聚胺修饰卟啉磁性纳米偶联物用于连续流反应器中的抗菌光动力水消毒

《Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry》：Polyamine-modified porphyrin magnetic nanoconjugates for antimicrobial photodynamic water disinfection in a continuous-flow reactor

　　

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  通过简单合成方法制备了用于水消毒的卟啉磁性纳米共轭体。
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  多胺功能化增强了抗菌光动力性能。
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  磁性纳米共轭体表现出高效的活性氧光生能力。
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  MNP-PEI在白光照下对金黄色葡萄球菌的灭活率超过99.999%。
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  连续流动光反应器测试证明了高效的水消毒效果。

引言

水生环境中病原微生物的存在是一个全球性关注的问题，因为它们在水生传染病的传播中发挥着重要作用[1]。在临床相关病原菌中，多重耐药金黄色葡萄球菌在受污染水源中的检出率普遍较高，由于其可从轻微的皮肤感染引发致命性全身性疾病，构成了严重的健康威胁[2]。此外，水中大肠杆菌的存在可指示微生物污染，因此有效去除大肠杆菌是水消毒过程中的重要目标[3]。尽管在水质和卫生措施的改善方面（特别是在高收入国家）取得了一定进展，从而减少了由该病原体引起的传染病的传播，但仍迫切需要创新且环境可持续的技术来解决水系统中的微生物污染问题[4]。传统的消毒方法，如氯化、臭氧处理和紫外线照射，对浮游微生物具有良好效果。然而，某些处理方法可能导致有害消毒副产物的生成，或需要高能耗投入，引发环境和经济方面的担忧[5]。

在此背景下，抗菌光动力灭活（PDI）已成为一种特别引人注目的水消毒策略[6]、[7]。该方法基于光敏剂（PS）吸收光后被激发，随后将能量或电子转移至分子氧，从而产生活性氧（ROS），这些活性氧可损伤细胞组分，导致微生物灭活。因此，PDI处理兼具高效抗菌活性和低耐药性发展倾向，且环境影响最小，为控制水生病原体提供了一种强有力的工具[8]。然而，在水处理等应用中，处理介质中残留的光敏剂是不 desirable 的，因为可能存在潜在的环境和健康毒理学风险，同时还需要额外的下游去除步骤。因此，在大多数具有生物医学应用的PDI研究中常用的均相溶液中的光敏剂并不适合这些系统。因此，固定化或负载型光敏剂的开发成为更为合适的策略，因为它在防止活性化合物释放到处理水中的同时，仍能实现高效的光动力活性[9]。此外，这种方法有助于光敏剂的回收和重复使用，提高运行稳定性，并增强其在连续流动或大规模水处理系统中应用的潜力[10]。

应对这些挑战的一种有效策略是将光敏剂共价固定化到固体载体上，例如Fe₃O₄磁性纳米颗粒（MNP）[11]。这些纳米材料具有显著优势，包括易于与多种化学基团进行表面功能化[12]、[13]。此外，磁响应性使得通过施加外磁场即可在水介质中对其进行高效操作、追踪和回收[14]。因此，基于MNP的平台已成为抗菌光动力应用中 versatile 的系统。例如，用BODIPY衍生物功能化的MNP被开发用于结合生物成像功能与强效光动力抗菌活性，在白光照下可有效灭活细菌[15]。同样，基于与MNP共价连接的卟啉单元的PDI系统展现出对多种微生物（包括细菌和酵母）的高效光灭活作用[16]、[17]、[18]、[19]。特别是，5,10,15,20-四(五氟苯基)卟啉（TPPF₂₀）具有增强其光物理性能的构型，使其适用于PDI中的多种应用[20]、[21]、[22]。TPPF₂₀表现出高光稳定性和高效的三重激发态产生能力，两者对于有效的活性氧产生至关重要。此外，其五氟苯基基团中存在的对位氟原子通过亲核芳香取代（S_NAr）反应提供了与多种亲核试剂进行功能化的方便反应位点，从而能够实现结构多样且功能强大的光动力材料的设计[23]、[24]。

在本研究中，TPPF₂₀被共价偶联到具有氨基功能化的硅包覆MNP上，以创建一种多功能光动力纳米平台（MNP-TPPF₂₀）。随后对该材料进行修饰，生成两种含有共价连接的聚乙烯亚胺（PEI）或精胺（SPM）的新型共轭体，分别得到MNP-PEI和MNP-SPM。引入这些多胺旨在增强微生物靶向性，因为光敏剂结构中存在碱性氨基基团已知可增强与细菌细胞壁之间的相互作用并提高光杀菌效果[25]。特别是，PEI和SPM在生理水溶液条件下均可被质子化，从而赋予光敏剂阳离子特性，促进与微生物表面之间更强的静电相互作用[24]、[26]、[27]。所得MNP共轭体通过透射电子显微镜（TEM）和傅里叶变换红外光谱（FT-IR）进行表征。此外，在水介质中测定了紫外-可见和荧光发射光谱特性，并使用不同的光氧化底物来评估MNP-PEI和MNP-SPM在溶液中产生活性氧的能力。首先对MNP-PEI和MNP-SPM针对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌静止期细胞悬浮液的抗菌光动力效果进行了评估。最后，在连续流动反应器模型中检验了这些共轭体的性能，以确定其在连续循环条件下从受污染水中去除细菌的潜力。

章节摘要

实验部分

材料和仪器信息详见补充材料。

MNP共轭体的合成

在与TPPF₂₀形成MNP共轭体之前，使用偏硅酸钠对Fe₂O₃纳米颗粒进行保护，包覆一层二氧化硅层，以获得硅包覆MNP（MNPSi），保持材料的完整性（方案S1）[15]、[17]。随后，使用APTS在MNP-Si上接枝氨丙基，形成MNP-Si-NH₂。为获得MNP-TPPF₂₀共轭体，选择卟啉TPPF₂₀作为光敏化分子，因其合成路线简便，可获得

结论

在本工作中，通过S_NAr反应将TPPF₂₀共价结合到硅包覆的Fe₃O₄纳米颗粒上，成功获得了基于卟啉的磁性纳米颗粒。所得MNP-TPPF₂₀共轭体作为多功能平台，可进一步进行聚乙烯亚胺（PEI）和精胺（SPM）等聚胺的表面修饰，分别得到MNP-PEI和MNP-SPM。引入这些碱性氨基取代基为共轭体提供了正电荷前体基团，有利于静电

CRediT作者贡献声明

Milena B. Boarini：撰写——初稿、可视化、验证、调查、形式分析、数据管理、概念化。María E. Pérez：撰写——初稿、可视化、验证、方法学、调查、形式分析、数据管理、概念化。Sofía C. Santamarina：撰写——初稿、可视化、验证、方法学、调查、形式分析、数据管理、概念化。María E. Milanesio：撰写——初稿，

利益冲突声明

作者声明不存在已知的可能影响本文所报告工作的竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本工作得到SECYT-UNRC（PPI C612）和阿根廷CONICET（PIET-R 29820250100009CO）的资助。M.E.M.和E.N.D.是CONICET的科研成员。M.B.·B、M.E.P.和S.C.·S感谢CONICET提供的研究奖学金。

Milena B. Boarini|María E. Pérez|Sofía C. Santamarina|María E. Milanesio|Edgardo N. Durantini