杂原子掺杂的多功能碳量子点作为光敏剂在抗微生物材料中的应用

摘要

本发明描述了杂原子掺杂的水溶性碳量子点作为新型光敏剂在抗菌材料上的用途。所述的各种杂原子掺杂的水溶性碳量子点含有N、S、Si、Se、P、As、Ge、Gd、B、Sb、Te等杂原子中的一种或几种，其吸收光谱波长在300~850nm。研究中发现这些杂原子掺杂的水溶性碳量子点在可见光的照射下能够高效产生活性氧，在光动力学（PDT）灭菌杀毒应用领域的具有巨大的发展潜力。

说明书

技术领域

本发明涉及一种杂原子掺杂的多功能碳量子点作为光敏剂在抗微生物材 料中的应用。

背景技术

近年来，环境污染问题己成为各国普遍关注的重大问题，大量的有害细菌 广泛存在于自然界中，空气、水、土壤、各种物体表面、人体表面、与外界相 通的体腔以及人类的许多日常用品上，均存在种类繁多、数量巨大的有害细菌， 人们的健康也随时随地受到各种细菌病毒的侵蚀。同时大量抗生素的滥用现象 导致大量耐药菌群不断出现。如何有效降低和防止人类生活环境中各种病原微 生物对人类生活的影响和危害，避免细菌的耐药性以减少由此引发的各类感染 性疾病逐渐成为社会的共识。目前使用的基于二氧化钛半导体及其复合物的抗 菌材料由于其禁带宽度较宽（Eg=3.2eV），只有波长小于387nm的紫外线才能 激发二氧化钛灭菌杀毒，而紫外线仅占自然光辐射总量的4%左右，可见二氧化 钛抗菌材料对太阳能利用率不高[Photochem.Photobiol.Sci.,2011,10, 712]。因此研制能被太阳光谱中的可见光激发的高效、无毒、持久的抗菌材料 既是未来的研究方向，也是一个既有社会意义又有经济意义课题。

碳元素是地球上所有已知生命的基础。由于其具有多样的电子轨道特性 (sp¹、sp²、sp³)，因此形成许多结构和性质奇特的物质。碳量子点具有吸收光 谱宽、抗光漂白性能好、生物相容性好、无毒性、易于功能化、能够高产率制 备等特性，有望在光电子器件、纳米催化剂、生物分析、荧光成像和光热治疗 癌症等技术领域显示其广阔的应用前景[Angew.Chem.Int.Ed,2010,49, 6726-6244;Chem.Comm.2012,48.3686-3705；J.Mater.Chem.,2012,22, 24230-24253]。目前，关于杂原子掺杂的碳量子点的制备及其应用研究才刚刚 开始，而关于杂原子掺杂的碳量子点在光动力学抗菌方面的应用研究还是空 白。因此，探索开发基于水溶性碳量子点的高效、低毒、光稳定性好的光动力 学抗菌材料对人类健康、国民经济和科学研究都具有及其重要的意义。

发明内容

本发明要解决的第一个技术问题是提供一种杂原子掺杂的水溶性碳量子 点作为新型光敏剂在微生物材料上的应用。

本发明所述杂原子掺杂的水溶性碳量子点，其制备方法如下：

1)向共轭聚合物中加入0.01～1000倍共轭聚合物质量、0～1M的酸或碱 的水溶液，混合均匀，得到反应液；

2)将反应液加热到100℃～500℃，反应1～48小时；

3)反应完后自然冷却，收集反应液，分离提纯，得到杂原子掺杂的水溶性 碳量子点。

优选地，所述共轭聚合物选自具有以下结构式的共轭聚合物中的一种或多 种：

式中：

结构式PT中，m、n和k为0～10000的自然数，m、n和k不同时为0；结 构式PPV、PF、PPP、PE中，n为1～10000的自然数；

其中：Ar₁为呋喃，噻吩，硒吩，吡咯，吡啶，苯，萘，蒽，芘，吲哚， 香豆素，荧光素，咔唑，罗丹明，氰基染料，芴或喹啉；

其中：Ar₂为下列结构式中的一种：

其中：X，Y，Q，E，F，分别或同时独立的为O、N、S、Si、Se、P、As、 Ge、Gd、B、Sb、Te、N-R₅或Si-R₆R₇；

其中：Z，G，R₁，R₂，R₃，R₄，R₅，R₆，R₇，R₈，R₉，R₁₀，R₁₁，R₁₂，R₁₃，R₁₄， R₁₅分别或者同时独立为氢原子、1～18个碳的烷基、羟基、巯基、羧基、氨基、 酰胺、酸酐、氰基、烯基、炔基、芳基、酯基、醚基、季铵盐、磺酸盐、磷酸 盐或聚乙二醇基。

优选地，步骤1）中，所述酸选自下列酸中的一种或多种：盐酸、次氯酸、 高氯酸、氢溴酸、次溴酸、高溴酸、碘酸、次碘酸、高碘酸、氢氟酸、硼酸、 硝酸、亚硝酸、醋酸、柠檬酸、硫酸、次硫酸、碳酸、磷酸、焦磷酸、次磷酸。

优选地，步骤1）中，所述碱选自下列碱中的一种或多种：碱金属氢氧化 物、碱土金属氢氧化物、磷酸盐、磷酸一氢盐、磷酸二氢盐、氨水。

优选地，步骤2)中，所述反应液加热是在油浴加热、微波反应器、超声波 反应器或水热反应釜中进行。

优选地，步骤2）中，反应温度120℃～500℃,反应时间为5～48小时。

为解决上述第一个技术问题，本发明提供一种杂原子掺杂的多功能碳量子 点作为光敏剂在抗微生物材料中的应用。

优选地，所述杂原子掺杂的多功能碳量子点溶液的有效浓度为0.01～ 5mg/mL。

优选地，采用波长为400～800nm的激光或模拟太阳光照射10～20分钟， 光强度为50～1000mW/cm²。

优选地，所述微生物是指细菌、真菌或病毒。

优选地，所述的细菌是指按照细菌形状分类的杆状、球形或螺旋状的各类 细菌。

优选地，所述的真菌是指霉菌、酵母菌、啤酒母菌、红曲霉素、假丝酵母、 白色念珠菌、黄曲霉、白地霉或抗生菌等各类真菌。

优选地，所述的病毒是指按照寄主类型分类的噬菌体（细菌病毒）、植物 病毒（如烟草花叶病毒）、动物病毒（如禽流感病毒、天花病毒、HⅣ、甲型肝 炎病毒、乙型肝炎病毒、呼吸道病毒、肠道病毒、风疹病毒等）。

本发明具有如下有益效果：

1）本发明合成的杂原子掺杂的水溶性碳量子点是以共轭聚合物为前驱物 经过高温碳化过程制备得到的，通过改变共轭聚合物的结构，可以得到含有N、 S、Si、Se、P、As、Ge、Gd、B、Sb、Te等杂原子中的两种或几种杂原子，吸 收光谱宽（300-850nm）、抗光漂白性能强，可高效吸收太阳光；

2）本发明所合成的杂原子掺杂的水溶性碳量子点，在光照条件下，产生 活性氧的量子产率高达70%~200%,能高效地抑制细菌和病毒的生长或杀死细 菌和病毒，可作为新型光敏剂用作光动力学抗菌材料；

附图说明

图1为本发明所合成的杂原子掺杂的水溶性碳量子点的吸收光谱；

图2为本发明所合成的杂原子掺杂的水溶性碳量子点的透射电镜图；

图3为本发明所合成的杂原子掺杂的水溶性碳量子点的光动力学灭杀大 肠杆菌效果图；

具体实施方式

实施例1

一种N、P双原子掺杂的水溶性碳量子点的制备方法，包括以下步骤：

将10mg聚合物PPV1固体粉末放入烧杯，加入40mL浓度为0.5M盐酸水溶 液，混合均匀；将混合均匀的反应液转入水热反应釜，反应温度控制在250℃， 反应时间12小时，冷却后分离提纯，得到的N、P双原子掺杂的水溶性碳量子 点。(吸收光谱如图1,透射电镜照片如图2)

上述N、P双原子掺杂的水溶性碳量子点作为新型光敏剂在抗菌材料上的 应用：将200uL、浓度为2×10⁵cfu/mL的大肠杆菌磷酸盐缓冲溶液加到无菌 的24孔板中，加入浓度为0.5mg/mL的N、P双原子掺杂的碳量子点溶液10uL， 在黑暗中震荡培养0.5小时，用波长为400～800nm，光强度为100mW/cm²的 模拟太阳光或激光照射10分钟后，将24孔板中的混合溶液转移到含有培养基 的琼脂盘上，用菌落计数法计算大肠杆菌的成活率。另外,设计两组对照实验: 一组是磷酸盐缓冲溶液和菌悬液混合,不光照;另一组是磷酸盐缓冲溶液、碳量 子点水溶液和菌悬液混合，不光照。(如图3)聚合物PPV1的结构式如下：

实施例2

一种S、N双原子掺杂的水溶性碳量子点的制备方法，包括以下步骤：

将10mg聚合物PT1固体粉末放入烧杯，加入40mL浓度为5M硫酸水溶液， 混合均匀；将混合均匀的反应液转入微波反应器，反应温度控制在150℃，反 应时间12小时，冷却后分离提纯，得到S、N双原子掺杂的水溶性碳量子点。 上述S、N双原子掺杂的水溶性碳量子点作为新型光敏剂在抗菌材料上的应用： 将200uL、浓度为2×10⁵cfu/mL的大肠杆菌磷酸盐缓冲溶液加到无菌的24孔 板中，加入浓度为0.5mg/mL的S、N双原子掺杂的碳量子点溶液10uL，在黑 暗中震荡培养0.5小时，用波长为400～800nm，光强度为150mW/cm²的模拟 太阳光或激光照射10分钟后，将24孔板中的混合溶液转移到含有培养基的琼 脂盘上，用菌落计数法计算大肠杆菌的成活率。另外,设计两组对照实验:一组 是磷酸盐缓冲溶液和菌悬液混合,不光照;另一组是磷酸盐缓冲溶液、碳量子点 水溶液和菌悬液混合，不光照。聚合物PT1的结构式如下：

实施例3

一种Se、N双原子掺杂的水溶性碳量子点的制备方法，包括以下步骤：

将5mg聚合物PT2固体粉末放入烧杯，加入40mL浓度为1M氢氧化钾水 溶液，混合均匀；将混合均匀的反应液转入超声反应器，反应温度控制在250 ℃，反应时间36小时，冷却后分离提纯，得到Se、N双原子掺杂的水溶性碳 量子点。

上述Se、N双原子掺杂的水溶性碳量子点作为新型光敏剂在抗菌材料上的应用： 将200uL、浓度为2×10⁵cfu/mL的金黄色葡萄球菌磷酸盐缓冲溶液加到无菌 的24孔板中，加入浓度为0.5mg/mL的Se、N双原子掺杂的碳量子点溶液10uL， 在黑暗中震荡培养0.5小时，用波长为400～800nm，光强度为100mW/cm²的 模拟太阳光照射10分钟后，将24孔板中的混合溶液转移到含有培养基的琼脂 盘上，用菌落计数法计算金黄色葡萄球菌的成活率。另外,设计两组对照实验: 一组是磷酸盐缓冲溶液和菌悬液混合,不光照;另一组是磷酸盐缓冲溶液、碳量 子点水溶液和菌悬液混合，不光照。聚合物PT2的结构式如下：

实施例4

一种S、N、P三原子掺杂的水溶性碳量子点的制备方法，包括以下步骤：

将10mg聚合物PT5和10mg聚合物PPP1混合的固体粉末放入烧杯，加入 40mL浓度为0.5M磷酸水溶液，混合均匀；将混合均匀的反应液转入水热反应 釜，反应温度控制在200℃，反应时间12小时，冷却后分离提纯，得到S、N、 P三原子掺杂的水溶性碳量子点。

上述S、N、P三原子掺杂的水溶性碳量子点作为新型光敏剂在抗菌材料上 的应用：将200uL、浓度为2×10⁵cfu/mL的大肠杆菌磷酸盐缓冲溶液加到无 菌的24孔板中，加入浓度为1.0mg/mL的S、N、P三原子掺杂的碳量子点溶 液10uL，在黑暗中震荡培养0.5小时，用波长为400～800nm，光强度为150 mW/cm²的模拟太阳光照射10分钟后，将24孔板中的混合溶液转移到含有培 养基的琼脂盘上，用菌落计数法计算大肠杆菌的成活率。另外,设计两组对照 实验:一组是磷酸盐缓冲溶液和菌悬液混合,不光照;另一组是磷酸盐缓冲溶 液、碳量子点水溶液和菌悬液混合，不光照。聚合物PPP1和PT5的结构式如 下：

实施例5

一种Se、N双原子掺杂的水溶性碳量子点的制备方法，包括以下步骤：

将5mg聚合物PT8固体粉末放入烧杯，加入40mL浓度为1M氢氧化钾水 溶液，混合均匀；将混合均匀的反应液转入水热反应釜，反应温度控制在250 ℃，反应时间36小时，冷却后分离提纯，得到Se、N双原子掺杂的水溶性碳 量子点。

上述Se、N双原子掺杂的水溶性碳量子点作为新型光敏剂在抗菌材料上的 应用：将200uL、浓度为2×10⁵cfu/mL的金黄色葡萄球菌磷酸盐缓冲溶液加 到无菌的24孔板中，加入浓度为0.5mg/mL的Se、N双原子掺杂的碳量子点 溶液10uL，在黑暗中震荡培养0.5小时，用波长为400～800nm，光强度为100 mW/cm²的模拟太阳光照射10分钟后，将24孔板中的混合溶液转移到含有培 养基的琼脂盘上，用菌落计数法计算金黄色葡萄球菌的成活率。另外,设计两 组对照实验:一组是磷酸盐缓冲溶液和菌悬液混合,不光照;另一组是磷酸盐缓 冲溶液、碳量子点水溶液和菌悬液混合，不光照。聚合物PT8的结构式如下：

实施例6

一种N原子掺杂的水溶性碳量子点的制备方法，包括以下步骤：

将30mg聚合物PT6固体粉末放入烧杯，加入40mL浓度为0.5M氢氧化钾 水溶液,混合均匀；将混合均匀的反应液转入水热反应釜，反应温度控制在210 ℃，反应时间10小时，冷却后分离提纯，得到N原子掺杂的碳量子点。

上述N原子掺杂的水溶性碳量子点作为新型光敏剂在抗菌材料上的应用： 将200uL、浓度为2×10⁵cfu/mL的噬菌体磷酸盐缓冲溶液加到无菌的24孔板 中，加入浓度为2.0mg/mL的N原子掺杂的碳量子点溶液10uL，在黑暗中震 荡培养0.5小时，用波长为400～800nm，光强度为50mW/cm²的模拟太阳光照 射10分钟后，将24孔板中的混合溶液转移到含有培养基的琼脂盘上，用菌落 计数法计算噬菌体的成活率。另外,设计两组对照实验:一组是磷酸盐缓冲溶液 和菌悬液混合,不光照;另一组是磷酸盐缓冲溶液、碳量子点水溶液和菌悬液混 合，不光照。聚合物PT6的结构式如下：

实施例7

N、S双原子掺杂的水溶性碳量子的制备方法，包括以下步骤：

将50mg聚合物PF1固体粉末放入烧杯，加入40mL浓度为5M氢氧化钠水溶液， 混合均匀；将混合均匀的反应液转入微波反应器，反应温度控制在250℃，反 应时间48小时，冷却后分离提纯，得到N、S双原子掺杂的水溶性碳量子点。

上述S、N双原子掺杂的水溶性碳量子点作为新型光敏剂在抗菌材料上的 应用：将200uL、浓度为2×10⁵cfu/mL的大肠杆菌磷酸盐缓冲溶液加到无菌 的24孔板中，加入浓度为0.5mg/mL的S、N双原子掺杂的碳量子点溶液10uL， 在黑暗中震荡培养0.5小时，用波长为400～800nm，光强度为200mW/cm²的 激光照射10分钟后，将24孔板中的混合溶液转移到含有培养基的琼脂盘上， 用菌落计数法计算大肠杆菌的成活率。另外,设计两组对照实验:一组是磷酸盐 缓冲溶液和菌悬液混合,不光照;另一组是磷酸盐缓冲溶液、碳量子点水溶液和 菌悬液混合，不光照。聚合物PF1的结构式如下：

实施例8

P原子掺杂的水溶性碳量子的制备方法，包括以下步骤：

将10mg聚合物PPP1固体粉末放入烧杯，加入40mL浓度为0.5M磷酸水溶 液，混合均匀；将混合均匀的反应液转入水热反应釜，反应温度控制在500℃， 反应时间12小时，冷却后分离提纯，得到P原子掺杂的水溶性碳量子点。

上述P原子掺杂的水溶性碳量子点作为新型光敏剂在抗菌材料上的应用： 将200uL、浓度为2×10⁵cfu/mL的梅毒螺旋体磷酸盐缓冲溶液加到无菌的24 孔板中，加入浓度为1.0mg/mL的P原子掺杂的碳量子点溶液10uL，在黑暗中 震荡培养0.5小时，用波长为400～800nm，光强度为100mW/cm²的模拟太阳 光或激光照射10分钟后，将24孔板中的混合溶液转移到含有培养基的琼脂盘 上，用菌落计数法计算梅毒螺旋体的成活率。另外,设计两组对照实验:一组是 磷酸盐缓冲溶液和菌悬液混合,不光照;另一组是磷酸盐缓冲溶液、碳量子点水 溶液和菌悬液混合，不光照。聚合物PPP1的结构式如下：

实施例9

Se原子掺杂的水溶性碳量子点的制备方法，包括以下步骤：

将20mg聚合物PT3固体粉末放入烧杯，加入40mL浓度为0.5mM氢氧化 钾水溶液,混合均匀；将混合均匀的反应液转入水热反应釜，反应温度控制在 200℃，反应时间12小时，冷却后分离提纯，得到Se原子掺杂的水溶性碳量 子点。

上述Se原子掺杂的水溶性碳量子点作为新型光敏剂在抗菌材料上的应用： 将200uL、浓度为2×10⁵cfu/mL的霉菌磷酸盐缓冲溶液加到无菌的24孔板中， 加入浓度为0.3mg/mL的Se原子掺杂的碳量子点溶液10uL，在黑暗中震荡培 养0.5小时，用波长为400～800nm,光强度为100mW/cm²的模拟太阳光照射 10分钟后，将24孔板中的混合溶液转移到含有培养基的琼脂盘上，用菌落计 数法计算霉菌的成活率。另外,设计两组对照实验:一组是磷酸盐缓冲溶液和菌 悬液混合,不光照;另一组是磷酸盐缓冲溶液、碳量子点水溶液和菌悬液混合， 不光照。聚合物PT3的结构式如下：

实施例10

S、Si双原子掺杂的碳量子点的制备方法，包括以下步骤：

将10mg聚合物PT4固体粉末放入烧杯，加入40mL浓度为0.5M氢氧化钾水 溶液，混合均匀；将混合均匀的反应液转入微波反应器，反应温度控制在250 ℃，反应时间12小时，冷却后分离提纯，得到S、Si双原子掺杂的碳量子点。 上述S、Si双原子掺杂的水溶性碳量子点作为新型光敏剂在抗菌材料上的应用： 将200uL、浓度为2×10⁵cfu/mL的金黄色葡萄球菌磷酸盐缓冲溶液加到无菌 的24孔板中，加入浓度为0.5mg/mL的S、Si双原子掺杂的碳量子点溶液10uL， 在黑暗中震荡培养0.5小时，用波长为400～800nm,光强度为200mW/cm²的 模拟太阳光照射10分钟后，将24孔板中的混合溶液转移到含有培养基的琼脂 盘上，用菌落计数法计算金黄色葡萄球菌的成活率。另外,设计两组对照实验: 一组是磷酸盐缓冲溶液和菌悬液混合,不光照;另一组是磷酸盐缓冲溶液、碳量 子点水溶液和菌悬液混合，不光照。聚合物PT4的结构式如下：

实施例11

Se、N、P三原子掺杂的碳量子点的制备方法，包括以下步骤：

将10mg聚合物PT3和10mg聚合物PPV1固体粉末放入烧杯，加入40mL浓度为 0.5M氢氧化钠水溶液,混合均匀；将混合均匀的反应液转入圆底烧瓶,油浴加热， 反应温度控制在250℃，反应时间12小时，冷却后分离提纯，得到Se、N、P三 原子掺杂的水溶性碳量子点

上述Se、N、P三原子掺杂的水溶性碳量子点作为新型光敏剂在抗菌材料 上的应用：将200uL、浓度为2×10⁵cfu/mL的噬菌体磷酸盐缓冲溶液加到无 菌的24孔板中，加入浓度为1.5mg/mL的Se、N、P三原子掺杂的碳量子点溶 液10uL，在黑暗中震荡培养0.5小时，用波长为400～800nm,光强度为120 mW/cm²的模拟太阳光照射10分钟后，将24孔板中的混合溶液转移到含有培 养基的琼脂盘上，用菌落计数法计算噬菌体的成活率。另外,设计两组对照实 验:一组是磷酸盐缓冲溶液和菌悬液混合,不光照;另一组是磷酸盐缓冲溶液、 碳量子点水溶液和菌悬液混合，不光照。聚合物PPV1和PT3的结构式如下：

实施例12

S、As双原子掺杂的水溶性碳量子点的制备方法,包括以下步骤：

将10mg聚合物PT7固体粉末放入烧杯，加入40mL浓度为0.5M氢氧化 钠水溶液,混合均匀；将混合均匀的反应液转入水热反应釜，反应温度控制在 180℃，反应时间24小时，冷却后分离提纯，得到S、As双原子掺杂的水溶性 荧光碳量子点。

上述S、As双原子掺杂的水溶性碳量子点作为新型光敏剂在抗菌材料上的应用： 将200uL、浓度为2×10¹¹pfu/mL的烟草花叶病毒酸盐缓冲溶液加到无菌的24孔 板中，加入浓度为1.0mg/mL的As、S双原子掺杂的碳量子点溶液10uL，在黑暗 中震荡培养0.5小时，用波长为400～800nm,光强度为150mW/cm²的模拟太阳 光照射10分钟后，将24孔板中的混合溶液转移到含有培养基的琼脂盘上，用菌 落计数法计算烟草花叶病毒的成活率。另外,设计两组对照实验:一组是磷酸盐 缓冲溶液和菌悬液混合,不光照;另一组是磷酸盐缓冲溶液、碳量子点水溶液和 菌悬液混合，不光照。聚合物PT7的结构式如下：

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并 非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述 说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无法对所有的实施 方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动 仍处于本发明的保护范围之列。