三元光催化-上转换纳米复合材料用于增强抗菌活性

Shen GZ 抗菌科技圈

通讯单位：北京大学

研究速览：

近期，Mingyue Zhang在ACS Sustainable Chemistry & Engineering上发表了有关三元生物光催化-上转换纳米复合材料用于增强抗菌活性研究工作。近年来，由于金属银（Ag）和半导体二氧化钛（TiO2）纳米材料及其纳米复合材料本省抗菌和光催化性能，在食品包装的方面得到广泛的研究。然而，它们具有固有的局限性，如银纳米颗粒（Ag NPs）潜在的纳毒性，TiO2禁带宽度大（需要紫外光照射激发光催化氧化），限制其广泛的应用。因此，该工作设计了一种基于等离子体 Ag NPs、光催化 TiO2 和上转换 NaYF4@Yb:Tm NPs 组成的三元多功能纳米复合材料，用于自然光驱动高效杀菌。研究表明NaYF4@ Yb:Tm UCNPs能有效地将近红外光子转化为可见光和紫外光，分别被Ag和TiO2吸收，促进活性氧 (ROS)产生。因此，与Ag NPs和Ag/TiO2纳米复合材料相比，三元Ag/TiO2/UCNP纳米复合材料单独应用或与纤维素纳米原纤维混合后加工成薄膜，在自然光和模拟太阳光（过滤紫外乐）照射下，对大肠杆菌具有更加优异抗菌性能。 这种多组分纳米复合材料减少了潜在有毒银的使用量，并且能够在没有紫外光的情况下发挥作用，因此在食品包装中有很大的应用潜力。

要点分析：

要点一：

抗菌性能：得益于Ag的杀菌性能和Ag/TiO2/UCNP纳米材料的光催化抗菌性能，三元多功能纳米复合材料表现出很高的抗菌活性。实验表明当配备有紫外光过滤器的太阳模拟器产生的强光照射在Ag/TiO2/UCNP样品时，表现出优秀的杀菌性能。

要点二：

用于食品包装应用：纳米复合材料与纤维素纳米原纤维混合后形成可生物降解的薄膜，并且在自然光和模拟太阳光的照射下有良好的抗菌性能，在抗菌食品包装方面具有巨大应用前景。

图文导读

图1：（a） Au NPs，（b）TiO2 NPs和（c）UCNPs分散在水中的TEM图像。（d）Ag NPs的紫外可见吸收光谱。（e）Ag、TiO2和UCNPs的XRD谱图。

图2: Ag NPs、Ag/TiO2 NP纳米复合材料和Ag/TiO2/UCNP NP纳米复合材料在黑暗、自然光和配备有紫外滤光器的模拟太阳光照射下的抗菌性能对比（大肠杆菌）。

图3: 不同组成三元纳米复合体系对大肠杆菌抗菌性能的对比。

图4: （a）NaYF4@Yb:Tm NPs的能级图。（b） Ag/TiO2/β-NaYF4@Yb:Tm UCNP纳米复合体系的抗菌机理

图5: （a）在带有紫外滤光器的太阳模拟器下，三元纳米复合水溶液描述了在没有诱捕剂的情况下RhB的光降解。（b）在无诱捕剂、EDTA、BQ和IPA的情况下，RhB的光降解随时间的变化规律。

图6: （a）TEMPO 氧化的 CNF 基纳米复合材料薄膜的应力应变曲线，其中 0、1、5 和 10 wt% 三元 Ag/TiO2/UCNP 纳米复合材料。 （b-d） CNF/Ag/TiO2/UCNP 纳米复合膜 （b） 在黑暗中，（c） 在环境光下，和 （d） 模拟太阳光照射下复合材料抑菌圈。

结论

该文设计由金属 Ag NPs、半导体 TiO2 NPs 和上转换 NaYF4@Yb:Tm UCNPs 组成的三元多功能纳米复合材料来增强纳米材料的抗菌活性。NaYF4@ Yb:Tm UCNPs能有效地将近红外光子转化为可见光和紫外线光，分别被Ag和TiO2吸收，产生抗菌ROS。所以，UCNPs的引入显著提高了Ag/TiO2的杀菌效率。值得注意的是，所制备的纳米复合材料在1次太阳照射下（滤除UV光）表现出优异的水中杀菌性能，在温和的环境光下表现出良好的杀菌性能。水分散性良好的纳米复合材料可以很容易地与亲水性生物聚合物如TEMPO氧化的CNF结合用于薄膜加工，并展示了它们用作抗菌包装材料的潜力。这项研究强调了不仅可以减少潜在有毒的银纳米粒子的使用，而且可以在没有紫外线源的情况下发挥有效的抗菌活性，从而避免紫外线引起的食品质量恶化。

全文链接：https://pubs.acs.org/10.1021/acssuschemeng.2c00416

参考文献：Mingyue Zhang, Wensi Chen, Woosung Choi, Jiwoo Yu, Yulin Deng, Xing Xie, and Zhiqun Lin.* Ternary
Biocidal-Photocatalytic-Upconverting Nanocomposites for Enhanced Antibacterial Activity.

ACS Sustainable Chem. Eng. 2022, 10, 4741?4749