AFM | 清华大学朱永法/朱晓林研究开发的D-A型超分子光催化剂SA-PDI@C60可用于自然光驱动的抗菌应用

iNature

2025-09-29

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消除抗生素耐药菌（ARB）及其抗生素耐药基因（ARG）需要具有强氧化表面和自然光下有效电荷分离的光催化剂。

2025年9月18日，清华大学朱永法、朱晓林共同通讯在Advanced Functional Materials上在线发表题为“Highly Efficient Photocatalytic Elimination of Bacteria and Antibiotic Resistance Genes via a Strong Oxidation Surface in Donor-Acceptor SA-PDI@C60”的研究论文。在此，一种新型供体受体（D-A）超分子光催化剂SA-PDI@C₆₀，可用于自然光驱动的抗菌应用。

SA-PDI@C₆₀的D-A结构放大界面电场（IEF）（≈1.96倍），促进载流子沿π-π堆叠路径的高效分离和迁移，导致催化剂表面空穴的积累。这会产生富含多种活性氧的高度氧化抗菌界面。因此，SA-PDI@C₆₀在阳光照射下2 h内实现大肠杆菌、金黄色葡萄球菌和ARB的100%灭活，并伴有4 h内不可逆的ARG降解，从而阻止基因水平转移。蛋白质组学分析表明，ROS 诱导的氧化应激破坏了 DNA 复制、有氧呼吸和能量代谢，最终导致细菌死亡。该研究展示了一种具有高活性表面和有效IEF驱动电荷分离的D-A光催化剂，为自然光下的光催化抗菌作用和消除ARG提供了一种有前途的策略。

细菌感染是继癌症之后对人类生命和健康的第二大威胁。细菌感染是继癌症之后对人类生命和健康的第二大威胁。抗生素的长期滥用加速了抗生素耐药细菌（ARB）的出现，这些细菌逃避常规治疗，并通过基因突变或经由抗生素耐药基因（ARG）的水平基因转移来传播耐药性。这种不断增长的耐药性对生物医学和环境背景下的抗菌策略提出了越来越严峻的挑战。

光催化消毒已成为一种有前途的替代方案，具有高效、环境相容性、操作稳定性等优点。该技术利用光激发半导体光催化剂产生活性氧（ROS）或其他细胞毒性物种，可以破坏细菌膜和降解遗传物质，最终导致完全的ARG失活。在各种光催化材料中，有机光催化剂由于其对可见光或自然光的响应性，结构可调性，高生物相容性和强氧化能力而特别有吸引力。然而，使用有机半导体光催化剂在自然光下有效抑制ARB仍然很少报道。

苝酰亚胺（PDI）是一种研究广泛的有机半导体，具有优异的光电性能与结构可修饰性，适用于多种光催化应用场景。通过氢键、疏水作用及π-π堆积驱动自组装形成的 PDI（SA-PDI），具有扩展的π电子共轭体系，可增强光捕获能力与电荷传输效率。但高激子结合能与有限的电荷迁移率限制了其氧化能力，使其实际光催化抗菌性能难以充分发挥。界面电场（IEF）由电子分布不均产生的正静电势差（ΔEESP）形成，在促进电荷分离与迁移中起着关键作用。目前已开发多种策略增强界面电场。其中，供体 - 受体（D-A）体系通过增大分子偶极、产生强界面电场，可有效强化电荷分离。富勒烯（C60）具有离域三维π电子体系与低电子复合能，是理想的电子受体，可促进高效电荷转移。因此，将 PDI 与 C60 结合构建 D-A 体系，是提升电荷分离效率、改善光催化性能的潜在策略。

该研究设计了一种 D-A 型超分子光催化剂 SA-PDI@C60，其制备过程为：通过静电组装将乙二胺修饰的富勒烯（C60-EDA）负载到 SA-PDI 表面。形成的 D-A 界面显著增大了分子偶极矩，增强了界面电场（IEF），从而促进电荷从 C60-EDA 向 SA-PDI 高效跨界面转移；同时，电荷可沿π-π堆积路径快速传输，空穴则有效富集于 SA-PDI 表面。最终形成富含活性氧物种（ROS）的高氧化性界面，实现自然光下耐抗生素细菌（ARB）的高效灭活与耐药基因（ARGs）的彻底降解。该研究提出的D-A型超分子光催化剂具有优异的电荷分离效率与氧化性能，为自然光环境下可持续的细菌消毒及耐药基因消除提供了新策略。

图1 D-A界面电场促进的光催化抗菌和消除耐药基因示意图（摘自Advanced Functional Materials）

参考消息：

https://doi.org/10.1002/adfm.202517661

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