倪 明 張 波＊＊ 何義亮 Kim Jae－kong Hughes Joeseph B

(1.上海交通大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海，200240;2.School of Civil and Environmental Engineering，Georgia Institute of Technology，Atlanta，GA 30332，United States)

富勒烯(fullerene)是被廣泛應(yīng)用在物理化學(xué)、材料科學(xué)和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的碳納米材料之一［1－4］.在種類繁多的富勒烯家族中，C60由于其奇特的物理、化學(xué)特性和結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，是目前世界各國(guó)研究的一種新型納米材料.C60具有對(duì)稱空心籠狀三維芳香結(jié)構(gòu)，具有強(qiáng)疏水性，幾乎不溶于水，也不溶或微溶于多數(shù)有機(jī)溶劑［5－6］.但研究表明，C60在水中通過長(zhǎng)期攪拌可以形成穩(wěn)定的納米晶體顆粒(water stable crystalline nano－scale C60aggregates，nC60)，尺寸在幾納米到 200 nm之間，表面電荷在 －9 mV到－30 mV.目前，研究者們利用有機(jī)溶劑置換和超聲快速制備了水中穩(wěn)定的C60納米晶體顆粒［7－10］.C60在各領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，以及在水介質(zhì)中納米晶體顆粒的形成和其強(qiáng)親脂疏水性引起了人類對(duì)其潛在水環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的關(guān)注.

C60納米晶體顆粒的生物毒性實(shí)驗(yàn)研究表明，其對(duì)于細(xì)菌、水生動(dòng)物和人類組織細(xì)胞都具有毒性影響［8，11－16］.C60的光催化反應(yīng)活性一直被認(rèn)為是 C60納米晶體顆粒具有生物毒性的重要原因之一［11，17－20］.在有機(jī)溶劑中，C60分子能夠成為單線態(tài)氧(1O2)和超氧自由基離子(O·－2)等活性氧自由基(ROS)產(chǎn)生的前體［21］.然而，當(dāng)C60在水介質(zhì)中形成納米晶體顆粒后，在非生物系統(tǒng)中的實(shí)驗(yàn)研究表明，作為C60分子本身的光化學(xué)反應(yīng)特征消失了，C60納米晶體顆粒不具有光化學(xué)反應(yīng)活性，不能產(chǎn)生ROS［22］.但也有研究表明，C60與γ－環(huán)糊精和聚乙烯吡咯烷酮(PVP)等聚合物形成的絡(luò)合物具有光化學(xué)反應(yīng)活性，能夠產(chǎn)生ROS，誘導(dǎo)DNA斷裂和脂肪酸過氧化［17，23－24］，暗示了C60納米晶體顆粒的光化學(xué)反應(yīng)活性能夠被水介質(zhì)中出現(xiàn)的特定物質(zhì)誘導(dǎo)而恢復(fù)，但對(duì)于誘導(dǎo)機(jī)制尚不清楚.

本文利用物理化學(xué)試驗(yàn)、紫外－可見吸收光譜、動(dòng)態(tài)光散射儀(DLS)和透射電子顯微鏡(TEM)等實(shí)驗(yàn)手段檢測(cè)并分析了C60納米晶體顆粒在陽離子、陰離子和非離子表面活性劑中的光化學(xué)反應(yīng)特性，深入研究了水介質(zhì)中擴(kuò)散狀態(tài)對(duì)C60納米晶體顆粒光化學(xué)反應(yīng)活性的影響.

1 材料與方法

1.1 C60納米晶體顆粒的制備

稱取C608 mg，與20 mL甲苯混合后，置于搖床上振蕩24 h.確定C60完全溶解后，再加入80 mL超純水.將容器密封，置于超聲清洗機(jī)中超聲(80 Hz)48 h，使C60從甲苯轉(zhuǎn)移到水中.超聲結(jié)束后，用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀蒸發(fā)掉甲苯，然后使剩余液體通過220 nm濾膜，濾除剩余C60固體.測(cè)定得到的C60納米晶體顆粒的濃度，妥善保存?zhèn)溆茫?，13］.

1.2 C60納米晶體顆粒在表面活性劑中的擴(kuò)散

分別選取陽離子表面活性劑(Hexadecyltrimethylammonium bromide(CTAB))、陰離子表面活性劑(Sodium dodecyl sulfate(SDS))和非離子表面活性劑(Triton X－100(TX－100)、Triton X－405(TX－405))，研究其對(duì)C60納米晶體顆粒光化學(xué)反應(yīng)活性的影響.表面活性劑溶液濃度均控制在臨界膠束濃度以上.將20 mL 5mg·L－1的C60納米晶體顆粒加入等體積上述表面活性劑中，避光，在轉(zhuǎn)速為300 r·min－1的攪拌器上攪拌24 h備用.

1.3 光化學(xué)反應(yīng)活性檢測(cè)

1O2的濃度通過糠醇(furfuryl alcohol，F(xiàn)FA)指示劑(二級(jí)反應(yīng)速率常數(shù)k(FFA+1O2)=1.2×108L·mol－1·s－1)測(cè)定.分別吸取3 mL FFA和27 mL表面活性劑擴(kuò)散的C60納米晶體顆粒到40mL的石英玻璃反應(yīng)器中，光照2 h.光化學(xué)反應(yīng)器裝有6個(gè)4 W的BLBL(BLACK LIGHT BLUE LAMPS)光源，激發(fā)波長(zhǎng)范圍350—400 nm，入射光強(qiáng)度3.33×10－4Einstein·min－1·L－1.FFA初始濃度設(shè)定在10 mmol·L－1.每20 min取樣1 mL，過濾(Anotop 25 plus 0.22 μm濾膜，Waters)后，F(xiàn)FA濃度通過Agilent 1100 HPLC/DAD 測(cè)定，采用 Zorbax SB－C18 反相色譜柱(4.6 mm ×150 mm，5 μm)，流量 1.0 mL·min－1.擴(kuò)散在 TX－100 中的nC60溶液的光化學(xué)反應(yīng)活性測(cè)定時(shí)，F(xiàn)FA的測(cè)定采用Eclipse Plus C18反相色譜柱(4.6 mm×250 mm，5 μm)，流量 1.0 mL·min－1.所有實(shí)驗(yàn)在相同條件下重復(fù) 3 次.

1.4 C60納米晶體顆粒表征

擴(kuò)散在表面活性劑中的C60納米晶體顆粒通過紫外－可見吸收光譜、DLS和TEM分別表征其典型吸收峰的最大吸收波長(zhǎng)變化、尺寸及表觀特征.C60納米晶體顆粒、表面活性劑及二者混合液的紫外－可見吸收光譜由紫外－可見分光光度計(jì)(Varian Cary 50)測(cè)定.利用Zetasizer Nano ZS90測(cè)定C60納米晶體顆粒的尺寸，最低檢測(cè)限為5 nm.應(yīng)用TEM(JEM 2100)檢測(cè)C60納米晶體顆粒表觀形狀和尺寸，首先將C60納米晶體顆粒濃縮10倍，然后滴加在碳/聚乙烯醇縮甲醛鍍膜的200目銅網(wǎng)上，成像軟件為Image Pro.

1.5 C60濃度測(cè)定

吸取2 mL的C60納米晶體顆粒到10 mL玻璃小瓶，然后加入1 mL 1mol·L－1Mg(ClO4)2和2 mL色譜純的甲苯，混合攪動(dòng)24 h，在－20℃條件下冷凍，然后通過吸光度測(cè)定確定甲苯溶液中C60濃度［13］.

2 結(jié)果與討論

2.1 C60納米晶體顆粒的光化學(xué)反應(yīng)活性

圖1顯示了FFA在陽離子、陰離子和非離子表面活性劑擴(kuò)散的C60納米晶體顆粒中的降解動(dòng)力學(xué).在C60納米晶體顆粒的空白液中，F(xiàn)FA并沒有顯示降解，表明C60納米晶體顆粒沒有產(chǎn)生1O2.與C60納米晶體顆粒的空白液相對(duì)照，陽離子表面活性劑CTAB擴(kuò)散的C60納米晶體顆粒中，F(xiàn)FA沒有發(fā)生降解，也不能產(chǎn)生1O2，如圖1a所示.陰離子表面活性劑SDS本身能夠產(chǎn)生微量1O2，而在C60納米晶體顆粒擴(kuò)散到SDS中后對(duì)于FFA的降解沒有影響，如圖1b所示.在非離子表面活性劑擴(kuò)散的C60納米晶體顆粒中，對(duì)于TX－405，F(xiàn)FA沒有顯示任何降解，但是在TX－100中，F(xiàn)FA在實(shí)驗(yàn)時(shí)間內(nèi)發(fā)生快速降解(圖1c)，表明這種表面活性劑能夠快速誘導(dǎo)C60納米晶體顆粒產(chǎn)生光化學(xué)反應(yīng)活性.

2.2 紫外－可見吸收光譜

圖2顯示了陽離子、陰離子和非離子表面活性劑擴(kuò)散的C60納米晶體顆粒的紫外－可見吸收光譜.C60納米晶體顆粒在347 nm處具有典型吸收峰，而C60分子在甲苯和正己烷等有機(jī)溶劑中以分子形態(tài)存在時(shí)在330 nm左右具有典型吸收峰.在347 nm處典型吸收峰的存在是C60納米晶體顆粒以聚集形態(tài)存在的直接證明.與C60納米晶體顆粒的對(duì)照液相比較，在陽離子表面活性劑CTAB中，C60納米晶體顆粒的典型吸收峰沒有發(fā)生偏移，而在陰離子表面活劑SDS中，典型吸收峰向紫外方向發(fā)生微小移動(dòng)，在非離子表面活性劑TX－100和TX－405溶液中，C60納米晶體顆粒的典型吸收峰向紫外區(qū)發(fā)生明顯的遷移，尤其在TX－100溶液中，C60納米晶體顆粒的典型吸收峰的最大吸收波長(zhǎng)已由347 nm偏移至330 nm，與C60分子的典型吸收峰的最大吸收位置基本相同.

圖1 FFA在表面活性劑擴(kuò)散的C60納米晶體顆粒中的降解動(dòng)力學(xué)Fig.1 Kinetics of FFA degradation with C60nanocrystallines dispersed in surfactants

圖2 表面活性劑擴(kuò)散的C60納米晶體顆粒紫外－可見吸收光譜Fig.2 UV－vis spectra of C60nanocrystallines dispersed in surfactants

2.3 DLS 分析

DLS分析結(jié)果表明，在CTAB和SDS溶液中，C60納米晶體顆粒的水動(dòng)力學(xué)直徑無明顯變化，但在非離子表面活性劑TX－100中，C60納米晶體顆粒的水動(dòng)力學(xué)直徑明顯降低，由115.1 nm減小到22.38 nm，表明在非離子表面活性劑TX－100中，C60納米晶體顆粒被明顯擴(kuò)散.

表1 表面活性劑溶液擴(kuò)散的C60納米顆粒的動(dòng)力學(xué)直徑Table 1 Hydrodynamic diameter of C60nanocrystallines dispersed in surfactants

2.4 TEM 檢測(cè)

在非離子表面活性劑擴(kuò)散的TX－100溶液中，TEM的成像結(jié)果進(jìn)一步證明了DLS的分析結(jié)果.C60納米晶體顆粒尺寸明顯減小，并且趨向分散體系(圖3).分散態(tài)的C60納米晶體顆粒直徑為約1 nm，表明C60納米晶體顆粒在非離子表面活性劑擴(kuò)散的TX－100溶液中向分子狀態(tài)轉(zhuǎn)變.

2.5 C60提取

水介質(zhì)中C60的濃度常用甲苯提取測(cè)定，首先加入弱氧化劑及鹽Mg(ClO4)2，去除C60納米晶體顆粒表面電荷，使其聚沉，然后加入甲苯溶液劇烈攪動(dòng)，使C60從水相轉(zhuǎn)移至甲苯溶液中.本實(shí)驗(yàn)中，在C60納米晶體顆粒的對(duì)照液中，C60在甲苯中的濃度為2.38 mg·L－1;在CTAB和SDS中，C60能夠像C60納米晶體顆粒的對(duì)照液一樣從水相轉(zhuǎn)移至甲苯溶液中，濃度為2.31 mg·L－1;在TX－405溶液中，在甲苯溶液中能夠檢測(cè)到大約1.12 mg·L－1的C60濃度;而在非離子表面活性劑擴(kuò)散的TX－100溶液中，C60不能提取，表明C60納米晶體顆粒被非離子表面活性劑擴(kuò)散后難以用常規(guī)液－液提取方法測(cè)定C60濃度，表明在不同的表面活性劑中，C60與表面活性劑結(jié)合程度不同.

綜上所述，C60在不同的表面活性劑溶液中呈現(xiàn)出不同的光化學(xué)反應(yīng)活性特征既與表面活性劑的電性有關(guān)，又與表面活性劑分子的結(jié)構(gòu)有關(guān).C60納米晶體顆粒表面帶有負(fù)電荷，在陽離子表面活性劑中，由于電性相反易發(fā)生電性中和，使C60聚沉;在陰離子表面活性劑中，電性相同發(fā)生排斥作用，C60納米晶體顆粒難以與陰離子表面活性劑發(fā)生相互作用;而非離子表面活性劑不帶電荷，因而C60易分散在非離子表面活性劑中，但非離子表面活性劑的疏水部分結(jié)構(gòu)明顯影響其對(duì)C60納米晶體顆粒的分散程度.如圖4顯示了本實(shí)驗(yàn)中所用的非離子表面活性劑TX－100和TX－405的分子結(jié)構(gòu).TX－405與TX－100的區(qū)別在于在疏水端苯環(huán)上的烷基鏈長(zhǎng)度不同.本實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明，TX－100能夠最大程度擴(kuò)散C60納米晶體顆粒.非離子表面活性劑對(duì)于C60納米晶體顆粒光化學(xué)反應(yīng)活性的誘導(dǎo)不但與疏水端芳香環(huán)有關(guān)，而且與芳香環(huán)上的烷基鏈有關(guān).

圖3 表面活性劑擴(kuò)散的C60納米晶體顆粒的TEM檢測(cè)Fig.3 TEM images of C60nanocrystallines and C60 nanocrystallines dispersed in TX－100

圖4 TX－100和TX－405的分子結(jié)構(gòu)Fig.4 Molecular structure of TX－100 and TX－405

水介質(zhì)中C60納米晶體顆粒引起生物體細(xì)胞膜的脂質(zhì)過氧化一直被認(rèn)為是C60納米晶體顆粒具有生物毒性的潛在原因之一，但由于已有研究表明，C60在水介質(zhì)中形成聚集體后失去了光化學(xué)反應(yīng)活性，對(duì)于脂質(zhì)過氧化的機(jī)制并不明確.本實(shí)驗(yàn)研究的TX－100系列常被用作模型生物膜，其對(duì)于C60納米晶體顆粒的光化學(xué)反應(yīng)誘導(dǎo)，暗示了生物系統(tǒng)內(nèi)的細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)有可能對(duì)光化學(xué)反應(yīng)活性具有誘導(dǎo)作用，產(chǎn)生活性氧自由基，進(jìn)而損害細(xì)胞膜結(jié)構(gòu).而且，計(jì)算機(jī)的模擬研究也表明，C60納米晶體顆粒能夠遷移進(jìn)入模型磷脂雙分子層和脂質(zhì)體囊泡內(nèi)部，并且在膜內(nèi)部C60聚集體逐漸解聚［25］.

3 結(jié)論

水介質(zhì)中C60納米晶體顆粒在表面活性劑中擴(kuò)散后，其光化學(xué)反應(yīng)活性會(huì)發(fā)生變化，并且這種變化因表面活性劑種類不同而不同.其中非離子表面活性劑TX－100能夠明顯改變C60納米晶體顆粒的擴(kuò)散狀態(tài)，使其趨于形成更加均勻的體系，從而使其光化學(xué)反應(yīng)活性發(fā)生極其明顯的變化.可見，C60納米晶體顆粒的光化學(xué)反應(yīng)活性能夠被誘導(dǎo).

［1］Tagmatarchis N，Shinohara H.Fullerenes in medical chemistry and their biological applications［J］.Mini Reviews in Med Chem，2001，1:339－348

［2］Cravino A，Sariciftci N S.Double－cable polymers for fullerene based organic optoelectronic applications［J］.J Mater Chem，2002，12:1931－1943

［3］Guldi D M，Martín N.Fullerenes:From synthesis to optoelectronic properties［M］.Dordrecht，The netherlands，Kluwer Academic Publisher，2002

［4］?sawa E.Perspectives of fullerene nanotechnology［M］.Berlin，Germany，Springer，2002

［5］Heymann D.Solubility of C60and C70 in seven normal alcohols and their deduced solubility in water［J］.Fullerene Sci Technol，1996，4:509－515

［6］Heymann D.Solubility of C60and C70 in water［J］.Lunar Planet Sci，1996，27:543－544

［7］Andrievsky G V，Kosevich M V，Vovk O M，et al.On the production of an aqueous colloidal solution of fullerenes［J］.J Chem Soc Chem Commun，1995，12:1281－1282

［8］Fortner J D，Lyon D Y，Sayes C M，et al.C60in water:nanocrystal formation and microbial response［J］.Environ Sci Technol，2005，39:4307－4316

［9］Deguchi S，Mukai S－a，Tsudome M，et al.Facile generation of fullerene nanoparticles by hand－granding［J］.Adv Mater，2006，18:729－732

［10］Duncan L K，Jinschek J R，Vikesland P J，et al.C60colloid formation in aqueous systems:effects of preparation method on size，structure，and surface charge［J］.Environ Sci Technol，2008，42:173－178

［11］Hood E.Fullerenes and fish brains:nanomaterials cause oxidative stress［J］.Environ Health Persp，2004，112:A568

［12］Sayes C M，F(xiàn)ortner J D，Guo W，et al.The differential cytotoxicity of water－soluble fullerenes［J］.Nano Letters，2004，4(10):1881－1887

［13］Lyon D L，Adams L K，F(xiàn)alkner J C，et al.Antibacterial activity of fullerene water suspensions:effects of preparation method and particle size［J］.Environ Sci Technol，2006，40:4360－4366

［14］Oberd?rster E，Zhu S.Cotoxicology of carbon－based engineered nanoparticles:Effects of fullerence(C60)on aquatic organisms［J］.Carbon，2006，44:1112－1120

［15］Oberd?rster E，Zhu S Q，Haasch M L，et al.Toxicity of an engineered nanoparticle(fullerene，C60)in two aquatic species，Daphnia and fathead minnow［J］.Mar Environ Res，2006，62:S5－S9

［16］Zhu X S，Zhu L，Lang Y P，et al.Developmental toxicity in zebrafish(Danio Rerio)embryos after exposure to manufactured nanomaterials:buchminsterfullerene aggregates(nC60)and fullerol［J］.Envrion Toxicol Chem，2008，26:976－979

［17］Nakanishi I，F(xiàn)ukuzumi S，Konishi T，et al.DNA cleavage via superoxide anion formed in photoinduced electron transfer from NADH to γ－cyclodextrin－bicapped C60in an oxygen－saturated aqueous solution［J］.J Phys Chem，2002，106:2372－2380

［18］Oberd?rster E.Manufactured nanomaterials(Fullerenes，C60)induce oxidative stress in the brain of juvenile largemouth bass［J］.Environ.Health Persp，2004，112(10):1058－1062

［19］Sayes C M，Gobin A M，Ausman K D，et al.Nano－C60cytotoxicity is due to lipid peroxidation［J］.Biomaterials，2005，26:7587

［20］Markovic Z，Todorovic－Markovic B，Kleut D，et al.The mechanism of cell－damaging reactive oxygen generation by colloidal fullerenes［J］.Biomaterials，2007，28:5437－5448

［21］Abogast J W，Darmanyan A P，F(xiàn)oote C S，et al.Photophysical properties of C60［J］.J Phys Chem－US，1991，95:11－12

［22］Lee J，F(xiàn)ortner J D，Hughes J B，et al.Photochemical production of reactive oxygen species by C60in the aqueous phase during UV irradiation［J］.Environ Sci Technol，2007，41:2529－2535

［23］Yamakoshi Y，Sueyoshi S，F(xiàn)ukuhara K，et al.·OH andgeneration in aqueous C60and C70solution by photoirradiation:An EPR study［J］.J Am Chem Soc，1998，120:12363－12363

［24］Yamakoshi Y，Umezawa N，Ryu A，et al.Active oxygen species generated from photoexcited fullerene(C60)as potential medicines:versusJ Am Chem Soc，2003，125:12803－12809

［25］Wong－Ekkabut J，Baoukina S，Triompa W，et al.Computer simulation study of fullerene translocation through lipid membranes［J］.Nanotechnol，2008，3:363－368