研究速览
局部增强电场处理 （LEEFT） 是一种新型的抗菌方法，其中使用装饰有尖锐结构的电极，如金属纳米线，产生局部增强的电场以灭活细菌。当细胞暴露于强电场时，诱导电穿孔效应，使得细菌的脂质双层膜形成孔洞，从而导致细胞失活。电穿孔是由带电离子运动产生的电物理过程，它不涉及产生化学副产物的电荷转移（即氧化还原反应）。
近日，来自佐治亚理工学院的Xing Xie团队发表了研究工作，通过调整电参数，包括电场、脉冲宽度、频率和占空比（即脉冲宽度与周期的比率），在电物理过程（电穿孔）和电化学过程（氧化）之间调整 LEEFT 的机制。在芯片实验室设备上使用模型细菌Staphylococcus epidermidis（S. epidermidis） 评估抗菌效率和氧化应激。研究了介质电导率对抗菌机制调整的影响。还研究和比较了电穿孔和氧化诱导的细菌灭活的不同模式。使用惰性电极材料（Au）和简单的水基质进行研究，获得的结果和趋势可以作为指导其他条件和应用中的机构调整的基线。
研究要点
要点一：.LEEFT 的可调杀菌机制，兼顾效率与安全性：LEEFT 可通过调节电场强度、脉冲宽度、频率和占空比等参数，在电穿孔和电化学氧化之间切换。电穿孔在低占空比和短脉冲宽度下占主导，杀菌效率高且副产物少，适合饮用水消毒等对水质要求高的应用。电化学氧化在较高占空比和脉冲宽度下占主导，可提高杀菌效率，但副产物多，适合废水处理等对水质要求不高的应用。
要点二：介质导电性对 LEEFT 效率影响：高导电性介质中，电穿孔阈值降低，杀菌效率提高，但更容易发生电化学氧化反应。因此，在高导电性介质中，应使用短脉冲（如纳秒脉冲）以避免氧化反应，并提高杀菌效率。
图文导读
图 1. 芯片上的电穿孔和电化学氧化。(a) 治疗前，芯片表面固定了一层表皮葡萄球菌。(b) 当施加的电场为 6 kV/cm 时，模拟了局部的增强电场。(c, d) 在 8 kV/cm 和 0.1% 占空比下，施加了 10,000 个 2 μs 脉冲以实现电穿孔。(e) 纳米楔尖端附近的细菌被灭活。(d) DCFH-DA 检测不到氧化应激。(e, f) 在 1 kV/cm 下施加单个 2 s 脉冲以实现氧化。(e) 正极表面上的细胞随机被灭活。(f) 在正极周围区域的细胞中检测到显着的氧化应激。(g, h) 在 8 kV/cm 和 0.1% 占空比下，施加了 100 个 200 μs 脉冲以实现电穿孔和氧化的结合。(g) 在正极纳米楔尖端上方有一组细胞被灭活。(h) 检测到显着的氧化应激。(i) 在与面板 (g) 和 (h) 中的相同治疗条件下，添加了 20% 的氧化清除剂 DMSO。(i) 纳米楔尖端上方的细菌受到 DMSO 的保护免受氧化。(j) DMSO 大部分消除了氧化应激。
图 2. 在不同电处理条件下的 LEEFT 性能。图中根据脉冲宽度（水平）和频率/周期（垂直）排列。直流 (DC) 治疗的结果单独显示在面板 (j) 中。除了 DC 治疗之外，所有其他治疗条件的有效治疗时间都保持在 20 ms，通过调整施加的脉冲数量来实现。对于面板 (j) 中的直流治疗，施加单个 2 s 脉冲，使有效治疗时间为 2 s。总治疗时间由周期和脉冲数的乘积计算得出，并标记在每个图的左上角。
图 3. 在 DI 水中，电穿孔和氧化与电场强度、脉冲宽度和占空比的关系。蓝色点和红色圆圈分别代表电穿孔和氧化水平。电穿孔水平是基于将每个治疗条件下负极的总杀菌效率（可逆损伤+细菌灭活）与电场进行拟合得到的线性方程计算的，如图 2 所示。仅使用负极的杀菌效率是为了排除正极氧化效应的影响。氧化水平是基于将测量的氧化应激与电场进行拟合得到的线性方程计算的，然后通过取 20 的氧化应激作为最高水平或 100% 来进行归一化。
图 4. LEEFT 在 (a, b) DI 水和 (c, d) 6.7 mM Na2SO4 溶液中的性能。(a, c) 0.1% 占空比下的 20 ns 脉冲和 (b, d) 2 μs 脉冲。DI 水和 6.7 mM Na2SO4 溶液的电导率分别为 0.5 和 1500 μS/cm。
图 5. 在不同灭活机制下的细菌灭活模式。(a−c) 电穿孔的细菌灭活模式（在 8 kV/cm 和 0.1% 占空比下施加 10,000 个 2 μs 脉冲）(a−c)。(d−f) 电化学氧化的细菌灭活模式（0.5 kV/cm 的直流 5 s）(d−f)。(a, d) 灭活细胞中相对 PI 强度的变化。每条线代表一个细菌细胞的相对 PI 荧光强度。电处理在 0 秒开始。(b, e) 治疗开始后的显微镜图像。(e) 中的细胞在 0 秒时呈现暗红色而不是明亮的红色，都是活细胞。暗淡的颜色来自 PI 染料分子在结合 DNA 之前在细胞膜外积累时的原始荧光。30 秒时颜色的褪色是由于 PI 染料分子的氧化。(c, f) 在纳米楔尖端 © 和两个电极之间的整体区域 (f) 中单个灭活细胞的显微镜图像，显示出不同的染料扩散模式。箭头指示细胞靠近纳米楔尖端并出现细胞损伤的位置。
结论
原文研究了局部增强电场处理 (LEEFT) 中电穿孔和电化学氧化两种杀菌机制之间的调控。作者发现，通过调节电场强度、脉冲宽度、频率和占空比等参数，可以在两种机制之间切换，从而实现高效的杀菌并控制副产物的生成。研究发现，低占空比和短脉冲宽度下，电穿孔占主导，杀菌效率高且副产物少，适合饮用水消毒等对水质要求高的应用。而高占空比和脉冲宽度下，电化学氧化占主导，可提高杀菌效率，但副产物多，适合废水处理等对水质要求不高的应用。此外，介质导电性也会影响 LEEFT 的效率。高导电性介质中，电穿孔阈值降低，杀菌效率提高，但更容易发生电化学氧化反应。因此，在高导电性介质中，应使用短脉冲以避免氧化反应，并提高杀菌效率。这项研究为 LEEFT 的应用提供了重要的理论指导，可以根据不同的应用需求，选择合适的参数，实现高效、安全的杀菌效果。
全文链接：https://doi.org/10.1021/acs.est.4c00503
参考文献：Ting Wang and Xing Xie*, Tuning the Locally Enhanced Electric Field Treatment (LEEFT) between Electrophysical and Electrochemical Mechanisms for Bacteria Inactivation. Environ. Sci. Technol. 2024, 58, 33, 14875–14885
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