金属纳米颗粒从暴露到产生细胞毒理学效应,涵括了细胞内吞、转运、蓄积和外排等生物过程,也涉及到更为复杂的化学过程,例如纳米颗粒降解、催化、氧化还原等物理化学过程。这些化学行为和过程,通常决定了纳米颗粒细胞毒性的本质。如何通过精确定位、准确定量分析方法,研究细胞水平纳米颗粒的状态与行为并关联细胞学行为,对于阐明纳米毒理机制非常重要,也是相关研究的挑战和难题。针对上述研究难题,我们以同步辐射技术为基础,发展了原位、灵敏的定量与定位分析方法,系统地研究了纳米颗粒细胞学效应中的生物学和化学过程,并阐明其关联的毒理学机制。借助于同步辐射吸收谱技术、nanoCT单细胞成像与电子顺磁谱、蛋白质学等技术,针对纳米银、硫铋铜量子点等金属纳米颗粒,我们通过单细胞三维高分辨成像和高灵敏化学形态分析,捕捉到细胞或模拟环境中纳米颗粒,揭示了其化学转化、自由基产生与细胞凋亡的关系,清晰地阐明纳米颗粒与单核细胞、卵巢细胞、血管内皮细胞等细胞作用的化学与分子机制。这些创新方法的联用,为纳米毒理学研究提供了准确、可靠的生物与化学信息,并为其他纳米物质毒性研究提供重要的参考与借鉴。