含铕稀土功能抗菌材料的性能及抗菌机理研究学术报告

一、研究作者与发表信息
本研究由天津包钢稀土研究院有限责任公司的张春霞、李璐、孙丕智、刘岗、崔鸿亮、郭鹏博合作完成，发表于《当代化工研究》（*modern chemical research*）2025年1月刊。研究聚焦于开发一种基于含铕（Europium, Eu）多金属氧簇（Polyoxometallates, POMS）的新型稀土功能抗菌材料，并深入探究其抗菌机制。

二、学术背景与研究目标
细菌感染是全球性健康挑战，传统无机抗菌材料（如ZnO、碱土化合物）存在毒性、环境依赖性等缺陷。稀土元素（Rare Earth Elements, RE）因其独特的物理化学性质，在材料科学和生物医学领域备受关注。本研究旨在通过将含铕多金属氧簇（EuW10）与生物胺精胺（Spermine, SPM）共组装，开发一种高效、低毒且环境适应性强的抗菌材料，并揭示其协同抗菌机制。

三、研究流程与方法
1. 材料制备
- EuW10合成：将Na₂WO₄·2H₂O溶于水，调节pH至7.0–7.5后，滴加Eu(NO₃)₃·6H₂O溶液，80–90℃搅拌反应，冷却结晶得到Na₉[EuW₁₀O₃₆]·32H₂O（EuW10）。
- 组装体构建：将EuW10与不同浓度SPM在MES-NaOH缓冲液（pH=6.5）中混合，室温孵育10分钟，形成EuW10/SPM组装体。

1. 性能表征

   • 荧光光谱分析：通过荧光分光光度计（Shimadzu RF-5301PC）检测EuW10在591 nm（5D₀→7F₁跃迁）和618 nm（5D₀→7F₂跃迁）的发射峰，发现SPM使荧光增强13倍（图1）。
     
   • 粒径与表面电势：动态光散射（DLS）显示，SPM浓度从0.25 μM增至5.0 μM时，组装体粒径从2.7 nm增至91.3 nm（图2）；Zeta电位分析表明，SPM浓度为2.5 μM时，表面电势接近0 mV，体系处于聚沉临界点（图4）。
     

2. 抗菌性能评估

   • 琼脂平板实验：EuW10（50 μM）与SPM（50 μM）以1:1比例组装后，对大肠杆菌的抑菌率从单组分的61.34%（EuW10）和35.57%（SPM）提升至100%（图6）。
     
   • 生长曲线分析：OD600检测显示，组装体处理组的细菌吸光度降至0.07，显著低于对照组（0.98）和单组分组（图5）。
     

3. 抗菌机制研究

   • 活性氧（ROS）生成：通过DCFH-DA荧光探针证实，EuW10/SPM在细菌微环境中催化H₂O₂生成大量ROS（图8），其类过氧化物酶活性源于钨（W）的氧化还原循环（W⁶⁺→W⁵⁺）。
     
   • 协同效应：SPM通过静电作用增强组装体对细菌的摄取能力，而EuW10的ROS爆发导致细菌微环境失衡（图7）。
     

四、研究结果与逻辑关联
1. 荧光增强现象：SPM诱导的聚集效应使EuW10荧光强度提升，证实了组装体的结构稳定性（图1）。
2. 粒径与吸收特性：紫外吸收光谱（260 nm处增强）与粒径变化（图2–3）表明，SPM浓度影响组装体的聚集状态，进而调控其光学性质。
3. 抗菌效能：抑菌率与ROS数据（图6–8）共同证明，EuW10/SPM的协同作用通过物理破坏（细胞壁静电干扰）和化学杀伤（ROS氧化）双重机制实现高效抗菌。

五、结论与价值
1. 科学价值：首次揭示了EuW10/SPM组装体的“荧光-抗菌”双功能协同机制，为稀土抗菌材料设计提供了新思路。
2. 应用价值：该材料在50 mg/L低浓度下即可实现100%抑菌率，且生物相容性高，适用于医疗、包装等领域的抗菌需求。

六、研究亮点
1. 创新性方法：通过共组装策略将稀土荧光特性与抗菌性能结合，开发出多功能材料。
2. 机制突破：阐明了ROS生成与细菌摄取的协同路径，弥补了传统抗菌材料机理研究的不足。
3. 高效性能：相较于单一组分，组装体抑菌率显著提升，且无需光照或碱性环境，适用性更广。

七、其他价值
研究得到北方稀土集团科技项目（BFXT-2023-D-0004）支持，为稀土资源高值化利用提供了范例。作者张春霞（博士）团队在稀土功能材料领域具有深厚积累，为后续研究奠定了技术基础。