过元素分布研究其对Cd不同形式化合物的吸附、吸收、转运、富集的规律;通过根形态分析和叶绿素荧光成像分析研究其毒理规律,结果于2020年发表于Chemosphere杂志上。

        1.?元素分布测量:Cd于不同化合物中、不同浓度下在白芥子中的分布规律:

        Cd在白芥子中的富集随化合物浓度升高而增强,并且CdCl2?> CdTe QDs > CdTe/SiO2 QDs。但Cd由根向地上部分的转运和分布比例却是CdTe/SiO2 QDs最高。

        (限于篇幅,LIBS成像本文只附200μM CdCl2处理样品图)LIBS图像可见,CdCl2CdTe QDs分别处理后,Cd在白芥子中的分布规律是一致的:20μMCd只分布在根部2/3以下,200μM时,茎下半部分可以检测到Cd元素。而CdTe/SiO2 QDs无论高浓度还是低浓度,白芥子茎中都可以检测到Cd元素。

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        2.?根系形态分析和叶绿素荧光成像分析:研究白芥子对Cd于不同浓度不同化合物的毒理响应

        FluorCam叶绿素荧光成像内置NPQ、LC光响应曲线、Kaustky诱导效应等默认测量程序,可以得到测量曲线、50多个叶绿素荧光参数及相应图像,本研究选取的参数及其差异的解读如下:

        微信截图_20210916111321.png?

        白芥子在20μM、200μM 的CdCl2、CdTe QDs、CdTe/SiO2 QDs,分别以处理72h后,最小荧光 (F0, A ), 最大光量子产量 (FV/FM, B ) ,有效光量子产量(φPSII?, C ), “荧光衰减指数 (Rfd, D ) 的变化。

        n?F0变化: 200μmCdTeQDs处理下升高,原因可能是LHCs(捕光色素复合体)磷酸化作用及其从PSII分离,导致LHCs能量捕获效率降低。而F0降低可能是Cd导致叶绿素含量降低而引起。

        n?FV/FMφPSII降低:通常认为植物处于胁迫状态。其可能的原因是Cd导致活性氧增加,造成类囊体膜的脂类和蛋白质降解;Cd扰乱Ca离子从而导致放氧复合体丧失活性。结果是LHCs效率降低,PSII功能受抑制或者破坏。

        n?Rfd降低:意味着PSII处、PSIIPSI之间的电子传递链破坏,可能与Cd2+影响LHC、b6f色素复合体、质体蓝素功能稳定性有关。

        通过比较根长和叶绿素荧光成像参数,得到Cd在不同化合物中对白芥子的毒性强度规律是:CdTe/SiO2?QDs > CdTe QDs > CdCl2;并且浓度越高影响越大。

        结合元素测量,其毒理机制可以解释为:CdTe QDsCdCl2通过游离的Cd离子与植株直接接触而对植株产生毒害;但CdTe/SiO2?QDs在水中性质稳定,进入植株根部后由木质部向地上部分运移,在该过程中释放出Cd离子从而毒害植株。

        参考文献:Pavlína Modlitbov, Pavel Porízka, Jozef Kaiser?et al., A Detail investigation of toxicity, bioaccum ulation, and translocatio n of Cd-base d quantum dots and Cd salt in white mustard.?[J] Chemosphere.,251 (2020) 126174

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