基于NIR响应的纳米材料对致病菌的检测及灭活研究

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造成食品安全隐患的因素有很多,主要包括微生物污染、化学性污染、放射性污染等因素,其中微生物污染是造成食品安全问题的主要原因,也是临床上主要传染性疾病的源头。因此,开发新型高效、稳定、绿色抗菌的材料和方法,对食品安全和临床细菌诊疗具有重要的意义。致病菌的早期定性和定量分析对医学治疗同样具有重要的指导性意义。为了避免检测后致病菌对环境的二次污染及能源损耗等问题,开发检测和杀菌一体化的新型生物方法是目前工作研究的重点。本论文合成近红外(NIR)光热纳米材料并用于致病菌的检测和灭活研究。基于钯金纳米材料(Pd/Au NPs)的高催化性、氧化TMB(oxTMB)的物理结构特性和光热特性,开发了三重联合抗菌策略。该研究中,Pd/Au NPs将水中溶解氧转化为单线态氧(1O2),其造成致病菌细胞结构的破坏。1O2对金黄色葡萄球菌(S.aureus)和大肠杆菌(S.coli)的第一重抗菌效率是64.34%和57.03%;Pd/Au NPs将TMB氧化为具有针状结构的复合物oxTMB(TMB++),具有物理刺破致病菌的可能,对S.aureus和E.coli的第二重抗菌效率分别提高到85.81%和81.63%;oxTMB(光热转化效率为11.5%)可以将NIR激光的能量转化为热能。在1O2和oxTMB物理双重抗菌基础上,oxTMB光热治疗(PTT)进一步提高了对S.aureus和E.coli的杀死效率,第三重抗菌效率分别提高到99.85%和96.79%。本研究开发的“多米诺骨牌效应”三重联合抗菌平台有望应用于致病菌引起的伤口感染治疗。基于硫化铜(CuS NPs)/透明质酸(HA)-铁离子(Fe3+)复合物多功能水凝胶,构建了多功能联合高效抗菌平台。该研究中,致病菌可以很好地吸附在水凝胶表面,致病菌分泌的透明质酸酶(HAase)将多功能水凝胶中的HA分解,进而诱导Fe3+释放,释放的Fe3+被致病菌微环境还原为Fe2+。Fe2+与过氧化氢(H2O2)发生芬顿(Fenton)反应生成羟基自由基(·OH),实现局域化学动力抗菌(L-CDT)。在激光的辐照下,光热效率为28.4%的CuS NPs可以将808 nm激光转化为可控的低温热能(45℃),实现低温光热治疗(LT-PTT)。开发的L-CDT/LT-PTT策略对S.aureus和E.coli抗菌效率分别为99.50%和99.80%,并且该策略中低温可以降低对正常组织和细胞的损伤。本工作揭示了所开发的自触发性能的多功能水凝胶作为广谱抗菌伤口敷料具有很好的潜力和应用前景。基于硒化铜纳米颗粒(Cu2-xSe NPs)和万古霉素(Van)合成的Cu2-xSe@Van NPs复合材料,用于革兰氏阳性菌的检测和灭活研究。该研究中,以革兰氏阳性菌金黄色葡萄球菌(S.aureus)为研究对象,利用Cu2-xSe@Van NPs中Van对S.aureus的识别能力和Cu2-xSe NPs的光热特性(光热转化效率为40.3%),低速离心获得Cu2-xSe@Van NPs/S.aureus沉淀复合物,并以温度为信号实现对S.aureus的灵敏检测。在激光辐照下,Cu2-xSe@Van NPs/S.aureus复合物的温度可以从 36.0℃ 升高到 50.5℃,S.aureus检测的线性范围为102-106 CFU/mL,最低检测限(LOD)为5.76 CUF/mL;以温度为信号检测的同时,实现了光热杀菌,其杀菌效率为95.53%。该策略实现了致病菌的检测和灭活,避免了检测后致病菌对环境的二次污染和能源消耗。基于复合纳米材料Fe3O4@Ag/DNANPs/Cu2-xSe@Van NPs,用于S.aureus的特异性检测和灭活研究。该研究中,Fe3O4@Ag/DNANPs具有特异性捕获S.aureus的核酸适配体和磁分离特性的四氧化三铁/银纳米颗粒(Fe3O4@Ag NPs)。Fe3O4@Ag/DNA NPs/S.aureus结合具有光热特性万古霉素功能化的硒化铜纳米颗粒(Cu2-xSe@Van NPs),形成 Fe3O4@Ag/DNA NPs/S.aureus/Cu2-xSe@Van NPs 复合物。在激光辐照下,随着致病菌浓度的增加,其复合物的温度从34.4℃升高到51.7℃,S.aureus检测的线性范围为101-106 CUF/mL,LOD为3.89 CUF/mL。本研究构建的生物传感器仅对S.aureus表现出良好的特异性,对其他致病菌没有响应。在检测过程中,激光辐照不仅可以造成Cu2-xSe NPs的升温,而且可以造成Ag0向Ag+的转变,两者协同实现了高效抗菌,其抗菌效率为99.31%。
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