具有余辉催化双重功能的新型持久发光纳米粒子通过纳米酶活性对金黄色葡萄球菌和耐甲氧西林金黄色葡萄球菌的抗菌性能

《Food Bioscience》：Antimicrobial performance of novel persistent luminescence nanoparticles with afterglow-catalysis dual functions against Staphylococcus aureus and MRSA by nanozyme activity

　　

王贝贝|孙玲|刘凯|严丽霞|耿芳

中国四川省成都市成洛大道2025号，成都大学食品与生物工程学院蛋品科学技术研究所，邮编610106

摘要

在应对食源性耐抗生素细菌感染方面，使用杀菌纳米酶是最具前景的非抗生素治疗策略之一。然而，该方法存在无法实时监测杀菌效果等问题。本研究直接合成了具有余辉和催化双重功能的新型ZnGa₂O₄:Cr/Mn持久发光纳米颗粒（PLNPs）。这类纳米颗粒不仅具备固有的近红外持久发光特性，还表现出过氧化物酶和氧化酶类似的纳米酶活性，因此可应用于无需自荧光的余辉成像以及耐药细菌的杀灭。研究在不损害其余辉特性的前提下优化了纳米酶的活性，并验证了其在酸性条件下对金黄色葡萄球菌和耐甲氧西林金黄色葡萄球菌的杀菌效果。这些结果为潜在的感染治疗提供了基础。这一双重功能平台为基于余辉成像的耐药食源性疾病治疗提供了新策略，在食品安全控制领域具有广泛应用前景，尤其有助于实时监测和消除金黄色葡萄球菌污染。

引言

随着抗生素耐药性的日益严重，细菌感染问题，尤其是食源性细菌感染问题愈发突出，这不仅加重了公共卫生负担，还使得治疗干预更加复杂（Guo等人，2020年）。金黄色葡萄球菌是一种常见的食源性病原体，广泛存在于自然环境、人类皮肤和黏膜表面（Yang等人，2026年）。该菌能产生多种耐热性强的肠毒素，是引发食物中毒的主要原因之一（Minutillo等人，2023年；Xu等人，2025年）。由于耐甲氧西林金黄色葡萄球菌对多种抗生素具有耐药性，其引发的感染更难治疗（Liu等人，2026年；Watkins等人，2019年）。因此，在食品储存、加工和流通过程中，必须严格控制金黄色葡萄球菌，尤其是耐甲氧西林金黄色葡萄球菌的污染（Kümmel等人，2016年）。此外，确定感染部位、在感染部位实现刺激响应式的杀菌作用以及实时监测治疗过程，对于提高细菌感染的治疗效果至关重要。

纳米技术和纳米材料的快速发展为抑制细菌提供了新的有效策略（Sarangi等人，2026年；Ma等人，2022年；Wang等人，2022a年；Du等人，2025年）。近年来，由于具有可控的治疗位置、多样的催化底物、无侵入性以及能够预防药物耐药性等独特物理化学性质，纳米酶已成为抗菌治疗领域中最具前景的非抗生素抗菌策略之一（Wang等人，2022b年；Ullah等人，2026年）。尽管纳米酶催化产生的活性氧具有良好的抗菌效果，但单一的纳米酶系统仅能发挥治疗作用，无法诊断细菌感染的部位或监测治疗过程。以荧光探针为基础的光学成像具有空间分辨率高、获取速度快、无辐射且生物安全性好等优点（Yan等人，2023年；Yan等人，2024年）。将纳米酶与荧光探针结合，可在成像引导下实现可控治疗。然而，传统荧光成像探针的发光寿命相对较短，且需要持续的外部光源激发（Tang等人，2025年）。持续激发会导致背景信号干扰以及光诱导的组织损伤，从而限制成像灵敏度的提升，也无法实现实时监测。

持久发光纳米颗粒作为一种典型的储光发光材料，在外部光照停止后仍能持续发光数小时甚至数天（Huang等人，2022年；Li等人，2021年；Shang等人，2024年）。尤其是具有近红外发射特性的持久发光纳米颗粒，由于能够深入组织且几乎不会受到自荧光背景的干扰，被视为最具有前景的新一代发光探针材料（Fu等人，2024年；Wang等人，2022年；Zhao等人，2020年）。实际上，除了广为人知的余辉特性外，含有d10电子构型元素（如镓、锌等）的持久发光纳米颗粒还具有良好的催化性能（Fan等人，2024年；Wang等人，2021b年；Wei等人，2021年）。在光照停止后，被困在陷阱中的电子不仅可以通过辐射复合发光，还可以迁移到材料表面发生氧化还原反应，例如与水、羟基或氧分子反应，生成羟基自由基、超氧阴离子自由基等其他活性氧，从而展现出催化性能（Chikoidze等人，2020年；Feng等人，2017年；Gong等人，2022年；Huang等人，2017年；Liang等人，2020年；Liang & Li，2017年）。因此，从理论上讲，余辉发光和催化性能是持久发光纳米颗粒的固有功能，二者相结合可实现成像引导与细菌感染治疗的同步进行。

然而，目前尚未有报道指出同时具有内在催化性能、余辉特性以及规则形态的裸露持久发光纳米颗粒。“余辉-催化”双重功能源于光生载流子的竞争性利用。除了材料本身的缺陷外，掺杂离子也会影响持久发光纳米颗粒的陷阱能级（Ding等人，2024年；Liu等人，2014年；Sang等人，2024年）。这一发现促使我们通过离子掺杂来调控陷阱能级，从而平衡持久发光与催化性能。

因此，本研究通过离子掺杂合成了具有固有近红外持久发光和纳米酶催化活性的新型ZnGa₂O₄:Cr/Mn持久发光纳米颗粒。我们详细优化了合成条件，并对所获得的纳米颗粒进行了系统表征。未经修饰的纯纳米颗粒即可在酸性环境中通过产生活性氧来杀灭细菌，且已在体外实验中显示出对金黄色葡萄球菌和耐甲氧西林金黄色葡萄球菌的良好抗菌效果。此外，这类纳米颗粒的近红外持久发光特性为未来的成像应用奠定了光学基础，有望用于定位细菌感染部位。总之，这种新型双重功能持久发光纳米颗粒有望为开发高效的、基于成像引导的细菌感染治疗系统提供有力支持。在临床应用之外，这种结合持久发光与纳米酶抗菌活性的双重功能策略，在智能食品安全管理领域也具有巨大潜力。

章节节选

化学品与材料

Zn(NO₃)₂·6H₂O（纯度99.99%）、Ga(NO₃)₃·xH₂O（纯度99.99%）、Cr(NO₃)₃·9H₂O（纯度99.99%）、Mn(NO₃)₂·xH₂O（纯度99.9%）均购自中国上海的Aladdin公司。四甲基联苯胺、邻苯二胺、2,2'-偶氮双（3-乙基苯并噻唑-6-磺酸酯）、对苯二甲酸、氢化乙啶均购自中国上海的Sigma-Aldrich公司。PBS缓冲液（预混粉）、LB培养基粉（FMB等级）、LB琼脂粉（FMB等级）均购自中国上海的上海桑根生物科技有限公司。

ZnGa₂O₄:Cr/Mn的制备与表征

图1展示了一种通过一步水热法直接合成具有余辉-催化双重功能的ZnGa₂O₄:Cr/Mn持久发光纳米颗粒的方案。所制备的这种纳米颗粒不仅具有近红外持久发光特性，还具备过氧化物酶/氧化酶类似的纳米酶活性，能够在酸性条件下产生超氧自由基和羟基自由基等活性氧。这些由催化作用产生的活性氧可直接用于杀灭细菌。

在持久发光纳米颗粒的制备过程中，前驱体的pH值具有重要影响

结论

在本研究中，我们通过一步离子掺杂水热法合成了兼具持久发光和纳米酶催化活性的新型ZnGa₂O₄:Cr/Mn持久发光纳米颗粒。我们研究了它们的催化活性并阐明了其作用机制。由于在酸性条件下能够产生活性氧，这些纳米颗粒对金黄色葡萄球菌和耐甲氧西林金黄色葡萄球菌具有出色的杀菌效果，且对正常组织的伤害极小。总之，这种“余辉-催化”型持久发光纳米颗粒为相关材料研究奠定了基础

CRediT作者贡献说明

孙玲：方法设计、实验研究。王贝贝：论文撰写——初稿编写、实验研究、资金筹集。严丽霞：方法设计、资金筹集、数据整理。刘凯：方法设计、实验研究。耿芳：论文撰写——审阅与编辑、研究指导、方法设计

未引用参考文献

Yan等人，2024年。

利益冲突声明

作者声明不存在任何可能影响本文研究的利益冲突或个人关系。

数据可用性

数据将在收到请求后提供。

利益冲突声明

作者声明不存在任何已知的、可能影响本文研究的利益冲突或个人关系。

致谢

本研究得到了中国国家自然科学基金（项目编号：22304063）、四川省科技计划项目（项目编号：2024NSFSC1266）以及江苏省基础研究计划项目（项目编号：BK20231033）的资助。