ChemElectroChem：无机材料/微生物细胞的电子传递过程与ROS毒性相关性研究

一些无机物质，如金属、金属氧化物以及碳基材料等因其固有的微生物毒性（抗菌性）而受到广泛关注。一般认为，产生活性氧物种（ROS: Reactive Oxygen Species，如羟基自由基 •OH、超氧阴离子•O₂^-，及非自由基分子如过氧化氢H₂O₂等）是其具有抗菌性能的主要原因之一。但针对活性氧物种的产生机理，往往众说纷纭。

无机物质|细胞界面是二者发生相互作用的直接场所。因此，无机物质|细胞界面的物理化学过程应该是揭示无机物质细胞毒性的关键。而这在以往的相关研究中却鲜有涉及。烟台大学何涛、张涛、崔伟等研究人员巧妙地运用电化学技术手段，针对无机纳米材料与环境界面的电子转移过程，尤其是ROS的产生机理进行深入研究。研究发现，无机纳米材料的抗菌性能，与其电催化氧还原反应（ORR）的催化活性、产物选择性（产生无毒性的物质如H₂O，或毒性物质ROS）有重要的关联性。无机纳米材料可以从微生物系统获得电子，并将电子传递给氧气，无机纳米材料诱导的电催化ORR产物的选择性是决定其是否具有生物毒性的关键。

研究表明，有氧状态下，没有外界电子的持续注入，无机纳米颗粒如ZnO就不能持续产生羟基自由基等ROS物种；而在无氧状态下，ZnO即便能从细菌获得电子，也无法产生ROS，因此对厌氧型细菌没有杀灭作用。这一研究建立了一种新颖的电化学技术手段，可在高性能无机抗菌剂研制过程中作为抗菌性能评价的一种低成本、简便、快速的方法（相比于细菌培养），也为深入理解无机物质抗菌机制提供了新视角。另一方面，无机材料电催化氧还原（ORR）生成羟基自由基等ROS这一现象，也有望推动电化学杀菌技术在水净化领域的应用。

图1: (a)双电化学工作站(ES)测试机理图。ES1保持在开路状态,检测工作电极电势；ES2连通时检测回路中的电流。(b) 在氮气（粗线）或空气（细线）气氛下，ZnO作为工作电极时的时间-电流、时间-开路电压曲线图。

图2: 无机材料杀菌作用中的电子转移回路。细菌提供电子，无机材料转运电子给氧气分子，无机材料催化氧还原反应的行为决定其是否具有生物毒性。

论文信息

Electrochemically Accessing ROS-Related Cytotoxicity through the Oxygen Reduction Reaction to Identify Antimicrobial Agents**

Dr. Wei Cui, Yuhua Zhao, Dr. Yanyang Han, Prof. Dr. Xiumin Wang, Dr. Rengui Guan, Prof. Dr. Shanshan Liu, Prof. Dr. Tao Zhang, Prof. Dr. Tao He

ChemElectroChem

DOI: 10.1002/celc.202200560

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ChemElectroChem是经过同行评议的科学期刊，发表有关纯电化学和应用电化学的原创性研究。它由Wiley-VCH代表欧洲化学出版协会出版，是Wiley-VCH出版的其他科学期刊的姊妹刊物。该期刊涵盖能源应用，异相催化，界面/表面电化学，光电化学和生物电化学等主题。

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