碳量子点、基于碳量子点含纳米银的高效抗菌材料及其制法
技术领域
本发明涉及抗菌材料
技术领域
，特别涉及一种碳量子点、基于碳量子点含纳米银的高效抗菌材料及其制法。背景技术
细菌广泛存在于日常生活环境中，目前对于细菌感染的治疗只有通过大量使用抗生素，但在利用抗生素治疗细菌感染时不可避免地导致抗生素耐药菌株的出现，比如在治疗金黄色葡萄球菌感染时会产生诸如耐甲氧西林的金黄色葡萄球菌(MRSA)和耐万古霉素的金黄色葡萄球菌(VRSA)之类的抗生素耐药菌株，可能导致感染增加威胁生命，对公共卫生造成严重负担。为了抗菌或杀死细菌已有很多高抗菌活性材料出现，如季铵化合物、金属离子或氧化物和抗菌肽，其中抗菌肽具有良好的抗菌性能，季铵化合物、金属离子等材料可降低或抑制微生物或细菌的活力，这些材料由于成本较高、合成复杂、抗生素抗性或生物相容性较低等缺陷限制其广泛使用。
近年来，纳米技术成为开发新一代抗菌应用的理想材料，细菌灭活的纳米级银由于高杀菌力、相对较低的成本、可以缓慢释放银离子、可以与细菌细胞中酶蛋白上的活性部分巯基、氨基等发生反应，使酶蛋白发生沉淀而失去活性，使病原细菌的呼吸代谢被迫停止，细菌的生长和繁殖因此受到抑制，成为研究的热点。为了更高的抗菌效果，一些掺银的敷料或软膏具有极强的生物毒性，如何控制释放银离子的量成为Ag NPs抗菌剂的主要问题，相对于传统的银抗菌制剂如磺胺嘧啶银等，纳米银抗菌材料相对更加安全，有报道称纳米银的毒性比银毒性低很多，暴露在浓度为0.5mg/mL纳米银中对基因的表达无明显毒性作用。中国专利公开号为CN112806389A的发明专利公开了一种氧化石墨烯/银纳米复合杂化抗菌材料的制备方法，首先，利用端氨基超支化聚合物调控制备纳米银，得到包裹有大量氨基的纳米银分散液；然后，利用环氧氯丙烷作为中间体，先对氧化石墨烯进行修饰，使其具有反应活性，接着与氨基化的纳米银反应，将纳米银接枝到氧化石墨烯上，使得纳米银在氧化石墨烯片层上均匀稳定的固着，得到氧化石墨烯/纳米银复合杂化材料；最后，基于纳米自组装的原理实现氧化石墨烯/纳米银复合杂化抗菌材料对纺织品的功能整理；本发明加工工艺简便，得到的功能纺织品具有优异的抗菌抗病毒效果。另外还有中文期刊由罗泉清等的《壳寡糖修饰的纳米银作为抗菌材料的合成与制备》发表在高分子材料学与工程，2016年第32卷第2期第13-18页，公开了壳寡糖修饰的纳米银作为抗菌材料的合成与制备方法。
碳量子点CQDs是一类新型的无金属荧光纳米颗粒，具有合成简单、毒性低、生物相容性好、易于表面修饰等优点成为研究的热点，碳量子点CQDs由被无定形碳框架围绕的一部分纳米级碳核组成，表面存在的部分官能团如氨基、羟基、羧基可以用作反应点，碳量子点CQDs已在成像、传感、催化等各个领域获得了广泛的应用。合成CQDs的方法主要分为两类：1)自上而下的途径，指通过化学氧化，激光烧蚀或电化学合成来分解较大碳材料的CQDs的制备方法；2)自下而上的途径，包括采用水热/溶剂热处理，微波/超声波制备途径或等离子处理由较小的前体制备CQDs。
本发明利用银纳米颗粒与碳量子点之间的特殊作用制备高效抗菌材料，可以很好地实现纳米银、碳量子点在抗菌性上的协同作用，使抗菌性能得到提升，同时也能解决单独银离子的生物毒性，提高了生物相容性和材料的使用范围，对于抗生素耐药菌也有极强的杀菌作用。
发明内容
本发明的目的在于，针对现有技术的上述不足，提供一种碳量子点、基于碳量子点含纳米银的高效抗菌材料，构筑基于银纳米颗粒与碳量子点相互作用的高效抗菌复合材料，该碳量子点具有强荧光现象以及强还原性，所构筑的高效抗菌复合材料应用于抗菌方面，具有广谱抗菌活性，相比于单独的AgNPs和S,N-CQDs抗菌性能更强，尤其是针对抗生素耐药菌的抗菌效果尤为突出，具有很好的抗菌作用，能很好的解决抗生素耐药菌株的问题。
本发明的目的还在于，提供上述的碳量子点、基于碳量子点含纳米银的高效抗菌材料的制法，具有制备方法简单、原料易获取、符合环保要求、适合大量生产等优点。
本发明为达到上述目的所采用的技术方案是：
一种碳量子点的制法，其制备方法中使用柠檬酸和巯基乙胺在去离子水中经水热反应后透析、冷冻干燥而得碳量子点S,N-CQDs。
进一步地具体实施过程中，所述的柠檬酸、巯基乙胺、去离子水的质量体积比为0.4-0.8g：1-4g：30-45mL。
进一步地具体实施过程中，所述的水热反应的反应温度为130-180℃、反应时间为120-200min。
进一步地具体实施过程中，所述的透析在透析袋中进行透析时间为36-72h，透析过程中每间隔4-6h换一次水。
本发明的碳量子点，该碳量子点通过上述的制备方法制备得到。
本发明的一种基于碳量子点含纳米银的高效抗菌材料，该高效抗菌材料是基于上述的碳量子点S,N-CQDs制成的。
本发明的一种基于碳量子点含纳米银的高效抗菌材料的制法，其所述制备方法中将上述所得的碳量子点S,N-CQDs配成的碳量子点S,N-CQDs水溶液与硝酸银水溶液混合搅拌，经还原反应、透析、冷冻干燥后，得高效抗菌材料[email protected],N-CQDs。
进一步地具体实施过程中，所述的碳量子点S,N-CQDs水溶液的质量体积浓度为0.5-2.5mg/mL。
进一步地具体实施过程中，所述的硝酸银水溶液的质量体积浓度为15-25mg/mL。
进一步地具体实施过程中，所述的硝酸银溶液与碳量子点S,N-CQDs溶液质量比为4:1、2:1、1:1、1:2、1:4中的任意一种。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1、本发明利用水热反应以简单的水热法构筑含有C、O、S、N四种元素的掺杂型碳量子点，该碳量子点具有强荧光现象以及强还原性；利用制得的掺杂型碳量子点与硝酸银反应，以简便的混合方法将掺杂型碳量子点与硝酸银混合生成银纳米颗粒，进而合成银纳米颗粒与掺杂型碳量子点相互作用的高效抗菌复合材料。利用柠檬酸和巯基乙胺基于水热反应制备出含有S、N两种杂元素的S,N-CQDs，利用S,N-CQDs上的巯基和氨基将银离子还原为银纳米颗粒，在银纳米颗粒与碳量子点之间形成特殊的作用力，生成纳米银颗粒@碳量子点的高效抗菌复合材料，达到缓慢释放银的目的，从而产生高效抗菌作用，且对抗生素耐药性细菌表现出更为突出的优势。
2、本发明的碳量子点及其高效抗菌材料具有制备方法简单、原料易获取、符合环保要求、适合大量生产等优点。
3、本发明所构筑的高效抗菌复合材料应用于抗菌方面，对常见的革兰氏阳性菌、普通的细菌、革兰氏阴性菌、真菌以及抗生素耐药菌均具有很好的较强抗菌作用，具有广谱抗菌活性，尤其是针对抗生素耐药菌的抗菌效果尤为突出，可以很好的解决抗生素滥用的难题，具有不可比拟的优势以及较强的实用价值，具有广阔的应用前景。
附图说明
图1为本实施例的碳量子点S,N-CQDs及高效抗菌材料[email protected],N-CQDs的红外吸收曲线图；
图2为本实施例的高效抗菌材料[email protected],N-CQDs的TEM图；
图3为本实施例碳量子点S,N-CQDs及高效抗菌材料Ag [email protected],N-CQDs在不同浓度条件下与不同种细菌共同培养后的平板实验抑菌率示意图。
具体实施方式
：
为了更好地说明本发明，便于理解本发明的技术方案，先对本发明进一步详细说明。但是下述的实施例仅仅是本发明的简易例子，并不代表或限制本发明的权利保护范围，本发明的权利保护范围以权利要求书为准。
本发明具体实施例部分提供了一种碳量子点及其制法，其制备方法中使用柠檬酸和巯基乙胺在去离子水中经水热反应后透析、冷冻干燥而得碳量子点S,N-CQDs。该碳量子点具有强荧光现象以及强还原性；利用制得的掺杂型碳量子点与硝酸银反应，以简便的混合方法将掺杂型碳量子点与硝酸银混合生成银纳米颗粒，进而合成银纳米颗粒与掺杂型碳量子点相互作用的高效抗菌复合材料。
本发明具体实施例部分还提供了一种基于碳量子点含纳米银的高效抗菌材料及其制法，将上述碳量子点S,N-CQDs配成水溶液与硝酸银水溶液混合搅拌，还原银离子制备银纳米颗粒及含碳量子点的高效抗菌复合材料，其经还原反应、透析、冷冻干燥后，得高效抗菌复合材料[email protected],N-CQDs。
优选地，上述的透析过程在透析袋中进行透析时间为48，透析过程中每间隔6换一次水。
以下为本发明典型但非限制性实施例：
实施例1：
本实施例提供了碳量子点S,N-CQDs及其制法，具体步骤包括：
称取0.684g巯基乙胺与2.1g柠檬酸溶解在35mL去离子水中，装于聚四氟乙烯内衬后置于不锈钢反应釜中，于150℃条件下水热反应180min，得淡黄色溶液，用透析袋透析48h除去未反应的巯基乙胺和柠檬酸，期间间隔6h换一次水，将最终的溶液冷冻、干燥得淡黄色固体。取所得淡黄色固体用去离子水溶解，配制为一定浓度的溶液，室温下保存备用；本实施例所制备的碳量子点S,N-CQDs，在紫外光UV波长365nm照射下，具有较强的荧光。所得到的碳量子点S,N-CQDs中含有巯基，具有还原性，可以将银离子还原成银纳米颗粒，并与碳量子点S,N-CQDs形成高效抗菌复合材料，产生高效的抗菌作用。
实施例2：
本实施例提供了一种基于碳量子点含纳米银的高效抗菌材料及其制法，具体步骤包括：
称取一定质量的上述碳量子点S,N-CQDs溶于去离子水中，所得浓度为1mg/mL，共取100mL，然后称取一定浓度的硝酸银溶液，硝酸银溶液浓度为20mg/mL，共5mL，在磁力搅拌条件下加入到碳量子点S,N-CQDs溶液中，持续搅拌48h后得淡黄色溶液，透析48h除去未反应的银离子，期间每间隔6h换一次水，所得溶液冷冻干燥得浅黄色颗粒，即为高效抗菌材料[email protected],N-CQDs复合材料。
参考图1，从红外吸收曲线图中可以看出3000-3500cm-1处的宽吸收带是由于O-H和N-H的拉伸振动，这表明碳量子点S,N-CQDs的表面上有许多氨基和羟基，说明碳量子点S,N-CQDs具有高的亲水性。1726cm-1处的吸收归因于C＝O羰基拉伸震动，其强度降低证明Ag NPs与S,N-CQDs中含氧官能团(-COOH)之间存在相互作用，且通过形成化学键或静电吸引来实现，1380cm-1处的峰归因于硫化物的拉伸震动，Ag [email protected],N-CQDs复合材料组在此处的峰变尖锐说明相比于单独的S,N-CQDs样品中，在复合材料组中该键断裂，结合2286cm-1处出现的峰，说明产生了Ag-S键，Ag NPs已成功制备并与碳量子点S,N-CQDs复合，部分AgNPs被S,N-CQDs包裹，部分裸露在表面，形成了Ag [email protected],N-CQDs高效抗菌复合材料。
参见图2，根据TEM图可以看出银纳米颗粒被包裹在碳量子点S,N-CQDs之间，分散性良好，且颗粒呈类球形，粒径均一在10nm以内，主要在5nm左右，重叠HRTEM图白色标记处标记了Ag NPs晶格间距，显示出且与Ag的(111)平面相关的间距为0.236nm，表明已经成功合成了高效抗菌材料[email protected],N-CQDs复合材料。
为了探究不同浓度的硝酸银与碳量子点S,N-CQDs反应比例对抗菌性能的影响以及含有不同杂元素的碳量子点对银纳米颗粒复合材料抗菌性能的影响，还进行了以下实施例并进行测试：
实施例3：
本实施例提供了一种碳量子点、基于碳量子点含纳米银的高效抗菌材料及其制法，具体步骤与实施例1、2基本一致，不同之处在于：改变硝酸银溶液与碳量子点S,N-CQDs溶液的不同反应质量比例，分别硝酸银溶液与碳量子点S,N-CQDs溶液质量比例为4:1,2:1,1:1,1:2,1:4共5组，在磁力搅拌条件下将硝酸银溶液滴加入碳量子点S,N-CQDs溶液中，持续搅拌48h，得淡黄色溶液，透析48h除去未反应的银离子，间隔6h换一次水，制备不同组分的高效抗菌材料[email protected],N-CQDs复合材料，并进行最小抑菌浓度(MIC)检测。
对比实施例1：
本实施例提供了一种碳量子点、基于碳量子点含纳米银的高效抗菌材料及其制法的对比例，具体步骤与实施例1、2基本一致，不同之处在于：
利用乙二胺和柠檬酸在水热反应下按照实施例1步骤制备含有N杂元素的N-CQDs；之后与硝酸银溶液进行混合制备不同组分的[email protected]复合材料，按照实施例2进行，所得冷冻干燥复合材料样品，进行最小抑菌浓度(MIC)检测。
对比实施例2：
本实施例提供了一种碳量子点、基于碳量子点含纳米银的高效抗菌材料及其制法的对比例，具体步骤与实施例1、2基本一致，不同之处在于：
使用单独的柠檬酸在水热反应下按照实施例1步骤制备不含杂元素的CQDs；之后与硝酸银溶液进行混合制备不同组分的[email protected]复合材料，按照实施例2进行，所得冷冻干燥复合材料样品，进行最小抑菌浓度(MIC)检测。
上述实施例3、对比实施例1和2所述的最小抑菌浓度(MIC)检测的具体过程包括：在进行MIC实验之前，将固态培养基上的细菌，包括金黄色葡萄球菌(SA)、耐甲氧西林金黄色葡萄球菌(MRSA)、大肠杆菌(EC)，在液态Luria Broth(LB)培养基中培养18h，白色念珠菌(CA)在沙氏葡萄糖液体培养基中培养24h；在灭菌的96孔板中，将100μL LB培养基添加到每个孔中，并将一定浓度的碳量子点S,N-CQDs或抗菌[email protected],N-CQDs复合材料添加到第一个孔中，并进行连续两次稀释；然后将100μL浓度为2×106CFU/mL的细菌悬浮液添加到孔中。最小抑菌浓度MIC是通过浊度法测定的，即与没有浊度的孔对应的CQDs或[email protected],N-CQDs复合材料的浓度为MIC值，详见下表1和表2所示：
表1不同原料反应质量比例制备不同组的复合材料的MIC值(单位为mg/mL)
根据上表1中MIC值的结果可以看出，当S,N-CQDs用量比AgNO3用量多时，抗菌性能较差，随着硝酸银用量增多时，MIC值逐渐降低，说明抗菌性能逐步升高，而当AgNO3:S,N-CQDs反应比例为1:1时，抗菌性能最好，之后随着硝酸银用量的增加，抗菌性能也没发生太大的变化，实验过程中发现当硝酸银的用量增加时，沉淀生成增多且显紫色，反应过程中过量的银离子转化为沉淀，导致抗菌性能不会有更好的提高。
表2利用不同的CQDs制备不同种类的复合材料的MIC值(单位为mg/mL)
根据上表2中MIC值的结果可以看出，对比单独的Ag NPs，利用N-CQDs制备的[email protected]以及利用不含杂元素的CQDs制备的[email protected]的MIC值都比[email protected],N-CQDs组高，[email protected],N-CQDs组的抗菌性能明显强于另外两组，说明[email protected],N-CQDs在抗菌性能方面优势明显。
应用实施例1：将不同浓度条件下碳量子点S,N-CQDs及高效抗菌材料[email protected],N-CQDs与不同种细菌共同培养后，进行抑菌率实验测试，具体步骤包括：在进行抑菌率测试的平板实验之前，将固态培养基上的细菌，包括金黄色葡萄球菌、耐甲氧西林金黄色葡萄球菌、大肠杆菌，在液态Luria Broth(LB)培养基中培养18h，白色念珠菌在沙氏葡萄糖液体培养基中培养24h；然后将不同浓度的[email protected],N-CQDs复合材料或S,N-CQDs分别与不同种菌进行混合，保持最终体系中细菌浓度为105CFU/mL，[email protected],N-CQDs复合材料、S,N-CQDs的浓度为0.03125mg/mL，0.0625mg/mL，0.125mg/mL，0.25mg/mL，0.5mg/mL，1mg/mL，2mg/mL，4mg/mL。
将上述不同的样品和菌液的混合溶液用涂布棒涂布在已经高温灭菌并倾倒好的琼脂平板上，于37℃恒温培养箱中培养24h，金黄色葡萄球菌、耐甲氧西林金黄色葡萄球菌、大肠杆菌组选用营养琼脂平板，白色念珠菌组选用马铃薯葡萄糖琼脂平板。参考图3，从平板实验抑菌率图中可以看出，两组样品对于革兰氏阳性菌、革兰氏阴性菌、真菌、抗生素耐药菌均具有一定的抗菌能力，高效抗菌材料[email protected],N-CQDs组整体上比单独的碳量子点S,N-CQDs的抗菌性能效果突出，在相同浓度条件下，[email protected],N-CQDs高效抗菌复合材料组的抑菌率也比单独的碳量子点S,N-CQDs的抑菌率更高，其针对革兰氏阴性菌及真菌的抗菌性能比革兰氏阳性菌更强，高效抗菌材料[email protected],N-CQDs复合材料针对抗生素耐药菌的代表菌种耐甲氧西林金黄色葡萄球菌也有极强的抑菌效果，说明对抗生素耐药菌具有很好的抑菌作用。
实施例4：
本实施例提供了一种碳量子点、基于碳量子点含纳米银的高效抗菌材料及其制法，具体步骤与实施例1、2基本一致，不同之处在于：
碳量子点S,N-CQDs的制备过程中，改变柠檬酸、巯基乙胺、去离子水的质量体积比为0.4g：2g：30mL；水热反应的反应温度为130℃、反应时间为200min；透析在透析袋中进行透析时间为36h，透析过程中每间隔4h换一次水；
高效抗菌材料[email protected],N-CQDs的制备过程中，改变碳量子点S,N-CQDs水溶液的质量体积浓度为0.5mg/mL；硝酸银水溶液的质量体积浓度为25mg/mL。
实施例5：
本实施例提供了一种碳量子点、基于碳量子点含纳米银的高效抗菌材料及其制法，具体步骤与实施例1、2基本一致，不同之处在于：
碳量子点S,N-CQDs的制备过程中，改变柠檬酸、巯基乙胺、去离子水的质量体积比为0.8g：4g：45mL；水热反应的反应温度为180℃、反应时间为120min；透析在透析袋中进行透析时间为72h，透析过程中每间隔5h换一次水；
高效抗菌材料[email protected],N-CQDs的制备过程中，改变碳量子点S,N-CQDs水溶液的质量体积浓度为0.5mg/mL；硝酸银水溶液的质量体积浓度为15mg/mL。
实施例6：
本实施例提供了一种碳量子点、基于碳量子点含纳米银的高效抗菌材料及其制法，具体步骤与实施例1、2基本一致，不同之处在于：
碳量子点S,N-CQDs的制备过程中，改变柠檬酸、巯基乙胺、去离子水的质量体积比为0.54g：2g：40ml；水热反应的反应温度为160℃、反应时间为140min；透析在透析袋中进行透析时间为48h，透析过程中每间隔6h换一次水；
高效抗菌材料[email protected],N-CQDs的制备过程中，改变碳量子点S,N-CQDs水溶液的质量体积浓度为1.5mg/mL；硝酸银水溶液的质量体积浓度为18mg/mL。
实施例6：
本实施例提供了一种碳量子点、基于碳量子点含纳米银的高效抗菌材料及其制法，具体步骤与实施例1、2基本一致，不同之处在于：
碳量子点S,N-CQDs的制备过程中，改变柠檬酸、巯基乙胺、去离子水的质量体积比为0.7g：3g：30ml；水热反应的反应温度为140℃、反应时间为160min；透析在透析袋中进行透析时间为36h，透析过程中每间隔5h换一次水；
高效抗菌材料[email protected],N-CQDs的制备过程中，改变碳量子点S,N-CQDs水溶液的质量体积浓度为2mg/mL；硝酸银水溶液的质量体积浓度为20mg/mL。
申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细方法，但本发明并不局限于上述详细方法，即不意味着本发明必须依赖上述详细方法才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。
