本發(fā)明涉及納米材料,特別涉及一種大蒜碳點(diǎn)及其制備方法與抗菌應(yīng)用。
背景技術(shù):
1、在當(dāng)前社會(huì)環(huán)境下,細(xì)菌感染對(duì)人類健康造成了嚴(yán)重威脅。傳統(tǒng)抗菌藥物的長期使用容易使細(xì)菌產(chǎn)生耐藥性,導(dǎo)致抗菌效果逐漸減弱。因此,迫切需要開發(fā)新型、高效、安全的抗菌材料。
2、碳點(diǎn)作為一種新型的碳納米材料,具有優(yōu)異的光學(xué)性能、良好的生物相容性和低毒性等特點(diǎn),在生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、光催化等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。目前,碳點(diǎn)的制備方法主要有電弧放電法、激光消融法、化學(xué)氧化法、水熱法等。然而,這些方法存在著制備過程復(fù)雜、成本高、產(chǎn)物純度低等問題。因此,開發(fā)一種簡單、高效、低成本的碳點(diǎn)制備方法具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
3、目前,大多數(shù)碳點(diǎn)的制備方法需要使用有毒有害的化學(xué)試劑,不僅成本較高,還對(duì)環(huán)境不友好。大蒜是一種常見的調(diào)味品和中藥材,具有抗菌、抗病毒、抗氧化等多種生物活性。近年來,研究發(fā)現(xiàn)大蒜中含有豐富的碳源,可以作為制備碳點(diǎn)的原料。傳統(tǒng)水熱法制備大蒜碳點(diǎn)雖有一定成效,但也存在一些不足,如碳點(diǎn)活性低。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、發(fā)明目的:本發(fā)的第一目的為提供一種提高大蒜碳點(diǎn)活性的大蒜碳點(diǎn);本發(fā)明的第二目的為提供所述大蒜碳點(diǎn)的制備方法;本發(fā)明的第三目的為提供所述大蒜碳點(diǎn)在抗菌中的應(yīng)用。
2、技術(shù)方案:本發(fā)明所述的大蒜碳點(diǎn)的制備方法,包括以下步驟:
3、(1)將大蒜果肉處理得到大蒜粉末,然后加入水和乙醇的混合溶液中混合均勻,得到大蒜懸浮液;
4、(2)將大蒜懸浮液進(jìn)行混合溶劑熱反應(yīng),反應(yīng)結(jié)束取上清液,得到大蒜碳點(diǎn)溶液;
5、(3)將大蒜碳點(diǎn)溶液透析,去除雜質(zhì),最后干燥去除溶劑,得到粉末狀大蒜碳點(diǎn)。
6、優(yōu)選的,步驟(1)中,所述大蒜果肉處理為:將大蒜去皮后得到果肉,洗凈、粉碎。
7、優(yōu)選的,步驟(1)中,所述大蒜粉末在水和乙醇中的濃度為每50~100ml混合溶劑對(duì)應(yīng)1.0~2.0g大蒜粉末。
8、優(yōu)選的,所述水為去離子水。
9、優(yōu)選的,步驟(2)中,水和乙醇的體積比為1﹕1~1.5。
10、優(yōu)選的,步驟(2)中,所述反應(yīng)的溫度為180~200℃。
11、優(yōu)選的,步驟(2)中,所述反應(yīng)時(shí)間為10~12小時(shí)。
12、在混合溶劑熱反應(yīng)條件下,大蒜中的有機(jī)成分如多糖、蛋白質(zhì)等在高溫高壓的環(huán)境中發(fā)生復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)。這些有機(jī)成分逐漸分解、碳化,形成具有納米尺寸的碳點(diǎn)結(jié)構(gòu)。混合溶劑熱反應(yīng)提供了一個(gè)相對(duì)封閉的環(huán)境,有利于反應(yīng)的進(jìn)行和產(chǎn)物的形成。同時(shí),高溫能夠促進(jìn)化學(xué)鍵的斷裂和重組,而高壓則有助于物質(zhì)的擴(kuò)散和反應(yīng)速率的提高。
13、優(yōu)選的,步驟(3)中,所述透析的時(shí)間為36~48小時(shí)。
14、透析的目的是去除反應(yīng)產(chǎn)物中的雜質(zhì)。在透析過程中,利用半透膜的選擇性透過原理,小分子物質(zhì)如未反應(yīng)的原料、副產(chǎn)物等可以通過半透膜,而大蒜碳點(diǎn)由于其相對(duì)較大的尺寸無法通過半透膜,從而實(shí)現(xiàn)雜質(zhì)的去除,得到純凈的大蒜碳點(diǎn)溶液。
15、一種大蒜碳點(diǎn),采用本所述的大蒜碳點(diǎn)的制備方法制備得到。
16、本發(fā)明所述的大蒜碳點(diǎn)在抗菌中的應(yīng)用。
17、所述菌為大腸桿菌或金黃色葡萄球菌。
18、所述菌對(duì)大腸桿菌或金黃色葡萄球菌的殺菌效率大于99%。
19、發(fā)明機(jī)理:本發(fā)明的制備方法中,通過選擇溶劑水和乙醇,制備得到的大蒜碳點(diǎn)的極性、活性、表面基團(tuán)不同。這是由原料的特性決定的。首先是大蒜特性,大蒜中含有大量的有機(jī)物質(zhì),如碳水化合物、蛋白質(zhì)等,這些有機(jī)成分富含碳元素,是形成碳點(diǎn)的碳源基礎(chǔ)。同時(shí),大蒜本身還含有氮、硫等雜原子,在熱解等過程中能夠自然摻雜到碳點(diǎn)結(jié)構(gòu)中,賦予碳點(diǎn)特殊的性能,如增強(qiáng)熒光特性、改變表面電荷分布等。作為天然生物質(zhì),其來源廣泛、成本低廉,且生物相容性好,用其制備的碳點(diǎn)在生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域應(yīng)用時(shí)具有較低的毒性風(fēng)險(xiǎn)。其次是水和乙醇混合溶劑的特性,水是一種極性溶劑,能夠溶解大蒜中的許多水溶性成分;乙醇也是一種常見的有機(jī)溶劑,對(duì)大蒜中的一些有機(jī)成分具有較好的溶解性。二者混合后,能夠更充分地溶解大蒜中的各種成分,使反應(yīng)體系更加均勻,有利于碳點(diǎn)的形成?;旌先軇榉磻?yīng)提供了一個(gè)適宜的介質(zhì)環(huán)境,促進(jìn)大蒜中的有機(jī)成分在加熱等條件下發(fā)生分解、聚合等反應(yīng)。水和乙醇的混合比例可以調(diào)節(jié)反應(yīng)的速率和產(chǎn)物的性質(zhì),例如,適當(dāng)增加乙醇的比例可能會(huì)提高某些有機(jī)成分的溶解度,從而影響碳點(diǎn)的尺寸和表面性質(zhì)。
20、反應(yīng)過程機(jī)理:在一定的溫度條件下,大蒜中的有機(jī)成分開始發(fā)生熱解反應(yīng),大分子的有機(jī)物質(zhì)逐漸分解成小分子的化合物,隨著溫度的升高,這些小分子進(jìn)一步發(fā)生碳化反應(yīng),形成碳核。碳核在形成過程中,會(huì)逐漸形成類似石墨的微晶結(jié)構(gòu),這是碳點(diǎn)具有熒光特性的重要基礎(chǔ)。同時(shí),大蒜中原本存在的氮、硫等雜原子會(huì)在碳化過程中摻雜到碳核中,改變碳點(diǎn)的電子結(jié)構(gòu),使其具有特殊的光學(xué)和電學(xué)性質(zhì)。水和乙醇分子在反應(yīng)過程中會(huì)與碳點(diǎn)表面相互作用,對(duì)碳點(diǎn)表面進(jìn)行鈍化。乙醇分子中的羥基等官能團(tuán)可以與碳點(diǎn)表面的不飽和鍵結(jié)合,減少表面缺陷,提高碳點(diǎn)的穩(wěn)定性和熒光量子產(chǎn)率。反應(yīng)體系中的水和乙醇還會(huì)促使大蒜中的一些成分在碳點(diǎn)表面形成豐富的官能團(tuán),如羥基、羧基、氨基等。這些官能團(tuán)不僅可以提高碳點(diǎn)的水溶性,還能為碳點(diǎn)提供更多的反應(yīng)活性位點(diǎn)。
21、大蒜碳點(diǎn)的抗菌機(jī)理:
22、(1)破壞細(xì)菌細(xì)胞膜
23、大蒜碳點(diǎn)可能通過與細(xì)菌細(xì)胞膜相互作用,破壞細(xì)胞膜的完整性。碳點(diǎn)的納米尺寸使其能夠與細(xì)菌細(xì)胞膜緊密接觸,影響細(xì)胞膜的通透性,導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)泄漏,從而抑制細(xì)菌的生長??赡芡ㄟ^靜電作用吸附在細(xì)菌細(xì)胞膜表面,改變細(xì)胞膜的電位,干擾細(xì)胞膜的正常功能。
24、(2)產(chǎn)生活性氧物種(ros)
25、大蒜碳點(diǎn)在一定條件下可能產(chǎn)生活性氧物種,如超氧陰離子、羥基自由基等。這些活性氧物種具有強(qiáng)氧化性,能夠攻擊細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)的生物分子,如蛋白質(zhì)、核酸等,破壞細(xì)菌的代謝功能,從而起到抗菌作用。
26、(3)干擾細(xì)菌代謝過程
27、大蒜碳點(diǎn)可能進(jìn)入細(xì)菌細(xì)胞內(nèi),干擾細(xì)菌的代謝過程。例如,影響細(xì)菌的呼吸作用、能量代謝、蛋白質(zhì)合成等關(guān)鍵代謝途徑,從而抑制細(xì)菌的生長和繁殖。
28、綜上所述,本發(fā)明通過混合溶劑熱反應(yīng)制備大蒜碳點(diǎn),利用其獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì)實(shí)現(xiàn)了良好的抗菌效果。這種綠色、環(huán)保、低成本的制備方法和抗菌應(yīng)用為解決細(xì)菌感染問題提供了新的思路和方法。
29、有益效果:與現(xiàn)有技術(shù)相比,本發(fā)明具有如下顯著優(yōu)點(diǎn):(1)通過選用乙醇和水作為反應(yīng)溶劑,得到的大蒜碳點(diǎn)的活性提高;(2)經(jīng)過制備得到的大蒜碳點(diǎn)具有良好的穩(wěn)定性,在不同的環(huán)境條件下(如溫度、濕度等)能夠保持其抗菌性能和物理化學(xué)性質(zhì),不易發(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象,分散性良好,便于在各種材料中進(jìn)行應(yīng)用;(3)本方法制備得到的大蒜碳點(diǎn)對(duì)大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的殺菌能力均大于99%;(4)制備方法產(chǎn)率高,可以達(dá)到50%以上,有利于降低生產(chǎn)成本;(5)應(yīng)用前景廣泛,可應(yīng)用于醫(yī)用敷料領(lǐng)域,能夠有效預(yù)防傷口感染,促進(jìn)傷口愈合。在抗菌涂料中使用大蒜碳點(diǎn),可以提高涂料的抗菌性能,延長涂料的使用壽命,適用于醫(yī)院、食品加工廠等對(duì)衛(wèi)生要求較高的場(chǎng)所。用于食品包裝材料中,能夠抑制食品中的細(xì)菌生長,延長食品的保質(zhì)期,保障食品安全;(6)科學(xué)研究價(jià)值:為碳點(diǎn)的制備提供了一種新的思路和方法,豐富了碳點(diǎn)材料的研究領(lǐng)域。對(duì)大蒜碳點(diǎn)的抗菌機(jī)理的研究,有助于深入了解納米材料與細(xì)菌之間的相互作用,為開發(fā)新型抗菌材料提供理論依據(jù);(7)環(huán)境友好:本發(fā)明以大蒜為原料制備碳點(diǎn),大蒜是一種天然的食材,來源廣泛且可再生。與傳統(tǒng)碳點(diǎn)制備方法中使用的有毒有害化學(xué)試劑相比,本方法對(duì)環(huán)境的污染極小,符合綠色環(huán)保的發(fā)展理念。整個(gè)制備過程不產(chǎn)生大量難以處理的廢棄物,減少了對(duì)環(huán)境的負(fù)擔(dān),有利于可持續(xù)發(fā)展。(8)成本低廉:大蒜價(jià)格相對(duì)較低,且在日常生活中較為常見,容易獲取。這大大降低了原材料的成本。制備過程中采用的混合溶劑熱反應(yīng)方法相對(duì)簡單,不需要昂貴的設(shè)備和復(fù)雜的工藝,進(jìn)一步降低了生產(chǎn)成本。