英文原题：Gold Nanoclusters-Decorated Zeolitic Imidazolate Frameworks with Reactive Oxygen Species Generation for Photo-Enhanced Antibacterial Study

通讯作者: 姜珊, 吉林大学

作者: Shuhan Hui (回舒涵), Qiqi Liu (刘琦琦), Zhenzhen Huang (黄臻臻)，Jun Yang (杨珺)，Yanmei Liu (刘艳梅)，Shan Jiang (姜珊)

近年来，在全球化耐药菌广泛传播的趋势已经越来越严重的环境下，研发一种新型的抗菌材料已经成为一种迫切的需求。近日，吉林大学姜珊副教授课题组在研发新型抗菌纳米材料方面取得重要进展。该研究合成了包覆金纳米簇(AuNCs)的金属有机框架材料ZIF-8，与细菌表面结合后，利用其在白光激发下产生活性氧的特点，成功杀死细菌，杀伤率接近100%，为研发纳米抗菌材料提供了新的策略。

作者采用一种生物相容性良好的金属有机框架材料ZIF-8包覆金纳米簇,形成一种复合纳米粒子(AuNCs@ZIF-8)。金簇(AuNCs)是一种由许多金原子组成，在尺寸上小于2 nm的纳米结构，具有优越的光学性质。同时，由于金纳米簇的长三重态寿命，它可以作为一种很好的无机光敏剂。ZIF-8，是一种有过渡金属Zn和有机配体咪唑酯组成的高比表面积和高孔隙率的金属有机框架结构，是一种很出色的运输载体。在本文中，作者将金纳米簇包覆在ZIF-8中，由于聚集诱导发射“aggregation-induced emission”作用，可以提升荧光发射强度。在白光激发下，光诱导AuNCs@ZIF-8产生活性氧(ROS)，产生的ROS可以破坏细菌的细胞壁，使内部的核酸物质泄漏，从而达到杀死细菌的目的。因此，作者们认为该纳米材料可为抗菌应用提供一个很好的平台。

首先，如图1所示，作者合成了大小均一、分散性良好的复合纳米粒子AuNCs@ZIF-8。通过TEM和XRD可以看出，AuNCs@ZIF-8和单纯的ZIF-8结构相比，在包覆AuNCs前后，形貌和尺寸上变化不大，骨架结构没有改变。然后通过荧光光谱，可以看出，在掺入AuNCs后，荧光信号强度具有明显的增强，与此同时，AuNCs的荧光由橙红色略微变为黄色，这与荧光光谱的轻微蓝移是一致的。EDS能谱分析复合材料的元素组成，XPS提供了复合材料中元素的组成和化学状态，进一步证实了ZIF-8成功的包覆了AuNCs。

图1 ：(a) AuNCs@ZIF-8的TEM图像(插图:ZIF-8透射电镜图像);(b) AuNCs@ZIF-8和ZIF-8的XRD图谱;(c) AuNCs@ZIF-8的EDS能谱(插图: AuNCs@ZIF-8的元素组成);(d) AuNCs@ZIF-8、AuNCs和ZIF-8的光致发光(PL)光谱;(e)AuNCs@ZIF-8的XPS全谱图；（f）AuNCs@ZIF-8中Au 4f和Zn 3p的XPS谱图。

作者选用2,7-二氯二氢荧光素(DCFH)作为检测ROS产生的探针，非荧光的DCFH迅速被ROS氧化成二氯荧光素(DCF)，在525 nm波长处发出荧光。氙灯照射10分钟后，含DCFH溶液的荧光强度增加，说明溶液中ROS的生成增加(图2)。与单纯的AuNCs和ZIF-8相比，AuNCs@ZIF-8纳米复合材料荧光强度增长最快。在复合材料中，由于聚集诱导的作用AuNCs产生大量的ROS，同时ZIF-8基质利用微孔结构为AuNCs产生的ROS提供了一个有效的传导途径，另外ZIF-8本身可以产生ROS。这样，AuNCs和ZIF-8两者协同作用，产生了更多的ROS。

图2：在光照射下或在黑暗(无光)处理下AuNCs@ZIF-8，ZIF-8， AuNCs和PBS blank溶液中的DCF在525 nm处的荧光强度。激发波长为488 nm。

从图3可以看出，所合成的复合纳米材料的光致抗菌表现。相比无光照组，以及在光照下，对比单纯的ZIF-8和AuNCs的抗菌效果，AuNCs@ZIF-8的抗菌效果最好。当氙灯(100 mW cm⁻²)照射60分钟后，AuNCs@ZIF-8处理的大肠杆菌和金黄葡萄球菌的致死率几乎为100%。

图3: (a)大肠杆菌(E. coli)和(c)金黄色葡萄球菌(S. aureus)用PBS对照组、AuNCs、ZIF-8和AuNCs@ZIF-8处理，在光照射60分钟或黑暗条件下，根据平板计数法拍摄菌落照片。(b)大肠杆菌和(d)金黄色葡萄球菌在PBS对照组、AuNCs、ZIF-8和AuNCs@ZIF-8光照射60 min或黑暗条件下的相对细菌存活率。PBS在黑暗中控制细胞存活率为100%。

图4是用扫描电镜观察：黑暗下和光照下AuNCs@ZIF-8纳米复合材料处理的大肠杆菌和金黄葡萄球菌的细胞形貌。作者发现大量的纳米粒子附着在细菌细胞壁上，在光线照射下，可以明显地观察到一些细菌的细胞壁被纳米粒子破坏。纳米颗粒在细胞壁上的吸附是由于带正电荷的AuNCs@ZIF-8与带负电荷的细菌细胞之间的静电吸引力，这对抗菌药物发挥杀菌作用具有重要意义。同时，作者还发现纳米粒子和光照处理细菌后，细菌细胞壁的通透性大幅增加，以及遗传物质也被泄露出来。这些都证明，AuNCs@ZIF-8这个纳米复合材料具有良好的光诱导的抗菌活性。

图4：(a-c)大肠杆菌和(d-f)金黄色葡萄球菌的SEM图像显示(a, d)未处理的细菌细胞；(b, e)AuNCs@ZIF-8处理过的细菌细胞；(c, f) AuNCs@ZIF-8和光照射处理过的细菌细胞。

这项工作得到了国家自然科学基金会(National Natural Science

Foundation of China No. 51602123)中国吉林省基金会(Natural Science

Foundation of Jilin Province of China 20190103116JH)的支持。

Bioconjugate Chem. 2020, 31, 10, 2439–2445

Publication Date: October 11, 2020

https://doi.org/10.1021/acs.bioconjchem.0c00485

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