一种基于实验和计算的二维纳米复合物毒性评价方法技术

本发明专利技术涉及生态系统污染检测领域，且公开了一种基于实验和计算的二维纳米复合物毒性评价方法，使用了两种TMDC纳米片模型，二硫化钼(MoS2)和二硫化钨(WS2)，以及7种PFAS来探索它们的相互作用及其对模型细胞系和斑马鱼的后续影响。利用实验方法和机器学习方法，展示了TMDCs

【技术实现步骤摘要】
一种基于实验和计算的二维纳米复合物毒性评价方法


[0001]本专利技术涉及生态系统污染检测领域，具体为一种基于实验和计算的二维纳米复合物毒性评价方法。

技术介绍

[0002]过渡金属二卤代化合物(TMDCs)，如二硫化钼(MoS2)和二硫化钨(WS2)，是一类二维纳米材料，根据其应用场景和不同的理化性质已广泛应用于各种工业部门，TMDCs在制造、运输和使用过程中可能被释放到大气、土壤和水生环境中。由于全球生产的纳米材料中估计有60％以上被处理在垃圾填埋场中，大多数TMDCs在生命周期接近尾声时可能最终被填埋。因此，困在垃圾填埋场中的TMDCs，如MoS2和WS2，最终将分解并渗透到周围的土壤、水和其他环境中。
[0003]因此，了解TMDC纳米材料的环境命运和相关毒性是其安全应用的关键和先决条件。以往的研究表明，MoS2和WS2可对多种生物产生毒性，包括但不限于微生物、浮游植物、鱼类、哺乳动物等。同时，它们的毒性也会受到环境因素的很大影响。例如，紫外线照射可显著影响水中环境中MoS2和WS2对大肠杆菌的毒性。据报道，溶解氧和可见光照射对水中二硫化钼的毒性也有类似的影响。此外，由于其固有特性(例如，高的比表面积)，TMDCs可以与其他无论是自然的还是工程的环境污染物相互作用。Zou等人证明了藻类自然分泌的胞外聚合物质可以结合到表面并改变MoS2的毒性特征。同样，Peng等人报道了TMDCs和有机污染物之间的协同作用，其中WS2纳米片，即使在非细胞毒性浓度下，也可以增强有机污染物的细胞毒性。
[0004]预计释放的TMDCs可与现有环境污染物相互作用，特别是持久性有机污染物，如全氟和多氟烷基物质(PFAS)。PFAS因其疏水和疏油特性在世界各地的工业和商业产品中被使用，其污染已在地球上几乎每一个生态系统中被发现。PFAS的这种广泛污染对环境和人类健康构成严重威胁，因为它们具有持久性和生物累积性及毒性。更加复杂的是，现有的PFAS可能与新出现的环境污染物(如TMDCs)相互作用，造成联合毒性效应。然而，由于它们的数量庞大，仅靠实验方法是不可能探索所有环境污染物的组合的。因此，迫切需要可靠的定量结构
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活性关系(QSAR)或其他预测建模方法来解决这一问题。机器学习技术的最新进展为处理从化学结构计算出的高维描述符合提高模型预测性能提供了很大的希望。此外，分子动力学模拟能够对关键分子相互作用提供原子水平的结构洞察，从而促进我们理解联合毒性的机制。为此，我们提出了一种基于实验和计算的二维纳米复合物毒性评价方法。

技术实现思路

[0005](一)解决的技术问题
[0006]针对现有技术的不足，本专利技术提供了一种基于实验和计算的二维纳米复合物毒性评价方法，解决了上述的问题。
[0007](二)技术方案
[0008]为实现上述所述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种基于实验和计算的二维纳米复合物毒性评价方法，包括以下步骤：
[0009]第一步：将MoS2和WS2纳米片分别与7种具有代表性的PFAS混合，摇匀，得到7种PFAS与MoS2/WS2纳米片的所有组合共合成了14种纳米复合材料；
[0010]第二步：采用原子力显微镜对MoS2和WS2的形貌进行表征，测量稀释后的MoS2和WS2在zeta电位和水合动力学直径，测量合成的纳米复合材料的Zeta电位和水合动力学直径；
[0011]第三步：用正常人胃上皮细胞和正常人结肠上皮细胞两种细胞系来探索MoS2和WS2纳米片、PFAS及纳米复合材料的体外毒性；
[0012]第四步：制备含有MoS2、PFOS/PFOA的纳米复合材料的暴露溶液对斑马鱼模式生物进行染毒暴露，每个暴露处理设3个重复，以淡水代替暴露溶液饲养在3个鱼缸中的斑马鱼为对照组；
[0013]第五步：采集斑马鱼的鳃、大脑、肌肉、肠道和肝脏，通过电感耦合等离子体质谱测量Mo含量，量化纳米复合材料在不同器官和组织中的生物积累；
[0014]第六步：确定纳米片和纳米复合材料的细胞定位；
[0015]第七步：收集暴露两周后斑马鱼的肠子和肝脏，样品先在4％(w/v)多聚甲醛溶液中固定24h，乙醇脱水，石蜡包埋，包埋样品切片，用苏木精和伊红染色，使用光学显微镜观察获得的切片，以确定任何潜在的组织变化；
[0016]第八步：采用机器学习方法和分子动力学模拟证明选TMDCs和PFAS之间的相互作用及其潜在的健康风险。
[0017]优选的，所述第一步中PFAS的摩尔浓度为0.07mmol/L；
[0018]MoS2和WS2浓度为1mg/L；
[0019]摇匀的条件为在室温下摇24小时。
[0020]优选的，所述第二步中的稀释后的MoS2和WS2为将MoS2和WS2稀释在添加10％胎牛血清或超纯水的细胞培养基中。
[0021]优选的，所述第三步的具体内容为：
[0022]S1：将正常人胃上皮细胞和正常人结肠上皮细胞添加10％胎牛血清、100μg/mL青霉素和100U/mL链霉素的培养基中生长；
[0023]S2：所有细胞在37℃、95％湿度和5％ CO2的培养箱中培养；
[0024]S3：将正常人胃上皮细胞和正常人结肠上皮细胞悬液100μL接种于96孔板，孵育24小时后，细胞与浓度10、25、50、100、200、400、600和800μg/mL的MoS2/WS2及其纳米复合物孵育48小时；
[0025]S4：使用试剂盒检测正常人胃上皮细胞和正常人结肠上皮细胞的细胞活力。
[0026]优选的，所述第四步中MoS2浓度为0.1、1和10mg/L；
[0027]PFOS/PFOA浓度为0.03mg/L。
[0028]优选的，第五步的具体内容如下：
[0029]S1：每个收集的新鲜组织脏器约0.2g被放置在15mL聚丙烯离心管中，其中添加1mL65％ HNO3；
[0030]S2：所有样品在约25℃的熏蒸罩中消化1小时，然后使用微波消化系统在120℃消化1.5小时，直到澄清；
[0031]S3：测定消解液中的Mo含量。
[0032]优选的，所述第六步中的具体内容如下：收集未损伤的组织样本，在室温下3％戊二醛pH 7.4中固定2小时，用2％乙酸铀酰水溶液染色，并以不断增加的浓度梯度与各种酒精溶液脱水，组织嵌入100％ Epon，使用超显微切片机切割，观察生成的超薄切片，以确定纳米片和纳米复合材料的细胞定位。
[0033]优选的，第八步中的具体内容为：
[0034]S1：采用描述符描述二维纳米材料的结构多样性；
[0035]S2：使用随机森林回归算法构建定量结构
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活性关系模型，使用Scikit
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learn构建RF回归模型，通过五倍交叉验证验证了模型的鲁棒性，用决定系数R2来评价所生成模型的预测能力，利用RF算法的特征重要性函数对不同输入变量对模型的影响进行排序。
[00本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于实验和计算的二维纳米复合物毒性评价方法，其特征在于，包括以下步骤：第一步：将MoS2和WS2纳米片分别与7种具有代表性的PFAS混合，摇匀，得到7种PFAS与MoS2/WS2纳米片的所有组合共合成了14种纳米复合材料；第二步：采用原子力显微镜对MoS2和WS2的形貌进行表征，测量稀释后的MoS2和WS2在Zeta电位和水合动力学直径，测量合成的纳米复合材料的Zeta电位和水合动力学直径；第三步：用胃上皮细胞和结肠上皮细胞两种细胞系来探索MoS2和WS2纳米片、PFAS及纳米复合材料的体外毒性；第四步：制备含有MoS2、PFOS/PFOA的纳米复合材料的暴露溶液对斑马鱼模式生物进行染毒暴露，每个暴露处理设3个重复，以淡水代替暴露溶液饲养在3个鱼缸中的斑马鱼为对照组；第五步：采集斑马鱼的鳃、大脑、肌肉、肠道和肝脏，通过电感耦合等离子体质谱测量Mo含量，量化纳米复合材料在不同器官和组织中的生物积累；第六步：确定纳米复合材料中纳米片的细胞定位；第七步：收集暴露两周后斑马鱼的肠子和肝脏，样品先在4％(w/v)多聚甲醛溶液中固定24h，乙醇脱水，石蜡包埋，包埋样品切片，用苏木精和伊红染色，使用光学显微镜观察获得的切片，以确定任何潜在的组织变化；第八步：采用机器学习方法和分子动力学模拟证明TMDCs和PFAS之间的相互作用及其潜在的健康风险。2.根据权利要求1所述的一种基于实验和计算的二维纳米复合物毒性评价方法，其特征在于：所述第一步中PFAS的摩尔浓度为0.07mmol/L；MoS2和WS2浓度为1mg/L；摇匀的条件为在室温下摇24小时。3.根据权利要求1所述的一种基于实验和计算的二维纳米复合物毒性评价方法，其特征在于：所述第二步中的稀释后的MoS2和WS2为将MoS2和WS2稀释在添加10％胎牛血清或超纯水的细胞培养基中。4.根据权利要求1所述的一种基于实验和计算的二维纳米复合物毒性评价方法，其特征在于：所述第三步的具体内容为：S1：将正常人胃上皮细胞和正常人结肠上皮细胞添加10％胎牛血清、100μg/mL青霉素和100U/mL链霉素的培养基中生长；S2：所有细胞在37℃、95％湿度和5％CO2的培养箱中培养；S3：将胃上皮细胞和结肠上皮细胞悬液100μL接种于96孔板，孵育24小时后，细胞与浓度10、25、50、100、200、400、600和800μg/mL的MoS2/WS2及其纳米复合物孵育48小时；S4：使用试剂盒检测胃上皮细胞和结肠上皮细胞的细胞活力。5.根据权利要求1所述的一种基于实验和计算的二维纳米复合物毒性...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘国红，闫希亮，李成俊，颜嘉晨，胡松，闫兵，
申请(专利权)人：广州大学，
类型：发明
国别省市：