完成单位：中国科学院生态环境研究中心；首都师范大学；西南大学

完成人：宋杨，宋尔群，陶晓奇，孙航，刘旭挺，魏薇

成果简介：该项目属于生物分析化学基础研究领域，针对纳米材料生物学效应中的复杂性，建立了纳米材料与生物大分子相互作用及纳米材料生物学效应分析的新方法。成果如下：（1）针对生物基质严重干扰纳米探针精准检测复杂样本中靶标的问题，构建了具有抗生物基质污染性能的新型纳米传感器，发展了基于上述传感器和数字矫正方程的复杂样本中靶标物准确定量分析方法。（2）针对环境中纳米材料与机体中生物大分子相互作用影响毒性评价的需求，发展了体内纳米材料的定性和定量新方法，解析了环境纳米材料与蛋白质生物效应的新机制，引领了环境纳米材料毒性评估方法学发展。这些研究拓展了以纳米探针为模板发展精密传感器的新策略，为评估环境纳米材料的毒性机制和制定防治措施提供了新方法。相关成果在Nat Nanotech、PNAS、Nat Commun、Environ Sci Technol、ACS Nano和 Anal Chem等期刊发表SCI论文200余篇。第一完成人入选中科院百人计划并通过择优支持，获国家自然科学基金委优秀青年基金和教育部新世纪优秀人才支持计划。获ISPTS青年科学家奖、中国毒理学会优秀青年科技奖和中国科学院青年联合会“寻找青年科学之星”。第二完成人入选教育部国家级青年人才，重庆市科学技术带头人，重庆市杰出青年基金，重庆市创新青年科技人才培养计划，重庆市高校创新研究群体负责人。获中国青年报社、中国科学技术传播中心“强国青年科学家”提名奖。

创新点及科学价值：该项目属于生物分析化学基础研究领域，针对纳米材料生物学效应中的复杂性，项目团队建立了纳米材料与生物大分子相互作用及纳米材料生物学效应分析的新方法，形成了如下创新性成果：（1）针对生物基质严重干扰纳米探针精准检测复杂样本中靶标的问题，构建了具有抗生物基质污染性能的新型纳米传感器，发展了基于上述传感器和数字矫正方程的复杂样本中靶标物准确定量分析方法。（2）针对环境中纳米材料与机体中生物大分子相互作用影响毒性评价的需求，发展了体内纳米材料的定性和定量新方法，解析了环境纳米材料与蛋白质生物效应的新机制，引领了环境纳米材料毒性评估方法学发展。

创新点1、基于具有抗生物大分子污染性能纳米探针和数字矫正方程策略的复杂生化样本分析

研究内容：复杂生化样本（如血液）中痕量目标组分的定性和定量分析非常重要。但生物基质（如蛋白质）和纳米探针相互作用形成动态生物分子层（如蛋白冠），显著改变纳米探针的物理化学性质和生物行为，从而干扰信号检测，使得检测结果通常呈现负偏差。为实现复杂样本中痕量目标组分的有效分析，项目团队发展了基于具有抗污性能纳米探针和数字矫正的分析方法，实现复杂样本中痕量目标组分的有效分析。研究表明，蛋白等生物基质在纳米探针表面形成蛋白冠后，会引起检测信号丢失进而使得对靶标物检测限（LOD）增高、分析的灵敏毒降低（见图1左图）。生理浓度下的蛋白质基质可以引起最高信号损失率为83%，LOD增加1个数量级，且生物基质吸附量与LOD呈非线性的复杂变化模式。

为了解决生物基质对检测的影响，项目团队采取主动排斥策略，利用巯基单/双链DNA修饰和“纳米耀斑”技术，构建了增强型NPs-Aptamer分子信标，较好地减低了背景信号达到了抗污目的（见图1右图）；同时优化了纳米探针各组成部分比例，通过结合常数/结合位点和传感器荧光信号开发了数字矫正方程，使得LOD降低了多少3倍，实现了对富蛋白质样本中靶标物的灵敏检测和准确定量。

图1. 生物基质对纳米探针的干扰（左）及解决策略（右）

创新点：尽管生物基质对纳米探针的干扰被广泛认可，但针生物基干扰的程度却缺乏相关的量化研究和有效解决措施，项目团队针对这一问题展开了系统的研究，量化了蛋白质污染对检测信号干扰程度及对检测结果的影响程度，并提出了采用抗污纳米传感器和数字矫正方程多种解决方案。

科学价值：该项目成果发展的基于干扰矫正能力的纳米探针和数字方程矫正策略的分析方法，实现了蛋白质基质干扰下痕量待检物质的准确定量，有望为疾病早期诊断、环境质量评估和污染治理、食品安全等领域建立检测标准。

同行引用和客观评价：项目团队的研究量化了蛋白质基质引起的信号损失率，这一创新性的研究结果被国内外同行广泛评价或引用。例如，Wang等认为项目团队的工作为蛋白冠影响纳米酶活性的研究奠定了基础（J Am Chem Soc，2024，146，10478-10488）。Yao等在文章中大段引用了项目团队的结果（…At a protein concentration of 10 μM, the final Raman signal for melamine decreased by 64% (α-La), 38% (β-Lg), and 57% (BSA), respectively. Similar conclusions were drawn using three fluorescence sensors based on AuNPs, where the AuNP?DCF sensors detected AMB…, Anal Chem, 2024, 96, 19768-19777）。Ramanathan等在综述文章中强调了项目团队的结论，认为蛋白冠的存在对纳米探针的检测和诊断可能带来错误结果（Trac-Trend Anal Chem, 2025, 183, 118100）。

创新点2、环境纳米材料体内检测的新方法和毒性效应评价应用

研究内容：环境中的纳米材料可以通过多种途径进入机体，穿过生理屏障进入血液循环并到达远端组织。由于纳米材料在体内的转运行为多样化，在活体水平准确定性定量纳米材料，对其毒性效应的评估至关重要。项目团队通过微观、宏观、原位等多检测技术联合分析方式，量化纳米材料跨越体内屏障的占比和跨越模式，发现了其通过“外泌体介导”或“细胞旁通路”等方式跨越血脑、内皮、肠道等生理屏障新途径（见图2左图）。这部分研究对纳米材料的毒性评估具有深远意义。基于前述研究方法，探究了纳米材料通过促进体内特定蛋白液-液相分离和异常聚集应发的与神经退行性疾病的发病率和死亡率相关显著机体毒性效应（见图2右图）。

图2. 纳米材料的跨屏障穿越（左）与神经毒性效应的分子机制（右）

创新点：发展了量化纳米材料体内转运的新方法，发现了纳米材料体内转运的新途径，进一步揭示了纳米材料导致神经退行性疾病的新机制。

科学价值：目前大多数研究集中在描述纳米材料对直接暴露的细胞或组织所产生的效应。但是，纳米材料如何穿越各种生理屏障，到达非直接暴露的远端组织或二级组织，造成远端毒性效应和系统性损伤却不清楚。因此，项目团队发现了纳米材料在细胞和组织中迁移的新规律，提出了纳米材料通过“破坏屏障-迁移”促进远端毒性的研究思路，为厘清纳米材料的毒性效应评价打下坚实基础。

同行引用和客观评价：项目团队在纳米材料体内转运分析及相应生物毒性机制分析领域开展了原创性和前瞻性的研究工作，在相关领域具有较好的影响力，受到国内外同行的广泛关注和认可。例如，Xing等引用了我们关于“纳米塑料细胞旁路运输”的多篇论文用于支持他们关于“纳米塑料在水蚤体内迁移”的相关发现(…PS nanoplastics (21 nm) were observed to disrupt cell-cell junction of the endothelial barrier by interacting with cadherin junctions, thus inducing endothelial leakiness, ACS Nano, 2023, 17, 13488-13499)。该成果被 Nature旗下专业媒体Research Communities以“Behind the Paper”为题进行了专题报道(https://communities.springernature.com/posts/particle-contaminants-as-potential-disruptors-of-biomolecular-condensates)。

综上，本项目成果在发展相关分析方法基础研究领域和应用领域都取得了突破性的研究成果，获得了国内外同行的高度评价并对相关领域的研究起到了引领性的作用。相关成果在Nat Nanotech、PNAS、Nat Commun、Environ Sci Technol ACS Nano和Anal Chem等期刊发表SCI论文200余篇。项目第一完成人入选中科院百人计划并通过择优支持(2021年)，获国家自然科学基金委优秀青年基金(2016年)和教育部新世纪优秀人才支持计划(2009年)。获18th International Symposium on Persistent Toxic Substances and Health青年科学家奖(2024年)、中国毒理学会优秀青年科技奖(2020年)和中国科学院青年联合会“寻找青年科学之星” (2012年)。担任中国环境诱变剂学会活性氧生物学效应专业委员会青年主任委员、中国毒理学会表观遗传专业委员会常务委员、中国环境诱变剂学会环境表观遗传专业委员会常务委员、中国毒理学会青年委员会委员和中国环境科学学会环境化学分会委员。担任Environ & Health编委、Eco-Environment & Health编委、Chem Res Toxicol编委、J Environ Sci青年编委和《环境化学》青年编委。项目第二完成人入选教育部国家级青年人才（2019年），重庆市科学技术带头人（2024年），重庆市杰出青年基金获得者(2021年)，重庆市创新青年科技人才培养计划(2014年)。获中国青年报社、中国科学技术传播中心“强国青年科学家”提名奖(2021年)。担任“重大疾病诊疗精准成像分析”重庆市高校创新研究群体负责人(2021年)。担任《Chinese Chemical Letters》编委、《分析测试学报》、Journal of Analysis and Testing青年编委。以上成果应邀在国际国内学术会议上做大会报告plenary lecture和特邀报告keynote lecture 共计50余次。