ZnO/Graphene复合量子点的表面特性调控、吸附作用及抗菌性能增强机制

The interaction between nanomaterials and bacteria plays an important role in determining the antibacterial effect of nanomaterials. In this project, smaller size ZnO/graphene quantum dot conjugates were chosen as the research subjects to solve this problem. They were modified with various kinds of cationic organic polymers, which increased the number of adsorptive active sites that could interact with Escherichia coli on the surface of quantum dot conjugates, and effectively shortened the diffusion path of reactive oxygen species (ROS). Finally, the antimicrobial properties of nanomaterials could be improved significantly. The relationship among the synthesis process, the environmental parameters, the composition and surface properties of quantum dots were explored. The effects of groups on the surface of organic polymers, molecular weight, chain length and coating amount on the adsorption between the quantum dot conjugates and Escherichia coli, as well as the production and diffusion of reactive oxygen species, were systematically studied. The synergistic antibacterial action between ZnO/Graphene quantum dot conjugates and organic polymers, as well as the mechanism of enhanced antibacterial activities were revealed. This research could provide new ideas for the design and synthesis of high efficient nanocomposite antimicrobial agents.

纳米材料与细菌之间的相互作用是决定其抗菌效果的重要环节。本项目针对如何提高纳米材料与细菌之间的相互作用这一问题，拟以小尺寸ZnO/Graphene复合量子点为研究对象，利用静电吸附原理，采用各种不同类型的阳离子型有机聚合物对ZnO/Graphene复合量子点进行表面修饰，增大复合量子点表面可与大肠杆菌相互作用的吸附活性位点数目，有效地缩短活性氧物质的扩散路径，最终实现纳米材料抗菌性能的显著提升。阐明合成过程和环境参数控制与复合量子点组成、表面特性等之间的内在联系。系统地研究有机聚合物表面基团种类、分子量、链长、包覆量等因素对复合量子点与大肠杆菌之间吸附作用，以及活性氧物质产生、扩散作用的影响规律，揭示ZnO/Graphene复合量子点与有机聚合物之间的协同抗菌作用及抗菌性能增强机制，为新型高效纳米复合抗菌剂的设计与合成提供新思路。

纳米材料与细菌之间的相互作用是决定其抗菌效果的重要环节。本项目针对如何提高纳米材料与细菌之间的相互作用这一问题，采用水浴法制备了氧化锌/石墨烯(ZnO/Graphene)复合量子点，成功地实现了ZnO与GQD的复合，研究了GQD用量对ZnO/Graphene复合量子点抗菌性能的影响；接着，分别采用聚乙烯亚胺（PEI）、甲氧基聚乙二醇胺（mPEG）等有机聚合物对所制备的ZnO/Graphene复合量子点进行表面修饰，制备ZnO/GQD-PEI、ZnO/GQD-mPEG等复合材料，探究有机聚合物种类对复合量子点分散性及抗菌性能的影响；最后，对抗菌性能最优的ZnO/GQD-PEI复合材料的微结构、抗菌性能及抗菌机理进行了深入研究。主要研究结果如下：. （1）采用水浴法成功地制备了ZnO/Graphene复合量子点，TEM测试结果表明：复合量子点的尺寸为9.75 ± 1.44 nm，存在团聚现象；抗菌性能测试结果表明：与ZnO量子点相比，ZnO/Graphene复合量子点的抗菌效果明显提高，且其抗菌性能随着GQD含量的增加先增大后减小，当GQD用量为50 mg时，复合量子点的抑菌性能最好，其最小抑菌浓度（MIC）为3.6 mg/mL，抑菌率为70.23%；这是因为GQD的引入有效地降低了ZnO量子点表面光生电子与空穴的复合，提高了其光化学性能。. （2）采用有机聚合物对ZnO/Graphene复合量子点进行表面修饰，可有效地提高复合量子点的分散性、稳定性；改性后复合材料的抗菌效果明显提高，其中ZnO/GQD-PEI复合材料的抗菌效果最好，其MIC为2.7 mg/mL，抑菌率为90.6%。. （3）吸附实验、EPR测试及细菌的TEM测试结果表明：ZnO/GQD-PEI的抗菌作用是由ZnO、GQD以及PEI三者之间的协同作用所致；ZnO为主要抗菌组分，GQD促进界面电荷从GQD转移到ZnO，提高纳米ZnO的光催化活性；PEI的引入一方面改善了纳米粒子的分散性和生物相容性，另一方面，通过静电吸引作用，显著提高了ZnO/GQD-PEI复合材料与大肠杆菌的接触效率，利于纳米粒子吸附在大肠杆菌的表面，并进入细胞内，从而杀死细菌。 . 本项目为新型高效纳米复合抗菌剂的设计与合成提供新思路。