【摘要】 近年来，广谱抗生素的广泛使用甚至滥用，导致了严重的细菌耐药性问题。

背景介绍

 

近年来，广谱抗生素的广泛使用甚至滥用，导致了严重的细菌耐药性问题。因此，开发新型抗菌剂，特别是能够准确识别并杀灭特定细菌的抗菌剂具有重要意义。一般来说，新型的窄谱杀菌剂应具备以下特点：首先，材料能够区分出革兰氏阳性菌和阴性菌，其次材料必须具备优异的杀菌抗菌能力，最后要在杀灭细菌的同时又不会增加细菌耐药性的产生。传统的细菌鉴别方法主要是革兰氏染色法、平板培养、聚合酶链反应(PCR)和免疫荧光法等，这些方法需要特定的专业设备耗时耗力。基于荧光分子或者荧光纳米颗粒对不同类别细菌进行染色区分是一种高效准确的细菌鉴别方法，具有方便快速等特点。因此，以这些荧光纳米颗粒为基础，修饰上抗菌剂或者阳离子表面聚合物等，就可以实现药物在特定种类细菌表面上的富集，从而实现选择性杀灭细菌的效果。然而这些过程还面临着一些缺点，比如合成复杂，产量不高，修饰的抗菌剂容易从荧光纳米颗粒表面脱落导致的抗菌稳定性差等问题。另一方面，光动力抗菌是一种区别于传统抗生素机理的新型抗菌方法，光敏剂在光照下产生活性物质，特别是近红外光照射下的光动力抗菌，可以在不产生细菌抗性地情况下，氧化细菌内部的生物分子，有效的破坏细菌细胞膜，造成细菌死亡。因此，设计简便易合成能够准确识别特定细菌，并具有光动力行为的材料将会极大促进新型抗菌剂的发展。

 

成果简介

 

郑州大学刘凯凯和单崇新教授团队报道了一种简便低成本生物质衍生的碳纳米点(CNDs)，集成发光和光动力于一体，具备了准确识别和杀死特定细菌的能力。CNDs具有杂原子掺杂和π共轭的内核，这增强了碳纳米点近红外(NIR)吸收和发射性能，近红外光致发光量子产率达21.1%; 在CNDs表面固有的疏水基团可以使其凭借疏水作用选择性染色革兰氏阳性菌。当CNDs与细菌一起孵育后，相比于革兰氏阴性菌，CNDs更倾向于富集在阳性菌膜上。由于CNDs在近红外区域的强吸收作用，在660 nm的激光照射下，CNDs在革兰氏阳性菌细菌膜上原位生成活性氧，5分钟内对革兰氏阳性细菌的灭活率可达99.99%。此外，体内实验结果表明，具有光动力抗菌特性的CNDs能够有效的清除伤口处感染的耐甲氧西林金黄色葡萄球菌，加速细菌感染伤口的愈合。

 

CNDs对革兰氏阳性菌的特异性识别和杀灭的原理图及其抗菌机理。

 

作者简介

 

刘凯凯，副教授，博士生导师，郑州大学青年拔尖人才计划入选者。主要从事碳基发光材料的合成，光学特性与应用研究，涉及物理、化学以及材料等多学科交叉。合成技术主要包括纳米材料制备以及纳米结构的设计；光学特性主要研究材料的瞬态以及稳态荧光光谱，余晖发光，发光动力学，非线性光学等。应用领域主要研究纳米材料在荧光染料，时间门控成像，纳米发射器，物理不可克隆函数，信息加密等领域的应用。主持国家面上项目，青年基金、中国博士后特别资助等。以第一或通讯作者在Advanced Functional Materials, CCS Chemistry, Advanced Science, Nano Letters, Light: Science & Applications，Nano Today，Nano Research等期刊发表论文30余篇。

 

单崇新，郑州大学物理学院教授，博士生导师。近年来一直从事金刚石光电材料与器件研究，已发表SCI论文280余篇。获国家杰出青年基金、长江学者特聘教授、中国青年科技奖、中原学者、中组部万人计划“青年拔尖人才”、人社部“百千万人才工程”及国家有突出贡献中青年专家、河南省杰出专业技术人才、河南省五四青年奖章、河南省创新争先奖状、河南省优秀科技专家等奖励和荣誉。

 

文章信息

 

Wen-Bo Zhao, Rui-Ting Wang, Kai-Kai Liu*, Meng-Ru Du, Yong Wang, Yu-Qi Wang, Rui Zhou, Ya-Chuan Liang, Ruo-Nan Ma, Lai-Zhi Sui, Qing Lou, Lin Hou* & Chong-Xin Shan*.  Near-infrared carbon nanodots for effective identification and inactivation of Gram-positive bacteria. Nano Research https://doi.org/10.1007/s12274-021-3818-9.

 

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