【COF抗菌】：基于铜卟啉的光响应纳米结构用于近红外增强细菌处理

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摘要：
江苏大学陈秋云老师等报道的本篇文章（ACS Omega 2024）中针对抗生素耐药性这一重大挑战，提出了一种新型的光响应纳米架构（BPGa@COF-Cu），用于增强细菌亲和力和破坏细胞壁。该纳米架构通过在黑磷（BP）表面掺杂Ga(III)后负载到Cu(II)基共价有机框架（COF-Cu）中合成。COF-Cu是通过反应特雷普塔尔氯化物与氨基取代卟啉衍生物（THPP），然后与Cu(II)离子配位诱导形成的。BPGa@COF-Cu纳米球的平均半径约为250纳米。其光化学性质表明，它能有效催化H2O2生成·OH。在808纳米辐照下，BPGa@COF-Cu还能产生单线态氧和热量。进一步实验表明，BPGa@COF-Cu可以抑制细菌，破坏细菌膜。对大肠杆菌（E. coli）的最小抑制浓度（MIC）为1微克/毫升。所有数据表明BPGa@COF-Cu是一种多重纳米架构，用于细菌处理。

研究背景：
1. 抗生素的过度使用导致药物耐药性和生物安全问题，引起全球公共卫生关注。
2. 已有研究集中在开发光响应化合物用于细菌处理，主要依赖于光敏化合物与O2反应生成的活性氧。
3. 作者提出了一种新型的光响应纳米架构，通过金属卟啉改性，增强了对细菌的亲和力和细胞壁的破坏能力。此外，通过掺杂Ga(III)和铜卟啉金属有机球的结合，为低氧环境下的细菌感染治疗提供了有效方法。

实验部分：
1. BPGa@COF-Cu的合成
- 操作: 通过在黑磷(BP)表面掺杂Ga(III)，随后将其载入以铜(II)为基础的共价有机框架(COF-Cu)中，合成了一种新型光响应纳米架构BPGa@COF-Cu。
- 结果: 合成的BPGa@COF-Cu为纳米球形态，平均半径约为250纳米。
2. 光化学性质的表征
- 操作: 使用1,3-二苯基异苯并呋喃(DPBF)作为捕获剂，通过UV-vis光谱法测定了BPGa@COF和BPGa@COF-Cu产生的单线态氧(1O2)。
- 结果: BPGa@COF-Cu在红光照射下是优秀的1O2生成器，且能有效催化H2O2生成羟基自由基(·OH)。
3. 光热转换实验
- 操作: 在不同浓度下，将BPGa@COF-Cu溶液暴露于808纳米激光下，使用数字温度计测量溶液温度变化。
- 结果: 随着浓度的增加，溶液温度显著上升，显示出浓度依赖性的光热响应。
4. 抗菌活性测试
- 操作: 对大肠杆菌(E. coli)和金黄色葡萄球菌(S. aureus)进行抗菌效果测试，通过UV-vis光谱测定细菌浓度，并观察不同浓度BPGa@COF-Cu对细菌增殖的抑制作用。
- 结果: BPGa@COF-Cu对E. coli的最小抑制浓度(MIC)为1 μg/mL，对S. aureus的MIC为3 μg/mL，表明其在光照射下具有显著的抗菌效果。
5. 细菌形态变化观察
- 操作: 使用扫描电子显微镜(SEM)观察BPGa@COF-Cu处理后细菌的形态变化。
- 结果: BPGa@COF-Cu导致细菌细胞膜收缩，破坏了细胞壁，导致细菌死亡。

分析测试：
1. 傅里叶变换红外光谱(FT-IR)分析
- 结果: 通过FT-IR光谱确认了BPGa@COF-Cu中CO-NH键的存在，以及Cu(II)与卟啉单元的配位。
2. 扫描透射电子显微镜(STEM)和能量色散X射线(EDX)分析
- 结果: STEM和EDX分析用于确认BPGa@COF-Cu的形态和元素分布。
3. 拉曼光谱分析
- 结果: 拉曼光谱用于收集BPGa@COF-Cu的结构信息。
4. 紫外-可见漫反射光谱分析
- 结果: 通过紫外-可见漫反射光谱确认了BPGa@COF-Cu中金属卟啉和BP的存在。
5. X射线衍射(XRD)分析
- 结果: XRD与标准BP卡片比较，确认了BPGa@COF-Cu的晶体结构。
6. 比表面积和孔隙性分析
- 结果: BET数据显示BPGa@COF-Cu的比表面积为17.40 m²/g，平均孔容为0.15 cm³/g，孔径为18.36 nm。
7. X射线光电子能谱(XPS)分析
- 结果: XPS分析确认了BPGa@COF-Cu中C, N, O, P, Cu和Ga元素的存在，并揭示了它们之间的化学键。

总结：
本文成功合成了一种新型的光响应纳米架构BPGa@COF-Cu，通过TEM、FT-IR、UV-vis、XPS和BET等技术手段，全面表征了材料的结构和光化学性质。实验结果表明，BPGa@COF-Cu在光热效应和光动力效应协同作用下，对E. coli和S. aureus显示出优异的抗菌效果，MIC值低至1微克/毫升。该工作为开发新型抗菌材料提供了重要参考，并为解决抗生素耐药性问题提供了新的思路。

展望：
1. 研究 BPGa@COF-Cu的长期稳定性和循环使用能力。
2. 需要进一步研究BPGa@COF-Cu与细菌相互作用的具体机制。
3. 探索通过改变合成条件或组成来优化BPGa@COF-Cu的性能。

Photoresponsive Nanoarchitectonics Based on Copper-Porphyrins for Near-Infrared-Enhanced Bacterial Treatment
文章作者：Jing-Jing Liu, Jun Wang, Qiu-Yun Chen*, Feng Chen, and Gao-Ji Wang
DOI：10.1021/acsomega.4c00496
文章链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsomega.4c00496

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