金屬有機(jī)骨架（MOFs）作為一種典型的具有高表面積、可調(diào)控孔尺寸以及豐富物理化學(xué)性質(zhì)的晶體材料已得到廣泛應(yīng)用。材料表面上組裝MOFs在拓展其應(yīng)用方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢。然而，制備MOF膜仍然是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的工作，其過程繁瑣而復(fù)雜。近日，吉林大學(xué)工程仿生教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室任露泉院士團(tuán)隊(duì)趙杰副教授課題組報(bào)道了一種利用可見光照，即可在多巴胺（DA）共存體系下將UiO-66粒子組裝在基底表面，該方法不僅具有高效、快速、普適性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，還可避免傳統(tǒng)DA組裝需在紫外、氧化性、弱堿性等環(huán)境的缺點(diǎn)。
在該體系中，可見光、多巴胺（DA）與待組裝粒子UiO-66具有協(xié)同效應(yīng)：可見光誘導(dǎo)UiO-66產(chǎn)生活性氧（ROS），ROS促進(jìn)多巴胺聚合，而聚多巴胺(PDA)又可協(xié)助UiO-66粒子在表面組裝，形成致密、均勻且穩(wěn)定的MOF膜，強(qiáng)力超聲處理后仍保持其表面形態(tài)。借助MOF膜吸附能力，將光敏劑孟加拉紅（RB）引入MOF膜后，所得到的復(fù)合膜展現(xiàn)出對革蘭氏陽性金黃色葡萄球菌(S. aureus)和革蘭氏陰性大腸桿菌(E. coli)的快速光動(dòng)力殺菌效果（圖1）。該研究成果以“Formation and Antibacterial Performance of Metal?Organic Framework Films via Dopamine-Mediated Fast Assembly under Visible Light”（ACS Sustain. Chem. Eng. 2020, 8, 42, 15834–15842）為題發(fā)表在了國際著名期刊ACS Sustainable Chemistry & Engineering，并被選為雜志當(dāng)期正封面。
與采用多巴胺協(xié)助組裝納米顆粒或?qū)妆砻孢M(jìn)行預(yù)修飾的常規(guī)方法不同，該“一步法”實(shí)現(xiàn)了在反應(yīng)體系中性（pH=7），短時(shí)間內(nèi)（4 h）UiO-66在材料表面的組裝（圖2）。該方法既發(fā)揮多巴胺固有的強(qiáng)粘附力與實(shí)驗(yàn)方法簡便的優(yōu)點(diǎn)，可見光與待組裝粒子的協(xié)同作用又打破了傳統(tǒng)多巴胺反應(yīng)耗時(shí)冗長、需要堿性介質(zhì)等反應(yīng)條件的限制。
該工作中提出了基于“多巴胺敏化效應(yīng)”的薄膜構(gòu)建機(jī)理，即多巴胺作為電子轉(zhuǎn)移介質(zhì)將光生電子轉(zhuǎn)移到金屬有機(jī)框架的導(dǎo)帶，使表面的氧還原得到ROS（超氧陰離子），生成的ROS在pH值為7的中性環(huán)境下引發(fā)多巴胺適度聚合，避免多巴胺自身快速聚合形成聚集體，提高了多巴胺利用效率，保證多巴胺作為“粘結(jié)劑”將MOFs固定在基底表面，促進(jìn)MOFs在基底上的組裝（圖3）。此外，選用UV光照射產(chǎn)生大量ROS促進(jìn)多巴胺快速聚合或者利用捕獲劑清除體系中ROS，探究體系中ROS產(chǎn)量對多巴胺聚合與UiO-66組裝的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明大量ROS產(chǎn)生并不利于多巴胺協(xié)助粒子在表面的組裝，而缺少ROS多巴胺則無法在中性條件下快速聚合。
光敏劑是光動(dòng)力學(xué)殺菌的重要構(gòu)成要素。利用MOF膜吸附性能，該工作中將在可見光下能夠穩(wěn)定產(chǎn)生具有殺菌效果的單線氧1O2的光敏劑孟加拉紅（RB）成功引入到MOF膜（圖4）。所制備的抗菌復(fù)合膜展現(xiàn)出出眾的光動(dòng)力殺菌效果，可見光下僅需5分鐘，對兩種試驗(yàn)細(xì)菌（S. aureus與E. coli)殺菌率即可達(dá)到99.9%（圖5、6）。圖 4. (a-b) MOF膜吸附性能表征與(c)可見光下抗菌復(fù)合膜單線氧產(chǎn)率測定.圖 5. MOF復(fù)合膜抗菌實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖6. MOF復(fù)合膜抗菌效果對比與光動(dòng)力殺菌示意圖.此項(xiàng)工作提供了一種可見光調(diào)控、多巴胺介導(dǎo)的快速一步組裝MOF膜的策略，縮短了反應(yīng)時(shí)間，兼具反應(yīng)條件溫和的獨(dú)特優(yōu)勢，且賦予了材料優(yōu)異的抗菌性能，為在不同材料表面組裝MOF膜提供了新的思路。
該論文第一作者為郝凌婉博士，趙杰副教授為通訊作者。
