1、活性氧抗菌机理及其研究进展陈媛媛1)，唐晓宁1)，崔帅2)，马浩1)，孙佳慧1)1)昆明理工大学化学工程学院，昆明6505002)云南工商学院，昆明651701通信作者，E-mail:2摘要首先介绍了光催化材料中活性氧的产生机制及其在抗菌方面的表现，特别指出构造异质结、引入氧空位等改性手段是提高活性氧产量的主要方式.其次总结了超氧阴离子自由基（O）、过氧化氢（H2O2）、单线态氧（1O2）和羟基自由基（OH）的产生过程及作用机理，同时综述了抗菌过程中四种活性氧的检测方法，包括直接检测方法和间接检测方法，以及间接法所涉及的探针分子特异选择性反应.整理了光催化材料活性氧激发总浓度的影响因素并提出针
2、对材料提升活性氧产量的改性方向，提出了目前活性氧作用机理研究方面存在的问题，活性氧检测方法及其与细胞具体作用研究方面存在的不足，建议以活性氧的生成链为指导，以多种活性氧动态平衡的体系为考察对象，在生物分子水平上细致分析活性氧的抗菌机理.最后对活性氧抗菌材料的设计与应用提出了建议思路并展望了发展前景.关键词活性氧；光催化技术；抗菌材料；抗菌机理；检测方法分类号TB34ActiveoxygenantibacterialmechanismanditsresearchprogressCHEN Yuan-yuan1)，TANG Xiao-ning1)，CUI Shuai2)，MA Hao1)，SUN J
3、ia-hui1)1)FacultyofChemicalEngineering,KunmingUniversityofScienceandTechnology,Kunming650500,China2)YunnanTechnologyandBusinessUniversity,Kunming651701,ChinaCorrespondingauthor,E-mail:2ABSTRACTPhotocatalyticantibacterialmaterialshavebeenpopularizedandwidelyusedinthedisinfectionofmunicipalwater,thela
4、rge-scalewastewatersterilizationtreatmentofindustry,andmedicaltreatment.Theirantibacterialtheoryhasalsobeencontinuouslystudiedandimproved,andthereactiveoxygenspecies(ROS)antibacterialmechanismhasthehighestacceptancebythepublic.TheroleofROSisthemainbactericidalmechanismofphotocatalyticantibacterialag
5、ents,anditisalsothemechanismexplanationatthemolecularlevelinthefieldsoforganicpollutantdegradationandbiologicalpathology.ROSatanabnormalsteady-stateconcentrationattackstheorganicstructureoutsidethecellandentersthecell,causingoxidativestressreactionsinsidethecellandirreversibledamagetothecelluntilapo
6、ptosis.Therefore,asystematicanalysisoftheproductionpathways,principleofaction,andcorrespondingdetectionmethodsofactiveoxygenisofgreatimportanceforimprovingtheantibacterialactivityofphotocatalyticantibacterialagentsandexploringtheantibacterialmechanismofactiveoxygen.First,thisarticleintroducestheprod
7、uctionmechanismofactiveoxygeninphotocatalyticmaterialsanditsantibacterialperformance.Particularly,themodificationmethodofconstructingheterojunctionsandintroducingoxygenvacanciesisthemainwaytoincreaseactiveoxygenproduction.Second,thisarticlesummarizestheproductionprocessandmechanismsofthemainROS,such
8、asthesuperoxideanionradical(O),hydrogenperoxide(H2O2),singletoxygen(1O2),andthehydroxylradical(OH),aswellastheantibacterialprocess.DetectionmethodsaresummarizedforfourROS,includingdirectmethodsandindirectmethodsaswellthespecificandselectivereactionprincipleofprobemoleculeswithROS.Furthermore,theinfl
9、uencingfactorsofthetotalconcentrationofROSexcitedbyphotocatalyticmaterialsaresortedout,andamodificationdirectionfor收稿日期:20220607基金项目:国家重点研发计划重点专项资助项目（2017YFC0210303）；昆明理工大学分析测试基金资助项目（2020M20192108018）工程科学学报，第45卷，第6期：967978，2023年6月ChineseJournalofEngineering,Vol.45,No.6:967978,June2023https:/doi.org/
10、10.13374/j.issn2095-9389.2022.06.07.005;http:/producingROSisproposed.ThispaperproposestheproblemsexistingintheresearchontheactionmechanismofROSandthedeficienciesinthedetectionmethodsofROSandtheirspecificinteractionwithcells.ItissuggestedtocarefullyanalyzetheantibacterialmechanismofROSatthebiological
11、componentlevelundertheguidanceofthegenerationchainofROSandthedynamicbalancesystemofvariousROS.Finally,suggestionsaremadeonthedesignandapplicationofactiveoxygenantibacterialmaterials,andthedevelopmentprospectsareaddressed.KEYWORDSreactiveoxygenspecies(ROS)；photocatalytictechnology；antibacterialmateri
12、als；antibacterialmechanism；detectionmethods随着自然环境保护力度的加大以及人们健康安全意识的提高，生活中抗菌剂的使用越来越广泛，对于抗菌材料的设计研发以及抗菌机理的分析研究也在不断地取得进展.按照作用活性成分不同，抗菌剂分为有机、无机以及有机无机复合型三类抗菌剂.相较于有机抗菌剂中的阳离子吸附型杀菌1和无机抗菌剂中的直接接触型杀菌以及离子渗透型杀菌2，活性氧抗菌由于具有高效持久、良好的生物相容性和环境友好等优点受到广泛重视，其涉及的领域包括生物医学3、遗传学4及环境保护5等.活性氧主要来源于催化材料受光激发的表面高活性反应区域67，是催化反应过程中光生
13、电子/空穴与 O2和 H2O 之间的氧化还原反应中间产物，具有较高的反应活性.其抗菌过程实质是活性氧与生物分子内的抗氧化系统之间不平衡而导致的细胞损伤8，例如活性氧与细胞膜局部反应造成细胞膜脂质过氧化损伤，增强了膜渗透性而引起胞内物质泄露；也可以使 DNA键断裂而破坏基因表达，以及引发功能蛋白失活等结果910，最终导致了细菌的生长抑制和死亡.近期的主要研究已经表明1012，不同构造的催化材料对于活性氧的产量和种类具有显著影响，不同种类的活性氧在稳定性和抗菌表现上也有明显的区别，值得认真分析讨论.因此本文从活性氧的产生方式、化学作用以及抗菌机理等方面进行总结，尤其介绍了主要活性氧物种之间的转化过
14、程以及抗菌过程中常用的检测分析方法，希望能对活性氧抗菌机理的分析和光催化材料的设计提供帮助.1活性氧2活性氧（Reactiveoxygenspecies，ROS）是由光催化材料表面上的光生电子（e）和空穴（h+）这一类具有高能量的载流子与含氧分子反应所生成的氧化还原产物，具有较高的反应活性2,10,12.主要的活性氧种类包括以下 4 种，分别是超氧阴离子自由基（O）、过氧化氢（H2O2）、单线态氧（1O2）和羟基自由基（OH）.除了这四种主要的 ROS，还有臭2氧（O3）和脂类过氧化 RO（烷氧基）、ROO（烷过氧基）、ROOH（氢过氧化物）13等，其中脂类过氧化物是由亚油酸等不饱和脂肪酸被O
15、 或OH 氧化形成.若以氧化还原电势（将 0.00V 的标准氢电极参考电势作为标准还原电势）来具体度量 ROS获取电子并被还原的能力，则电位越强，ROS 对电子的亲和力越大，氧化性越强10，因此电极电位是决定反应能否发生的关键因素之一.表 1 列出了活性氧半反应及其已知的氧化还原电位14以供参考.在生物代谢过程中，正常浓度的 ROS 可作为信号分子8介导细胞信号传输，调控生命活动或参与细胞内功能性物质的氧化修饰15.然而，在特殊环境下（例如，电离辐射），ROS 水平会急剧增加，引起氧化应激8,10而导致细胞死亡.同时 ROS对有机污染物也具有降解除污的能力6,16，具备高效环保的特点.在当今绿
16、色环保的时代背景下，ROS作为抗菌去污双效活性成分，在废水处理、大气污染治理、医疗保健以及食品安全等领域将具有更广阔的应用前景5,1617.当前的研究表明，ROS 作为重要的化学反应中间体10，其鉴定分析、作用机制和动力学评估18都非常重要.目前检测 ROS 的手段还无法完全消除杂质的影响，不同种类 ROS对细胞具体作用方面还存在机理不明确之处.结合新技术，利用生物分子学理论，以 ROS 的生成链及多种 ROS 动态平衡的体系为分析基础，对其抗菌机理的认知可以得到更细致的补充完善.2光催化抗菌材料中 ROS 的产生光催化材料表面活性位点区域能够捕获 O2和H2O 分子，经过催化氧化可以产生足够数量的ROS10,12，这是光催化材料抗菌过程中 ROS 主要的产生来源.另外，生物体内本身也会产生少量 ROS，例如真核细胞中线粒体的能量转化，人体内吞噬细胞的免疫应答等19.在生理浓度下，ROS 在细胞内作为信使20有效调节信号通路或对抗感染，但过量ROS 产生会使细胞抗氧化防御活性不足，进而导致细胞内氧化还原稳态失衡8，此结果即为氧化应968工程科学学报，第45卷，第6期激反应，从而造成细胞