南開大學胡獻剛老師課題組關于氧化石墨烯與生物之間的相互作用及毒理等特性方面做了系列研究。首先，對嵌入環氧樹脂中的氧化石墨烯（GO-ER）在水中釋放納米顆粒的GO-ER對環境的影響做了相關研究[1]。研究中提出原始的GO可以淬滅30-45％的羥基和12％的氮氧自由基，而對于GO-ER釋放的顆粒不具有這樣的作用。實驗中使用電子順磁共振（EPR）波譜儀（MagnetTech MiniScope 400，Germany）檢測自由基和納米顆粒之間的反應。如圖1a所示，GO-ER產生的羥基自由基最多，羥基自由基與DNA，RNA，脂質和蛋白質極易反應，是植物中重要的信號分子，并且釋放的GO-ER進入藻類細胞并誘導增加活性氧物質，但未引起明顯的細胞結構損傷。一方面，激發的電子轉移到GO，這減少了電子-空穴結合，并改善了環境基質中活性氧（ROS）的產生；另一方面，ROS與氮氧自由基（NFS）的共生關系對植物防御和發育至關重要，GO會損傷細胞結構（如線粒體），并促進細胞中的氧化應激和ROS產生，見圖1b所示。該研究中對水中釋放的納米顆粒與環境的影響為生物毒理學領域的研究奠定了基礎。
圖1. 納米顆粒上的未配對電子與自由基間的相互作用EPR譜圖，（a）DMPO捕獲羥基自由基；（b）TEMPO捕獲氮氧自由基
此外，作者還對石墨烯納米片（GONS）與生物分泌物（GOBS）和表觀毒性的相關變化進行了表征[2]。來自斑馬魚培養水中分泌物的有機小分子，蛋白質，核苷酸和粘多糖與GONS結合。與GONS相比，GOBS顯示出特殊的納米板形貌，表現出比GONS更多的負表面電荷和更低的聚集狀態。通過EPR研究了不成對電子和納米材料的相互作用，如圖2所示，與GONS相比，GOBS表現出更高的清除不成對電子的能力，因此說明GOBS引起的死亡和畸形不是由于ROS水平增加。
圖2. GONS與GOBS的EPR分析譜圖
作者還發現天然有機物（NOM）對水生脊椎動物中氧化石墨烯（GO）毒性具有一定影響[3]。在斑馬魚胚胎發生過程中，GO誘導了明顯的孵化延遲和心臟水腫。GO與絨毛膜的強烈相互作用會引起絨毛膜突起的損傷，過度產生?OH，以及蛋白質二級結構的變化。文中使用EPR檢測了羥基自由基的變化，如圖3所示，實驗結果表明腐殖酸（HA），減輕了上述不利影響。這些數據表明，GO與絨毛膜之間的相互作用會引發?OH的產生并導致絨毛膜損傷，但這些影響可通過HA減輕。
圖3. 不同條件下產生的羥基自由基的EPR對比圖，SI表示EPR信號強度
繼上述研究，作者還發現石墨烯氧化物量子點（GOQDs）作為新的納米酶對過量飲酒的保護作用，并通過組學分析闡明這些作用的具體機制[4]。研究通過EPR檢測到反應過程中的超氧自由基、羥基自由基和氮氧自由基的變化，如圖4所示。從而說明了GOQD有效抑制了乙醇誘導的細胞活力的降低，并可作為納米酶加速乙醇代謝并避免細胞中有毒中間體的積累；GOQD減輕了線粒體損傷和過量產生的自由基。
圖4. 體系中羥基自由基與氮氧自由基的EPR譜圖
此外，還對氧化石墨烯對單細胞小球藻的包絡及納米材料的粒徑對內化協同效應和代謝機制的影響進行了研究[5]。實驗中對納米材料自由電子的表征使用EPR譜儀進行檢測，如圖5所示，結果表明GONS和GOQD的峰形和強度具有一致性。
圖5. 納米材料的EPR對比譜圖
參考文獻：
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文章中使用的德國Magnettech公司的MiniScope 400順磁波譜儀，目前經過升級優化推出新型MS5000順磁波譜儀，該儀器擁有快捷簡便準確的定量測試方法和完善的數據處理和分析系統，它還具有小巧輕便靈活的特點，為科研工作者帶來便捷。
德國美嘉特電子順磁共振波譜儀——MiniSpcope MS 5000
MiniSpcope MS 5000系列電子自旋共振波譜儀結合了最先進的電子技術以及磁場和諧振腔工程應用的拓展經驗，實現了兩倍以上的信噪比的提升，具有出色的靈敏度和磁場穩定性，是理想的微型波譜儀。
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應用領域
應用領域---生命科學
EPR電子順磁共振波譜儀ESPIRE-100
--腫瘤診斷及監測：對癌癥的高風險人群進行早期診斷（接觸致癌物質，癌癥家族史的積累）
--血清白蛋白功能特性分析
--治療過程的監測和復發的控制
L波段電子順磁共振波譜儀MT-500L
--活體自由基測試
1）比較UV、VIS、NIR所引發的在體自由基檢測
2）近紅外光源照射下，商業防曬霜防曬效果研究
3）體內抗氧化能力的測定
生命科學實例：癌癥、心腦血管疾病發病機理研究，氮氧自由基、活性氧等檢測
