Journal of Colloid And Interface Science具有光催化抗菌活性的铋金属有机骨架复合材料的研究

第一作者：李燕妮

通讯作者：王坤杰

单位：兰州理工大学

光催化技术已被广泛应用于解决能源危机，如光催化制氢制氧、二氧化碳减排、环境污染治理等。近年来，光催化由于其高级氧化性质，也因其杀灭细菌的能力而被用于水消毒。作为一种新兴的抗菌技术，光催化显示了其优势，因为可以通过光催化剂的智能设计来控制细菌灭活的效果和成本。

近日，来自兰州理工大学王坤杰教授等，在国际知名期刊《Journal of Colloid And Interface Science》上发表题为“Study of bismuth metal organic skeleton composites with photocatalytic antibacterial activity”的文章。采用一步热溶剂原位生长法制备了银和碳量子点掺杂的铋金属有机骨架(CAU-17)复合材料。所制备的复合材料具有独特的能带结构，增强了可见光的吸收，有效地延缓了光生载流子的复合。结果表明，CAU-17/Ag/CQDs在可见光照射20min后对细菌生长有明显的抑制作用，而在0.5 mg/m L时，CAU-17/Ag/CQDs对所有受试菌均有完全杀灭作用。当浓度为0.8 mg/mL时，对HepG2肿瘤细胞的抑制率达到75%。

呈手风琴状的CAU-17的形貌及其在掺杂Ag⁺和CQDs后折叠层间距普遍增大。CAU-17/Ag/CQDs复合材料的放大图像表明，掺杂CQDs和Ag⁺的CAU-17的形貌转变为厚度为纳米的多层薄片，在其上沉积了CQDs和Ag粒子。这种层状异质结结构有助于在CAU-17、Ag和CQDs之间形成较大的接触面积，从而有效地稳定了光生载流子并推迟了它们的复合。

在光照条件下，复合材料CAU-17/Ag/CQDs诱导的活性物质ROS、·OH和·O²⁻。可以直接攻击细菌细胞膜、细胞膜或固有的细胞结构，从而可能导致细菌细胞死亡。在黑暗条件下，CAU17/Ag/CQDs复合材料可能与微生物细胞膜(革兰氏阴性细菌)、细胞壁(革兰氏阳性细菌)或对细胞固有结构至关重要的蛋白质/DNA建立静电相互作用或氢键，这可能导致细胞膜/壁破坏或细胞生长障碍导致细胞溶解。而且从CAU-17/Ag/CQDs纳米复合材料中释放出的Bi³⁺和Ag⁺可能会带来细胞毒性，导致细菌细胞死亡。

CAU-17/Ag/CQDs抗菌作用的浓度依赖关系表明，当浓度为0.5 mg/mL时，所有金黄色葡萄球菌、大肠杆菌和耐甲氧西金黄色葡萄球菌三种细菌的生长都被完全抑制。CAU-17/Ag/CQDs在黑暗中处理24小时和在光照处理20分钟后的扫描电子显微镜图像表明，暗处理的细菌细胞没有明显的形态变化，但在光处理20分钟后，两种细菌的细胞均出现明显的凹陷、萎缩、细胞壁断裂和细胞完整性破坏。这证实了CAU-17/Ag/CQDs复合材料具有优异的光催化抗菌活性。除此之外，CAU-17/Ag/CQDs纳米复合材料具有取代5-氟尿嘧啶作为抗肿瘤药物的潜力。

图5、不同浓度的CAU-17/Ag/CQDs纳米复合材料对肿瘤细胞HepG2增殖的抑制作用。结果代表了三个平行实验的平均值，误差条代表了平均值的标准偏差。

综上所述，我们开发了一种简单的方法，使用表面活性剂PVP作为分散剂来控制生长在表面的银和量子点的分散，并通过溶剂热原位生长的方法在CAU-17的界面上生长出了银和量子点的三元异质结材料，该材料掺杂了银和碳量子点，得到了独特的纳米片状形貌。光催化剂对金黄色葡萄球菌、大肠埃希菌和耐甲氧西林金黄色葡萄球菌的抑菌率均为99.99%，在0.5 mg/mL的可见光照射下，抑菌率为99.99%。复合材料光催化活性的提高归因于Ag和CQDs掺杂所带来的独特的纳米片状形貌和电子结构，从而导致了较大的界面接触面积、有效的电荷转移、高效的电子-空穴分离、增强的光吸收和延长了ROS、·OH和·O²⁻的生成。此外，体外抗肿瘤实验表明，CAU-17/Ag/CQDs纳米复合材料可以替代5-氟尿嘧啶作为抗肝癌药物。这一设计策略将为污水进化、光动力疗法和肿瘤治疗提供新的概念，该产品可应用于癌症治疗、药物输送和不同分类群的微生物消毒。

Study of bismuth metal organic skeleton composites with photocatalytic antibacterial activity

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