基于从细菌到半导体电子转移的定量细菌监测和杀灭平台

具有杀菌和传感功能的平台对于监测生物材料和生物医学设备上与细菌相关的整个过程至关重要。细菌和载金半导体之间的电子转移被观察到是有效细菌感应和快速杀灭细菌的主要因素。电子产生的饱和电流随细菌数量呈半对数线性变化，R²为0.98825，从而为实时定量计数细菌提供了极好的工具。此外，ET导致连续的电子损失在没有光的情况下仅在1小时内杀死约80%的大肠杆菌。这个基于ET的平台的模块化和可扩展性也通过从其他半导体/基板系统获得的优异结果得到证明，并且稳定性通过回收测试得到证实。双重功能的潜在机制不是由于传统的Zn²⁺浸出或光催化，而是由于直接接触时的电相互作用。

材料的制备及表征

不同样品的表面形态是通过原子力显微镜和扫描电子显微镜获得的。SEM显示在Ti衬底上形成了平均直径约为100nm和平均长度为2µm的六边形纳米棒，当溅射时间增加到4分钟时，六边形纳米棒的角度变小。较大尺寸的Au纳米颗粒也填充了纳米棒之间的空隙通过能量色散X射线光谱映射证实了溅射后ZnO纳米棒和Au纳米颗粒的存在。这些结果与以下晶体学和化学分析一起证明了在Ti衬底上形成了Au@ZnO。通过X射线衍射确定的ZnO层和Au@ZnO的结晶相。通过X射线光电子能谱确定的化学状态。XPS和XRD证实金纳米粒子在近表面和ZnO纳米棒之间的间隙中掺入，这也符合上述形态分析。

  细菌与样品表面的相互作用机制

  进行了一系列生物和物理化学测试，以调查细菌为何以及如何迅速被杀死。100µL系统Ti对照组上的大肠杆菌细胞具有正常的大小和典型的杆状，但实验组中的大肠杆菌细胞明显变形。Au₄@ZnO和Au₆@ZnO表面的大肠杆菌细胞异常变形，几乎透明，甚至可以通过细菌表面识别纳米棒的形态。这可能是由于在细菌和纳米结构之间相互作用期间脂质分子的破坏性提取以及电子损失，如之前的模拟所示。通过荧光染色检测细胞内ROS。在正常生长过程中，细菌细胞中产生的ROS可以被细胞内酶如过氧化氢酶减少，从而导致ROS水平相对较低。Au₄@ZnO组中作为H₂O₂组对手的负ROS信号表明LB介质和Au₄@ZnO表面之间不太可能发生氧化还原反应。监测培养1小时前后不同样品上LB培养基的pH值。所有的pH值都在6.5左右，差异不大，在培养过程中也没有太大变化。通过电感耦合等离子体质谱法测定的释放的Zn²⁺浓度。为了探索细菌感应和杀灭过程中的关键因素，根据ICP-MS结果准备了一个含有1.4mgL^-1 Zn²⁺的系统。

图1. 相互作用机制与细菌的生理变化和LB培养基中的理化变化有关^[1]

结论

设计了一个具有优异模块化、可扩展性、可重复性和可回收性的高效多功能平台，以实现基于细菌和Au@ZnO之间ET的细菌传感和杀灭。在半对数尺度上观察到细菌饱和电流和细菌数量之间的线性关系。细菌-材料相互作用机制不同于光催化、细胞外活性氧、Zn²⁺浸出或相关环境变化，而是依赖于也会导致代谢失衡和随后细菌死亡的ET。定量相关性和不同的交互机制揭示了一种使“感觉和治疗”设备可行的新平台。ET机制还为新一代生物传感器和抗菌材料的设计提供了见解。

  参考文献：

  [1] Wang G, Tang K, Meng Z, et al. A quantitative bacteria monitoring and killing platform based on electron transfer from bacteria to a semiconductor[J]. Advanced Materials, 2020, 32(39): 2003616.