CN111248224B - 基于MXene量子点的抗菌剂的制备及抗菌活性测试方法 - Google Patents
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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
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 (2)
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;
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21mmMD25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。
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,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。
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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