基于SE-HPLC-ICPMS的REE-UCNPs及其降解产物鉴定与定量新方法

《Analytical Methods》：A novel method for the identification and quantification of REE-UCNPs and their degradation products using SE-HPLC-ICPMSOpen Access

　　

稀土元素掺杂上转换纳米颗粒（REE-UCNPs）是一类新型发光材料，因其独特的上转换发光特性，在生物成像、药物递送和光动力治疗等方面显示出广阔的应用前景。随着其在医疗和检测领域的日益广泛使用，人体接触这些材料的机会不断增加。研究表明，REE-UCNPs释放的La³⁺离子可与DNA结合，引发DNA损伤，并与生物体内的含磷生物分子相互作用，导致细胞自噬和凋亡。因此，REE-UCNPs的生物毒性及其对环境和人类健康的潜在影响已成为当前研究的重要课题。对样品中不同形态的REE-UCNPs进行分离和分析，有助于更准确地了解其在生物体内的分布、代谢和毒性效应。这对于评估REE-UCNPs的健康风险、建立其安全使用标准以及推动其进一步应用具有重要意义。

稀土元素掺杂上转换纳米颗粒（REE-UCNPs）因其独特的上转换发光特性，在生物成像、药物递送和光动力治疗等领域具有广阔应用前景。然而，已有研究表明REE-UCNPs释放的稀土离子可能引起DNA损伤和细胞自噬/凋亡，其生物毒性及环境健康风险日益受到关注。目前常用的稀土检测方法如原子吸收光谱（AAS）、原子荧光光谱（AFS）、原子发射光谱（AES）、电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）和X射线荧光光谱（XRF）等仅能测定稀土元素总量，无法同时分离并准确定量纳米颗粒及其对应降解产物（游离离子），难以评估纳米颗粒在体内的真实行为、靶向递送效率、降解速率及毒性来源。将定量技术与分离模块联用进行纳米颗粒形态分析面临诸多挑战：高比表面积纳米颗粒易在色谱柱固定相和管壁发生非特异性吸附导致回收率低；其分散稳定性受流动相条件影响，参数不适宜会诱导聚集而干扰粒径分布测定；且纳米颗粒在ICP-MS中的传输和电离效率与游离离子不同，受基体组成影响，为准确量化带来困难。因此亟需高分辨率、强基体耐受性和稳定在线检测的分离策略。

为此，研究人员开发了一种基于尺寸排阻色谱-高效液相色谱-电感耦合等离子体质谱（SE-HPLC-ICPMS）的灵敏准确方法。通过系统优化流动相浓度、流速及添加剂种类和浓度，考察其对纳米颗粒及对应离子分离分析的影响；通过在缓冲体系中加入胎牛血清（FBS），实现了对NaYF₄:Yb³⁺,Tm³⁺及其降解产物或代谢物（即Y³⁺、Yb³⁺、Tm³⁺）的定量和定性分析。由于Tm³⁺掺杂含量极低且检测灵敏度有限，后续体内实验主要监测Y³⁺和Yb³⁺的动力学行为。经尾静脉注射NaYF₄:Yb³⁺,Tm³⁺后，研究人员应用SE-HPLC-ICPMS技术检测大鼠血清中不同时间的NaYF₄:Yb³⁺,Tm³⁺及游离Y³⁺、Yb³⁺、Tm³⁺。该研究为REE-UCNPs的形态分析及生物毒性/细胞毒性评估提供了新策略。论文发表于《Analytical Methods》。

在技术方法上，研究人员采用溶剂热法合成油相NaYF₄:Yb³⁺,Tm³⁺，通过超声辅助配体去除技术实现油相至水相的转移；使用SE-HPLC-ICPMS系统，以25 mmol L^?1 Na₂HPO₄（pH 8.0）为流动相，流速1.0 mL min^?1；引入EDTA-2Na与纳米颗粒形成稳定复合物以产生色谱峰，并在样品基质中加入FBS实现纳米颗粒与游离离子的基线分离；经方法学验证后应用于尾静脉注射后大鼠血清样本（来源明确）的时序监测。

研究结果方面：通过透射电子显微镜（TEM）和X射线衍射（XRD）表征了水相NaYF₄:Yb³⁺,Tm³⁺的形貌和晶体结构。在优化EDTA-2Na浓度时发现，未加入EDTA-2Na时无检测信号；加入后出现明显色谱峰，且单独分析EDTA-2Na无信号，证明该峰对应纳米颗粒；当纳米颗粒与EDTA-2Na摩尔比为8:25时，洗脱曲线平滑且信号强度最大。流动相优化表明，以25 mmol L^?1 Na₂HPO₄（pH 8.0）和流速1.0 mL min^?1时色谱峰形最佳。在分离性能优化中，单独分析Y³⁺、Yb³⁺、Tm³⁺时保留时间为2.098 min，纳米颗粒为3.897 min；但二者共存时无法实现基线分离，推测是负电荷纳米颗粒与正电荷稀土离子间的吸附所致。加入FBS后，当体积浓度为37.5%时，纳米颗粒与三种离子均实现完全基线分离。方法学验证显示，Y³⁺、Yb³⁺、Tm³⁺的检出限分别为0.013 ng mL^?1、0.030 ng mL^?1、0.043 ng mL^?1，准确度和重复性良好。大鼠血清应用结果表明，随着代谢时间延长，NaYF₄:Yb³⁺,Tm³⁺–Y³⁺和–Yb³⁺含量逐渐下降，游离Y³⁺和Yb³⁺水平升高，说明纳米颗粒在血液中部分降解释放离子；Tm³⁺相关物未检出，因其掺杂浓度低于检出限；稀土元素总量随时间递减，表明部分离子被大鼠吸收、代谢和储存。

结论部分：研究人员成功建立了NaYF₄:Yb³⁺,Tm³⁺及其降解产物（Y³⁺、Yb³⁺、Tm³⁺）的快速分离和准确定量方法。通过引入EDTA-2Na形成稳定的纳米颗粒–EDTA复合物，产生清晰色谱峰；系统优化确定纳米颗粒与EDTA-2Na摩尔比为8:25时色谱性能最佳；色谱条件进一步优化后，选择25 mmol L^?1 Na₂HPO₄（pH 8.0）为流动相，流速1.0 mL min^?1；在样品基质中加入37.5% FBS实现纳米颗粒与游离离子的基线分离；方法灵敏度高，检出限低。该研究成功应用于追踪7天内大鼠血清中NaYF₄:Yb³⁺,Tm³⁺及其降解产物的时间变化，揭示了纳米颗粒的时间依赖性演变过程，为未来研究该类纳米颗粒的组织分布、代谢归宿和毒性机制提供了有价值的信息。