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LIBS元素分布成像技術應用:重金屬量子點在白芥子中的毒性、富集和遷移

LIBS元素分布成像技術應用:重金屬量子點在白芥子中的毒性、富集和遷移

n?應用LIBS(激光誘導擊穿元素光譜分析)技術測量納米顆粒在植物中的分布的文獻很少。Jozef Kaiser教授帶領的布爾諾科技大學激光光譜實驗室團隊在該領域進行了一系列較深入的研究,包括銀納米顆粒研究、Cd核量子點、光子上轉換納米顆粒 (Krajcarova et al., 2017; Modlitbova et al., 2018c, 2019)等。 植物包括洋蔥、蘿卜、浮萍等。

n?本案例中,白芥子中熒光量子點測量的平面分辨率達25μm,為迄今發表文獻中LIBS測量植物元素分布的最高平面分辨率。同時,20Hz快速測量使得元素分布高分辨率成像易用可行。

n?LIBS元素分布成像技術與FluorCam葉綠素熒光成像技術相結合,將有害元素破壞植物光系統的毒理機制研究推向深入。

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熒光量子點(QD)標記較之傳統的生物探針,具有光穩定性強等諸多優勢,越來越廣泛的應用于生物標記、生物成像、生物靶向、向靶給藥等諸多領域中。但CdTe QD(無硅殼的Cd核量子點)在液體中會游離出Cd離子而毒害環境,硅殼處理是防止Cd游離的非常可行的解決辦法。

Pavlina Modlitbova等(Jozef Kaiser團隊)對不同濃度CdCl2CdTe QDs、CdTe/SiO2?QDs(覆硅殼的CdTe核量子點)處理下的白芥子樣品進行測量,通過元素分布研究其對Cd不同形式化合物的吸附、吸收、轉運、富集的規律;通過根形態分析和葉綠素熒光成像分析研究其毒理規律,結果于2020年發表于Chemosphere雜志上。

1.?元素分布測量:Cd于不同化合物中、不同濃度下在白芥子中的分布規律:

Cd在白芥子中的富集隨化合物濃度升高而增強,并且CdCl2?> CdTe QDs > CdTe/SiO2 QDs。但Cd由根向地上部分的轉運和分布比例卻是CdTe/SiO2 QDs最高。

(限于篇幅,LIBS成像本文只附200μM CdCl2處理樣品圖)LIBS圖像可見,CdCl2CdTe QDs分別處理后,Cd在白芥子中的分布規律是一致的:20μMCd只分布在根部2/3以下,200μM時,莖下半部分可以檢測到Cd元素。而CdTe/SiO2 QDs無論高濃度還是低濃度,白芥子莖中都可以檢測到Cd元素。

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2.?根系形態分析和葉綠素熒光成像分析:研究白芥子對Cd于不同濃度不同化合物的毒理響應

FluorCam葉綠素熒光成像內置NPQLC光響應曲線、Kaustky誘導效應等默認測量程序,可以得到測量曲線、50多個葉綠素熒光參數及相應圖像,本研究選取的參數及其差異的解讀如下:

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白芥子在20μM、200μM 的CdCl2CdTe QDs、CdTe/SiO2 QDs,分別以處理72h后,最小熒光 (F0, A ), 最大光量子產量 (FV/FM, B ) ,有效光量子產量(φPSII?, C ), “熒光衰減指數 (Rfd, D ) 的變化。

n?F0變化: 200μmCdTeQDs處理下升高,原因可能是LHCs(捕光色素復合體)磷酸化作用及其從PSII分離,導致LHCs能量捕獲效率降低。而F0降低可能是Cd導致葉綠素含量降低而引起。

n?FV/FMφPSII降低:通常認為植物處于脅迫狀態。其可能的原因是Cd導致活性氧增加,造成類囊體膜的脂類和蛋白質降解;Cd擾亂Ca離子從而導致放氧復合體喪失活性。結果是LHCs效率降低,PSII功能受抑制或者破壞。

n?Rfd降低:意味著PSII處、PSIIPSI之間的電子傳遞鏈破壞,可能與Cd2+影響LHCb6f色素復合體、質體藍素功能穩定性有關。

通過比較根長和葉綠素熒光成像參數,得到Cd在不同化合物中對白芥子的毒性強度規律是:CdTe/SiO2?QDs > CdTe QDs > CdCl2;并且濃度越高影響越大。

結合元素測量,其毒理機制可以解釋為:CdTe QDsCdCl2通過游離的Cd離子與植株直接接觸而對植株產生毒害;但CdTe/SiO2?QDs在水中性質穩定,進入植株根部后由木質部向地上部分運移,在該過程中釋放出Cd離子從而毒害植株。

參考文獻: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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