光动力灭活金黄色葡萄球菌生物膜：基于绿色合成TiO2固定化废弃聚苯乙烯的卟啉偶联物研究

《RSC Advances》：Photoinactivation of S. aureus biofilms using porphyrin conjugates with green-synthesized TiO2 immobilized on waste polystyrene

　　

水传播感染仍是全球关注的公共卫生问题，储水系统中形成的生物膜对氯消毒具有高度抗性，加剧了这一风险。本研究首次将绿色合成的TiO2纳米颗粒与卟啉分子偶联，并固定于废弃聚苯乙烯（PS）载体上，用于抗菌光动力灭活（aPDI）。研究人员采用橙皮提取物制备TiO2，并与无金属卟啉（化合物1）及其铟(III)衍生物（化合物2）结合，通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）、能量色散X射线光谱（EDX）、热重分析（TGA）、扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）及紫外-可见吸收光谱（UV-vis）确认成功形成球形、热稳定的纳米结构。光物理研究表明，金属化降低了荧光量子产率（ΦF），从化合物1的0.01降至化合物2的小于0.01，这是由于重原子效应所致，同时单线态氧量子产率（ΦΔ）由0.68提升至0.85–0.90。游离态化合物2-TP在30分钟可见光照射下可使金黄色葡萄球菌存活率降至0.0006%，而固定于PS上的版本则为2.5%。该可持续高效材料有望应用于资源有限地区的抗生物膜水处理。

该研究针对储水系统生物膜导致的水传播感染难以控制的问题，探索了一种新型抗菌光动力灭活（aPDI）材料。研究人员以绿色合成锐钛矿型TiO₂纳米颗粒为基础，结合溴取代卟啉及其铟(III)配合物，制备出新型卟啉-TiO₂偶联物，并首次将其物理固定在废弃聚苯乙烯（PS）载体上，以提升材料的实用性与环境友好性。实验结果表明，金属化显著提高了单线态氧量子产率（Φ_Δ），从而增强了aPDI效率。游离态偶联物在30分钟可见光照射下几乎完全灭活悬浮态与生物膜态金黄色葡萄球菌，固定化材料虽活性略降，但仍保持优异抗菌性能。该研究为低资源地区开发可重复使用、环境友好的水处理技术提供了可行路径，成果发表于《RSC Advances》。

关键技术方法方面，研究人员采集南非某大学校园内池塘水样，分离并鉴定环境源金黄色葡萄球菌（经16S rRNA测序确认）。采用绿色合成法制备TiO₂纳米颗粒，利用非共价吸附法将卟啉固定于其表面，随后物理嵌入废弃PS基质中。材料表征涵盖FTIR、EDX、TGA、SEM、TEM及UV-vis分析，光物理性质测定包括荧光量子产率（Φ_F）、寿命（τ_F）及单线态氧量子产率（Φ_Δ）。抗菌实验分别在悬浮菌与生物膜模型中开展，比较游离态与PS固定化材料的aPDI效果。

结果与讨论部分分为若干小节。傅里叶变换红外光谱（FTIR）结果显示，卟啉的羧基与TiO₂表面羟基发生化学吸附，形成羧酸盐基团，表明偶联成功，且PS固定后未破坏原有结构。X射线衍射（XRD）证实TiO₂为锐钛矿相，偶联过程未改变晶体结构。热重分析（TGA）显示偶联物热稳定性优于单独卟啉，适合实际应用。透射电子显微镜（TEM）与扫描电子显微镜（SEM）观察到球形颗粒形貌及均匀分布在PS表面的纳米结构。能量色散X射线光谱（EDX）验证了各元素组成与预期一致。紫外-可见吸收光谱（UV-vis）显示卟啉修饰后TiO₂在可见光区吸收增强，Soret带位置变化反映卟啉与TiO₂的相互作用。光物理性能测试表明，铟(III)中心通过重原子效应降低Φ_F，延长三重态寿命，提高Φ_Δ，其中化合物2-TP达到0.90。抗菌实验证明，所有偶联物在可见光下均能显著降低金黄色葡萄球菌存活率，游离态2-TP在15分钟内几乎完全灭活悬浮菌，20分钟内几乎完全清除生物膜，固定化材料活性稍减但依然高效。

结论部分指出，绿色合成TiO₂与卟啉偶联显著提升了aPDI性能，橙皮提取物法制备的TiO₂效果优于橙汁法，可能与植物化学成分差异有关。固定化材料兼顾高效性与可重复使用性，适用于储水系统内壁涂层，可有效抑制生物膜形成并减少水传播疾病风险。该研究为开发低成本、可持续的水消毒技术提供了理论与实验依据。