簡單高效且創(chuàng)新方法———震蕩沖擊法來制備石墨烯量子點(diǎn)

石墨烯量子點(diǎn)(GQDs)由于其獨(dú)特的物理結(jié)構(gòu)，使其在抗菌領(lǐng)域得到廣泛的關(guān)注。以石墨粉為原料，采用震蕩沖擊法制備GQDs，探究在808nm激光的照射下，GQDs對大腸桿菌的抑制效果。結(jié)果表明:1.0mg·mL-1的GQDs在光照20min的情況下，可將大腸桿菌完全殺滅，而將光照時間提高至25min時，0.6mg·mL-1的GQDs即可將大腸桿菌完全殺滅。若提高GQDs質(zhì)量濃度或光照時間，GQDs可短時、高效地殺滅抑菌。GQDs在抑菌過程中，不僅能產(chǎn)生活性氧，其自身結(jié)構(gòu)也能對大腸桿菌的細(xì)胞膜造成破壞，在抗菌方面具有廣闊的發(fā)展前景。

自然界中的有害微生物嚴(yán)重威脅人類的生命健康。細(xì)菌對人類的危害促使著我們在現(xiàn)有抗菌劑的基礎(chǔ)上開發(fā)出新興的、復(fù)合型的高效抗菌劑勢在必行。而自從石墨烯的抗菌作用被報道以來，石墨烯類材料因其特殊的物理化學(xué)結(jié)構(gòu)而得到了廣大學(xué)者的關(guān)注。石墨烯量子點(diǎn)作為石墨烯的衍生物，具有比石墨烯更大的比表面積，而這種優(yōu)異的結(jié)構(gòu)特性對細(xì)菌有較好的吸附作用，有利于對細(xì)菌的捕獲，從而抑制細(xì)菌的生長，GQDs與微生物獨(dú)特的作用方式使其在抗菌方面的應(yīng)用具有廣闊的發(fā)展前景。

石墨烯的抗菌能力不僅與表面基團(tuán)以及摻雜質(zhì)存在著直接聯(lián)系，還對尺寸具有一定的依賴性，不同的方法制備出的不同尺寸的GQDs的吸收峰、熒光顏色等都不同，其抗菌能力也存在著明顯差異。

傳統(tǒng)的石墨烯量子點(diǎn)的制備過程復(fù)雜，難以量產(chǎn)，且只有在紫外光下對光有明顯的吸收，而在可見光下幾乎無響應(yīng)。本文采用簡單高效且創(chuàng)新方法———震蕩沖擊法來制備石墨烯量子點(diǎn)，并對其光學(xué)特性、光熱效應(yīng)、光動力效應(yīng)及抑菌性能進(jìn)行研究，從而進(jìn)一步推進(jìn)GQDs在殺菌領(lǐng)域的研究。

實(shí)驗材料與方法

1、實(shí)驗材料

蛋白胨、酵母粉、瓊脂購自上海微生物科技有限公司;

大腸桿菌購自上海保藏生物技術(shù)中心;

無水乙醇、無菌生理鹽水、鹽酸、氫氧化鈉、PBS、2.5%戊二醛等試劑購自沃瑞達(dá)斯有限公司。

2、GQDs的合成

采用震蕩沖擊法制備石墨烯量子點(diǎn):將石墨粉和惰性氣體通過加料管進(jìn)入第一震蕩沖擊機(jī)腔體內(nèi)，經(jīng)過腔體和沖擊介子的高效運(yùn)動，得到石墨烯量子點(diǎn)半成品;后將半成品和惰性氣體經(jīng)加料管加入第二震蕩沖擊機(jī)腔體內(nèi)繼續(xù)震蕩沖擊，可獲得合格的球形納米石墨烯量子點(diǎn)。

3、激光誘導(dǎo)GQDs的光熱轉(zhuǎn)換

稱量一定量的GQDs粉末于蒸餾水中超聲，制成質(zhì)量濃度為0.6mg·mL-1的水溶液，取200μL置于透明的玻璃管中，密封管口，以低功率密度(2 W·cm-2)的808nm的紅外激光束垂直照射玻璃管中的樣品，實(shí)時監(jiān)測并記錄樣品的溫度，以相同體積的蒸餾水作為對照組，每組實(shí)驗重復(fù)3次。

4、菌液和培養(yǎng)基的制備

取1.00g胰蛋白胨，0.50g氯化鈉和酵母提取物，溶于100.0mL去離子水中，121℃滅菌30 min，冷卻至室溫，得到瓊脂液體培養(yǎng)基。而瓊脂固體培養(yǎng)基需在上述配方中加入3.00g瓊脂，高壓滅菌后倒入已滅菌的培養(yǎng)皿內(nèi)，待瓊脂凝固，于4℃下保存?zhèn)溆?。取少許大腸桿菌菌液于35 mL的瓊脂液體培養(yǎng)基中，在37℃，220 r·min-1的搖床上培養(yǎng)過夜后，取10 mL菌液離心，將菌液的吸光度A調(diào)整至0.5，即可得到菌體濃度CE為5×108 cfu·mL-1的大腸桿菌菌液。

5、大腸桿菌生長曲線的繪制

于6個新滅菌的培養(yǎng)瓶內(nèi)，各加入60mL的瓊脂液體培養(yǎng)基、紫外照射20,min處理后的200μL

大腸桿菌溶液和GQDs，調(diào)整GQDs濃度，于37℃，220r·min-1震蕩培養(yǎng)。每隔1h記錄溶液600 nm下的吸光度A600，直至菌液的吸收值不再明顯增長為止，每組實(shí)驗重復(fù)3次。

6、GQDs的抑菌性能研究

取0.2mL的大腸桿菌溶液于6個2mL的玻璃管中，加入GQDs，調(diào)整其濃度。用近紅外激光在管壁正上方5 cm處照射20min，未加入GQDs的菌液作為實(shí)驗對照。再取0.2mL的大腸桿菌溶液于6個2mL玻璃管中，加入GQDs，調(diào)整其質(zhì)量濃度0.6mg·mL-1，用近紅外激光在管壁正上方5cm處照射一定時間后，將菌液稀釋104倍，取100μL滴在瓊脂固體培養(yǎng)基上，用涂布器將菌液均勻地涂布在平板上，于37℃恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)24 h后計數(shù)，大

腸桿菌的存活率按以下公式計算:

Ｒs=nexp ncon×100%

式中:Ｒs為細(xì)菌存活率，%;nexp為實(shí)驗組菌落個數(shù);ncon為對照組菌落個數(shù)。

每組數(shù)據(jù)重復(fù)3次后取其平均值，計算誤差。

實(shí)驗結(jié)果與討論

1、GQDs的材料表征

對石墨烯量子點(diǎn)材料進(jìn)行了表征。圖為石墨烯量子點(diǎn)的紫外-可見光光譜表征圖，可知，在200～230nm的紫外光階段，吸光度有略微的下降，而后在230～400nm之間呈上升趨勢，至400 nm后幾乎保持不變?？梢姶耸┝孔狱c(diǎn)不僅在紫外階段對光有明顯的吸收，在可見光階段也表現(xiàn)出良好的光學(xué)吸收特性。

由GQDs的粒徑分布圖可知，此GQDs平均粒徑為4483nm，但粒徑分布稍有不均。

2、GQDs的光熱升溫曲線

在低功率密度(2 W·cm-2)的808 nm的激光照射下，GQDs水溶液可以產(chǎn)生大量的熱。從圖中可以看出，GQDs水溶液在光照20min后，其溫度隨著GQDs質(zhì)量濃度的增大而增大，當(dāng)GQDs的質(zhì)量濃度從0.2mg·mL-1升高至2.0mg·mL-1時，GQDs水溶液在激光照射30s時，溫度從28.5℃升高至30.1，31.8，33.6，34.5，38.3，44.3℃，隨著激光照射時間的增加，溫度逐漸升高，在照射6 min后，溫度基本達(dá)到最大值，溶液溫度升高了約15～37.7℃。GQDs的質(zhì)量濃度從0提高至1.0mg·mL-1，溫度升高了(23.2±0.5)℃，而從1.0mg·mL-1提高至2.0mg·mL-1時，溫度僅提升了(6.1±0.5)℃，而對照組蒸餾水在激光照射20min后，溫度僅上升到32.2℃，升溫幅度僅為3.7℃左右。實(shí)驗結(jié)果表明，GQDs具有較好的光熱轉(zhuǎn)換能力，且熱效應(yīng)會隨著濃度的增大而進(jìn)一步增強(qiáng)，但增長趨勢變緩。

3、GQDs對大腸桿菌生長的影響

細(xì)菌培養(yǎng)液在600nm處的光密度(A600)反映了培養(yǎng)液中細(xì)菌濃度的高低。本實(shí)驗將一定量的GQDs和大腸桿菌菌液在激光照射后加入瓊脂液體培養(yǎng)基中，每隔1h，測量菌液在600nm處的吸光度A600，繪制出不同GQDs質(zhì)量濃度下大腸桿菌的生長曲線。

如下圖所示，菌液的初始吸光度相同，隨著培養(yǎng)時間的增加，大腸桿菌在培養(yǎng)基中不斷地生長、繁殖，溶液的吸光度不斷增大。當(dāng)GQDs的質(zhì)量濃度為0.2mg·mL-1時，大腸桿菌的生長曲線略低于對照組，即GQDs對大腸桿菌的抑制效果很不理想，但隨著GQDs質(zhì)量濃度的增加，溶液的吸光度減小，抑菌效果逐漸增強(qiáng)。由圖可知，當(dāng)GQDs的質(zhì)量濃度達(dá)到1.0mg·mL-1時，大腸桿菌的生長曲線幾乎與橫軸平行，說明溶液中菌液含量極低，大腸桿菌的生長幾乎被完全抑制。實(shí)驗結(jié)果表明，GQDs能夠抑制大腸桿菌的生長，且抑制作用隨著GQDs質(zhì)量濃度的增大而逐漸增強(qiáng)，當(dāng)GQDs的質(zhì)量濃度為1.0mg·mL-1時，大腸桿菌的生長幾乎被完全抑制。

4、GQDs對大腸桿菌的抑制作用

將大腸桿菌菌液稀釋104倍，涂布于瓊脂固體培養(yǎng)基上，在最適宜的條件下培養(yǎng)24h，計數(shù)平板內(nèi)的菌落并計算大腸桿菌的存活率。由圖可知，在低功率密度(2W·cm-2)808nm的激光照射下，大腸桿菌的存活率Ｒs隨著GQDs質(zhì)量濃度ρ(GODs)的增加而逐漸降低。當(dāng)GQDs的質(zhì)量濃度為0.6mg·mL-1時，大腸桿菌的存活率就低于10%，說明此質(zhì)量濃度下的GQDs對大腸桿菌的抑制作用較為明顯，絕大多數(shù)的大腸桿菌已經(jīng)死亡。但1.0mg·mL-1的GQDs在激光照射10 min的情況下，仍有極少數(shù)的大腸桿菌存活，而照射時間增加至20min，大腸桿菌的生存率達(dá)到0。另外，GQDs在光照20min時大腸桿菌的存活率均低于照射10min時的大腸桿菌的存活率。上述實(shí)驗結(jié)果表明，激光照射時間也是影響GQDs抑菌作用的重要因素之一。

下圖是GQDs質(zhì)量濃度為0.6mg·mL-1時，不同激光照射時間對抑菌作用的影響。由圖可知，激光照射5min后，大腸桿菌的存活率只有18.36%，隨著光照時間的增加，大腸桿菌存活率逐漸降低，光照時間達(dá)到10min時，大腸桿菌的存活率低于10%，而在照射25min后，大腸桿菌被完全殺滅。由上述實(shí)驗可知，光照時間和GQDs質(zhì)量濃度對大腸桿菌的抑制作用均有重要影響。如果提高GQDs質(zhì)量濃度，殺滅細(xì)菌的時間將會進(jìn)一步縮短，由此可見，在激光照射下，GQDs可以短時、高效地殺滅細(xì)菌。

5、GQDs抑菌機(jī)制分析

（1）光熱效應(yīng)和光動力效應(yīng)

GQDs能將吸收的光能轉(zhuǎn)換成熱能，為驗證GQDs光熱效應(yīng)對抑菌作用的影響，將大腸桿菌在不同的溫度下單獨(dú)作用20min，于37℃下恒溫培養(yǎng)16h后，測量大腸桿菌在600nm的吸光度，如圖所示，吸光度的數(shù)值隨著溫度的升高而降低，當(dāng)溫度從室溫升高至70℃時，吸光度從1.709降低至1.564，即大腸桿菌菌液濃度CE從0.546×106cfu·mL-1降低至0.482×106cfu·mL-1，由此可說明，大腸桿菌活性在此溫度范圍內(nèi)受光熱效應(yīng)的影響。但僅在光熱效應(yīng)的作用下，大腸桿菌的濃度降低較小，難以達(dá)到安全殺菌的目的。但GQDs在激光的照射下，光熱效應(yīng)總伴隨光動力效應(yīng)同時產(chǎn)生，由上圖可知，GQDs在光熱效應(yīng)和光動力效應(yīng)的共同作用下可以達(dá)到安全殺菌的效果。

而在有光激發(fā)的情況下，碳點(diǎn)中的光能引發(fā)電荷轉(zhuǎn)移，在光動力效應(yīng)下會產(chǎn)生活性氧物種，從而對細(xì)菌結(jié)構(gòu)造成破壞或?qū)е录?xì)菌死亡。下圖為GQDs對大腸桿菌活性的影響，可知，大腸桿菌菌液濃度隨著GQDs質(zhì)量濃度的增大而減小，當(dāng)GQDs質(zhì)量濃度達(dá)到0.8mg·mL-1，大腸桿菌菌液濃度為0。由此可說明，GQDs在光動力效應(yīng)下可以殺滅細(xì)菌。

為了驗證GQDs抑菌過程中的氧化還原機(jī)制，采用活性氧熒光標(biāo)記物二氯熒光黃二乙酸酯(DCFH-DA)對實(shí)驗中產(chǎn)生的自由基和活性氧進(jìn)行標(biāo)記。無熒光的DCFH遇到細(xì)胞內(nèi)產(chǎn)生的活性氧如·OH時，將被氧化成DCF而發(fā)出綠色的熒光。

由圖可知，經(jīng)過GQDs處理過的菌液發(fā)出了綠色的熒光，而沒有經(jīng)過GQDs處理過的菌液表現(xiàn)出來的熒光較為微弱。實(shí)驗結(jié)果表明，GQDs在抑菌過程中產(chǎn)生了ROS，可與細(xì)菌胞內(nèi)物質(zhì)，如脂質(zhì)、蛋白質(zhì)、核酸等產(chǎn)生氧化作用，破壞細(xì)菌的細(xì)胞結(jié)構(gòu)，最終導(dǎo)致細(xì)菌的死亡。也進(jìn)一步說明了ROS在GQDs的抑菌作用中扮演著十分重要的角色。

綜上所述，GQDs對大腸桿菌的抑菌作用是由光熱效應(yīng)和光動力效應(yīng)共同作用的。

(2)GQDs對大腸桿菌細(xì)胞膜的作用

為研究GQDs自身結(jié)構(gòu)對大腸桿菌的破壞作用，對石墨烯量子點(diǎn)進(jìn)行掃描電鏡分析，如圖所示，石墨烯量子點(diǎn)邊緣鋒利，細(xì)菌細(xì)胞與石墨烯類材料接觸后，細(xì)菌細(xì)胞被納米片層包裹，其鋒利的外表對大腸桿菌的外表造成破壞而發(fā)生不可逆的損傷。

為研究GQDs對大腸桿菌細(xì)胞膜的破壞作用，將其與0.6mg·mL-1的GQDs共同培養(yǎng)12h后，經(jīng)過固定脫水等處理后用掃描式電子顯微鏡觀察大腸桿菌形貌，通過對照組和實(shí)驗組的大腸桿菌形貌上變化，分析GQDs與大腸桿菌的相互作用過程，探究GQDs對大腸桿菌的抑菌機(jī)制，結(jié)果如圖所示。

由圖(a)可知，正常情況下，大腸桿菌呈現(xiàn)出規(guī)則的短棒狀結(jié)構(gòu)、表面光滑，且細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)完整。相比之下，大腸桿菌與GQDs接觸后，如圖(b)所示，大腸桿菌則出現(xiàn)變形、凹陷、細(xì)胞膜破裂等情況，表面也變得粗糙。而這些形態(tài)的變化是由于大腸桿菌與GQDs的接觸過程中，GQDs鋒利的外表導(dǎo)致大腸桿菌細(xì)胞結(jié)構(gòu)的完整性被其破壞，GQDs的光熱效應(yīng)和光動力效應(yīng)產(chǎn)生的ＲOS，破壞了大腸桿菌的新陳代謝，胞內(nèi)的物質(zhì)，比如離子，蛋白質(zhì)和遺傳物質(zhì)等發(fā)生了泄露，而導(dǎo)致大腸桿菌的形態(tài)發(fā)生異常，從而達(dá)到了抑制大腸桿菌生長的效果。

結(jié)論

(1)采用震蕩沖擊法制備GQDs，可有效解決GQDs量產(chǎn)困難的缺點(diǎn)，提高GQDs的制備效率，降

低制作成本。

(2)在808 nm激光照射下，探究GQDs抑菌特性，結(jié)果表明:GQDs能有效地抑制大腸桿菌的生長，光照時間和GQDs質(zhì)量濃度對GQDs抑菌作用都有影響。光照時間一定，大腸桿菌的生存率隨著GQDs質(zhì)量濃度的增大而減小，而當(dāng)GQDs質(zhì)量濃度不變時，大腸桿菌的存活率隨光照時長的增加而降低。若增大GQDs質(zhì)量濃度或光照時長，可有效提高GQDs的殺菌效率。

(3)掃描電鏡和熒光檢測分析結(jié)果表明:GQDs的抑菌效果是由GQDs的光熱效應(yīng)、光動力效應(yīng)以及GQDs自身結(jié)構(gòu)的共同作用。GQDs在光熱效應(yīng)和光動力效應(yīng)下產(chǎn)生的ROS與大腸桿菌胞內(nèi)物質(zhì)產(chǎn)生氧化作用，對細(xì)胞膜造成破壞，同時，GQDs鋒利的邊緣結(jié)構(gòu)破壞細(xì)菌細(xì)胞結(jié)構(gòu)的完整性，從而抑制細(xì)菌的生長。

(4)而石墨烯量子點(diǎn)在抑菌過程中，主要依靠ROS對細(xì)菌細(xì)胞膜的破壞起到殺滅細(xì)菌的作用，因此，·OH的產(chǎn)生過程、檢測方法、影響因素，以及光熱效應(yīng)的增強(qiáng)情況等是我們進(jìn)一步探索的方向和研究內(nèi)容。

審核編輯 ：李倩