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中科院化學(xué)所張軍、田衛(wèi)國團隊《ACS Nano》：纖維素基光熱涂層 - 為種子保護(hù)和糧食存儲提供綠色可持續(xù)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(chǔ)，其關(guān)鍵在于糧食生產(chǎn)與長期存儲。然而各類植物病蟲害給糧食高產(chǎn)造成了巨大障礙。常用的化學(xué)殺菌劑長期使用會導(dǎo)致致病菌產(chǎn)生耐藥性，削弱殺菌效果，加劇土壤污染與農(nóng)藥殘留。因此亟需發(fā)展環(huán)境兼容性好的綠色病害防治新技術(shù)。


  近日，中國科學(xué)院化學(xué)研究所張軍與田衛(wèi)國團隊發(fā)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(jié)合，中和PDA的電負(fù)性，實現(xiàn)電荷反轉(zhuǎn)，有利于材料與細(xì)菌/真菌的結(jié)合，起到暗毒性與光熱協(xié)同抗菌效果。不同于傳統(tǒng)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(zhuǎn)化為熱量，通過在細(xì)菌等微生物周圍產(chǎn)生的局部高溫，對微生物細(xì)胞壁、細(xì)胞膜、蛋白質(zhì)或酶等造成物理性損傷，而實現(xiàn)對細(xì)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(zhuǎn)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(dá)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(nèi)光照區(qū)域局部溫度可升至80 °C以上。同時，在經(jīng)歷反復(fù)5次的升溫-降溫循環(huán)后，對應(yīng)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(wěn)定性與瞬時表面局部高溫抗菌能力是種子保護(hù)或糧食存儲的關(guān)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(xiàn)對細(xì)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(xiàn)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(jié)果證明了PDA@Cell-N+在種子保護(hù)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(dá)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(nèi)部正常細(xì)胞。PDA@Cell-N+包覆的種子培養(yǎng)5天后，種子及附近培養(yǎng)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(fā)芽率為100%，幼苗植株的根系發(fā)達(dá)，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(hù)涂層或包衣，用于提升種子發(fā)芽率，提高糧食產(chǎn)量。 



圖4 PDA NPs@Cell-N+用于種子保護(hù)


  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(fù)使用，其光熱性能不受影響，這也為其在糧食存儲中的應(yīng)用提供了重要基礎(chǔ)。 


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(fā)表在《ACS Nano》上，第一作者為中國科學(xué)院化學(xué)研究所博士研究生季欣，通訊作者為張軍研究員和田衛(wèi)國副研究員。


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

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