CN111248224A - 基于MXene量子点的抗菌剂的制备及抗菌活性测试方法 - Google Patents

基于MXene量子点的抗菌剂的制备及抗菌活性测试方法 Download PDF

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Abstract

一种基于MXene量子点的抗菌剂的制备及抗菌活性测试方法涉及抗菌应用领域。本发明采用电化学方法与光化学方法相结合制备出羧基化MQDs，先使用电化学方法制备得到MQDs，将Ti3AlC2在电解质溶液中聚合为Ti3C2量子点；随后使用光化学方法制备羧基化的MQDs，通过紫外光照下H2O2产生的羟基自由基与MQDs反应，最终得到表面含有大量羧基官能团的MQDs。衍生自二维MXene材料的Ti3C2Tx MXene量子点(MQDs)不仅保留了原始MXene层状材料的优异电导率，温度和化学稳定性，而且还展现出了良好的水溶性、生物相容性和低毒性，使得Ti3C2Tx MXene量子点在抗菌领域具有极大的应用潜力。

Description

基于MXene量子点的抗菌剂的制备及抗菌活性测试方法
技术领域
本发明涉及抗菌应用领域，具体涉及一种基于羧基化的MXenes(如：Ti3C2)量子点的新型抗菌剂的制备及抗菌活性测试方法，属于半导体材料领域。
背景技术
抗菌剂是一类具有抑菌和杀菌性能的物质或产品，是抗菌材料的核心。抗菌剂中，无机抗菌剂主要是利用银、铜、锌、钛、汞、铅等金属及其离子的杀菌或抑菌能力制得的抗菌剂。无机抗菌剂的优点是耐热性好(＞600℃)、抗菌范围广、抗菌力强、安全性较高等，但是其制造困难，工艺复杂，易变色，且不同的金属在应用中也有限制性。
Ti3C2MXene基量子点(MQDs)，作为新型无机纳米材料与传统银系材料和碳基材料相比，克服了其稳定性差、生物毒性等问题，是一种安全无毒有着巨大应用潜力的抗菌材料。MQDs作为一种新的二维材料家族的成员，凭借其生物适应性高、溶水性良好等多种优势，有望在未来应用于医学成像、生物传感器、光电器件等多个领域，因此研究MQDs的抗菌性能具有重要意义。
含氧基团对MQDs的性能有很大影响，我们通过电化学方法结合光化学方法制备了羧基化MQDs，来提高其抗菌性能，并探究其抗菌机理，拓展其在生物抗菌领域的应用。
发明内容
要解决的技术问题
目前常见的无机抗菌剂材料由于尺寸较大，不易吸附在细菌细胞表面进而难以破坏细胞膜和DNA结构，而且很难克服细菌的耐药性，时效性较差。
针对上述问题，本发明旨在提供一种新的抗菌材料设计方案，即采用一种简单的光化学方法，使用UV/H2O2来处理电化学方法制得的MQDs得到羧基化MQDs，并评估其抗菌性能。
一种基于MXene量子点的抗菌剂的制备方法，其特征在于采用电化学方法与光化学方法相结合制备出羧基化MQDs，先使用电化学方法制备得到MQDs，将Ti3AlC2在电解质溶液中聚合为Ti3C2量子点；随后使用光化学方法制备羧基化的MQDs，通过紫外光照下H2O2产生的羟基自由基与MQDs反应，最终得到表面含有大量羧基官能团的MQDs。
进一步地，具体制备过程如下：
步骤1：使用块状商用Ti3AlC2(凯烯陶瓷粉末公司，0.5cm×0.5cm×2cm)作为工作电极，铂丝作为对电极，采用四甲基氢氧化铵(TMA·OH)和NH4Cl溶液混合为电解液；
步骤2：使用CHI 660D电化学工作站，通过两电极体系恒电位法制备MQDs；扫描电压和扫描时间分别为0.1V和1h；
步骤3：将制备的电解液以8000r/min离心15分钟，取上清液并再次离心，重复多次后直至溶液中不存在沉淀；
步骤4：将溶液用220nm水系聚醚砜针头式过滤器过滤并用21mm(MD25)透析袋连续透析3天后，获得MQDs水溶液，浓度为0.12mg/mL；
步骤5：将4mL的MQDs溶液倒入10mL的玻璃瓶中再加入40微升(30％)的H2O2；超声5分钟使溶液混合均匀后，采用254nm的UV光源照射，UV光强度为8W，混合溶液与UV灯的距离保持0.5cm,照射时间为24h,得到羧基化MQDs，浓度仍为0.12mg/mL。
进一步地，所述步骤1中20mL电解液中包含0.1M四甲基氢氧化铵(TMA·OH)和0.2MNH4Cl溶液；所述步骤2施加电压为0.1V，时间为1h；所述步骤5紫外光源波长为254nm,光强度为8W,溶液与光源保持0.5cm的距离，照射时间为24h。
如上所述方法制备的抗菌剂的抗菌活性测试方法，具体测试步骤为：
(1)配培养基：在锥形瓶中配置100mL的Luria-Bertani(LB)液体培养基，100mL去离子水中包括了1g NaCl 1、0.5g酵母和1g胰蛋白胨。在超声作用下将锥形瓶中配制好的LB培养基溶液混合均匀之后将100mL的LB培养基分为2份放入两个锥形瓶中，用膜封好之后放入灭菌箱中进行灭菌处理。
(2)复苏细菌：将冷冻的枯草芽孢杆菌放入水中进行解冻。之后打开酒精灯用酒精擦拭样品，再用酒精灯外焰轻烧放置LB培养基的锥形瓶瓶口。最后将细菌加入到LB液体培养基中混合均匀并放入摇床中培育14h。
(3)配制固体LB培养基：根据固体LB培养基配方将5g NaCl、2.5g酵母、5g胰蛋白胨和10g琼脂溶于500mL去离子水中混合均匀。将配好的液体培养基倒入培养皿中制作多个LB固体培养基。
(4)传菌：通过接种环在平板上传菌后将平板用封条封住，放入30℃的摇床中培养约12h。
(5)样品与菌作用：首先配置108CFU/mL的细菌溶液。具体操作如下：20mL PBS放入大试管中备用。之后在10mL EP管中放入8mL PBS与一定量的细菌。在2个培养皿中的其中一个加入PBS溶液作为对照组，另一个放入PBS与细菌的混合物后测定其吸收值，使得吸收值在0.2左右即证明得到了108CFU/mL的细菌溶液。取10μL配置好的108细菌溶液加入到1mL的样品溶液中(细菌浓度变为106CFU/mL)后放入37℃培养箱中培育2h。
(6)涂平板：将培育好的106CFU/mL混合溶液稀释至104CFU/mL。之后取100μL溶液滴在平板上，并用涂布棒涂平。同时，每组实验做了两个平行样。最后用封条封装好后放入37℃培养箱中培养12h，观察细菌的生长情况。
本发明有益效果
(1)本发明所述的制备方法简单，成本低廉并且环境友好，具有一定的商业可行性；
(2)本发明通过光化学方法对MQDs进行处理，使MQDs表面的羧基基团数量显著增加，羧基化的MQDs具有极强的抗菌性能。
附图说明
图1为羧基化MQDs的TEM(a)、HRTEM(b)及尺寸分布图(c)；
图2为MQDs和羧基化MQDs的XPS图(a)及MQDs和羧基化MQDs的O1s图(b-c)；
图3为枯草芽孢杆菌重新培养的琼脂平板照片(a)、(b)；羧基化的MQDs溶液的枯草芽孢杆菌失活测定比率(c)。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步的阐述。
实施例1
以电化学制备Ti3C2QDs为例，具体为：使用块状商用Ti3AlC2作为工作电极，铂丝作为对电极，采用四甲基氢氧化铵(TMA·OH)和NH4Cl溶液混合为电解液，使用CHI 660D电化学工作站，通过两电极体系恒电位法制备MQDs；其扫描电压和扫描时间分别为0.1V和1h；将制备的电解液以8000r/min离心15分钟，取上清液并再次离心，重复多次后直至溶液中不存在沉淀；将溶液用220nm水系聚醚砜针头式过滤器过滤并用21mm(MD25)透析袋连续透析3天后，获得MQDs水溶液(0.12mg/mL)。
随后对制得的MQDs施以UV/H2O2调控制备羧基化MQDs，具体为：将4mL的MQDs溶液倒入10mL的玻璃瓶中再加入40微升(30％)的H2O2；超声5分钟使溶液混合均匀后，采用254nm的UV光源照射，UV光强度为8W，混合溶液与UV灯的距离保持0.5cm,照射时间为24h,得到羧基化MQDs(0.12mg/mL)，并对最终得到的羧基化MQDs进行抗菌性能的测试。
为了测试其抗菌活性，我们使用了羧基化MQDs水溶液处理枯草芽孢杆菌后涂布在琼脂平板上孵育12h，采用细菌计数法对它们的抗菌性能进行了评估。
附图1显示了羧基化MQDs的TEM、HRTEM及尺寸分布情况。
通过UV/H2O2对MQDs的处理，我们对制备的羧基化MQDs样品进行了TEM和HRTEM分析。由TEM图像可以看出样品显示了尺寸均一、分离良好的纳米颗粒分布。其平均粒径尺寸分布图显示其横向尺寸分布3.5±0.4nm。此外，从高分辨率透射(HRTEM)图中明确可见，样品表现出分辨率良好的晶格条纹，条纹间距为0.22nm，与MXene纳米片的(105)结晶面相吻合，表明其核心结构相似，依旧保持着MXene纳米片的基本结构和组成。可以预见，UV/H2O2处理方式主要影响MQDs的表界面形态，并没有改变其本征结构。
附图2显示了对MQDs和羧基化MQDs进行的XPS表征，以探究两者的组成及含氧官能团变化。两组样品在XPS测试光谱中均表现出相同的元素组成，MQDs和羧基化MQDs的O含量占比分别为21.66％和23.21％，表明随着MQDs中的H2O2的加入，羧基化MQDs的氧化程度有些许增加。进一步分析MQDs和羧基化MQDs表面含氧官能团的变化，将它们的O1s分峰成了四个组分，分别为Ti-O，C＝O，C-O和O＝C-OH。MQDs在经过UV/H2O2处理后的羧基化MQDs的Ti-O，C＝O，O＝C-OH基团含量分别增加到9.1％，41.3％和14.6％，C-O基团含量减低到35.0％。结果显示原始MQDs经过UV/H2O2处理后，C-O基团含量降低，C＝O和O＝C-OH官能团显著增加，这说明了后氧化处理主要改变了MQDs表面的含氧官能团，而其含氧基团的改变会引起MQDs的性能的变化。
附图3显示了用PBS和羧基化的MQDs分别处理枯草芽孢杆菌菌落后的典型照片。从图中可以看出琼脂平板上的菌落存在显著差异，以PBS溶液的抗菌活性为对照组，随着MQDs溶液的加入，菌落数量明显逐步减少。用羧基化的MQDs处理枯草芽孢杆菌的失活率超过93.8％。
实施例2
电化学方法制备Ti3C2QDs，具体为：采用两电极体系恒电位法制备MQDs；块状商用Ti3AlC2作为工作电极，铂丝作为对电极，使用四甲基氢氧化铵(TMA·OH)和NH4Cl溶液混合为电解液，使用CHI 660D电化学工作站；其扫描电压和扫描时间分别为0.2V和30分钟；将制备的电解液以9000r/min离心5分钟，取上清液并再次离心，重复多次后直至溶液中不存在沉淀；将溶液用220nm水系聚醚砜针头式过滤器过滤并用21mm(MD25)透析袋连续透析3天后，获得MQDs水溶液(0.12mg/mL)。
对制得的MQDs进行UV/H2O2调控制备羧基化MQDs，具体为：将4mL的MQDs溶液倒入10mL的玻璃瓶中再加入5微升(30％)的H2O2；超声5分钟使溶液混合均匀后，采用254nm的UV光源照射，UV光强度为8W，混合溶液与UV灯的距离保持1cm,照射时间为24h,得到羧基化MQDs(0.12mg/mL)，并对最终得到的羧基化MQDs进行抗菌性能的测试。
实验结果表明，羧基化的MQDs展现出明显的抗菌活性的改善。
本发明包括但不限于以上实施例，凡是在本发明精神的原则之下进行的任何等同替换或局部改进，都将视为在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于MXene量子点的抗菌剂的制备方法，其特征在于采用电化学方法与光化学方法相结合制备出羧基化MQDs，先使用电化学方法制备得到MQDs，将Ti3AlC2在电解质溶液中聚合为Ti3C2量子点；随后使用光化学方法制备羧基化的MQDs，通过紫外光照下H2O2产生的羟基自由基与MQDs反应，最终得到表面含有大量羧基官能团的MQDs。
2.根据权利要求1所述基于MXene量子点的抗菌剂的制备方法，其特征在于，具体制备过程如下：
步骤1：使用块状商用Ti3AlC2作为工作电极，铂丝作为对电极，采用四甲基氢氧化铵(TMA·OH)和NH4Cl溶液混合为电解液；
步骤2：使用CHI 660D电化学工作站，通过两电极体系恒电位法制备MQDs；扫描电压和扫描时间分别为0.1V和1h；
步骤3：将制备的电解液以8000r/min离心15分钟，取上清液并再次离心，重复多次后直至溶液中不存在沉淀；
步骤4：将溶液用220nm水系聚醚砜针头式过滤器过滤并用21mm(MD25)透析袋连续透析3天后，获得MQDs水溶液，浓度为0.12mg/mL；
步骤5：将4mL的MQDs溶液倒入10mL的玻璃瓶中再加入40微升(30％)的H2O2；超声5分钟使溶液混合均匀后，采用254nm的UV光源照射，UV光强度为8W，混合溶液与UV灯的距离保持0.5cm,照射时间为24h,得到羧基化MQDs，浓度仍为0.12mg/mL。
3.根据权利要求2所述基于MXene量子点的抗菌剂的制备方法，其特征在于，所述步骤1中每20mL电解液中包含0.1M四甲基氢氧化铵(TMA·OH)和0.2M NH4Cl溶液；所述步骤2施加电压为0.1V，时间为1h；所述步骤5紫外光源波长为254nm,光强度为8W,溶液与光源保持0.5cm的距离，照射时间为24h。
4.一种采用权利要求1或2所述方法制备的抗菌剂的抗菌活性测试方法，其特征在于具体测试步骤为：
(1)配培养基：在锥形瓶中配置100mL的Luria-Bertani(LB)液体培养基，100mL去离子水中包括了1g NaCl 1、0.5g酵母和1g胰蛋白胨；在超声作用下将锥形瓶中配制好的LB培养基溶液混合均匀之后将100mL的LB培养基分为2份放入两个锥形瓶中，用膜封好之后放入灭菌箱中进行灭菌处理；
(2)复苏细菌：将冷冻的枯草芽孢杆菌放入水中进行解冻；之后打开酒精灯用酒精擦拭样品，再用酒精灯外焰轻烧放置LB培养基的锥形瓶瓶口；最后将细菌加入到LB液体培养基中混合均匀并放入摇床中培育14h；
(3)配制固体LB培养基：根据固体LB培养基配方将5g NaCl、2.5g酵母、5g胰蛋白胨和10g琼脂溶于500mL去离子水中混合均匀；将配好的液体培养基倒入培养皿中制作多个LB固体培养基；
(4)传菌：通过接种环在平板上传菌后将平板用封条封住，放入30℃的摇床中培养12h；
(5)样品与菌作用：首先配置108CFU/mL的细菌溶液；具体操作如下：20mL PBS放入大试管中备用；之后在10mL EP管中放入8mL PBS与一定量的细菌；在2个培养皿中的其中一个加入PBS溶液作为对照组，另一个放入PBS与细菌的混合物后测定其吸收值，使得吸收值在0.2左右即证明得到了108CFU/mL的细菌溶液；取10μL配置好的108细菌溶液加入到1mL的样品溶液中，细菌浓度变为106CFU/mL后放入37℃培养箱中培育2h；
(6)涂平板：将培育好的106CFU/mL混合溶液稀释至104CFU/mL；之后取100μL溶液滴在平板上，并用涂布棒涂平；同时，每组实验做了两个平行样，最后用封条封装好后放入37℃培养箱中培养12h，观察细菌的生长情况。
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