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陈媛媛，唐晓宁✉，崔 帅，马 浩，孙佳慧
1) 昆明理工大学化学工程学院，昆明 650500 2) 云南工商学院，昆明 651701
随着自然环境保护力度的加大以及人们健康安全意识的提高，生活中抗菌剂的使用越来越广泛，对于抗菌材料的设计研发以及抗菌机理的分析研究也在不断地取得进展.按照作用活性成分不同，抗菌剂分为有机、无机以及有机无机复合型三类抗菌剂.相较于有机抗菌剂中的阳离子吸附型杀菌[1]和无机抗菌剂中的直接接触型杀菌以及离子渗透型杀菌[2]，活性氧抗菌由于具有高效持久、良好的生物相容性和环境友好等优点受到广泛重视，其涉及的领域包括生物医学[3]、遗传学[4]及环境保护[5]等.活性氧主要来源于催化材料受光激发的表面高活性反应区域[6-7]，是催化反应过程中光生电子/空穴与O2和H2O 之间的氧化还原反应中间产物，具有较高的反应活性.其抗菌过程实质是活性氧与生物分子内的抗氧化系统之间不平衡而导致的细胞损伤[8]，例如活性氧与细胞膜局部反应造成细胞膜脂质过氧化损伤，增强了膜渗透性而引起胞内物质泄露；
也可以使DNA 键断裂而破坏基因表达，以及引发功能蛋白失活等结果[9-10]，最终导致了细菌的生长抑制和死亡.近期的主要研究已经表明[10-12]，不同构造的催化材料对于活性氧的产量和种类具有显著影响，不同种类的活性氧在稳定性和抗菌表现上也有明显的区别，值得认真分析讨论.因此本文从活性氧的产生方式、化学作用以及抗菌机理等方面进行总结，尤其介绍了主要活性氧物种之间的转化过程以及抗菌过程中常用的检测分析方法，希望能对活性氧抗菌机理的分析和光催化材料的设计提供帮助.
活性氧（Reactive oxygen species，ROS）是由光催化材料表面上的光生电子（e-）和空穴（h+）这一类具有高能量的载流子与含氧分子反应所生成的氧化还原产物，具有较高的反应活性[2,10,12].主要的活性氧种类包括以下4 种，分别是超氧阴离子自由基（）、过氧化氢（H2O2）、单线态氧（1O2）和羟基自由基（·OH）.除了这四种主要的ROS，还有臭氧（O3）和脂类过氧化RO·（烷氧基）、ROO·（烷过氧基）、ROOH·（氢过氧化物）[13]等，其中脂类过氧化物是由亚油酸等不饱和脂肪酸被或·OH 氧化形成.若以氧化还原电势（将0.00 V 的标准氢电极参考电势作为标准还原电势）来具体度量ROS获取电子并被还原的能力，则电位越强，ROS 对电子的亲和力越大，氧化性越强[10]，因此电极电位是决定反应能否发生的关键因素之一.表1 列出了活性氧半反应及其已知的氧化还原电位[14]以供参考.在生物代谢过程中，正常浓度的ROS 可作为信号分子[8]介导细胞信号传输，调控生命活动或参与细胞内功能性物质的氧化修饰[15].然而，在特殊环境下（例如，电离辐射），ROS 水平会急剧增加，引起氧化应激[8,10]而导致细胞死亡.同时ROS对有机污染物也具有降解除污的能力[6,16]，具备高效环保的特点.在当今绿色环保的时代背景下，ROS作为抗菌去污双效活性成分，在废水处理、大气污染治理、医疗保健以及食品安全等领域将具有更广阔的应用前景[5,16-17].当前的研究表明，ROS 作为重要的化学反应中间体[10]，其鉴定分析、作用机制和动力学评估[18]都非常重要.目前检测ROS 的手段还无法完全消除杂质的影响，不同种类ROS对细胞具体作用方面还存在机理不明确之处.结合新技术，利用生物分子学理论，以ROS 的生成链及多种ROS 动态平衡的体系为分析基础，对其抗菌机理的认知可以得到更细致的补充完善.
表1 相关分子和活性物质的标准氧化还原电位Table 1 Standard redox potential of related molecules and active substances
光催化材料表面活性位点区域能够捕获O2和H2O 分子，经过催化氧化可以产生足够数量的ROS[10,12]，这是光催化材料抗菌过程中ROS 主要的产生来源.另外，生物体内本身也会产生少量ROS，例如真核细胞中线粒体的能量转化，人体内吞噬细胞的免疫应答等[19].在生理浓度下，ROS 在细胞内作为信使[20]有效调节信号通路或对抗感染，但过量ROS 产生会使细胞抗氧化防御活性不足，进而导致细胞内氧化还原稳态失衡[8]，此结果即为氧化应激反应，从而造成细胞生理功能紊乱使细菌死亡.
2.1 光催化抗菌材料
光催化抗菌材料按成分不同将其划分为有机光催化材料、无机光催化材料和有机无机复合光催化材料三大类，其中有机光催化抗菌材料一般通过电子转移产生ROS[12]，即自身（1PS）形成三重电子激发态（3PS*）.3PS*通过电子或氢原子的转移反应生成、H2O2和·OH 等ROS，或通过能量转移到分子氧（3O2）产生1O2，例如金属有机骨架材料（MOFs）[21]和共价有机骨架材料（COFs）[22].有机光催化抗菌材料具有特殊的生物靶向功能，生效快、能力强，但抗菌有效期短、热稳定性差且安全性[23]需进一步探索研究.目前所报道的无机光催化抗菌材料是以Ti、Zn、Cu、Bi、W、Mo、In 为主的氧化物和硫化物及其多元金属复合材料，均属于半导体光催化材料.按材料所含载流子浓度的差异分为p 型半导体和n 型半导体，n 型半导体中自由电子浓度远大于空穴的浓度，如TiO2[6,9,24]、BiVO4[16,25]和ZnO[26-27]，反之为n 型半导体，如CuO[28-29]和Cu2O[30]等.无机光催化抗菌材料成本低、效果显著、有效期长且无耐药性[2]，但是单一成分的无机光催化抗菌材料也存在诸多问题，如可见光区域的窄吸收、带隙能高、光生载流子分离效率低及复合率高，使其光催化活性受到影响[18]，因此选取合适带隙能值的半导体材料用以构造异质结[6,27]，合成复合材料成为提高无机抗菌材料光催化活性的有效手段之一.
如图1 所示，光催化剂异质结构一般分为三大类：p-n 型、肖特基结和Z 型异质结构[31].简而言之，p-n 型异质结包括两种机制，分别为I 型（图1 (a)）和Ⅱ型（图1 (b)），I 型异质结因其光催化效果不佳已被II 型异质结所取代，II 型异质结利用两材料之间的能级差分离光生电荷，抑制它们之间的重组；
肖特基结（图1 (c)）是半导体-金属接触结构，可以有效地减少电荷载流子的重组，促进材料对光的吸收.最后，Z 型异质结的电荷转移系统（图1 (d)）是由光催化还原系统、光催化氧化系统以及中间电子传递体组成[31]，通过氧化还原介质或固态电子介质捕获并牺牲两半导体之间的少量载流子，以获得大量具有高氧化/还原电位的电荷载体.与传统的光催化剂相比，Z 型异质结光催化剂的电荷载流子迁移路径更短，载流子分离效率更高，氧化还原能力更强[32]，因此Z 型异质结机制被研究者认为是高效光催化应用中最富有价值的研究策略.无机光催化材料的抗菌机制基础来自于活性物质ROS[33]，所以本文以下部分主要讨论无机光催化材料中ROS 的产生机制.
图1 异质结中载流子迁移途径.(a) Ⅰ型;(b) Ⅱ型;(c) 肖特基结;(d) Z 型异质结Fig. 1 Carrier migration path in heterojunctions: (a) type Ⅰ;(b) type Ⅱ;(c) Schottky junction;(d) Z-scheme
2.2 ROS 产生
无机光催化材料产生ROS 的一般机理如图2所示，光催化材料吸收光能，在固体表面产生光生电子（e-）和光生空穴（h+），即当入射光能量大于光催化材料自身带隙时，电子空穴发生分离，电子从价带被激发到导带，空穴则留在价带，此时导带上的电子和价带上的空穴分别具有强还原性和强氧化性，这些载流子与含氧分子接触后通过氧化还原反应产生ROS[10].在实际条件下，H2O 和O2是光催化过程中重要的反应物种，O2与光生电子的还原反应以及H2O 与光生空穴的氧化反应同时发生[34].不同种类的ROS 之间还会相互转化[4]，例如的歧化反应，·OH 的二聚反应以及Haber-Weiss 反应等，相关反应汇总如表2 所示.在光催化抗菌中，抗菌效率受所使用的半导体的种类[6,10,16]、微晶结构及尺寸[29,35]、所采用的菌液条件[27]和光照条件等多种因素的影响.鉴于光催化材料表面载流子的迁移及与吸附物质的多重反应，结合以上影响因素可以优化催化材料设计方案使材料达到最佳效果.另外，缺陷是影响光催化材料性能的重要因素，氧空位（OV）[36]是最常见的阴离子空位点缺陷，适当增加氧空位可以有效调节载流子的传输，增加载流子的浓度，提供丰富的氧吸附位点[6,18].在催化反应过程中，氧空位可以作为电子供体来提高氧活化能[37]，有利于等ROS 的生成，对提高催化氧化还原效率具有重要意义.例如Lyu 等[7]制备了富含表面氧空位（SOV）的碳包覆TiO2材料，O2通过碳层完成吸附—活化—解离的过程，产生和1O2.Zhou 等[38]研究了无光环境中ZnO 纳米材料的{2110}晶面存在氧空位并产生ROS 的过程，同时证实0.5 g·L-1的{2110}-ZnO 在黑暗条件下表现出约为99.99%的抗菌率.由于氧空位对半导体材料，尤其是金属氧化物的物理和化学特性具有显著影响，如电阻阻抗、超导性能、光电化学特性等[6,39]，因此在材料中应该尽量通过温和、简便的方法引入氧空位缺陷，同时注意调控引入位置及氧空位浓度[7]，细致研究材料中氧空位缺陷对其他功能的影响[36]，以避免对结果产生误导，但目前尚未有此类文章报道.
图2 光催化氧化水和还原氧气逐步生成活性氧[34]Fig. 2 Photocatalytic oxidation of water and reducing oxygen gradually generate active oxygen[34]
表2 ROS 反应链汇总Table 2 ROS reaction chain summary
3.1 活性氧(ROS)产生及作用机理
活性氧（ROS）抗菌是指过高浓度的活性氧打破细胞内的抗氧化防御机制，与细菌内的遗传物质、酶、蛋白质等物质反应造成氧化损伤，或与细胞膜（壁）的结构成分反应，造成细胞脂质过氧化，使细菌受损死亡[2,10,13].和H2O2可以被细胞氧化应激诱导的内源性抗氧化剂（酶促和非酶促）分解[13]，因此两者的反应活性略低于·OH 和1O2.ROS虽具有高度的反应活性，但受环境和自身结构的影响很难长时间存在[8]，因此在水生系统中的ROS寿命短且浓度通常较低.除相对稳定的H2O2外，其余ROS 只能在亚毫秒级的时间范围内被检测到（表3）[40]，但其在光催化抗菌过程中却发挥着重要作用.因此探究ROS 的产生过程及作用机理显得尤为重要.
表3 四种ROS 性质表Table 3 Four types of ROS properties
3.1.1 ·OH 的产生及其作用
·OH 是一种具有高氧化能力的非选择性氧化剂[34]，可以快速氧化大多数有机化合物，因此通常被认为是最有效的氧化剂，其生成过程对于讨论光催化氧化反应非常重要.首先在催化剂有效反应区内，由活性位点捕获H2O 所产生的表面羟基是生成·OH 的关键中间体，其次表面羟基因官能团配位数的不同被分为桥接羟基自由基和末端羟基自由基[41]，其中桥接氧离子的质子化以及溶液的pH 值影响两种羟基的生成速率和产量[34].最后所有表面羟基被催化剂价带上的光生空穴所氧化为·OH，如公式(13)所示.此外H2O2的单电子还原或H2O2和的哈伯-韦斯（Haber-Weiss）反应也可以转化为·OH，如表2 中反应公式(4)和(12)所示.
·OH 不能直接透过细胞膜[41]，因此其主要作用于细胞表面，与细胞膜或细胞壁表面的结构成分发生氧化反应，例如·OH 作为氧化剂与细胞膜脂质中的碳=碳双键反应产生过氧化物和氢过氧化物[42]，导致可溶性金属离子或氧化性分子可以进入细胞内部，进而加剧 ROS 介导的脂质过氧化，最终使细胞死亡.·OH 甚至还可以作用于真菌细胞壁，通过取代表面成分中的H 原子使其裂解并将糖苷键转变为酯键.这种现象破坏了真菌细胞壁的完整性，并使细胞壁结构松动，从而导致细胞内物质通过细胞边界流出，Basu 等[43]通过观察MoS2纳米材料处理的链格孢菌的电镜照片发现菌丝产生严重变形.
3.1.3 H2O2的产生及其作用
H2O2的产生主要来源于O2的两电子还原和H2O 的氧化[18]（公式(8)）.从还原为H2O2有两种途径，除导带电子对的还原（公式（1）～（3）），还有超氧化物歧化酶（SOD）作用下的歧化，如公式（14）所示，H2O2后续反应如在过氧化氢酶（CAT）作用下的歧化分解产生O2（公式（15））.
H2O2因其稳定的热力学状态，寿命较长并能稳定发挥氧化作用[8,40]，是光催化抗菌材料长期保持杀菌活性的主要物质.H2O2作为一种扩散型小分子，可以跨过细胞膜到达细胞深处与多种蛋白质或酶反应，阻碍细胞的正常生理功能致细胞死亡[18].另外，进入细胞后的部分H2O2经过酶分解产生·OH，具有更强氧化性的·OH 将会激发一系列的氧化链式反应，攻击膜结构，加重细胞的脂质过氧化损伤，同时使更多的自由基能进入细胞内部，增强对细菌细胞的损伤程度.
3.1.41O2的产生及其作用
1O2的产生涉及三个过程[12]，常规三线态分子氧在光催化材料表面的活性吸附、单电子还原、失电子氧化，而高活性的1O2后续会在催化剂表面淬灭继而发生解离还原成分子氧，因此光生载流子的氧化还原能力是本过程的控速步骤[47].
1O2是氧分子吸收能量后的激发态，其最外层有一个空轨道，易得电子并与其他物质结合生成稳定的化学键.1O2攻击色氨酸、组氨酸和酪氨酸等各类氨基酸以及核糖碱基造成蛋白质和DNA（RNA）的不可逆氧化损伤[48].例如为研究ROS 对遗传性物质的作用，鸟嘌呤[49]中的2’-脱氧鸟苷被1O2从正反两个方向攻击，经过一系列的反应之后形成一对非对映异构体：螺环亚胺基二乙内酰脲dSp，并且H2O 参加了反应中的氢质子转移过程，降低中间产物的反应活化能，有利于反应的继续进行.石婧明用量子化学的方法具体研究了1O2氧化2’-脱氧鸟苷的过程和机理，从活化能、频率分析和NBO 电荷计算等多方面确定了此氧化反应进行的最优路径和机理的合理性[50].
通过以上的分析，可以看出主要的四种ROS可以同时存在，并且可以相互转化，以TiO2为例，其整体反应过程如图3 所示，因此ROS 的抗菌作用机理其实是一种协同作用机制.各种ROS 在催化体系中存在一种动态的平衡，使得细胞在多种ROS 的综合作用下，产生强烈的氧化应激，细胞器与细胞功能物质均会受到不同程度的攻击和损害，最终导致了细胞的衰弱与凋亡.为了能够分辨不同种类ROS 的具体产生机理和抗菌作用机制，就需要较为精确的检测手段来证明各种ROS 的存在证据和作用表现.
图3 ROS 在TiO2 表面上的光催化产生过程Fig. 3 Photocatalytic generation processes of ROS on TiO2 material surfaces
3.2 抗菌过程中活性氧检测方法
ROS 检测方法大致分为直接方法和间接方法两类[40]，直接方法为电子自旋共振（Electron spin resonance，ESR）检测方法，是利用不成对电子在磁场中产生能级分裂或跃迁展现出顺磁性的特点检测ROS[51]，该方法仅利用自由基的顺磁性特征，具有灵敏度高、时间快速、无损检测、定量分析等优势，非常适合于检测环境寿命短的活性氧自由基.此外借助冷冻技术有助于延缓自由基的淬灭过程，研究者在气相低温（77 K 或4 K）条件下，可以通过ESR 直接观察到·OH 和[24,52]，1O2本身虽电子均已配对，但其轨道角动量引起的顺磁特性也会导致ESR 信号变化，因此也可以被ESR 检测到[51].
由于每种ROS 都可以吸收光能，在特定的波长下可以观察到吸收特征峰，同时，吸收峰的观测也受到自由基的最大吸收波长和摩尔吸收系数的影响（表3），摩尔吸收系数越小，对自由基进行光吸收的直接检测就越困难.1O2吸收光能后所产生的光辐射属于磷光发光过程，因此磷光发光法成为直接检测1O2的一种独特方法，是常用检测1O2存在的手段之一.1O2失活转变为稳定的基态氧有两种能量释放方式[53]：1O2→ O2+hv（发光波长为1268 nm）；
21O2→ 2O2+hv（发光波长分别为634 nm 和703 nm）.近红外区1268 nm 处的磷光发光法被普遍认为是检测1O2最直接最可靠的方法，且发光强度与1O2的量成正比[12].除此之外，此种技术还可以确定1O2的产率、寿命和失活速率常数等参数[40].为了延缓自由基的淬灭，通常溶剂环境用D2O 代替H2O，可将其寿命提高到76 μs[40].时间分辨磷光法、空间分辨磷光法及近红外区半导体二极管法等[53-54]技术都提高了传统磷光法的检测灵敏度，但当1O2微量（1 μg）时无法满足前两种方法定量分析要求[34]，检测下限还需要提高.
由于抗菌系统多为溶液环境，在此条件下ROS寿命短且浓度通常较低[8]，除相对稳定的H2O2外，其余ROS 只能在毫秒级以下的时间直接观察到，研究人员提出了使用探针分子捕获自由基以产生较稳定分析物的间接方法[55].相较之下，ESR 检测成本稍高，不适用于大批量检测样品，磷光发光法也只适合检测1O2，因此在抗菌领域当中直接检测还存在一定的限制，间接方法则较大程度上解决了这些问题.间接方法通常涉及特定ROS 与探针分子的反应，以产生更稳定、寿命更长的分析物，这样的反应一般以特定的化学衍生化技术（例如，用氮氧化物或其他自旋试剂捕获自由基）或者竞争动力学为测试基础[40].考虑到实验室条件下检测的可行性、必要仪器和探针分子成本等因素，通常使用光谱检测技术来实现，例如吸光光度法（UV/ Vis），荧光法（FL）、化学发光法（CL）和电子自旋共振法（ESR）等.由于引入了额外的化学反应，这些间接技术有可能扰乱观察到的系统.除此之外，大部分光谱检测策略虽然操作简单、价格低廉、反应迅速，是实验室通用检测手段，但在外部光源条件下从采样到检测活性氧与探针分子的稳定产物还需要一定的时间，无法反映实时ROS 产生，因此还需要稳态动力学分析、停止流方法、时间分辨激光光谱、快速光解和脉冲辐射分解等方法兼并分析[56].而化学发光法（CL）是借助化学反应能量驱动，检测反应产物从激发态返回基态过程中产生的能量发射，不需要额外的光能，规避了大部分问题，因此CL 过程被认为是最灵敏的检测方法之一[34].但不可避免的是，在使用CL 探针时，也会受到溶液酸碱性和其他氧化剂的影响，例如鲁米诺（Luminol）探针只适合在碱性环境下检测ROS，且溶解的O2和H2O2也可以氧化Luminol 产生CL 信 号[57]；
MCLA 探针（6-(4-methoxyphenyl)-2-methyl-3,7-dihydroimidazo-[1,2-a]pyrazin-3-one hydrochloride）虽选择性优于Luminol 探针，但检测的同时1O2也会氧化MCLA[55]，即便CL 系列探针基本是在中性使用的，但pH 值和其他高反应活性离子仍然是多数探针分子的关键影响因素.目前可以通过使用萃取、自由基清除剂或色谱法，在分析之前尽量消除其他活性物质的干扰以获得准确的检测分析结果[56].表4 汇总了四种ROS 的常用探针分子的间接检测方法，包括使用探针分子反应原理及其产物（含产物检测数据条件）、产物的相应检测数据、检测方法类别、检测限、影响因素和该方法的参考文献，供大家参考.
表4 常用探针分子的间接检测方法Table 4 Indirect detection methods of commonly used probe molecules
选择ROS 分析方法时应着重考虑该方法的敏感性、该方法对目标分析物的选择性和特异性，以及该方法允许以足够快的时间分辨率进行测量的能力[40].不同方法之间的特异性差异很大，在进行ROS 鉴定或定量分析时应慎重选择，争取在有限的条件下使用相对合理的检测方法得到较精确的实验结果.
3.3 ROS 催化活性的影响因素和优化措施
ROS 是光催化抗菌过程中最关键的反应物质，研究表明ROS 的产量与细菌存活率之间存在线性相关性（R2=0.84）[68]，此外ROS 的反应活性也很大程度上决定着光催化材料的抗菌效果.研究发现，ROS 的产量和活性取决于光催化材料的基本种类[2,30,35]、能带结构[27,29,69]、反应介质pH[70]、环境温度[28]、掺杂元素[9,71]以及表面修饰[36,38]等因素.首先，ROS 生成类型取决于半导体的禁带宽度值（Energy band）和ROS 生成反应的氧化还原电位（Eh，具体数值参考表1）[14].当光催化材料正电位的价带（Ev）顶或负电位导带（Ec）底相对电位值超过相应的ROS 生成电位[10]，即可产生对应ROS 物种.例如锐钛矿型TiO2（A-TiO2）、ZnO 和ZnS 纳米颗粒可产生三种类型ROS（1O2、OH、），金红石型TiO2（R-TiO2）、CuO、In2S3等只产生一种或两种ROS，而Bi2S3不能产生ROS[72]，如图4 所示.
图4 与超氧物、单线态氧和羟基自由基的标准氧化还原电位相比，典型半导体材料的禁带宽度值及带边位置Fig. 4 Compared with the standard redox potential of superoxide,singlet oxygen,and the hydroxyl radical,the energy band and band edge position of typecial semiconductors.
其次，光催化材料的结构特征，例如尺寸、形貌、晶面暴露率等均对ROS 的产量和活性有一定影响[10,18].通过形态调整技术获得小尺寸大比表面积的材料，能够更容易渗透到细胞内部与细菌底物结合，产生更多的表面活性位点提高载流子分离能力，达到良好的抗菌效果.例如Wen 等[35]制备的1.1 nm 的WO3-x纳米颗粒在细胞内均表现出显著的膜透过性和高毒性ROS 的产生.2D 超薄（厚度＜10 nm）锐钛矿型TiO2研究发现其{001}面暴露率高达90%以上[73]，光照短时间内就可以检测出大量ROS，使得此类光催化抗菌材料见效较快.
第三，环境条件作为外在因素对ROS 活性也起着重要的调节作用，尤其是对反应介质的pH 值和温度研究较多[28,70].生物体内源ROS 活性在极端pH 值和高温下受到明显抑制，但光催化材料产生的外源性ROS 对恶劣条件表现出优异的抗性[74].例如，CuO 纳米棒[28]和铜掺杂磷酸盐玻璃（Cu-PBG）纳米球[75]在较宽的pH 范围（3.0～7.0）及温度范围（25～60 ℃）内均有ROS 的产生，在医学生理条件（pH 值为6，环境温度是37 ℃）下也可以保持对大肠杆菌良好的杀菌效果.
最后，通过表面修饰手段[26,29,71]对光催化材料本体表面物理和化学性质实现有目的性的改变，以增强ROS 产生和杀菌作用，例如表面异质结、表面缺陷控制和表面掺杂等手段.前两种手段已在前文讲述，而表面掺杂元素（金属/非金属）是以调整材料固有的晶体和电子结构从而达到优化氧化还原能力[71,76].对于金属含氧光催化剂而言，构建异质结构和负载贵金属是提高其活性的两种最佳策略[18].例如Liang 等[77]制备的TiO2-ZnO/Au复合材料优异的光催化产氢性能（1068 μmol.g-1，可见光照射4 h）和抗菌性能（达到98.2%），Au 和p-n异质结在此过程中起协同作用.
根据上述影响ROS 产量和活性的条件，可以从以下几个方面提高催化材料ROS 的作用效果：（1）根据ROS 氧化还原电位和材料能带结构设计复合材料，有目的性地制备新型材料；
（2）建立一套统一完整的ROS 活性评价体系，方便不同材料不同条件下的对比分析；
（3）根据实际使用条件和目标要求，合理改性催化材料，避免过度修饰，同时注意绿色环保和可循环处理等要求.
综上所述，活性氧（ROS）抗菌在光催化抗菌过程中具有显著的直接作用与多重功效，例如高效、安全、广谱等特点，在很多领域显示出强大的实际应用前景.但对于活性氧的研究中还存在些许亟待解决的问题，值得深思.首先在机理方面，活性氧自由基在介质中以多种类、多状态（例如活性氧中间体等）相互转化并达到一种稳定的动态平衡，广泛分布在细胞内外的各个区域，协同作用于细胞氧化损伤，所以单独认定哪一类活性氧自由基在抗菌过程中起到最主要作用具有一定的局限性.虽然活性氧抗菌已是普遍认可的一种重要机制，活性氧产生的数量和种类对细菌活动有至关重要的影响，但是活性氧与细菌生物体之间的详细作用关系也缺乏细致研究，不同种类的活性氧自由基对细菌生物之间所产生的具体影响还不够明确，需要在生物学的基础上给予更深入的研究.
其次在检测方面，虽然在目前技术下可以做到ROS 质和量的整体研究，但在活体细菌细胞中进行屏蔽剂清除实验时，破坏体系平衡后难免会对被检测的活性氧造成一定的影响，需要对实验数据进行综合分析.此外，大部分活性氧自由基都存在浓度低、有效存在时间短的问题，目前检测手段还不足以支持对整个活性氧自由基的活体进行原位示踪，观察记录其动态衰减过程.因此改进或创建用于检测瞬态和痕量系统中活性氧的探针对于优化定性和定量分析方法十分重要.
活性氧具有广谱抗菌、无耐药性限制的优点，同时兼具降解有机污染物的性能，使得光催化抗菌材料具备自净能力，这种安全、持久、稳定的特点使得光催化材料在未来有很大的发展空间.但是此类材料的活性氧氧化特性对于有机物基底的材料是存在氧化腐蚀风险的，不能与有机物长期稳定共存；
此外，在卫生医疗领域，催化材料的材质甄别尤为严格和重要，含金属元素的催化材料需要大量实验验证，层层实验把关才可以在特定生物环境中推广使用.因此，光催化抗菌材料的设计应用需要在活性氧产生机理层面上出发，根据使用环境的要求和适度抗菌的目的综合考虑，合理构建材料的构造和负载形式.
