红光照射下亚甲蓝光降解过程中Gd2O3纳米颗粒促氧化活性的上转换效应EPR研究

《Next Materials》：EPR studies of upconversion effect on prooxidant activity of Gd2O3 nanoparticles in photodegradation of methylene blue under red light irradiation

　　

通过水热法制备了具有顺磁性（paramagnetic）的氧化钆（Gd₂O₃）纳米颗粒（NPs），其平均粒径为24?±?2?nm，并表现出促氧化/抗氧化特性。能量色散X射线能谱分析证实，Gd₂O₃晶格中存在取代型掺杂缺陷，具体为钬（Ho³⁺，0.15?at%）和铕（Eu³⁺，0.05?at%）。Ho³⁺和Eu³⁺杂质缺陷通过上转换（upconversion）机制赋予Gd₂O₃纳米颗粒发光与促氧化性质。采用5,5-二甲基-1-吡咯啉-N-氧化物（DMPO）自旋捕获电子顺磁共振波谱（EPR）检测羟基自由基（•OH），结果表明，在红光照射（λ_ex = 660?±?5?nm）下，Gd₂O₃纳米颗粒对亚甲蓝光氧化降解过程的影响具有浓度依赖性和双向性。顺磁性与促氧化性质的结合使Gd₂O₃纳米颗粒在可控联合诊疗（theranostics）中具有较高应用前景，尤其可作为磁共振成像（MRI）对比剂以及光动力治疗（PDT）的高效上转换光敏剂。

该文发表于《Next Materials》，围绕稀土氧化物纳米材料在诊疗一体化中的应用潜力展开，重点关注氧化钆（Gd₂O₃）纳米颗粒在红光激发条件下的光氧化行为及其电子顺磁特征。研究背景在于，Gd₂O₃兼具磁学、发光和催化特性，既可依托Gd³⁺未成对4f电子表现出优良顺磁性，用于磁共振成像（MRI）对比增强，又可通过稀土离子掺杂获得发光和光敏化能力，因此被视为构建诊疗一体化（theranostics）平台的重要候选材料。然而，现有研究虽然已证实Gd₂O₃纳米颗粒具有成像、药物递送、发光示踪以及光热/光动力治疗等多重潜力，但其在低能红光照射下能否借助上转换（upconversion）机制增强表面氧化还原反应、进而提高活性氧（ROS）生成效率，仍缺乏直接证据。尤其是在光动力治疗应用场景中，红光具有更好的组织穿透能力，若Gd₂O₃可在红光下产生可调控的促氧化效应，则有望同时实现MRI对比与光敏治疗功能，因此有必要系统研究其作用机制。

研究人员以亚甲蓝（MB）光降解反应为模型，评估Gd₂O₃纳米颗粒在红光照射下对光氧化过程的影响，并结合电子顺磁共振（EPR）技术探测自由基生成行为。结果表明，所制备Gd₂O₃纳米颗粒平均粒径约24?±?2?nm，呈立方相结构，晶格中均匀分布有Ho³⁺和Eu³⁺取代型杂质缺陷。该材料不仅具有显著顺磁性，而且在红光照射下对MB光降解表现出明确的浓度依赖双向调节作用：低浓度时呈抗氧化效应，抑制光氧化过程；高浓度时呈促氧化效应，加速MB降解。进一步的EPR自旋捕获实验显示，高浓度Gd₂O₃可增强羟基自由基（•OH）相关信号，且其促氧化作用随光照强度增加而增强，而抗氧化作用则基本不受光照强度影响。研究人员据此认为，Ho³⁺和Eu³⁺掺杂缺陷可能通过上转换机制促进附加电荷载流子生成并迁移至纳米颗粒表面，从而增强自由基生成和光氧化反应。该研究的重要意义在于，为Gd₂O₃纳米颗粒作为MRI对比剂与光动力治疗光敏剂的联合应用提供了实验依据，证明其可在同一材料平台上整合顺磁成像与光诱导促氧化治疗功能。

研究人员主要采用了以下关键技术方法：首先，通过水热法合成Gd₂O₃纳米颗粒，并经离心、超声洗涤、干燥和高温退火获得纳米粉体。随后，利用透射电子显微镜（TEM）、扫描电子显微镜（SEM）、小角X射线散射（SAXS）、X射线衍射（XRD）、拉曼光谱和能量色散X射线能谱（EDS）对颗粒尺寸、形貌、晶相、晶格参数及元素分布进行系统表征。功能评价方面，以亚甲蓝水溶液为模型，在660?±?5?nm红光发射二极管照射下，通过吸收光谱监测光降解动力学，并采用DMPO自旋捕获电子顺磁共振（EPR）原位检测羟基自由基生成及其动力学变化。本文未涉及生物样本队列研究。

在研究结果部分，论文首先通过“Transmission electron microscopy (TEM) studies of the synthesized NPs revealed that they possess a predominantly faceted morphology”说明材料的基本形貌特征。TEM结果表明，合成的Gd₂O₃纳米颗粒以棱面状形貌为主，粒径分布在10–40?nm之间，平均尺寸为22?±?2?nm；电子衍射条纹对应立方相Gd₂O₃晶体结构。随后，“The results of the small-angle X-ray scattering (SAXS) analysis further corroborate the nanoscale size distribution of the Gd₂O₃ NPs”进一步验证了尺寸信息，SAXS结果显示颗粒最大尺寸不超过40?nm，主导粒径为24?±?2?nm，与TEM观察高度一致，说明样品具有稳定的纳米尺度分布。

接着，在“According to scanning electron microscopy (SEM) data, the Gd₂O₃ powder consists of agglomerates of nanosized particles”部分，研究人员利用SEM和EDS分析了粉体形貌及元素组成。SEM显示样品由纳米颗粒团聚构成，平均尺寸不超过25?nm。EDS结果表明其组成接近化学计量比，即Gd为39.6?at%，O为60.2?at%，并检测到Ho为0.15?at%、Eu为0.05?at%。元素分布图进一步显示Ho和Eu在样品中分布较均匀，据此判断这两种稀土离子以取代型掺杂方式进入Gd₂O₃晶格，为后续上转换和发光行为提供结构基础。

在“The X-ray diffraction (XRD) pattern indicates that the investigated Gd₂O₃ NPs crystallizes in the cubic crystal system”部分，XRD证实样品结晶于立方晶系。衍射峰展宽反映出颗粒尺寸较小，采用Debye-Scherrer公式计算得到平均晶粒尺寸为22.8?±?1.1?nm，与显微分析结果吻合。晶格参数为a = 10.807(6) ?，略低于文献报道的纯Gd₂O₃数值。研究人员结合离子半径分析指出，Ho³⁺有效离子半径小于Gd³⁺，因此晶格参数轻微下降可能与Ho取代Gd位点有关。这一结果为掺杂离子进入晶格提供了结构学支持。

在“According to Raman spectroscopy data, the secondary emission spectrum from the Gd₂O₃ NPs consists of two characteristic regions”部分，拉曼光谱揭示样品具有晶格振动与发光响应双重特征。100–1000?cm^?1区域包含多种立方Gd₂O₃允许拉曼活性模，证明晶格结构完整；约2500?cm^?1附近检测到Eu³⁺相关发光峰，对应⁵D₀–⁷F₂跃迁。这一结果说明Eu³⁺杂质离子在样品中不仅存在，而且具有可观测的光学活性，与作者提出的上转换相关过程相呼应。

在“Investigation of the photo-oxidative degradation process of MB revealed that under irradiation with red light”部分，研究人员考察了亚甲蓝在红光下的光氧化降解行为，并利用Langmuir-Hinshelwood模型在低浓度条件下按拟一级动力学处理数据。结果显示，向MB体系中加入Gd₂O₃纳米颗粒会显著改变降解速率常数k，且效应明显依赖于颗粒浓度。当Gd₂O₃浓度低于3?mM时，MB降解反应减慢，表现为抗氧化作用，其中1?mM附近抑制效应最强；当浓度增至10?mM时，则出现明显促氧化作用，加速MB降解。该结果提示Gd₂O₃纳米颗粒并非单纯催化剂，而是一种可随浓度切换氧化还原调节行为的功能材料。

在“As previously noted, Gd₂O₃ and its derivatives are widely employed as contrast agents in MRI”及“Thus, the described mechanism of action for Gd₂O₃ NPs is directly determined by their strong paramagnetic properties”两部分中，论文从应用视角回到材料本征性质。作者指出，Gd³⁺具有7个未成对4f电子，因此能显著影响水质子纵向和横向弛豫过程，是MRI对比增强的基础。EPR测试结果显示，3?mM和10?mM浓度下Gd₂O₃均产生强烈顺磁共振信号，且振幅与颗粒浓度近似线性相关。这说明样品具有显著顺磁性，也意味着其浓度可借助EPR进行定量评估，从而支撑其在成像相关应用中的潜力。

在“The pro- and antioxidant properties of gadolinium NPs were further investigated using EPR spectroscopy with the addition of the spin trap DMPO”部分，研究人员进一步通过DMPO自旋捕获EPR动态监测羟基自由基形成过程。MB在660?±?5?nm红光激发下进入三重态并发挥光敏剂作用，诱导电子-空穴对形成及一系列氧化还原反应，生成包括•OH在内的活性氧。DMPO可与短寿命•OH反应形成稳定的DMPO-OH加合物，其EPR信号先快速升高后衰减，反映自由基生成与加合物降解的动态平衡。通过比较不同光强和不同Gd₂O₃浓度条件下的动力学曲线，研究人员发现提高照射功率密度会增强自由基生成和转化速率，而Gd₂O₃对这一过程具有双向调节作用：高浓度（≥10?mM）增强自由基形成，低浓度（≤1?mM）削弱自由基过程。并且，促氧化效应会随着光照强度升高而增强，抗氧化效应则与光照强度无显著关系。这一点与光度法测得的MB降解趋势完全一致。

在“It is noteworthy that the pro-oxidant effect of Gd₂O₃ NPs is significantly enhanced with increasing light irradiation intensity”及其后续机制讨论中，论文提出了对实验现象的解释框架。作者认为，在660?±?5?nm红光下，Gd₂O₃本身无法通过常规单光子跃迁直接跨越5.0–5.9?eV带隙，因此高浓度样品所表现出的光增强促氧化效应更可能来源于多步上转换过程。Gd₂O₃晶格具有较低声子能量，可减少非辐射跃迁损失；同时稀土离子之间易发生共振能量传递，而Gd³⁺激发态寿命较长，有利于多光子能量逐级积累与传递。结合样品中存在的Eu³⁺和Ho³⁺杂质离子，研究人员构建了可能的能级跃迁图，提出电子可通过离子内和离子间多步跃迁进入更高能态，最终转移至导带或表面活性位，参与自由基生成和氧化还原反应。此外，Eu³⁺相关电荷转移区以及纳米颗粒表面的晶格缺陷、尤其是氧空位，也可能参与可见光/红外吸收扩展并促进催化活性。这些讨论共同支持了促氧化增强与上转换相关的解释。

在最后的综合归纳中，论文指出，系统表征与功能测试一致证明：所制备Gd₂O₃纳米颗粒兼具显著顺磁性以及红光激发下由上转换驱动的促氧化活性，同时在低浓度条件下又可表现出抗氧化效应。该种“浓度控制的双向氧化还原调节”特征，使其不仅可作为EPR活性与MRI对比相关材料，也可作为红光响应的光敏增强剂，适用于可控的联合诊疗体系。

从讨论部分看，作者的核心观点是：Gd₂O₃纳米颗粒的促氧化与抗氧化行为并非相互矛盾，而是受浓度、光激发和结构缺陷共同调控的结果。高浓度条件下，红光照射可通过上转换相关多步能量转移增加附加电荷载流子，并在颗粒表面引发活性自由基生成，因此促氧化效应增强；低浓度条件下，材料表面结构缺陷主导清除自由基的过程，因此表现为抗氧化作用。作者据此强调，Gd₂O₃的顺磁性与可光调控的促氧化活性相结合，使其在MRI引导下的光动力治疗中具有独特优势，尤其适合用于肿瘤组织中光敏剂蓄积与治疗过程的协同调控。

研究结论部分可译为：研究人员通过水热法合成了Gd₂O₃纳米颗粒，该材料在溶液中可依据自身浓度不同表现出促氧化和抗氧化双重特性。所制备纳米颗粒同时具有显著顺磁性质。能量色散X射线分析证实，Gd₂O₃纳米颗粒晶格中存在取代型掺杂缺陷，具体为钬（0.15?at%）和铕（0.05?at%）。Ho³⁺与Eu³⁺杂质缺陷通过上转换机制赋予Gd₂O₃纳米颗粒发光及促氧化性质。采用DMPO自旋捕获EPR波谱研究发现，在红光照射（λ_ex = 660?±?5?nm）下，Gd₂O₃纳米颗粒的促氧化性质会随照射强度增加而增强，而其抗氧化性质保持基本恒定。Gd₂O₃纳米颗粒兼具顺磁性和由上转换驱动的促氧化特性，这种独特组合使其在联合诊疗中具有良好应用前景，尤其可用于MRI监测下的光动力治疗敏化剂在肿瘤组织中的富集与治疗。