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LIBS元素分析技术检测稀土纳米颗粒在植物中的分布和富集

LIBS元素分析技术检测稀土纳米颗粒在植物中的分布和富集

LIBS元素分析技术检测稀土纳米颗粒在植物中的分布和富集

稀土掺杂光子上转换纳米颗粒(UCNPs)作为发光标记,光学特性独具优势,可替代传统染料,应用日渐广泛。但是UCNPs中的稀土元素对生物有怎样的影响、稳定性如何、在生物和环境中的运移和富集特性,人们都知之甚少。

LIBS技术可以进行元素分布定性定量分布研究,速度快、成本低、可所有元素同时分析、样品无须预处理,因此成为研究热点而日臻成熟完善。

CEITEC(欧洲工程技术中心)的布尔诺科技大学激光光谱实验室Jozef Kaiser团队以水生模式植物浮萍和陆生模式植物萝卜为研究对象,使用UCNPs/SiO2-COOH(硅壳UCNPs:其中的稀土元素比在UCNPs中稳定性增强,细胞毒性降低)和稀土元素Y3+、Yb3+、Er3+盐化合物分别进行处理,应用LIBS元素分析技术分别测量各自的稀土元素在植物体内的定性定量分布、运移和富集特性以及不同元素作用的差异,其结果与光子上转换微扫描、ICP测量结果一致;并结合植物毒理响应进行分析,研究成果2019年发表于《Chemosphere》杂质上。

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LIBS技术应用于植物元素分析的完整流程:种子萌发—毒害元素处理—LIBS元素分析前后图片(Jozef Kaiser团队,2021)

此后以甘蓝(美国环境保护署推荐的10个毒理研究模式植物之一)为研究对象,将该研究推向深入,创建了应用LIBS技术进行植物元素分布成像分析的完整流程,研究结果与2021年5月发表于《Ecotoxicology and Environmental Safety》杂志上。

1. 不同浓度梯度的UCNPs/SiO2-COOH和Y3+、Yb3+、Er3+盐处理浮萍叶片的LIBS元素测量表明:

nUCNPs/SiO2-COOH纳米颗粒从根叶之间的节点沿叶脉向叶片边缘和叶尖传输,表明浮萍叶片中的纳米颗粒可能来自叶片表面直接吸收,也可能来自于根的吸收和运移;

nY3+、Yb3+、Er3+盐离子的富集特征与纳米颗粒显著不同----更易在浮萍叶片边缘累积;

n光子上转换微扫描得到的纳米颗粒分布与LIBS元素测量结果相同,证明纳米颗粒在液体环境中和植物体内都很稳定,并容易被植物吸收和运移;

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3. 不同浓度梯度的UCNPs的甘蓝根部的Y、Yb和Tm元素测量

LIBS测量UNCPs元素,不会导致UCNPs发光或者光淬灭现象,并且不受元素存在状态例如纳米颗粒或者盐形式的影响,因此LIBS对于多元素测量是一种相当稳定的方式。本研究证明,对于甘蓝,稀土元素可通过茎向叶片运移,然而其主要富集位置在根部。

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参考文献

1.Modlitbova, P., Hlavacek, A., Svestkova, T., Porízka, P., Simoníkov´a, L., Novotný, K., Kaiser, J., 2019. The effects of photon-upconversion nanoparticles on the growth of radish and duckweed: bioaccumulation, imaging, and spectroscopic studies. Chemosphere 225, 723734.

2.Pavlína Modlitbov´a, Sara Strítezska, Antonín Hlavacek, David Prochazka, Pavel Porízka, Jozef Kaiser., 2021. Laser-induced breakdown spectroscopy as a straightforward bioimaging tool for plant biologists; the case study for assessment of photon-upconversion nanoparticles in Brassica oleracea L. plant. Ecotoxicology and Environmental Safety 214 (2021) 112113

北京易科泰生态技术有限公司提供环境、植物毒理研究全面解决方案, 可选配FluorCam叶绿素荧光成像技术或Specim高光谱成像技术, 进一步研究植物对有害元素及营养元素的运移与富集的生理响应。