新型CuPc-Dha-COF@AgNPs复合材料：兼顾食品杀菌与检测,将环保与健康完美融合

1. 引言

在现代社会中,环境和食品中致病细菌的污染引发了严重的健康隐患。目前的研究主要集中在细菌的单一功能,要么是杀菌,要么是检测。因此,迫切需要开发能够同时杀灭细菌和灵敏检测细菌的多功能生物平台。

传统的杀菌方法,如氧化消毒、辐射、高温消毒和抗生素等,存在蛋白质变性、高成本和化学需求等缺陷。近年来,金属纳米颗粒、碳基纳米材料、过渡金属硫化物/过氧化物/氧化物和单原子酶等新型抗菌剂得到广泛关注。其中,银纳米颗粒(AgNPs)因其优异的抗菌性、广谱杀菌能力和无残留而备受关注。但由于高表面能导致AgNPs容易聚集,从而降低抗菌性能。将AgNPs负载在载体如石墨烯氧化物、介孔硅、壳聚糖、生物兼容聚合物基质、金属-有机框架(MOFs)和共价有机框架(COFs)等上,可以提高其分散性和抗菌性能。

COFs是由有机化合物通过共价键连接形成的多孔晶体聚合物,具有较大比表面积、高功能性、有序孔结构和优异稳定性,有望作为载体负载AgNPs提高抗菌性能。丰富的氮结构、永久孔洞和延伸的π-共轭体系使COFs成为理想的光热/光动力光催化剂候选。在近红外光照射下,COFs可以有效提高体系温度并产生大量活性氧物种,如超氧自由基(•O₂^-)、羟基自由基(•OH)、单线态氧(¹O₂)和H₂O₂等,从而实现高效杀菌。因此,开发具有优异光热和光动力性能的COF基载体负载AgNPs,有望实现高效杀菌。

在细菌检测方面,虽然当前的细菌检测技术如培养法、酶联免疫吸附试验和聚合酶链式反应等具有高准确性和灵敏度,但常存在成本高、耗时长、前处理复杂和需要专业操作人员等缺点。细菌在生长过程中会产生谷胱甘肽(GSH)、乳糖和硫化氢等代谢产物,直接检测这些生物标志物可以帮助检测致病细菌。利用模拟酶如钯-铁纳米结构装饰的石墨烯纳米片、In₂O₃/In₂S₃或Ti₃C₂Tx/AgI异质结构等,可以通过电化学、荧光或光电化学等方法氧化GSH产生可检测信号。特别是光电化学生物传感器具有感染信号低、选择性高和可行性好的特点,在生物标志物检测中应用前景广阔。

基于以上背景,本研究设计了一种新型的多功能生物平台——铜邻苯二甲酰亚胺基COF复合银纳米颗粒(CuPc-Dha-COF@AgNPs)异质结构。该异质结构一方面可以实现高效杀菌,另一方面可用于灵敏检测细菌代谢产物GSH。具体来说,CuPc-Dha-COF凭借其优异的光热转换效率、高效ROS产生能力、增强的H₂O₂自供能力以及可控释放Ag⁺离子,在近红外光照射下(808 nm, 1.0 W cm^-2)24小时内即可实现100%细菌灭活。同时,CuPc-Dha-COF@AgNPs异质结构还表现出优异的模拟酶性能、窄带隙、广吸收光谱以及光生电子-空穴对分离效率高,使其作为光电化学生物传感平台具有超低检测限(99 fM)、高选择性、良好稳定性和重复性。这种多功能生物平台为同步实现食品安全的杀菌和检测提供了新思路,有望在环境治理和水处理等领域得到广泛应用。

图1. 2D D-A共轭CuPc-Dha-COF@AgNPs异质结的合成示意图，以及其作为双功能生物平台的应用，以实现高效的抗菌能力并检测细菌代谢出的GSH。

2. 结果与讨论

CuPc-Dha-COF@AgNPs的化学组成和纳米结构

如DFT计算所示,CuPc-Dha-COF的HOMO集中在电子给体CuPc-TA单元上,LUMO集中在电子受体Dha单元上,形成典型的给受体结构。加入AgNPs后,CuPc-Dha-COF@AgNPs的HOMO-LUMO能隙减小至0.85 eV,有利于电荷转移和光活性行为的增强。

HAADF-STEM表征结果显示,CuPc-Dha-COF中存在大量Cu-N₄单原子位点,AgNPs均匀分散其中,形成协同的异质结构。与CuPc-TA和CuPc-Dha-COF相比,CuPc-Dha-COF@AgNPs在近红外区域(700-950 nm)的吸收能力显著增强。

CuPc-Dha-COF@AgNPs的光热性能和杀菌能力

CuPc-Dha-COF@AgNPs在近红外光照射(808 nm, 1.0 W cm^-2)下表现出优异的光热转换性能,10分钟内能使溶液温度升至55 °C以上。其光热转换效率高达60.4%,远超CuPc-TA(39.7%)和CuPc-Dha-COF(46.3%)。此外,CuPc-Dha-COF@AgNPs在5个光热循环中表现出良好的稳定性。

CuPc-Dha-COF@AgNPs显示出广谱的杀菌性能

在200 μg mL^-1的浓度下,24小时内即可实现对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的100%灭活。这得益于CuPc-Dha-COF@AgNPs的多模式抗菌机制:高效的光热效应和光动力学效应产生大量ROS,强大的H₂O₂自供能力,以及可控释放的Ag⁺离子。细菌存活染色和SEM表征结果进一步证实了CuPc-Dha-COF@AgNPs的高杀菌性。

CuPc-Dha-COF@AgNPs的光电化学生物传感性能

CuPc-Dha-COF@AgNPs修饰的光电化学生物传感器对GSH表现出超低的检测限(99 fM),在1.0 pM到1.0 nM的浓度范围内展现良好的线性关系。这归因于CuPc-Dha-COF@AgNPs优异的模拟酶活性、窄带隙、广吸收光谱和高光生电子-空穴分离效率。该生物传感器对常见干扰物如重金属、抗生素和毒素等表现出高选择性,同时也显示出良好的重复性和稳定性。实际样品测试表明,该生物传感器能够准确检测面包、牛奶和细菌样品中GSH的含量,展现出较强的应用潜力。

3. 总结

本研究设计了一种基于CuPc-Dha-COF复合AgNPs的新型多功能生物平台,兼具高效杀菌和灵敏检测细菌的能力。CuPc-Dha-COF@AgNPs异质结构一方面表现出优异的光热转换效率、ROS产生能力和可控Ag⁺释放,从而实现了对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的高效灭活;另一方面,其优异的模拟酶活性、光电转换性能和光生载流子分离效率,使之成为高灵敏度检测细菌代谢产物GSH的理想光电化学生物传感平台。这种集成了杀菌和检测功能的多功能生物平台,为实现食品安全的同步控制提供了新方案,在环境治理和水处理等领域也具有广泛应用潜力。

图1. (a) CuPc-TA、Dha、CuPc-Dha-COF和CuPc-Dha-COF@AgNPs的HOMO和LUMO位置。(b) CuPc-Dha-COF@AgNPs的FE-SEM、(c、d)TEM和HR-TEM以及(e)EDS映射图像[Ag（紫色）、Cu（绿色）、C（红色）、N（橙色）和O（黄色）]。(f)CuPc-Dha-COF的PXRD图案：实验PXRD轮廓（黑色）、Pawley精炼（橙色）、差异（粉色）和基于A-A堆叠方式的模拟图案（蓝色）（插图：CuPc-DhaCOF@AgNPs的PXRD图案）。(g)CuPc-Dha-COF模拟堆积结构的顶视图和侧视图。（h）CuPc-Dha-COF（I）和CuPc-Dha-COF@AgNPs（II）的N₂吸附-解吸等温线（插图：孔径分布）。（有关此图例中颜色引用的解释，读者请参阅本文的网络版本。）

图2 .(I)CuPc-Dha-COF和(II) CuPc-Dha-COF@AgNPs的高分辨率(a) Cu 2p光谱。CuPc-Dha-COF@AgNPs的高分辨率(b) Ag 3d光谱。(c) EPR光谱，(d)UV-vis DRS光谱(插图)(αhν)²对光能(hν)的曲线图，(e)莫特-肖特基曲线图，和(f)CuPc-Dha-COF和(II) CuPc-Dha-COF@AgNPs的荧光光谱。(g)CuPc-Dha-COF和银纳米颗粒在不同条件下(接触前、接触后和在近红外光照射下(808纳米，1.0瓦/平方厘米))能带结构变化和活性氧产生过程的示意图。

图3. (a)在NIR (808 nm，1.0 W cm^-2)照射10分钟后,( I) CuPc-TA，(II) CuPc-Dha-COF，和(III) CuPc-Dha-COF@AgNPs的温度变化。(b) CuPc-Dha-COF@AgNPs在开灯和关灯时的温度演变，以及冷却时间与ln(θ)的相应线性关系。(c)不同浓度(12.5、25、50、100和200μg·mL^-1)的CuPc-Dha-COF@AgNPs和(d)功率密度(0.3、0.65和1.0w·cm^-2)的NIR照射下的系统温度曲线。(e)CuPc-Dha-COF @ AGN PS在五次激光照射开/关循环中的光热稳定性。(f)在37 ℃下，在有/无近红外辐射的情况下，在PBS (0.01 M，pH 7.4)中从CuPc-Dha-COF@AgNPs中释放的Ag⁺离子的累积量。

图4. (a)用于谷胱甘肽检测的基于CuPc-Dha-COF@AgNPs的PEC适体传感器平台示意图。(b)CuPc-DHA cof @ ag NPS/GCE在0.01 M PBS中的光电流响应:与1.0 pM GSH相互作用之前和之后。(c)用于不同浓度的GSH (1.0、5.0、10、50、100、500和1000 pM)的单独检测的基于CuPc-Dha-COF@AgNPs的PEC生物传感器的光电流响应，以及(d)δI和GSH浓度(CGSH)之间的相应校准曲线。基于CuPc-Dha-COF@AgNPs的PEC生物传感器用于谷胱甘肽检测的(e)选择性、(f)重现性和(g)稳定性

参考文献：https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.153139