CN116803270A - 一种碳点作为抗菌材料的应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种碳点作为抗菌材料的应用，属于抗菌剂技术领域。本发明的碳点作为抗菌材料的应用，所述碳点是将对苯二胺溶液进行溶剂热处理合成。本发明的作为抗菌材料的碳点通过对苯二胺的简单溶剂热处理一步合成，作为碳点合成的唯一前驱体的对苯二胺分子具有两个‑NH2，其在生理pH下具有正电荷(‑NH3 +)，因此对苯二胺可以作为季铵基团的来源使合成的碳点表面被季铵基团覆盖。由于季铵基团是一种有效的抗菌基团，碳点表面大量带有正电荷的季铵基团可使碳点通过静电作用吸附在带有负电荷的细菌细胞膜上，通过破坏细胞膜而导致细菌死亡，因此该碳点具有较强的光谱抗菌活性，并且不会引起细菌的耐药性。
Description
技术领域
本发明涉及一种碳点作为抗菌材料的应用，属于抗菌剂技术领域。
背景技术
随着多重耐药细菌的出现，常用的抗生素不再有效，细菌感染正被认为是世界上最大的公共卫生威胁之一。因此，发现和设计不同于传统小分子抗生素的新型高效抗菌药物是一项紧迫的任务。最近，纳米科学和纳米技术的迅速发展为抗菌治疗提供了有前途的替代方法。纳米材料具有比表面积大的优点，可以通过静电作用充分与细菌接触，从而使细菌细胞膜通透性和呼吸功能被破坏，最终导致细菌死亡。此外，被细菌内吞的纳米粒子可以通过破坏氨基酸和影响DNA的合成，进而导致细菌程序性凋亡。一些贵金属纳米粒子(如：Ag、Au纳米颗粒)和金属氧化物纳米粒子(如：TiO2、ZnO、Fe2O3、CuO)均具有良好的抗菌活性。与传统抗生素(有机小分子)相比，纳米粒子由于其是通过破坏细胞膜和影响细胞与外界的物质交换进而导致细菌死亡的，所以纳米粒子被认为具有多种抗菌作用的潜力，而且被证明不会诱导细菌产生耐药性。虽然这些金属和金属氧化物的纳米粒子具有优良的抗菌活性，但在实际的应用中这类纳米粒子会不断释放金属粒子，对人体具有潜在的细胞毒性，因此这些纳米粒子长期使用的生物安全性有待进一步研究。
作为一种新兴的无金属纳米颗粒，碳点以其易于合成和修饰、尺寸极小、优良的荧光性能、低细胞毒性、和优异的水溶性而引起人们的广泛关注。这些迷人的特性使得碳点被广泛应用在光催化剂、能量转换、生物成像、生物传感器、光热疗法、药物传递和基于细胞的组织工程领域。最近，研究人员也将目光转移到碳点的抗菌活性。在大多数关于抗菌碳点的研究工作中，抗菌机制都是利用碳点产生的活性氧诱导细菌产生氧化应激反应来实现的。而活性氧的产生往往需要光照或者过氧化氢的加入，然而不幸的是，过氧化氢的加入或者光刺激会使治疗过程复杂化，也可能回对人体的敏感组织造成意外损伤。因此，人们非常希望能在没有外源性刺激下探索出具有抗菌活性的碳点。Huang等在《Synthesis of Self-Assembled Spermidine-Carbon Quantum Dots Effective Against Multidrug-Resistant Bacteria》(Adv.Healthcare Mater.2016,5:2545-2554)中公开了通过180℃固态热解柠檬酸得到碳点，然后在260℃的高温下在碳点上修饰上亚精胺。采用了两步合成的方法，解决了抗菌碳点通常需要光刺激或过氧化氢加入的问题，所获得的亚精胺修饰的碳点具有良好的抗菌活性。此方法制备的碳点虽然解决了应激刺激问题，但合成步骤比较复杂。
发明内容
本发明的目的是提供一种采用简单方法合成的碳点作为抗菌材料的应用。
为了实现以上目的，本发明所采用的技术方案是：
一种碳点作为抗菌材料的应用，所述碳点是将对苯二胺溶液进行溶剂热处理合成。
本发明的作为抗菌材料的碳点通过对苯二胺的简单溶剂热处理一步合成，作为碳点合成的唯一前驱体的对苯二胺分子具有两个-NH2，其在生理pH下具有正电荷(-NH3 +)，因此对苯二胺可以作为季铵基团的来源使合成的碳点表面被季铵基团覆盖。由于季铵基团是一种有效的抗菌基团，碳点表面大量带有正电荷的季铵基团可使碳点通过静电作用吸附在带有负电荷的细菌细胞膜上，通过破坏细胞膜而导致细菌死亡，因此该碳点具有较强的光谱抗菌活性，并且不会引起细菌的耐药性。此外，由于细胞在安静状态时，正电荷位于膜外一侧(膜外电位为正)，负电荷位于膜内一侧(膜内电位为负)，因此在正常情况下该碳点几乎不具有细胞毒性。
本发明利用典型的革兰氏阴性菌(大肠杆菌)和革兰氏阳性菌(金黄色葡萄球菌)考察将对苯二胺进行溶剂热处理合成的碳点的抗菌活性。结果表明，所合成的碳点对两种菌的最小杀菌浓度(MBC)均小于先前的报道，说明此碳点可以作为广谱型抗菌剂用。
本发明的以对苯二胺作为唯一碳源合成的碳点表面覆盖大量的-NH3+正电荷基团，可以显著增强碳点的抗菌活性，并且杀菌过程非常简单，不需要光刺激或者H2O2的加入。
进一步地，所述抗菌材料为革兰氏菌抗菌材料。所述革兰氏菌为革兰氏阳性菌或革兰氏阴性菌。更进一步地，所述革兰氏菌为金黄色葡萄球菌(S.aureus)或大肠杆菌(E.coli)。其中金黄色葡萄球菌为典型的革兰氏阳性菌，大肠杆菌为典型的革兰氏阴性菌。所述碳点对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌均有明显的杀菌效果。
进一步地，所述溶剂热处理的温度为140～200℃，例如为180℃，时间为6～20h，例如为12h。
进一步地，所述碳点采用包括以下步骤的方法制得：将对苯二胺溶液进行溶剂热处理后固液分离，再得到的液相除去溶剂，即得。溶剂热处理不仅可以极大的简化抗菌碳点的合成及修饰步骤，并能够更好地控制碳点表面的官能团及带电情况，使碳点具有优良的抗菌活性。所述固液分离是先进行离心处理，再将离心处理的上清液采用微孔膜过滤。
进一步地，所述固液分离包括先将溶剂热处理得到的体系进行离心处理，再将离心处理的上清液采用微孔膜进行过滤。所述离心处理的转速为8000～12000rpm，例如为10000rpm；离心处理的时间为8～12min，例如为10min。所述微孔膜的孔径优选为0.22μm。
进一步地，所述对苯二胺溶液中对苯二胺的浓度为5×10-3～9×10-3mol/L。可以理解的是，所述对苯二胺溶液的溶剂为有机溶剂。进一步地，所述对苯二胺溶液的溶剂为醇类溶剂，例如乙醇。
附图说明
图1为实施例1中制备的碳点(曲线b)和对苯二胺(曲线a)的紫外可见吸收光谱图和碳点的荧光发射光谱图(曲线c)，插图为滤液在日光(左)和365nm紫外灯(右)下拍摄的照片；
图2为实施例1中制备的碳点的透射电子显微镜图(A)和粒径分布图(B)；
图3为用不同浓度碳点对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌作用3小时，在37℃下培养16小时后的琼脂平板图(A)以及不同浓度碳点处理大肠杆菌和金黄色葡萄球菌后的细菌存活率图(B)。
具体实施方式
以下结合具体实施方式对本发明的技术方案作进一步的说明。
实施例1
本实施例的碳点作为抗菌材料的应用，是碳点作为金黄色葡萄球菌抗菌材料的应用。
所采用的碳点采用包括以下步骤的方法制得：
1)将对苯二胺加入乙醇中后超声处理30min，使对苯二胺充分溶解，得到浓度为9×10-3mol/L的对苯二胺溶液。
2)然后将得到对苯二胺溶液转移至聚四氟乙烯内衬的高压釜中在180℃烘箱中加热12h后，自然冷却至室温(约20℃)，即获得了暗红色悬浮液。
3)将得到的暗红色悬浮液在高速离心机中以10000rpm的转速离心10分钟，再将清液过0.22μm的微孔膜过滤器以去除较大的颗粒，将得到的滤液真空干燥，得到纯化后的碳点。
为了验证实施例1中碳点是否成功合成，准确称取实施例1中纯化后的碳点1mg分散在1mL的纯水中，得到碳点分散液，然后测量碳点分散液的紫外可见吸收光谱，并与原料对苯二胺的吸收光谱进行比较，如图1所示。由图1可知，碳点分散液(曲线a)在245nm和285nm处出现两个明显的紫外吸收，它们分别来自C-C和C＝C键π-π*的电子跃迁，和C-O和C＝O键n-π*的电子跃迁。然而，反应物对苯二胺(曲线b)仅在240nm处有一个尖峰，在510nm并无紫外吸收峰，而碳点分散液在510nm处有一个明显的吸收峰。另外，在510nm的激发下，碳点分散液在580nm处产生了强烈的荧光发射(曲线c)。在图1的插图中可以看到碳点分散液在日光下呈现浅粉色，而在365nm的紫外灯照射下产生了明亮的红色荧光。
准确称取实施例1中制备的纯化后的碳点1mg分散在1mL纯水中，得到碳点分散液；对得到的碳点分散液进行透射电镜测试，结果如图2A所示。由图2A可知，制备的碳点呈球形，且在水中分散良好。在高分辨透射电子显微镜下我们可以看到统一的晶格条纹，条纹间距为0.21nm，该晶格对应石墨化碳的100面内晶格。
对实施例1中制得的碳点利用动态光散射进行粒径分析，结果如图2B所示，合成的碳点直径主要分布在2.5-4.0nm之间，直径为3.2nm的碳点含量最多，占35％以上。以上结果说明，实施例1利用对苯二胺成功合成了碳点，且碳点粒径均匀，在水中具有良好的分散性。
实施例2
本实施例的碳点作为抗菌材料的应用，是碳点作为大肠杆菌抗菌材料的应用。所采用的碳点同实施例1。
实施例3
本实施例的抗菌剂为金黄色葡萄球菌或大肠杆菌抗菌剂，抗菌剂具体是将实施例1中制备的碳点分散在水中形成的浓度为2～30μg/L的碳点分散液，例如碳点浓度为2、5、10、20、30μg/L。
实验例
在本实验例中选择典型的革兰氏阴性菌大肠杆菌(E.coli)和革兰氏阳性菌金黄色葡萄球菌(S.aureus)作为研究对象来考察实施例1中制备的碳点的抗菌活性。
按照以下方法配制多个菌液：取100μL 105CFU/mL的细菌悬浮液于800μL pH7.2PBS缓冲溶液，得到菌液；
分别向不同的菌液中加入用PBS缓冲液稀释分散碳点得到的不同浓度的碳点分散液，震荡均匀使得到的各混合液中碳点的浓度分别为1、2、5、10、20、30μg/mL，在37℃下作用3h。然后取100μL作用后的细菌悬浮液涂布于琼脂培养板上，倒置于恒温培养箱中37℃培养17h。平行实验三组，观察菌落生长情况，用平板计数法计数。对照组用PBS缓冲液代替碳点溶液。结果如图3所示。
图3A表示用不同浓度的碳点与两种细菌作用3小时后，在37℃下培养16小时后的琼脂平板图，可以明显的看到随着碳点浓度的增加，无论是革兰氏阴性还是阳性菌的菌落数均明显减少，图3B表示不同浓度碳点处理大肠杆菌和金黄色葡萄球菌后的细菌存活率，具体数值详见表1。结果表明，实施例1中合成的碳点具有广谱抗菌性能。
表1抗菌实验细菌存活率
Claims (7)
1.一种碳点作为抗菌材料的应用，其特征在于：所述碳点是将对苯二胺溶液进行溶剂热处理合成。
2.根据权利要求1所述的碳点作为抗菌材料的应用，其特征在于：所述抗菌材料为革兰氏菌抗菌材料。
3.根据权利要求2所述的碳点作为抗菌材料的应用，其特征在于：所述革兰氏菌为金黄色葡萄球菌或大肠杆菌。
4.根据权利要求1～3中任意一项所述的碳点作为抗菌材料的应用，其特征在于：所述溶剂热处理的温度为140～200℃，时间为6～20h。
5.根据权利要求1～3中任意一项所述的碳点作为抗菌材料的应用，其特征在于：所述碳点采用包括以下步骤的方法制得：将对苯二胺溶液进行溶剂热处理后固液分离，再得到的液相除去溶剂，即得。
6.根据权利要求5所述的碳点作为抗菌材料的应用，其特征在于：所述对苯二胺溶液中对苯二胺的浓度为5×10-3～9×10-3mol/L。
7.根据权利要求5所述的碳点作为抗菌材料的应用，其特征在于：所述固液分离包括先将溶剂热处理得到的体系进行离心处理，再将离心处理的上清液采用微孔膜进行过滤；所述微孔膜的孔径为0.22μm。
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| CN202310767773.1A Pending CN116803270A (zh) | 2023-06-27 | 2023-06-27 | 一种碳点作为抗菌材料的应用 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN116803270A (zh) |
-
2023
- 2023-06-27 CN CN202310767773.1A patent/CN116803270A/zh active Pending
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