用于靶向光动力灭活病原菌和有害藻类的原位分子工程MOF@Ag?S S型异质结

《Separation and Purification Technology》：In-situ molecularly engineered MOF@Ag 2S S-scheme heterojunction for targeted photodynamic inactivation of pathogenic bacteria and harmful algae

　　

•构建了原位硼酸工程化 MOF@Ag2S S 型异质结（MAB）。
•MAB 表现出增强的可见光捕获能力和高效的活性氧（ROS）生成能力。
•MAB 与细菌和藻类均表现出特异性靶向相互作用。
•在光动力灭菌中证明了异质结与靶向的协同效应。
•低于 50 μg/mL 的 MAB 可实现 99.9% 的病原菌和有害藻类灭活。

引言
近年来，工业废水、农业肥料和生活污水的任意排放导致水体富营养化日益严重。这引发了微生物的大量增殖和藻华频繁爆发，导致水质恶化及生态系统失衡。特别是医疗和水产养殖废水中残留的大量抗生素正在加速耐药菌的进化，对全球公共卫生构成严重威胁 [1], [2]。同时，有害藻类产生的毒素，尤其是微囊藻属，可损害肝脏和肾脏等器官，严重危及饮用水安全 [3], [4]。鉴于耐药菌和有害藻类等病原微生物对人类健康和生态系统的严重威胁，迫切需要开发有效策略来高效灭活病原菌和有害藻类。

光催化技术作为一门新兴的、绿色节能的领域，引起了公众和科学界的极大关注。当前研究表明，光催化技术可有效灭活细菌、病毒、真菌和蓝藻（蓝绿藻）等微生物，被视为一种有前景的水消毒替代方案 [5]。光催化剂主要利用外部光源产生电子和空穴，它们与环境中的水和氧气发生氧化还原反应，产生活性氧物种（ROS）[6], [7]。这些 ROS 通过两种主要途径诱导微生物灭活：首先，它们直接攻击并破坏微生物的表面结构，包括细菌或蓝藻的细胞壁和细胞膜，同时导致胞内物质泄漏 [8], [9], [10]；其次，ROS 可穿透进入细胞，造成蛋白质和 DNA 等关键成分损坏，同时破坏抗氧化系统、呼吸链和光合装置等必要的生理过程。由于其多机制作用确保快速消灭病原体且不易诱导微生物产生抗性，光催化被视为抗生素的潜在替代策略 [11], [12]。此外，光催化反应产生的 ROS 不仅能够破坏藻细胞，还能降解其产生的毒素。作为一种绿色技术，它克服了传统杀藻方法的诸多局限性，因而在藻华控制方面展现出巨大潜力。

在众多光催化材料中，金属有机框架（MOFs）凭借其高比表面积、灵活可调的孔结构、丰富的配位不饱和金属位点和可替换组分，在污染物降解、光催化产 H2/H2O2 以及光催化抗菌活性等领域吸引了广泛的研究和应用 [13], [14], [15], [16], [17], [18]。然而，单一 MOFs 往往存在可见光吸收弱、光利用效率低、光生电子和空穴快速复合以及 ROS 生成不足等问题，严重限制了其光催化性能及进一步的实际应用。为了解决这些局限性，人们设计了多种策略来修饰 MOFs 的光催化活性，包括原子掺杂、带隙工程、配体修饰和异质结构建 [19]。近年来，S 型异质结的构建已成为光催化多个领域（包括光催化降解、光催化制氢和光催化抗菌应用）的研究热点 [20], [21], [22]。S 型异质结的主要优势在于通过界面内建电场实现光生载流子的高效分离，同时保留氧化组分的强氧化能力和还原组分的强还原能力，从而提高整体光催化效率。构建 S 型异质结光催化剂也成为提高 MOFs 光催化性能的关键策略。例如，Zhang 等人通过简单的原位生长方法制备了一种核壳 S 型异质结光催化剂（BiOBr/ZIF-67），与纯 BiOBr 和 ZIF-67 相比，其对金黄色葡萄球菌、大肠杆菌、小球藻和三角褐指藻的光催化灭活效果更强 [23]。尽管构建异质结复合材料可有效提高 MOFs 的 ROS 产生效率，但其光催化抗菌活性的有效性仍受限于 ROS 寿命有限和扩散距离极短 [24], [25]。无法高效利用产生的 ROS 往往导致催化剂用量大、光催化灭活时间长以及生物相容性问题 [26], [27]。

MOFs 的表面靶向工程策略为解决上述挑战提供了新的机遇 [28]。由于细菌表面具有各种官能团，通过用能与这些细菌表面官能团相互作用的特定基团修饰抗菌材料，材料可以主动靶向并捕获附近的病原微生物 [24], [29], [30]。例如，Cheng 等人通过将 Uio-66(Ce) 与硼酸（BA）修饰开发了一种细菌靶向 SA/B-Uio-66(Ce) 复合材料，可实现对 ROS 的精确调控和局部递送，以增强生物膜清除效果 [31]。类似地，Park 及其同事将刀豆蛋白 A（Con A）与 Au/ZnO 纳米粒子整合，创建了一种能够特异性识别并结合革兰氏阴性菌的 Au/ZnO-Con A 复合材料 [32]。构建同时集成异质结和靶向工程的 MOF 基光催化剂对于高效灭活有害微生物具有重要意义。

尽管 MOF 基异质结光催化剂取得了重大进展，但在优化界面电荷转移效率方面仍存在挑战。在此背景下，实现 MOF 与光敏组分之间良好的能带匹配对于 MOF 基 S 型异质结的合理设计至关重要。Ag?S 是一种窄带隙（约 1.0 eV）、高吸收系数、稳定性好且生物相容性良好的 n 型半导体，已被用于构建异质结光催化系统，包括Ⅱ型异质结构（Ag?S@WS?）和 S 型异质结（Ag?S/g-C?N?）[33], [34]。这些基于 Ag?S 的异质结在可见光照射下表现出显著增强的光催化性能。更重要的是，Ag?S 具有合适的带隙，有利于与 MOF 材料形成异质结。

基于上述研究背景，本研究设计了一种硼酸功能化的 S 型异质结（MIL-125-NH2@Ag2S-B），用于高效光催化灭活细菌和藻类。该设计使用 MIL-125-NH2 和 Ag2S 作为构建模块，这两种材料均已知具有良好的可见光响应和生物相容性，并采用 4-巯基苯硼酸（4-MPBA）作为双重功能组分，既作为靶向修饰剂又作为 Ag2S 纳米粒子的封端剂（方案 1）。采用了一步功能化策略，在原位形成 MOFs@Ag2S 异质结期间直接引入靶向分子（4-MPBA）。该方法的优势有两方面。一方面，4-MPBA 的巯基（-SH）可与银离子（Ag+）形成强配位键，从而延缓 Ag2S 的成核速率，有利于形成更小的纳米粒子。同时，其硼酸基团可与 MOF 中的特定位点相互作用，引导 Ag2S 优先在 MOF 孔内生长，而不是在外表面。4-MPBA 的这种双重作用使其既作为“分子导向剂”又作为表面活性调控层，实现了 Ag2S 在 MOF 受限空间内的高度分散和均匀负载。这种协同机制不仅抑制了 Ag2S 的团聚，保持了 MOF 的结构完整性，还促进了异质结的有效形成，增强了界面电子转移，提高了 ROS 生成能力。另一方面，4-MPBA 可通过其游离硼酸基团特异性识别并结合细菌表面的顺式二醇结构单元，促进细菌结合在抗菌材料表面。这有效缩短了 ROS 从产生位点到细菌目标的扩散距离，从而提高了抗菌效率。实验结果表明，基于上述合理设计开发的高光活性硼酸靶向异质结光动力灭活剂（MIL-125-NH2@Ag2S-B）表现出卓越的广谱抗菌和藻类灭活能力，以及良好的生物相容性。在相对较低的浓度（30–50 μg/mL）下，光催化材料对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌和 MRSA 的灭活率超过 99.9%，而在可见光照射下，20 μg/mL 的浓度即可使受测铜绿微囊藻（M. aeruginosa）完全灭活。本研究为开发高效的微生物和藻类靶向光动力灭活剂开辟了新的途径。

章节片段
MIL-125-NH2 的制备
将 0.42 g NH2-BDC 分散在 20 mL 甲醇/DMF 混合溶剂（3:7, v/v）中。随后缓慢加入 0.5 mL TBOT，并将混合物超声处理 1 小时，以确保在 26°C 以下均匀混合。最后，将混合物在 150°C 下加热 16 小时。收集沉淀物进行离心，分别用甲醇和 DMF 清洗两次，并在 60°C 真空干燥箱中干燥过夜。

MIL-125-NH2@Ag2S-B 的制备
将 40 mg MIL-125-NH2 加入 35 mL 无水乙醇中，随后进行超声处理以。

MAB 的合成与表征
通过简单的热溶法合成了 MIL-125-NH2，随后在 4-MPBA 作为封端和靶向剂存在的条件下，在 MIL-125-NH2 上原位生长 Ag2S，最终得到了命名为 MAB 的 MIL-125-NH2@Ag2S-B。通过调整 AgNO3 的投料比，获得了不同的复合材料，分别称为 10% MAB、25% MAB 和 40% MAB。MIL-125-NH2 呈现出平滑表面和多孔结构，形态类似于矩形板。

结论
综上所述，通过原位分子工程策略合理设计了一种硼酸功能化的 S 型异质结（MIL-125-NH?@Ag?S-B，MAB）。MAB 中 4-MPBA 介导的靶向捕获与 S 型电荷分离的整合，赋予了该抗菌剂增强的 ROS 生成能力，有效解决了单一 MOFs 固有的局限性，包括可见光吸收弱、载流子复合快以及 ROS 扩散距离短。优化的

作者贡献声明
傅雨琴：撰写——审阅与编辑、监督、方法论、资金获取、概念化。

利益冲突声明
作者声明，他们没有任何已知的竞争财务利益或个人关系可能影响本报告中所述工作的出现。

致谢
作者感谢中国国家重点研发计划（2023YFD2301705）为本研究提供的财政支持。

冀灿灿|张冬艳|王欢|周鑫|刘淑英|傅雨琴|姚丹