抗生素负载多糖薄膜的持久室温磷光(p-RTP)及其抗菌防伪应用

《Aggregate》：Antibiotic-Loaded Polysaccharide Films With Persistent Room-Temperature Phosphorescence for Antibacterial Anti-Counterfeiting Applications

　　

持久室温磷光(p-RTP)材料在高安全性防伪和信息加密领域具有巨大潜力。然而，将p-RTP与高效、不依赖光的抗菌活性相结合仍是一项重大挑战。在本研究中，研究人员系统研究了代表性抗生素的室温磷光(RTP)性质，并提出一种简单的掺杂策略，通过将抗生素（喹诺酮类和磺胺类）引入多糖中，制备了抗菌p-RTP材料。这些抗生素负载的多糖薄膜具有高柔韧性和透明性，表现出明亮的余辉，磷光寿命高达316.4 ms（较原始抗生素粉末提升739%），这得益于氢键网络和刚性限域效应抑制了三重态非辐射衰减。与荧光染料之间的三重态敏化F?rster共振能量转移(TS-FRET)进一步实现了多波长激发(254/312/365 nm)下可调的多色余辉。该复合材料保留了所嵌入抗生素的固有抗菌活性，对大肠杆菌(Escherichia coli)和金黄色葡萄球菌(Staphylococcus aureus)表现出高效抑制。将薄膜配制成水溶性抗菌安全墨水，可在训练用钞票上形成透明涂层，用于时间分辨防伪演示，同时提升卫生性能。这项工作不仅证明了抗生素-多糖复合材料可作为高效抗菌p-RTP平台用于高级安全应用，还为其他生物活性分子的RTP性质及其在相关领域的潜在应用提供了见解。

持久室温磷光(p-RTP)材料在激发停止后仍能持续发光，在信息加密、防伪和生物成像等领域具有广阔应用前景。传统无机材料依赖稀土掺杂，存在合成复杂、机械柔性差、成本高和潜在生物毒性等问题。有机p-RTP材料因分子设计灵活、结构可调和生物相容性好而备受关注，但纯有机体系的自旋轨道耦合(SOC)弱、系间窜越(ISC)效率低，且三重态激子易因分子运动和环境淬灭而发生非辐射衰减，因此实现高效长寿命有机p-RTP仍具挑战。现有策略中，染料掺杂聚合物因简单易加工而受到重视。然而，在抗菌防伪应用方面，已有的p-RTP材料多依赖光动力治疗(PDT)效应或阳离子基质的膜破坏作用，前者需要持续光照和氧气，在黑暗或缺氧环境中受限，后者的抗菌活性较弱。因此，开发一种可加工、兼具稳定p-RTP和高效不依赖光抗菌活性的聚合物平台具有重要意义。

针对上述问题，研究人员提出了一种将p-RTP与抗菌活性整合的新策略——利用抗生素自身的RTP性质。他们系统研究了喹诺酮类（左氧氟沙星LF、诺氟沙星NF）和磺胺类（磺胺SL、磺胺醋酰钠SS）抗生素的RTP行为，并采用简单掺杂策略将这些抗生素引入天然多糖（如海藻酸钠SA）中，制备了柔性抗菌p-RTP薄膜。以LF/SA-1（质量比1:100）为模型体系，该薄膜在254 nm激发下呈现明亮蓝色荧光，撤去激发后显示持续黄色余辉，磷光寿命达316.4 ms，相比原始LF粉末（37.73 ms）提升约739%。研究还通过三重态敏化F?rster共振能量转移(TS-FRET)引入荧光染料，实现了多波长激发下的多色余辉可调。抗菌实验表明，薄膜对大肠杆菌和耐四环素金黄色葡萄球菌均有高效抑制作用。该策略还适用于其他多糖基质和其他抗生素，具有通用性。相关论文发表在《Aggregate》上。

在技术方法上，研究人员利用稳态和瞬态光致发光光谱表征荧光和磷光发射；通过磷光寿命(τ_p)测量和量子产率测试评估p-RTP性能；采用紫外-可见透射光谱测定薄膜透明度；借助单晶X射线衍射解析抗生素晶体结构；结合时间依赖密度泛函理论(TD-DFT)、静电势(ESP)和非共价相互作用(NCI)计算分析分子间相互作用与ISC通道；并通过琼脂扩散法和菌落计数法评价对大肠杆菌和耐四环素金黄色葡萄球菌的抗菌活性。此外，以训练用钞票和A4纸为基底演示了防伪应用。

研究结果方面，可归纳为以下几个部分。

**抗生素的RTP性质与多糖掺杂增强**：通过光物理测试发现，四种抗生素在固态下均表现出弱RTP，τ_p为0.44–172.99 ms，但小分子固体加工性差。将其掺杂到SA后，所得薄膜的τ_p显著提升至128.9–316.4 ms，量子产率最高达21.2%（LF/SA-1）。这归因于多糖网络中的氢键和刚性限域抑制了三重态非辐射衰减。

**多糖基质普适性**：将LF分别掺杂到魔芋葡甘聚糖(KGM)、纤维素(Cel)、明胶(Gel)和琼脂(Agar)中，所得薄膜均保持p-RTP，τ_p为83.4–442.2 ms，证明该策略适用于多种多糖基质。

**TS-FRET调控多色余辉**：为扩大发光色彩范围，将LF/SA-1作为能量给体，分别与罗丹明B(RB)、罗丹明6G(RG)、甲基橙(MO)、焰红染料B(PB)和荧光素钠(FS)共掺杂。在254/312/365 nm激发下，复合膜表现出氰白、粉白、绿、紫-红、黄绿-黄等激发依赖的余辉，证实了TS-FRET的调色作用。

**机制研究**：TD-DFT计算表明，LF/SA复合物相比分离的LF，其S₁→T₄和S₁→T₅的SOC常数增加，提供了更多有效ISC通道；单晶X射线衍射显示LF单晶分子间堆积较松散、π-π相互作用弱，而LF/SA的ESP和NCI分析显示两者间形成氢键和范德华作用，进一步说明刚性限域和氢键对三重态激子的稳定作用。

**抗菌性能评估**：菌落计数实验显示，LF/SA-1和NF/SA-1对大肠杆菌的细菌存活率分别约为0.09%和8%，对耐四环素金黄色葡萄球菌在10⁴倍稀释下无可检测菌落，显著优于磺胺类复合膜（存活率28%和22%）。这表明喹诺酮类药物的DNA复制抑制机制发挥了主要抗菌作用。

**抗菌防伪应用演示**：将LF/SA-1水溶液涂覆在训练用钞票上，干燥后形成透明涂层（可见光区透光率>97%），在环境光下不可见，紫外光下显示黄色“100”图案，撤光后余辉持续>3 s。琼脂扩散实验表明涂层对两种细菌均产生>20 mm抑菌圈。此外，利用不同寿命的材料在A4纸上实现了时间分辨多色防伪图像，以及“13”与“138”等多级信息加密。

在讨论部分，研究人员指出，与同期将喹诺酮衍生物掺入聚乙烯醇或聚甲基丙烯酸甲酯的研究不同，该工作核心在于将抗生素固有的抗菌活性与RTP性质相结合，用于抗菌防伪，这一概念在先前文献中未被充分关注。尽管抗生素用于消费品可能引发耐药性担忧，但将抗生素/多糖质量比从1:100降至1:1000不会明显影响光物理性能，说明可通过降低负载量减少潜在风险，但长期释放和耐药选择风险仍需评估。

研究结论可翻译为：这项工作系统研究了生物活性抗生素的RTP性质。原始抗生素分子在环境条件下表现出低效且短寿命的p-RTP，主要受三重态激子的氧淬灭和高非辐射衰减速率限制。为解决这一问题，研究人员开发了一种简单通用的掺杂策略，将生物活性抗生素引入天然多糖中，获得了兼具p-RTP和高效抗菌活性的柔性薄膜。系统表征表明，多糖网络中的氢键和刚性限域稳定了三重态激子，产生了长寿命p-RTP（如LF/SA-1较纯LF粉末τ_p提升739%），并拓展了聚集触发发射(CTE)机制的应用范围。薄膜对多种细菌菌株有强抑制作用，而TS-FRET实现了余辉的动态颜色调控。总之，本研究证明了在多糖基质中整合RTP特性和内在抗菌活性的可行性，为开发用于防伪和信息加密的多功能RTP材料提供了策略。值得注意的是，尽管材料在较低抗生素负载下仍保持良好光物理性能，但其在消费品中的使用需要对抗生素释放和耐药性风险进行长期系统评估。与依赖PDT或阳离子聚合物基质的抗菌RTP材料相比，该策略采用内源性抗菌剂作为磷光发色团，克服了PDT对持续光照的依赖和阳离子聚合物抗菌活性弱的缺点，实现了高效不依赖光的抗菌活性与持久RTP的整合。此外，这项工作还激发了对其他生物活性分子RTP性质的研究，并促进其在更广泛领域的应用。