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纳米尺寸物质由于其新颖的物理、化学和生物性质近年来在化学、材料学、电子学、光电子学、磁学、力学、医学和生物学等领域都有广泛的应用。随着纳米尺度物质的应用不断拓展到生物学与医学领域各个方面，对于纳米尺寸物质的生物学效应进行全面了解就显得越发必需和重要。引起自由基生成造成氧化损伤是现今较为明确的纳米尺度物质的细胞毒性机理。而另外一些纳米尺寸物质则能清除自由基，行使抗氧化功能，保护细胞不受氧化应激的损伤。纳米尺寸物质的自由基效应的研究逐渐成为自由基化学与生物学的新兴课题。本文针对纳米尺度材料在自由基清除和生成的两个方面效应，分别开展了(1)基于纳米尺度物质的新型纳米抗氧化剂的设计与开发以及(2)纳米尺度物质促使氧自由基生成两方面工作，获得如下主要研究成果：
1.新型纳米抗氧化剂的制备、表征以及抗氧化活性研究
以现有抗氧化剂为起点进行结构优化是开发高效抗氧化剂的传统设计策略。我们从纳米科技和超分子化学的最新进展中得到启发，开发了一种基于金纳米颗粒表面自组装抗氧化基团，从而实现增强抗氧化活性的新方法，这是一种完全不同于传统抗氧化基团结构修饰的原创的高效抗氧化能力的实现策略。为了实现我们的策略，制备了新型抗氧化剂功能化的金纳米颗粒——Au@Trolox，一种以金纳米颗粒作为基质，以维生素E的类似物Trolox作为表面修饰抗氧化功能基团的新型纳米抗氧化颗粒。DPPH(1，1-Diphenyl-2-picryl-hydrazyl)自由基清除实验表明与金纳米颗粒结合后能够显著提高Trolox的自由基的清除速率(抗氧化活性)，但并不改变Trolox对于自由基的最大清除率(抗氧化能力)。另外，在现有ESR基础上自行设计并搭建了停-留(stopped-flow)ESR装置，定量测定了Au@Trolox与DPPH自由基反应的二级反应速率。结果表明Au@Trolox与DPPH自由基的反应速率是Trolox的8倍，证明了基于金纳米颗粒的高效抗氧化剂的设计思路的有效性。产物分析的结果表明醌式和二环氧化物形式是Au@Trolox抗氧化活性基团——色满醇(chromanol)基团的两种可能的反应产物，并且存在金表面色满醇自由基自岐化过程。这与已知的维生素E氧化产物和过程类似，说明表面Trolox基团是Au@Trolox的抗氧化功能基团，结合在金纳米颗粒表面并不改变Trolox基团清除自由基的反应途径，但仅仅影响其动力学过程。我们发现不同粒径的Au@Trolox对于抗氧化活性无明显影响。我们还发现改变Trolox基团表面覆盖率并不影响Au@Trolox的抗氧化活性，表明对Au@Trolox进行进一步修饰，交换上其它功能基团并不会影响其高效的抗氧化活性，这为Au@Trolox的进一步生物学应用铺平了道路。基于以上结果，提出了Au@Trolox抗氧化活性增强的可能机理，认为可能与金纳米颗粒表面Trolox基团自组装所带来的(1)局部浓度富集效应和
(2)π-π堆积所带来的酚羟基酸性增强有关。
本部分内容的原创性主要体现在以下三方面：
1.为设计开发新型高效抗氧化剂提供了一种全新的思路，可以通过将抗氧化剂自组装在金纳米颗粒表面实现自由基清除效率的增强。
2.制备了一种新型的抗氧化剂功能化的金纳米颗粒，这在文献中尚未报道。
3.研究了巯基配基单分子层保护金纳米颗粒的抗氧化性能，这在文献中也未见报道。
2.NaOH/H2O2/Fe(Ⅲ)体系中的超氧自由基生成的自旋捕捉ESR研究
在NaOH/H2O2/Fe(Ⅲ)体系这一碱性环境下，Fe(Ⅲ)具有极强的水解-聚合-沉淀趋势，其水解聚合物为纳米尺寸物质，我们将其作为一种纳米尺度物质自由基效应的研究对象。采用自旋捕捉ESR技术，发现NaOH/H2O2/Fe(Ⅲ)体系中同时有超氧自由基和羟基自由基的生成， Fe(Ⅲ)对于超氧生成是必需的，而H2O2是两者生成的前提。在NaOH/H2O2/Fe(Ⅲ)中加入超氧化物歧化酶、过氧化氢酶、乙醇和应用NBT法验证了该体系中超氧和羟基自由基的存在。除氧实验证明Fe(Ⅱ)的水解产物不能生成超氧自由基。另外对pH值和Fe(Ⅲ)浓度对两种自由基加合物ESR信号的影响进行了详细的研究。透射电镜的结果表明NaOH/H2O2/Fe(Ⅲ)体系中Fe(Ⅲ)以100-200 nm尺寸的水解产物形式存在。采用Fe(Ⅲ)螯合剂EDTA，DTPA和DFO能够抑制Fe(Ⅲ)纳米水解产物的形成，因此也抑制了超氧自由基的生成。由于Fe(Ⅲ)纳米水解产物是具有氧化物相表面的多聚含铁物质，因此将粉术状Fe2O3直接悬浮在NaOH/H2O2体系中作为对照，发现Fe2O3能够促使超氧自由基的生成。本文还详细研究了NaOH/H2O2/Fe(Ⅲ)超氧生成与Fe(Ⅲ)纳米水解产物的熟化时间之间的关系。上述结果表明NaOH/H2O2/Fe(Ⅲ)体系中的超氧生成可能是与纳米尺寸的Fe(Ⅲ)水解物质的表面异相催化过程有关，并给出了可能的机理解释。
本部分内容的创新之处：
提供了一种新的超氧产生体系——NaOH/H2O2/Fe(Ⅲ)，这个体系具有组成简单、操作简便和易重复的特点，并且详细研究了其产生机理，发现是由于Fe(Ⅲ)纳米水解产物决定了超氧自由基的生成。