Symmetrical Localized Built-in Electric Field by Induced Polarization Effect in Ionic Covalent Organic Frameworks for Selective Imaging and Killing Bacteria

卟啉 共价键 离子键合 光化学 密度泛函理论 电场 电子转移 材料科学 化学 光敏剂 粪肠球菌 有机化学 计算化学 大肠杆菌 离子 物理 基因 量子力学 生物化学
作者
Jianfang Li,Huiqin Jin,Tao Qin,Feng Liu,Shuilin Wu,Liheng Feng
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:18 (5): 4539-4550 被引量:33
标识
DOI:10.1021/acsnano.3c11628
摘要

Photocatalytic materials are some of the most promising substitutes for antibiotics. However, the antibacterial efficiency is still inhibited by the rapid recombination of the photogenerated carriers. Herein, we design a cationic covalent organic framework (COF), which has a symmetrical localized built-in electric field due to the induced polarization effect caused by the electron-transfer reaction between the Zn-porphyrin unit and the guanidinium unit. Density functional theory calculations indicate that there is a symmetrical electrophilic/nucleophilic region in the COF structure, which results from increased electron density around the Zn-porphyrin unit. The formed local electric field can further inhibit the recombination of photogenerated carriers by driving rapid electron transfer from Zn-porphyrin to guanidinium under light irradiation, which greatly increases the yield of reactive oxygen species. This COF wrapped by DSPE-PEG2000 can selectively target the lipoteichoic acid of Gram-positive bacteria by electrostatic interaction, which can be used for selective discrimination and imaging of bacteria. Furthermore, this nanoparticle can rapidly kill Gram-positive bacteria including 99.75% of Staphylococcus aureus and 99.77% of Enterococcus faecalis at an abnormally low concentration (2.00 ppm) under light irradiation for 20 min. This work will provide insight into designing photoresponsive COFs through engineering charge behavior.
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