Eine Antioxidationsstrategie basierend auf Ultra

Wissenschaftliche Berichte Band 13, Artikelnummer: 8455 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Antioxidation ist in lebenden Systemen gefragt, da der Überschuss an reaktiven Sauerstoffspezies (ROS) in Organismen zu einer Vielzahl von Krankheiten führt. Die herkömmlichen Antioxidationsstrategien basieren meist auf der Einführung exogener Antioxidantien. Allerdings weisen Antioxidantien in der Regel die Nachteile mangelnder Stabilität, mangelnder Nachhaltigkeit und potenzieller Toxizität auf. Hier haben wir eine neuartige Antioxidationsstrategie vorgeschlagen, die auf ultrakleinen Nanobläschen (NBs) basiert und bei der die Gas-Flüssigkeits-Grenzfläche zum Anreichern und Abfangen von ROS genutzt wird. Es wurde festgestellt, dass die ultrakleinen NBs (~ 10 nm) eine starke Hemmung der Oxidation umfangreicher Substrate durch Hydroxylradikale zeigten, während die normalen NBs (~ 100 nm) nur für einige Substrate funktionierten. Da die Gas-Wasser-Grenzfläche der ultrakleinen NBs nicht entbehrlich ist, wäre ihre Antioxidation nachhaltig und ihre Wirkung kumulativ, was sich von der Verwendung reaktiver Nanobläschen zur Eliminierung freier Radikale unterscheidet, da die Gase verbrauchend sind und die Reaktion nicht nachhaltig ist . Daher würde unsere auf ultrakleinen NB basierende Antioxidationsstrategie eine neue Lösung für die Antioxidation in den Biowissenschaften sowie in anderen Bereichen wie Materialien, chemischer Industrie, Lebensmittelindustrie usw. bieten.

In lebenden Systemen ist die Antioxidation eines der am meisten besorgniserregenden Probleme, da reaktive Sauerstoffspezies (ROS) normalerweise dauerhaft zusammen mit dem normalen Zellstoffwechsel produziert werden1,2. Übermäßige ROS verursachen jedoch häufig oxidative Schäden an einer Vielzahl wichtiger Zellkomponenten, darunter Lipide, Proteine und DNA-Moleküle3,4,5,6. Derzeit werden verschiedene Antioxidantien als Nahrungsergänzungsmittel zur Reduzierung ROS-assoziierter Krankheiten vorgeschlagen7. Die Wirksamkeit dieser Antioxidantien wurde bei der Behandlung vieler durch oxidative Schäden verursachter akuter Erkrankungen nachgewiesen8,9. Allerdings haben in den letzten Jahrzehnten die meisten klinischen Studien zur Behandlung von durch oxidative Schäden verursachten chronischen Krankheiten durch die Ergänzung von Antioxidantien keine überzeugenden Beweise für den klinischen Nutzen geliefert10. Leider haben einige Antioxidantien sogar toxische Nebenwirkungen11,12,13,14,15 und die meisten von ihnen sind nicht nachhaltig in der Anwendung und werden aufgrund ihrer Empfindlichkeit gegenüber normalen Umgebungen instabil16,17,18,19,20,21. Daher sind neuartige Antioxidationsstrategien mit hoher Stabilität, Nachhaltigkeit und biologischer Sicherheit erforderlich.

Es ist seit langem bekannt, dass die Gas-Flüssigkeits-Grenzfläche einzigartige physikalische, chemische und biochemische Eigenschaften aufweist. In jüngster Zeit wird es zur Regulierung vieler Oxidations-/Reduktionsreaktionen eingesetzt. Einige Simulationen und experimentelle Beweise haben gezeigt, dass Gas-Flüssigkeits-Grenzflächen ROS anreichern und die Prozesse ihrer Erzeugung und Löschung regulieren können22,23,24,25, was zu einer Verstärkung/Hemmung der Substratoxidationsreaktion durch ROS führt. Beispielsweise untersuchten Heath und Valsaraj26 den Prozess der Anreicherung von ROS und den Reaktanten an der Gas-Flüssigkeits-Grenzfläche und stellten fest, dass die Reaktionsgeschwindigkeit im Vergleich zu Massenlösungen um mehrere Größenordnungen gesteigert wurde. Nam und Richard27,28,29 fanden heraus, dass an den Gas-Flüssigkeits-Grenzflächen kleiner Wassertröpfchen für verschiedene Arten von Substraten eine Oxidation oder Reduktion stattfinden würde. In diesen Studien wird die Gas-Flüssigkeits-Grenzfläche durch die Adsorption von ROS und/oder Substraten wirksam. Wenn also die Oberfläche einer Gas-Flüssigkeits-Grenzfläche so klein ist, dass sie bevorzugt ROS anreichert, aber nicht genügend Platz für größere Substanzen bietet, kann sie eine gewisse antioxidative Aktivität für eine Reihe von Substraten aufweisen. Bisher wurden die Größeneffekte der Gas-Flüssigkeits-Grenzfläche auf die Reaktivität nicht wie die von Nanotröpfchen untersucht30,31.

Nanobläschen (NBs), typischerweise als nanoskalige Gasphase, suspendiert in der Wasserphase32,33, können eine große Anzahl von Gas-Flüssigkeits-Grenzflächen bereitstellen, die für die Anreicherung von ROS verwendet werden können. Die Größe der NBs variiert von ~ 10 nm (ultrakleine NBs) bis zu Hunderten von Nanometern (normale NBs); Daher ist es ein geeignetes Modell zur Untersuchung der Antioxidation oder Oxidation einer Gas-Flüssigkeits-Grenzfläche. Zuvor wurde berichtet, dass Sauerstoff-NBs die Bildung von ROS durch die Erzeugung von Hydroxylradikalen durch den Zusammenbruch der Mikrobläschen förderten,34 während die reduktiven Wasserstoff-NBs das Löschen von ROS unterstützten35,36. In diesen Studien standen jedoch eher die chemischen Eigenschaften der Gasphasen als die Größe der NBs im Vordergrund, da die Gase in den Nanobläschen verbrauchend sind und zur Neige gehen würden, so dass die Redoxreaktion nicht nachhaltig ist.

In dieser Studie wurde eine Antioxidationsstrategie basierend auf ultrakleinen NBs ohne exogene Antioxidantien bereitgestellt. Eine signifikante Größenabhängigkeit wurde beobachtet, als die NBs verwendet wurden, um ihre Fähigkeit zu bestimmen, die Oxidation von Substanzen durch die Hydroxylradikale zu blockieren. Es wurde festgestellt, dass die ultrakleinen NBs bei ausgedehnten Substraten eine starke antioxidative Wirkung zeigten, während normale NBs nur bei einigen Substraten wirkten. Da die Gas-Wasser-Grenzfläche der ultrakleinen NBs nicht entbehrlich ist, wäre ihre Antioxidation nachhaltig und ihre Wirkung kumulativ. Wir glauben, dass diese Forschung dazu beitragen würde, neue Lösungen zur Entfernung überschüssiger freier Radikale in einem System ohne Reduktionsmittelversorgung zu entwickeln.

Das Experiment wurde zunächst durchgeführt, indem die antioxidative Wirkung der ultrakleinen Stickstoff (N2)-NBs bestimmt wurde, indem ihre Fähigkeit nachgewiesen wurde, die durch die Hydroxylradikale verursachte Oxidation von 3, 3′, 5, 5′-Tetramethylbenzidin (TMB) zu blockieren (Abbildungen). S1 und S2), erzeugt aus H2O2 unter Katalyse von Cu2+. Ultrakleine N2-NBs wurden in kaltem reinem Wasser (0 °C) während eines Kompressions-Dekompressionsprozesses37 erzeugt und dann bei Raumtemperatur und Atmosphärendruck in das Oxidationsreaktionssystem eingeführt. Die Oxidationskurven wurden durch Überwachung der Absorption des oxidierten Produkts von TMB38 bei 652 nm erhalten. Es ist erwähnenswert, dass das N2 NB selbst bei 652 nm keine nachweisbare Absorption aufweist (Abbildungen S3) und die Redoxpotentiale von N2 NB-haltigem Wasser denen von reinem Wasser ähnlich waren (Tabelle S1). Die Ergebnisse zeigten, dass die Oxidationsraten von TMB in Wasser, das ultrakleine N2-NBs enthielt, im Vergleich zu denen in reinem Wasser bei gleichzeitiger Verlängerung der Reaktionszeit stark reduziert waren und die Absorptionswerte am Plateau viel niedriger waren als die in reinem Wasser ( Abb. 1a), was auf eine starke antioxidative Wirkung der ultrakleinen N2-NBs schließen lässt. Darüber hinaus ergab eine Vergleichsstudie, dass die antioxidative Wirkung der ultrakleinen N2-NBs der eines üblichen Antioxidans, Natriumascorbat, in einer Konzentration zwischen 100 und 200 μM entsprach (Abb. 1b).

Antioxidation ultrakleiner N2-NBs. (a) Oxidationskurven von TMB in Wasser, das die ultrakleinen N2-NBs enthält. (b) Vergleich des relativen Oxidwerts der ultrakleinen N2-NBs mit dem Natriumascorbat in unterschiedlichen Konzentrationen. Die Oxidationskurven von TMB in Wasser mit unterschiedlichen Konzentrationen an Natriumascorbat wurden zunächst wie (a) gemessen. Anschließend wurde der maximale Absorptionswert aus jeder Oxidationskurve ermittelt. Der relative Oxidwert jedes Elements wurde berechnet mit: \(Relativer Oxidwert\;\left( {item} \right) = \frac{{Max\;Absorption\;\left( {item} \right)} }{{Max\;Absorption\;\left( {ohne\;NBs} \right)}}\). (c) NB-Größenverteilung gemessen mit NTA (oben) und DLS (unten). Kreise markierten den Peak der NBs mit einer Größe von etwa 50 nm. (d) Oxidationskurven von TMB in ultrakleinem N2-NBs-haltigem Wasser vor und nach der Entgasung.

In unseren Experimenten wurden Nanopartikel-Tracking-Analyse (NTA) und dynamische Lichtstreuung (DLS) als ergänzende Mittel eingesetzt, um die Größenverteilung und Konzentration von Nanobläschen in Wasser zu bestimmen39. Durch die Überwachung der Brownschen Bewegung einer relativ kleinen Anzahl einzelner Objekte ist NTA in der Lage, die Konzentration (106–109 Partikel/ml) und Größe (10–2000 nm) polydisperser Populationen genau zu messen40. Aufgrund der geringen Lichtstreuung von NBs in Wasser kann NTA ihre Größenverteilung im Bereich von 50–2000 nm testen und gleichzeitig ihre Konzentration bestimmen. Bei DLS wird die kollektive Ausbreitung einer größeren Anzahl von Objekten überwacht und deren durchschnittliche Größe berechnet. Allerdings liefert DLS nur eine grobe Größenverteilung von Proben im Bereich von 0,3 nm bis 15 μm ohne Konzentrationsinformationen41,42. Abbildung 1c (oben) zeigt eine typische Größenverteilung der so erzeugten N2-NBs, gemessen mit NTA, wobei die Peaks meist zwischen 50 und 270 nm liegen. Die NTA-Analyse ergab außerdem eine NB-Konzentration von 5,42 × 107 ± 5,78 × 106 Partikel/ml und eine durchschnittliche NB-Größe von 152,7 ± 14,1 nm. Abbildung 1c (unten) zeigte zwei Peaks mit sehr starker Streuintensität in den DLS-Kurven, was darauf hindeutet, dass die Größen größtenteils bei 3,62 nm bzw. 255 nm zentriert waren. Der einzige in der DLS-Anzahlprozentkurve beobachtete Peak (Abb. 1c, unten) lag zentriert bei 3,62 nm, was darauf hindeutet, dass diese ultrakleinen NBs zahlenmäßig die überwiegende Mehrheit in der Lösung ausmachten.

Um die Möglichkeit auszuschließen, dass die Einführung von Verunreinigungen während der NB-Erzeugung auch die beobachtete antioxidative Wirkung verursacht haben könnte, wurde ein Entgasungsexperiment durchgeführt. Durch die Entfernung der meisten N2-NBs im Wasser nach 24-stündiger Entgasung unter einem Vakuum von 0,01 atm (Abb. S4) zeigten die TMB-Oxidationskurven (Abb. 1d), dass die Antioxidationsfähigkeit des N2-NBs-Wassers deutlich verringert war, was dies eindeutig bestätigt dass die beobachtete antioxidative Wirkung eher von den N2-NBs als von Verunreinigungen herrührte.

Da die Größe der erzeugten N2-NBs weit im Bereich von 0–300 nm verteilt war (Abb. 1c), war es plausibel zu untersuchen, ob eine Größenabhängigkeit für ihre antioxidative Fähigkeit besteht. Wir fanden heraus, dass die normalen N2-NBs, die in frischem Reinstwasser bei Raumtemperatur erzeugt werden, die Oxidation von TMB nicht hemmen, sondern leicht verstärken (Abb. 2a). Die NTA-Studie zeigte eine typische Größenverteilung der normalen N2-NBs zwischen 70 und 220 nm (Abb. 2b, oben), eine NB-Konzentration von 6,41 × 107 ± 1,72 × 107 Partikel/ml und eine durchschnittliche NB-Größe von 116,9 ± 14,7 nm . Die DLS-Studie ergab zwei starke Streuintensitätspeaks mit der Mitte bei 142 bzw. 396 nm (Abb. 2b, unten). Sowohl die NTA- als auch die DLS-Ergebnisse normaler N2-NBs zeigten keine nachweisbaren NBs mit Größen unter 50 nm, was darauf hindeutet, dass die antioxidative Wirkung nur durch die ultrakleinen NBs (typischerweise < 50 nm) verursacht wurde. Darüber hinaus haben wir herausgefunden, dass die ultrakleinen N2-NBs, die durch einen Gefrier-Auftau-Vorgang aus normalen N2-NBs umgewandelt wurden, ebenfalls eine antioxidative Wirkung aufweisen (Abb. S5). Zusätzlich zu den ultrakleinen N2-NBs haben auch ultrakleine Sauerstoff-NBs (O2) eine starke antioxidative Wirkung bei der TMB-Oxidationsreaktion (Abb. S6).

Normale N2-NBs-unterstützte Oxidation von TMB. (a) Oxidationskurven von TMB in Wasser, das normale N2-NBs enthält. (b) Größenverteilungskurven normaler N2-NBs, gemessen mit NTA (oben) und DLS (unten).

Die obigen Ergebnisse zeigten deutlich, dass eine Größenabhängigkeit von der antioxidativen Fähigkeit des NB bestand. Ultrakleine N2-NBs hemmten die Oxidation von TMB durch Hydroxylradikale, während ihre Cluster oder normale N2-NBs (typischerweise > 50 nm) die Oxidation von TMB leicht verstärken. Die gegensätzlichen Auswirkungen der kleinen und großen NBs auf die TMB-Oxidation schienen schwer zu verstehen. Derzeit ist unser Wissen über die chemischen Eigenschaften der Grenzflächen von NBs sehr dürftig. Es ist ratsam, unsere Beobachtungen auf der Grundlage der bestehenden Erkenntnisse zur Regulierung von Oxidation und Reduktion durch Gas-Wasser-Grenzflächen zu interpretieren. Da die elektrische Oberflächenpotentialdifferenz von NBs normalerweise –20 mV beträgt, ist sie weitaus kleiner als die 3 V an der Gas-Flüssigkeits-Grenzfläche kleiner Wassertröpfchen28,43. Daher ist es nicht angebracht, unsere Ergebnisse aus dem von Nam und Richard vorgeschlagenen elektrischen Oberflächenfeldmechanismus zu erklären. Frühere Studien haben gezeigt, dass die Oxidationsreaktion beschleunigt werden könnte, wenn sowohl freie Radikale als auch Substrate an den Gas-Flüssigkeits-Grenzflächen angereichert würden26,44. Daher glaubten wir, dass die selektive Anreicherung von ROS an der Gas-Flüssigkeits-Grenzfläche der NBs eine wichtige Rolle in unseren Reaktionssystemen spielen könnte. Eine plausible Erklärung könnte sein, dass die Oberflächen der ultrakleinen NBs so klein waren und nicht genügend Platz für die einfache Adsorption größerer Substratmoleküle boten, was dazu führte, dass sie lieber mehr ROS, aber weniger Substratmoleküle anreicherten. Die kurzlebigen Hydroxylradikale würden an der Grenzfläche angereichert und von selbst gelöscht (Abb. 3). Im Gegensatz dazu würde die große Oberfläche der großen NBs (oder NB-Cluster) sowohl das TMB als auch die Hydroxylradikale an ihren Gas-Flüssigkeits-Grenzflächen anreichern und die Reaktion zwischen TMB und Hydroxylradikalen wie üblich verstärken. Dieser Mechanismus funktioniert auch für eine andere klassische Hydroxylradikalsonde, 2,2'-Azinobis-(3-ethylbenzthiazolin-6-sulfonat) (ABTS) (Abb. S7). Zusätzlich zu den Hydroxylradikalen wurde festgestellt, dass die ultrakleinen NBs auch Superoxidanionenradikale abfangen (Abb. S8).

Der Mechanismus der Antioxidation der ultrakleinen NBs.

Gemäß unserem vorgeschlagenen Mechanismus (Abb. 3) verstärken normale NBs die Oxidation, da sie gleichzeitig ROS und hydrophobes TMB an der Gas-Flüssigkeits-Grenzfläche adsorbieren, was ihre Reaktionswahrscheinlichkeit erhöht. Wenn dies der Fall ist, sollten normale NBs auch antioxidative Wirkungen zeigen, wenn Substratmoleküle verwendet werden, die eher in der Wasserphase als an der Gas-Flüssigkeits-Grenzfläche verbleiben. Um diese Hypothese zu testen, wurde Dimethylpyridin-N-oxid (DMPO), eine häufig verwendete Elektronenspinresonanz-Spinfalle (ESR), zum Einfangen von Hydroxylradikalen eingesetzt. DMPO ist hydrophil, sodass es in der Wasserphase vorliegen sollte. In diesem Experiment wurde ESR verwendet, um die Intensität des oxidierten DMPO (DMPO-OH) zu messen. Die Ergebnisse (Abb. 4) zeigten, dass die DMPO-OH-Signale in Reaktionssystemen, die normale N2-NBs oder ultrakleine N2-NBs enthielten, viel niedriger waren als die der Kontrollgruppe, was auf eine antioxidative Wirkung hinweist. Die Ergebnisse unterstützen unseren Mechanismus weiter.

Die DMPO-OH-Signalintensität in Wasser, das normale N2-NBs oder ultrakleine N2-NBs enthält, im Zeitverlauf.

Um eine mögliche Beteiligung des Reaktionssystems an der Antioxidation der NBs auszuschließen, verwendeten wir ultraviolette (UV) Strahlung45,46,47 (Abb. 5a und S9) oder Fe2+ anstelle von Cu2+ (Abb. S10), um Hydroxylradikale aus H2O2 zu erzeugen . Die Ergebnisse zeigten auch eine starke antioxidative Wirkung der ultrakleinen N2-NBs im Gegensatz zu einer leichten prooxidativen Wirkung der normalen N2-NBs. Daher glauben wir, dass die antioxidative Wirkung der reduktionsmittelfreien NBs hauptsächlich den ultrakleinen NBs selbst zugeschrieben werden sollte.

Die Absorption des oxidierten TMB durch die durch UV-Strahlung erzeugten Hydroxylradikale. (a) Die Absorption des oxidierten TMB in drei parallelen Gruppen nach UV-Bestrahlung. (b) Die Abschwächung der antioxidativen Kapazität der ultrakleinen N2-NBs und 1 mM Natriumascorbat nach 3-stündiger UV-Bestrahlung.

Im Vergleich zu herkömmlichen Reduktionsmitteln einschließlich reaktiver Nanobläschen48,49, die bei der Reaktion verbrauchend wirken, hat die Verwendung ultrakleiner NBs als Antioxidans gewisse Vorteile. Erstens sind die ultrakleinen NBs in reinem Wasser stabil und ihre antioxidative Wirkung könnte auch in einer Umgebung mit hohem ROS-Gehalt aufrechterhalten werden. Beispielsweise behielten die ultrakleinen N2-NBs fast 100 % ihrer antioxidativen Fähigkeit (Abb. 5b) in einem System, das hochgradige Hydroxylradikale enthielt, die ständig durch intensive UV-Strahlung von H2O2 in Wasser erzeugt wurden. Im Gegensatz dazu wurde 1 mM Natriumascorbat nach und nach verbraucht und behielt unter den gleichen Bedingungen nur etwa 0,1 % seiner ursprünglichen antioxidativen Wirkung (Abb. 5b). Zweitens würden gemäß dem vorgeschlagenen Antioxidationsmechanismus nach dem Löschen von ROS mit den ultrakleinen NBs keine schädlichen oxidierten Produkte zurückbleiben. Wir glauben, dass diese einzigartige Eigenschaft für die Anwendung ultrakleiner NBs als Antioxidans in lebenden Systemen von entscheidender Bedeutung ist. Die hochdosierten exogenen Antioxidantien und Oxidationsprodukte sind oft schädlich für normale Zellen14,50. Drittens sind ultrakleine NBs stabil und können eine anhaltende antioxidative Funktion haben, während viele Antioxidantien anfällig für die Umwelt sind und sich bei Lagerung und Transport zersetzen würden. Es ist zu beachten, dass die ultrakleinen NBs im Prinzip nur wirksam sind, um ROS mit kurzer Lebensdauer abzufangen, aber es ist schwierig, freie Radikale mit langer Lebensdauer zu entfernen. Glücklicherweise handelt es sich bei den meisten schädlichen Radikalen, die in lebenden Organismen entstehen, um kurzlebige ROS.

Zusammenfassend wurde eine antioxidative Wirkung ultrakleiner NBs untersucht. Unsere Ergebnisse zeigten, dass die ultrakleinen NBs offensichtlich die durch Hydroxylradikale verursachte Oxidation hydrophober Substrate (TMB) oder hydrophiler Substrate (DMPO) hemmen. Da dem Reaktionssystem keine speziellen chemischen Reduktionsmittel zugesetzt wurden, konnte die Antioxidationsfähigkeit der ultrakleinen NBs sicher in lebenden Systemen genutzt werden und könnte ihre potenzielle Anwendung bei der Linderung von oxidativem Stress in Organismen, einschließlich Menschen, finden. Darüber hinaus könnten unsere Ergebnisse auch eine neue wissenschaftliche Sicht auf die kontroverse Frage über die behaupteten gesundheitsfördernden Wirkungen einiger natürlicher oder „funktioneller“ Wässer liefern51, da man davon ausgeht, dass NBs in der Natur allgegenwärtig vorkommen. Weitere Untersuchungen sollten bei der Entwicklung von Techniken zur Herstellung ultrakleiner NBs mit höheren Konzentrationen und einer präziseren Regulierung der Größenverteilungen durchgeführt werden, um den Antioxidationsanforderungen in vielen praktischen Anwendungen gerecht zu werden.

Reinstwasser wurde mit einem ELGA LabWater-Gerät (ELGA Classic-PURELAB) hergestellt. Kupfer(II)-chlorid-Dihydrat (analytischer Grad, ≥ 99 %, Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd) und 3, 3′, 5, 5′-Tetramethylbenzidin (analytischer Grad, ≥ 99 %, Macklin Reagent); 2,2′-Azino-bis(3-ethylbenzothiazolin-6-sulfonsäure)-diammoniumsalz (≥ 98 %, OKA); Eisen(II)sulfat-Heptahydrat (analytischer Grad, ≥ 99 %, Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd); 1,2,3-Trihydroxybenzol (analytische Qualität, Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd); Wasserstoffperoxid 30 % wässrige Lösung (in garantierter Qualität, Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd); 5,5-Dimethyl-1-pyrrolidin-N-oxid (≥ 98 %, SIAL); Die Reinheit von Stickstoff und Sauerstoff beträgt mehr als 99,999 %. Diese Chemikalien wurden wie erhalten ohne weitere Reinigung verwendet.

Die NBs wurden durch ein zuvor beschriebenes Kompressions-Dekompressionsverfahren in Reinstwasser erzeugt37. Das Experiment wurde in einer speziell angefertigten Metallkammer mit Druckkontrolle durchgeführt. Zunächst wurde hochreines Wasser in die Kammer gegeben und Gas (N2 oder O2) bis zu einem Druck von 0,6 MPa in die Kammer eingeleitet. Anschließend wurde der Druck in der Kammer langsam (20 sccm) auf Normaldruck (1 atm) reduziert. NBs wurden in hochreinem Wasser erzeugt, das entweder Raumtemperatur oder 0 °C hatte und aus einer Mischung aus Eis und Wasser hergestellt wurde.

Das Nanopartikel-Tracking-Analysesystem (NTA) (NS300, Malvern, UK) wurde verwendet, um die Anzahldichte und Größe der vorbereiteten NBs in Wasser zu analysieren. Zur Erfassung und Analyse der Daten wurde die Software NTA 3.4 verwendet. Darüber hinaus wurde auch ein dynamisches Lichtstreugerät (DLS, nano-ZS90, Malvern) eingesetzt, um die Intensität des Streulichts und die Anzahl (%) der NBs zu erfassen.

Die antioxidative Wirkung von N2-NBs wurde durch die Fähigkeit bestimmt, die Oxidation von TMB (Endkonzentration 0,4 mM) durch die Hydroxylradikale zu blockieren, die aus H2O2 (Endkonzentration 0,8 M) unter Katalyse von Cu2+ (10 μM) erzeugt wurden. Die Wirkung von NBs auf die Oxidationskinetik von TMB wurde durch Überwachung der Absorption bei 652 nm bestimmt. Das endgültige Reaktionsvolumen wurde durch Zugabe von hochreinem/NBs-Wasser auf 1 ml eingestellt. Nach der Herstellung der Reaktionsmischungen wurden diese sofort auf eine Platte mit 96 Vertiefungen übertragen (jede Probe à 200 μl in 4 Vertiefungen). Ein Mikroplatten-Lesegerät (VERSA max Mikroplatten-Lesegerät) wurde verwendet, um die Änderung der optischen Dichte bei 652 nm zu überwachen.

Oxidationskurve von TMB unter normalen N2-NBs oder ultrakleinen N2-NBs im Fe2+/H2O2-System. Die Endkonzentrationen von Fe2+, TMB und H2O2 betrugen 50 μM, 0,4 mM bzw. 80 mM. Das endgültige Reaktionsvolumen wurde durch Zugabe von hochreinem/NBs-Wasser auf 1 ml eingestellt. Nach der Herstellung der Reaktionsmischungen wurden diese sofort auf eine Platte mit 96 Vertiefungen übertragen (jede Probe à 200 μl in 4 Vertiefungen). Ein Mikroplatten-Lesegerät (VERSA max Mikroplatten-Lesegerät) wurde verwendet, um die Änderung der optischen Dichte bei 652 nm zu überwachen.

Die antioxidative Wirkung von N2-NBs wurde durch die Fähigkeit bestimmt, die Oxidation von ABTS (Endkonzentration 200 μg/ml) durch die Hydroxylradikale zu blockieren, die aus H2O2 (Endkonzentration 0,8 M) unter Katalyse von Cu2+ (10 μM) erzeugt wurden ). Die Wirkung von N2-NBs auf die Oxidationskinetik von ABTS wurde durch Überwachung der Absorption bei 405 nm bestimmt. Das endgültige Reaktionsvolumen wurde durch Zugabe von hochreinem/NBs-Wasser auf 1 ml eingestellt. Nach der Herstellung der Reaktionsmischungen wurden diese sofort auf eine Platte mit 96 Vertiefungen übertragen (jede Probe à 200 μl in 4 Vertiefungen). Ein Mikroplatten-Lesegerät (VERSA max Mikroplatten-Lesegerät) wurde verwendet, um die Änderung der optischen Dichte bei 405 nm zu überwachen.

Unter alkalischen Bedingungen kann Pyrogallol schnell unter Freisetzung von O2-· oxidieren und ein farbiges Zwischenprodukt erzeugen, das eine starke Lichtabsorption bei der Wellenlänge von 325 nm aufweist. Wenn es eine Substanz gibt, die in der Lage ist, O2−· zu löschen, würde die Anreicherung der Zwischenprodukte verhindert. Die Endkonzentration an Pyrogallol betrug 0,1 mM und das Puffersystem war eine Tris-HCl-Pufferlösung mit pH 8,0. Nach der Herstellung der Reaktionsmischungen wurden diese sofort auf eine Platte mit 96 Vertiefungen übertragen (jede Probe à 200 μl in 4 Vertiefungen). Ein Mikroplatten-Lesegerät (VERSA max Mikroplatten-Lesegerät) wurde verwendet, um die Änderung der optischen Dichte bei 325 nm zu überwachen.

Die flüssige Probe wurde in das Kapillarröhrchen gesaugt und zur ESR-Messung verschlossen. Die Messparameter sind wie folgt: Centra-Feld: 324 mT; Sweep-Breite: 5,0 × 1 mT; Mod.freq.: 100,00 kHz; Mod. Breite + /−: 0,35 × 1 mT; Sweep-Zeit: 1 Min. Zur Analyse der Daten wurde die Software ESR Data Process verwendet.

Die Reaktionslösung (2 ml), die TMB (0,4 mM) und H2O2 (0,08 M) enthielt, wurde in einer Quarzküvette (1 × 1 × 5 cm3) 30 cm von einer UV-Lampe (20 W) entfernt platziert und mit einer Wellenlänge bestrahlt von 256 nm für 10 Min. Der Absorptionswert der Lösung bei einer Wellenlänge von 652 nm wurde am Ende der Bestrahlung gemessen.

Alle während dieser Studie generierten oder analysierten Daten sind in diesem veröffentlichten Artikel und seinen ergänzenden Informationsdateien enthalten.

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Wir danken Prof. Changqing Sun von der Nanyang Technological University, Singapur, für die hilfreiche Diskussion mit ihm über den Mechanismus der Nanobläschen-Antioxidation. Diese Arbeit wurde von der National Natural Science Foundation of China (Nr. 11975297, 12274427, 11874379, 22109169, 12104469, 12005284), dem Key Research Program of Frontier Sciences, CAS (Nr. QYZDJ-SSW-SLH019) und Shanghai International unterstützt Kooperationsprogramm für Wissenschaft und Technologie (22490714400).

Diese Autoren haben gleichermaßen beigetragen: Jin Zheng und Juncheng Qi.

CAS Key Laboratory of Interfacial Physics and Technology, Shanghai Institute of Applied Physics, Chinesische Akademie der Wissenschaften, Shanghai, 201800, China

Jin Zheng, Juncheng Qi, Kaiwei Yuan, Lijuan Zhang, Hongwei Zhao, Junhong Lü, Beien Zhu, Yi Zhang und Jun Hu

Shanghai Advanced Research Institute, Chinesische Akademie der Wissenschaften, Shanghai, 201203, China

Lijuan Zhang, Hongwei Zhao, Junhong Lü, Beien Zhu, Yi Zhang und Jun Hu

Universität der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, Peking, 100049, China

Jin Zheng, Juncheng Qi und Kaiwei Yuan

Wenzhou-Institut, Universität der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, Wenzhou, 325000, Zhejiang, China

Sanzhao-Lied

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Konzeptualisierung: HJ, ZY Methodik: ZJ, QJ, SS, YK Untersuchung: ZL, ZH, LJ Visualisierung: ZY, ZJ Aufsicht: HJ, ZY, SS, ZB Schreiben – Originalentwurf: ZJ, QJ Schreiben – Überprüfung und Bearbeitung: ZY , HJ

Korrespondenz mit Yi Zhang oder Jun Hu.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Open Access Dieser Artikel ist unter einer Creative Commons Attribution 4.0 International License lizenziert, die die Nutzung, Weitergabe, Anpassung, Verbreitung und Reproduktion in jedem Medium oder Format erlaubt, sofern Sie den/die Originalautor(en) und die Quelle angemessen angeben. Geben Sie einen Link zur Creative Commons-Lizenz an und geben Sie an, ob Änderungen vorgenommen wurden. Die Bilder oder anderes Material Dritter in diesem Artikel sind in der Creative Commons-Lizenz des Artikels enthalten, sofern in der Quellenangabe für das Material nichts anderes angegeben ist. Wenn Material nicht in der Creative-Commons-Lizenz des Artikels enthalten ist und Ihre beabsichtigte Nutzung nicht gesetzlich zulässig ist oder über die zulässige Nutzung hinausgeht, müssen Sie die Genehmigung direkt vom Urheberrechtsinhaber einholen. Um eine Kopie dieser Lizenz anzuzeigen, besuchen Sie http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.

Nachdrucke und Genehmigungen

Zheng, J., Qi, J., Song, S. et al. Eine Antioxidationsstrategie basierend auf ultrakleinen Nanobläschen ohne exogene Antioxidantien. Sci Rep 13, 8455 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-35766-5

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Eingegangen: 06. März 2023

Angenommen: 23. Mai 2023

Veröffentlicht: 25. Mai 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-35766-5

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Eine Antioxidationsstrategie basierend auf Ultra