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Biological and Environmental Transformations of Copper-Based Nanomaterials

溶解 硫化 硫化铜 溶解度 纳米材料 无机化学 纳米颗粒 化学 电子顺磁共振 氧化还原 硫化物 氧化物 催化作用 材料科学 纳米技术 有机化学 物理 核磁共振
作者
Zhongying Wang,Annette von dem Bussche,Pranita K. Kabadi,Agnes B. Kane,Robert H. Hurt
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:7 (10): 8715-8727 被引量:263
标识
DOI:10.1021/nn403080y
摘要

Copper-based nanoparticles are an important class of materials with applications as catalysts, conductive inks, and antimicrobial agents. Environmental and safety issues are particularly important for copper-based nanomaterials because of their potential large-scale use and their high redox activity and toxicity reported from in vitro studies. Elemental nanocopper oxidizes readily upon atmospheric exposure during storage and use, so copper oxides are highly relevant phases to consider in studies of environmental and health impacts. Here we show that copper oxide nanoparticles undergo profound chemical transformations under conditions relevant to living systems and the natural environment. Copper oxide nanoparticle (CuO-NP) dissolution occurs at lysosomal pH (4-5), but not at neutral pH in pure water. Despite the near-neutral pH of cell culture medium, CuO-NPs undergo significant dissolution in media over time scales relevant to toxicity testing because of ligand-assisted ion release, in which amino acid complexation is an important contributor. Electron paramagnetic resonance (EPR) spectroscopy shows that dissolved copper in association with CuO-NPs are the primary redox-active species. CuO-NPs also undergo sulfidation by a dissolution-reprecipitation mechanism, and the new sulfide surfaces act as catalysts for sulfide oxidation. Copper sulfide NPs are found to be much less cytotoxic than CuO-NPs, which is consistent with the very low solubility of CuS. Despite this low solubility of CuS, EPR studies show that sulfidated CuO continues to generate some ROS activity due to the release of free copper by H2O2 oxidation during the Fenton-chemistry-based EPR assay. While sulfidation can serve as a natural detoxification process for nanosilver and other chalcophile metals, our results suggest that sulfidation may not fully and permanently detoxify copper in biological or environmental compartments that contain reactive oxygen species.
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