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中科院化學所張軍、田衛國團隊《ACS Nano》：纖維素基光熱涂層 - 為種子保護和糧食存儲提供綠色可持續解決方案

2023-07-15 來源：高分子科技

糧食安全是國家安全的重要基礎，其關鍵在于糧食生產與長期存儲。然而各類植物病蟲害給糧食高產造成了巨大障礙。常用的化學殺菌劑長期使用會導致致病菌產生耐藥性，削弱殺菌效果，加劇土壤污染與農藥殘留。因此亟需發展環境兼容性好的綠色病害防治新技術。

近日，中國科學院化學研究所張軍與田衛國團隊發展了一種基于聚多巴胺納米粒子（PDA NPs）和水溶性纖維素季銨鹽（Cell-N⁺）的纖維素基光熱抗菌材料（圖1）。Cell-N⁺帶有正電荷，可與PDA通過靜電相互作用結合，中和PDA的電負性，實現電荷反轉，有利于材料與細菌/真菌的結合，起到暗毒性與光熱協同抗菌效果。不同于傳統抗生素作用機制，光熱治療（PTT）是利用光敏劑將吸收的光能轉化為熱量，通過在細菌等微生物周圍產生的局部高溫，對微生物細胞壁、細胞膜、蛋白質或酶等造成物理性損傷，而實現對細菌、真菌等微生物的有效殺滅。

圖1 纖維素基光熱涂層的制備及光熱抗菌示意圖

光熱轉換能力直接決定了PDA NPs@Cell-N⁺的光熱抗菌效果。在808 nm近紅外光（2 W/cm²）輻照下，PDA NPs@Cell-N⁺水分散液可從23.4 °C升至52.6 °C，2-3 min即可達到平衡溫度。成膜后，PDA NPs@Cell-N⁺光熱性能更強，在200 mW/cm²的808 nm激光光照下，10-20 s內光照區域局部溫度可升至80 °C以上。同時，在經歷反復5次的升溫-降溫循環后，對應升溫速率與平衡溫度無任何衰減跡象。PDA NPs@Cell-N⁺材料良好的熱穩定性與瞬時表面局部高溫抗菌能力是種子保護或糧食存儲的關鍵。（圖2）

圖2 PDA NPs@Cell-N⁺的光熱性能評價

如圖3所示，利用Cell-N⁺的暗毒性和PDA的光熱性能，可實現對細菌金黃色葡萄球菌（S. aureus）、大腸桿菌（E. coli）的高效殺滅（抑菌率分別為98.7%和95.4%），同時也可實現對種子致病真菌腐皮鐮孢菌和黃曲霉菌的有效抑制（抑菌率接近100%和99.9%）。這些結果證明了PDA@Cell-N⁺在種子保護和谷物儲存中對抗微生物的巨大能力。

圖3 PDA NPs@Cell-N⁺的抗菌性能評價

將PDA@Cell-N⁺溶液包覆綠豆種子表面形成涂層，可通過光熱作用清除其表面攜帶的致病菌。如圖4所示，用808 nm近紅外光（200 mW/cm²）輻照10 min后，PDA@Cell-N⁺包覆的種子表面可從29.6 °C升至73.8 °C。同時在1 min左右即可達到溫度平衡，在保證種子表面病原菌受到充分熱量輻照的同時而不損害種子內部正常細胞。PDA@Cell-N⁺包覆的種子培養5天后，種子及附近培養基未見任何菌落，所有種子都長出了健康的白色胚根，新生胚根生命力旺盛。同時，種子的發芽率為100%，幼苗植株的根系發達，有利于幼苗期植株的快速生長。因此，PDA@Cell-N⁺可作為一種綠色的非毒性種子保護涂層或包衣，用于提升種子發芽率，提高糧食產量。

圖4 PDA NPs@Cell-N⁺用于種子保護

除此之外，PDA NPs@Cell-N⁺具有較好的生物相容性，并且在種子使用前可被清洗掉，清洗后的種子表面無材料殘留，可直接用于后序加工食用。同時，清洗后的PDA NPs@Cell-N⁺水分散液可重復使用，其光熱性能不受影響，這也為其在糧食存儲中的應用提供了重要基礎。

圖5 PDA NPs@Cell-N⁺用于長期谷物儲存

該項研究以“Cellulose-Based Photothermal Coating: A Sustainable Solution for Seed Protection and Long-Term Grain Storage”為題發表在《ACS Nano》上，第一作者為中國科學院化學研究所博士研究生季欣，通訊作者為張軍研究員和田衛國副研究員。

原文鏈接：https://doi.org/10.1021/acsnano.3c03660

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（責任編輯：xu）

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