荧光碳点纳米材料对大肠杆菌的毒性研究_刘文娟
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１ ２］ 根据文献 ［ 方法制备碳点纳米材料 。
落的影响已有报道 。 但 是 ， 碳点纳米材料对微生物的
［２］ 影响未见报 道 。Ｔ 研究了不同饲养时期碳点 ａ ｏ等 １
在小鼠体内的分布和 毒 理 学 ， 但所得的结论不一定适 碳点对单细胞生物（ 细菌和真 用于其它 生 物 。 因 此 ， 的毒性研究十 分 必 要 。 微 生 物 在 整 个 生 态 系 统 中 菌） 发 挥 着 很 重 要 的 作 用， 其中细菌所占的比例高达 ） 由于细胞结 ９ ０％ 。 大肠杆菌 Ｅ ｓ ｃ ｈ ｅ ｒ ｉ ｃ ｈ ｉ ａ ｃ ｏ ｌ ｉ（ Ｅ． ｃ ｏ ｌ ｉ 在环境 构和功能组织与绝大 多 数 的 微 生 物 都 很 类 似 ， 中广泛存在 ， 且对环境变化非常敏感 ， 是一种广泛使用
］ ７ ８ － 。 很大的发展潜力 ［ ９］ 、 到目前为止 ， 碳纳米材料（ 如 单 壁 碳 纳 米 管［ 富 １ ０］ １ １］ ） 及功能性碳纳米材料 ［ 对微生物或微生物群 勒烯 ［
１ 实验
１． １ 试剂与仪器 ， 多壁碳纳 米 管 （ 内径２ 外径４ ＭＷＣ ＮＴ ｓ ０ｎ ｍ， ０ ， ， 深圳 纳 米 港 有 限 公 司 。 硝 酸 （ 含量６ 硫酸 ｎ ｍ） ５％ ） （ 含量 ９ 及其它试剂 ， 天津试 剂 公 司 。 所 有 试 剂 均 ８％ ） 为分析纯 ， 不需要 任 何 前 处 理 。 实 验 中 的 溶 液 用 二 次 蒸馏水配制 。 氯化钠１ 蛋白胨１ Ｌ Ｂ 培 养 基： ０ ｇ· Ｌ－１ ， ０ ｇ· ·Ｌ－１ ， ， 酵母膏 ５ｇ 常 Ｌ－１ ， １ ２ ０ ℃ 高压釜中灭菌３ ０ｍ ｉ ｎ 温下储存 ， 备用 。 ； 瑞 典） 日立 Ｆ ＴＡＭ Ⅲ 型 多 通 道 微 量 量 热 仪 （ － ； 日 本） 岛 津 ＵＶ ４ ５ ０ ０ 型荧光 光 谱 仪 （ １ ８ ０ ０型紫外可 － 。 日本 ） 见分光光度计 （ １． ２ 碳点纳米材料的制备
表 １ Ｔ ａ ｂ ． １
／ （ ·Ｌ－１） ｃ ｍ ｇ ０ ５ １ ０ ２ ０ ５ ０ １ ０ ０ ２ ０ ０
大肠杆 在大肠杆菌悬浮 液 中 加 入 不 同 浓 度 碳 点 ， 菌的代谢会受到影 响 ， 生 长 速 率 常 数ｋ 发 生 变 化。 通 过分析微量热曲线 ， 得到与微生物活性相关的热力学 见表 １。 参数 ，
将１ 加入 ０ ０ｍ ｇ多 壁 碳 纳 米 管 置 于 三 口 烧 瓶 中 ，
） 基金项目 ： 国家自然科学基金杰出青年科学基金资助项目 （ ４ １ ２ ７ ３ ０ ９ ２ 收稿日期 ： ２ ０ １ ５ ０ ５ １ ６ － － ， ： 作者简介 ： 刘文娟 （ 女， 山西忻州人 ， 博士研 究 生 ， 研究方向： 纳米 毒 理 研 究， 通讯 １ ９ ８ ６－ ） Ｅ－ｍ ａ ｉ ｌ ｌ ｉ ｕ ｗ ｅ ｎ ｕ ａ ｎ １ ９ ８ ６ ０ ５ ２ １＠ａ ｌ ｉ ｕ ｎ ． ｃ ｏ ｍ； ｊ ｙ ： 作者 ： 姚俊 ， 教授 ， ａ ｏ ｕ ｎ Ｅ－ｍ ａ ｉ ｌ ６ ３． ｃ ｏ ｍ。 ＠１ ｙ ｊ
１ ６］ 。这 种 方 法 被 证 实 可 以 原 位 长 时 间 连 续 谢的方法 ［
并且不干扰微生物的生长过程 。 监测微生物生长代谢 ， 时间曲线如 ２ ８ ℃ 时大肠 杆 菌 的 微 量 热 曲 线 和 Ｏ Ｄ６ ０ ０－ 图 ２ 所示 。
பைடு நூலகம்
图 ２ 大肠杆菌的微量热曲线和 Ｏ 时间曲线 Ｄ６ ０ ０－ Ｆ ｉ ． ２ Ｍ ｉ ｃ ｒ ｏ ｃ ａ ｌ ｏ ｒ ｉ ｍ ｅ ｔ ｒ ｉ ｃ ｃ ｕ ｒ ｖ ｅ ａ ｎ ｄ ｇ
１ ６］ 碳 点 的 紫 外 吸 收 光 谱 与 文 献［ 报 ａ可 知， 由图 １ 道一致 。 在紫外区 域 ， 碳 点 有 很 强 的 吸 收 峰。扫 描 波
ｏ ｆ Ｃ ｄ ｏ ｔ ｓ ａ ｔ ｄ ｉ ｆ ｆ ｅ ｒ ｅ ｎ ｔ ｃ ｏ ｎ ｃ ｅ ｎ ｔ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ
刘文娟等 ： 荧光碳点纳米材料对大肠杆菌的毒性研究／ ２ ０ １ ５ 年第 ９ 期
２ ７
含有 ５ｍ Ｌ ６ ５％ 的硝酸和 １ ５ｍ Ｌ ９ ８％ 的 硫 酸 的 混 酸 。 采用超 声 清 洗 机 振 荡 混 合 物 ３ ０ｍ ｉ ｎ。 将 混 合 物 在 ８ ０ ℃ 下冷凝回流 ２ ４ｈ。 冷却后将混合物移入 １ ０ ０ｍ Ｌ 去离子水中稀释 。 将稀释后 的 混 合 物 经 ０． １μ ｍ 滤膜 并将滤液装入 １ 用去离子 抽滤 ， ４ ０ ０ ０Ｄ ａ 的透析袋中 ， 水透析以除去残留的混酸 ， 最终得到棕黄色透明液体 。 该液体在 ３ ６ ５ｎ ｍ 紫外灯 照 射 下 可 发 出 明 亮 的 黄 色 荧 光。 １． ３ 微量热测定 采用多通 道 微 量 量 热 仪 测 定 大 肠 杆 菌 的 代 谢 产 热 。 大肠杆菌的代谢反应在 ４ ． ０ｍ Ｌ 不锈钢的安瓿瓶 中进 行 。 安 瓿 瓶 使 用 前 在 电 热 恒 温 鼓 风 干 燥 箱 中 １ １ ０ ℃ 下灭菌 ３ ０ｍ ｉ ｎ。 大肠杆菌的微量热曲线的测量采用安瓿瓶法 。将 然后分别加入不同 ２ｍ Ｌ的Ｌ Ｂ 培养基放入安瓿瓶内 ， 浓度的无菌碳点 ， 使得培养基中碳点的终浓度（ ｍ ｇ· 分别为５ 每个安 Ｌ－１） ． ０ ０、 １ ０ ． ０、 ２ ０ ． ０、 ５ ０ ． ０、 １ ０ ０、 ２ ０ ０， 。轻 瓿瓶中都 加 入 １ ０ ０μ Ｌ 的大肠杆菌（ Ｏ Ｄ６ ． ５） ０ ０ ＝０ 微涡旋 ， 将碳点和 大 肠 杆 菌 混 合 均 匀 。 大 肠 杆 菌 的 代 谢反应在 ２ 大 肠 杆 菌 的 热 功 率 －时 间 曲 线 被 ８ ℃ 进 行， 记录到与量热仪连接的计算机上 。
含有不同浓度碳点的大肠杆菌的热力学参数 Ｔ ｈ ｅ ｒ ｍ ｏ ｄ ｎ ａ ｍ ｉ ｃ ｏ ｆ Ｅ． ｃ ｏ ｌ ｉ ｉ ｎ ｔ ｈ ｅ ｏ ｆ Ｃ ｄ ｏ ｔ ｓ ａ ｔ ｄ ｉ ｆ ｆ ｅ ｒ ｅ ｎ ｔ ｃ ｏ ｎ ｃ ｅ ｎ ｔ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ａ ｒ ａ ｍ ｅ ｔ ｅ ｒ ｓ ｒ ｅ ｓ ｅ ｎ ｃ ｅ ｙ ｐ ｐ
］ ５ ６ － 。 此外 ， 截面大等 ［ 碳点还有许多半导体量子点所没
有的优点 ， 如优越的 水 溶 性 、 无 光 闪 烁 性、 制造成本低 既不污染环境又具有优良的生 等 。 碳点不含重金属 ， 物相容性 。 由于碳点 优 良 的 物 理 和 化 学 性 质 ， 它在生 物学领域已经引起很多研究者的关注 。 碳点的表面能 被各种化学基团修饰 ， 使得它在一些新的应用领域有
Ｏ Ｄ６ ｔ ｉ ｍ ｅ ｃ ｕ ｒ ｖ ｅ ｆ ｏ ｒ Ｅ． ｃ ｏ ｌ ｉ ０ ０－
大肠杆菌的微量热曲线显示出特有 由图 ２ 可知 ， 、 、 、 的生长期 ： 适应期 （ 指数期（ 稳定期（ 衰退期 １） ２） ３） （ ） 。 微量热曲 线 的 峰 值 和 Ｏ 时间曲线的峰值几 ４ Ｄ６ ０ ０－ 乎同时发生 。 微量热曲线的每一个阶段都和细胞密度 相吻合 。 含有不同浓度碳点的大肠杆菌的微量热曲线如图 ３ 所示 。
１ ７］ 。 通过对 微 量 热 曲 线 中 对 数 期 部 分 的 ｌ 数［ ｎ Ｐ ｔ 和ｔ
长越短 ， 吸收强度越大 ， 为典型的碳点的吸收光谱 。 由 碳点的荧光光谱在 ４ 图１ ｂ 可知 ， ９ ６ｎ ｍ 处有 一 个 明 显 对称的发射峰 。 ２． ２ 大肠杆菌的微量热曲线 微量热法是一种有效且准确的研究微生物能量代
在 纳米材料作为一 种 具 有 市 场 应 用 潜 力 的 材 料 ， ［ １ ３ － 医药 、 化工 、 电子和航空等领域得到了广泛的应用 ］。 纳米材料 在 开 发 和 应 用 过 程 中 将 不 可 避 免 地 进 入 环
４］ 。 因此 ， 对环境和人类健康产生潜在的重大危害 ［ 境，
的研究分子和细胞 生 物 学 的 模 式 生 物 。 此 外 ， 大肠杆 菌还被广泛应用于研究外源性物质 （ 如重金属 、 除草剂
的数据进行线性拟合计算得到 ：
２ ８
ｌ ｎ Ｐ ｎ Ｐ０ ＋ ｋ ｔ ｔ＝ ｌ
荧光碳点纳米材料对大肠杆菌的毒性研究／ ２ ０ １ ５ 年第 ９ 期 刘文娟等 ：
式中 ： ｔ 是对数期的某一时刻 ； Ｐ０ 是微生 物 所 有 细 胞进入对数期时的 初 始 总 放 热 功 率 ； Ｐ ｔ 是ｔ 时 刻 的 总 放热功率 。
２ 结果与讨论
２． １ 碳点的光谱测定 碳点的紫外 吸 收 光 谱 和 荧 光 发 射 光 谱 如 图 １ 所 示。
图 ３ 含有不同浓度碳点的大肠杆菌的微量热曲线 Ｆ ｉ ． ３ Ｍ ｉ ｃ ｒ ｏ ｃ ａ ｌ ｏ ｒ ｉ ｍ ｅ ｔ ｒ ｉ ｃ ｃ ｕ ｒ ｖ ｅ ｓ ｏ ｆ Ｅ． ｃ ｏ ｌ ｉ ｉ ｎ ｔ ｈ ｅ ｒ ｅ ｓ ｅ ｎ ｃ ｅ ｇ ｐ ） ） 图 １ 碳点的紫外吸收光谱 （ 和荧光发射光谱 （ ａ ｂ ） Ｆ ｉ ． １ Ｕ Ｖ Ａ ｂ ｓ ｏ ｒ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ｅ ｃ ｔ ｒ ｕ ｍ（ ａ ｇ ｐ ｐ ） ａ ｎ ｄ ｈ ｏ ｔ ｏ ｌ ｕ ｍ ｉ ｎ ｅ ｓ ｃ ｅ ｎ ｃ ｅ ｓ ｅ ｃ ｔ ｒ ｕ ｍ（ ｂ ｏ ｆ Ｃ ｄ ｏ ｔ ｓ ｐ ｐ
２ ６
ｗ ｗ． ｈ ｘ ｓ ｗ ｃ ． ｃ ｏ ｍ ２ ０ １ ５， Ｖ ｏ ｌ ． ３ ２Ｎ ｏ ． ０ ９ ｗ ｙ ｇ
化学与生物工程
ｈ ｅ ｍ ｉ ｓ ｔ ｒ ＆Ｂ ｉ ｏ ｅ ｎ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ Ｃ ｙ ｇ ｇ
： ／ ｄ ｏ ｉ １ ０． ３ ９ ６ ９ ． ｉ ｓ ｓ ｎ． １ ６ ７ ２－５ ４ ２ ５． ２ ０ １ ５． ０ ９． ０ ０ ７ ｊ
荧光碳点纳米材料对大肠杆菌的毒性研究
刘文娟 ， 靳竞男 ， 马家恒 ， 姚 俊 （ ） 北京科技大学土木与环境工程学院 ， 北京 １ ０ ０ ０ ８ ３
摘 要： 以革兰氏阴性菌大肠杆菌为 实 验 模 型 ， 采用微量热法研究了碳点对细 菌 生 长 的 生 物 效 应。低 浓 度 的 碳 点 （ ·Ｌ－１ ） 使得细菌的最大热功 率 （ 和总热量（ 增 大。碳 点 对 大 肠 杆 菌 的 半 抑 制 浓 度 （ 为 ０ ． ０ ０～５ ． ０ ０ｍ Ｐｐ Ｑ Ｉ Ｃ ｇ ｅ ａ ｋ） ｔ ｏ ｔ ａ ｌ） ５ ０） ·Ｌ－１ 。 碳点对大肠杆菌生长的影响与其浓度有关 。 １ ８ ． ５ ３ｍ ｇ 关键词 ： 碳点 ； 大肠杆菌 ； 微量热法 ； 毒性效应 （ ） 中图分类号 ： Ｒ ３ ７ ８． ２ １ 文献标识码 ： Ａ 文章编号 ： １ ６ ７ ２ ５ ４ ２ ５ ２ ０ １ ５ ０ ９ ０ ０ ２ ６ ０ ５ － － －
含有不同浓度碳点的大肠杆菌的微 由图 ３ 可知 ， 量热曲线形状相似 ， 能够明显看出大肠杆菌的４个生 长期 。 但是随着碳点 浓 度 的 增 大 ， 大肠杆菌的微量热 说明它的整个代谢过程变缓且 曲线的峰值逐渐降低 ， 有延迟 。 生长速率常数 ｋ 是微生物活动的一个重要的定量 指 标， 是指示微生物的化学应力和微生物呼吸的参
］ １ ３ １ ５ － 。 的毒性 ［ 及纳米材料等 ）
作者采用微量热法研究了碳点对大肠杆菌生长的 影响 。 从大肠杆菌的微量热曲线计算得出大肠杆菌的 、 生长速率常数 （ 最大热功率 （ 和碳点对大肠杆 ｋ） Ｐｐ ｅ ａ ｋ） 。 菌的半抑制浓度 （ Ｉ Ｃ ５ ０）
纳米材料 对 环 境 和 人 类 的 副 作 用 需 要 进 行 深 入 的 研 具有很多半导体 究 。 碳点是一种零维 的 碳 纳 米 材 料 ， 量子点的优点 ， 如很 好 的 光 稳 定 性 、 多 色、 双光子吸收
落的影响已有报道 。 但 是 ， 碳点纳米材料对微生物的
［２］ 影响未见报 道 。Ｔ 研究了不同饲养时期碳点 ａ ｏ等 １
在小鼠体内的分布和 毒 理 学 ， 但所得的结论不一定适 碳点对单细胞生物（ 细菌和真 用于其它 生 物 。 因 此 ， 的毒性研究十 分 必 要 。 微 生 物 在 整 个 生 态 系 统 中 菌） 发 挥 着 很 重 要 的 作 用， 其中细菌所占的比例高达 ） 由于细胞结 ９ ０％ 。 大肠杆菌 Ｅ ｓ ｃ ｈ ｅ ｒ ｉ ｃ ｈ ｉ ａ ｃ ｏ ｌ ｉ（ Ｅ． ｃ ｏ ｌ ｉ 在环境 构和功能组织与绝大 多 数 的 微 生 物 都 很 类 似 ， 中广泛存在 ， 且对环境变化非常敏感 ， 是一种广泛使用
］ ７ ８ － 。 很大的发展潜力 ［ ９］ 、 到目前为止 ， 碳纳米材料（ 如 单 壁 碳 纳 米 管［ 富 １ ０］ １ １］ ） 及功能性碳纳米材料 ［ 对微生物或微生物群 勒烯 ［
１ 实验
１． １ 试剂与仪器 ， 多壁碳纳 米 管 （ 内径２ 外径４ ＭＷＣ ＮＴ ｓ ０ｎ ｍ， ０ ， ， 深圳 纳 米 港 有 限 公 司 。 硝 酸 （ 含量６ 硫酸 ｎ ｍ） ５％ ） （ 含量 ９ 及其它试剂 ， 天津试 剂 公 司 。 所 有 试 剂 均 ８％ ） 为分析纯 ， 不需要 任 何 前 处 理 。 实 验 中 的 溶 液 用 二 次 蒸馏水配制 。 氯化钠１ 蛋白胨１ Ｌ Ｂ 培 养 基： ０ ｇ· Ｌ－１ ， ０ ｇ· ·Ｌ－１ ， ， 酵母膏 ５ｇ 常 Ｌ－１ ， １ ２ ０ ℃ 高压釜中灭菌３ ０ｍ ｉ ｎ 温下储存 ， 备用 。 ； 瑞 典） 日立 Ｆ ＴＡＭ Ⅲ 型 多 通 道 微 量 量 热 仪 （ － ； 日 本） 岛 津 ＵＶ ４ ５ ０ ０ 型荧光 光 谱 仪 （ １ ８ ０ ０型紫外可 － 。 日本 ） 见分光光度计 （ １． ２ 碳点纳米材料的制备
表 １ Ｔ ａ ｂ ． １
／ （ ·Ｌ－１） ｃ ｍ ｇ ０ ５ １ ０ ２ ０ ５ ０ １ ０ ０ ２ ０ ０
大肠杆 在大肠杆菌悬浮 液 中 加 入 不 同 浓 度 碳 点 ， 菌的代谢会受到影 响 ， 生 长 速 率 常 数ｋ 发 生 变 化。 通 过分析微量热曲线 ， 得到与微生物活性相关的热力学 见表 １。 参数 ，
将１ 加入 ０ ０ｍ ｇ多 壁 碳 纳 米 管 置 于 三 口 烧 瓶 中 ，
） 基金项目 ： 国家自然科学基金杰出青年科学基金资助项目 （ ４ １ ２ ７ ３ ０ ９ ２ 收稿日期 ： ２ ０ １ ５ ０ ５ １ ６ － － ， ： 作者简介 ： 刘文娟 （ 女， 山西忻州人 ， 博士研 究 生 ， 研究方向： 纳米 毒 理 研 究， 通讯 １ ９ ８ ６－ ） Ｅ－ｍ ａ ｉ ｌ ｌ ｉ ｕ ｗ ｅ ｎ ｕ ａ ｎ １ ９ ８ ６ ０ ５ ２ １＠ａ ｌ ｉ ｕ ｎ ． ｃ ｏ ｍ； ｊ ｙ ： 作者 ： 姚俊 ， 教授 ， ａ ｏ ｕ ｎ Ｅ－ｍ ａ ｉ ｌ ６ ３． ｃ ｏ ｍ。 ＠１ ｙ ｊ
１ ６］ 。这 种 方 法 被 证 实 可 以 原 位 长 时 间 连 续 谢的方法 ［
并且不干扰微生物的生长过程 。 监测微生物生长代谢 ， 时间曲线如 ２ ８ ℃ 时大肠 杆 菌 的 微 量 热 曲 线 和 Ｏ Ｄ６ ０ ０－ 图 ２ 所示 。
பைடு நூலகம்
图 ２ 大肠杆菌的微量热曲线和 Ｏ 时间曲线 Ｄ６ ０ ０－ Ｆ ｉ ． ２ Ｍ ｉ ｃ ｒ ｏ ｃ ａ ｌ ｏ ｒ ｉ ｍ ｅ ｔ ｒ ｉ ｃ ｃ ｕ ｒ ｖ ｅ ａ ｎ ｄ ｇ
１ ６］ 碳 点 的 紫 外 吸 收 光 谱 与 文 献［ 报 ａ可 知， 由图 １ 道一致 。 在紫外区 域 ， 碳 点 有 很 强 的 吸 收 峰。扫 描 波
ｏ ｆ Ｃ ｄ ｏ ｔ ｓ ａ ｔ ｄ ｉ ｆ ｆ ｅ ｒ ｅ ｎ ｔ ｃ ｏ ｎ ｃ ｅ ｎ ｔ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ
刘文娟等 ： 荧光碳点纳米材料对大肠杆菌的毒性研究／ ２ ０ １ ５ 年第 ９ 期
２ ７
含有 ５ｍ Ｌ ６ ５％ 的硝酸和 １ ５ｍ Ｌ ９ ８％ 的 硫 酸 的 混 酸 。 采用超 声 清 洗 机 振 荡 混 合 物 ３ ０ｍ ｉ ｎ。 将 混 合 物 在 ８ ０ ℃ 下冷凝回流 ２ ４ｈ。 冷却后将混合物移入 １ ０ ０ｍ Ｌ 去离子水中稀释 。 将稀释后 的 混 合 物 经 ０． １μ ｍ 滤膜 并将滤液装入 １ 用去离子 抽滤 ， ４ ０ ０ ０Ｄ ａ 的透析袋中 ， 水透析以除去残留的混酸 ， 最终得到棕黄色透明液体 。 该液体在 ３ ６ ５ｎ ｍ 紫外灯 照 射 下 可 发 出 明 亮 的 黄 色 荧 光。 １． ３ 微量热测定 采用多通 道 微 量 量 热 仪 测 定 大 肠 杆 菌 的 代 谢 产 热 。 大肠杆菌的代谢反应在 ４ ． ０ｍ Ｌ 不锈钢的安瓿瓶 中进 行 。 安 瓿 瓶 使 用 前 在 电 热 恒 温 鼓 风 干 燥 箱 中 １ １ ０ ℃ 下灭菌 ３ ０ｍ ｉ ｎ。 大肠杆菌的微量热曲线的测量采用安瓿瓶法 。将 然后分别加入不同 ２ｍ Ｌ的Ｌ Ｂ 培养基放入安瓿瓶内 ， 浓度的无菌碳点 ， 使得培养基中碳点的终浓度（ ｍ ｇ· 分别为５ 每个安 Ｌ－１） ． ０ ０、 １ ０ ． ０、 ２ ０ ． ０、 ５ ０ ． ０、 １ ０ ０、 ２ ０ ０， 。轻 瓿瓶中都 加 入 １ ０ ０μ Ｌ 的大肠杆菌（ Ｏ Ｄ６ ． ５） ０ ０ ＝０ 微涡旋 ， 将碳点和 大 肠 杆 菌 混 合 均 匀 。 大 肠 杆 菌 的 代 谢反应在 ２ 大 肠 杆 菌 的 热 功 率 －时 间 曲 线 被 ８ ℃ 进 行， 记录到与量热仪连接的计算机上 。
含有不同浓度碳点的大肠杆菌的热力学参数 Ｔ ｈ ｅ ｒ ｍ ｏ ｄ ｎ ａ ｍ ｉ ｃ ｏ ｆ Ｅ． ｃ ｏ ｌ ｉ ｉ ｎ ｔ ｈ ｅ ｏ ｆ Ｃ ｄ ｏ ｔ ｓ ａ ｔ ｄ ｉ ｆ ｆ ｅ ｒ ｅ ｎ ｔ ｃ ｏ ｎ ｃ ｅ ｎ ｔ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ａ ｒ ａ ｍ ｅ ｔ ｅ ｒ ｓ ｒ ｅ ｓ ｅ ｎ ｃ ｅ ｙ ｐ ｐ
］ ５ ６ － 。 此外 ， 截面大等 ［ 碳点还有许多半导体量子点所没
有的优点 ， 如优越的 水 溶 性 、 无 光 闪 烁 性、 制造成本低 既不污染环境又具有优良的生 等 。 碳点不含重金属 ， 物相容性 。 由于碳点 优 良 的 物 理 和 化 学 性 质 ， 它在生 物学领域已经引起很多研究者的关注 。 碳点的表面能 被各种化学基团修饰 ， 使得它在一些新的应用领域有
Ｏ Ｄ６ ｔ ｉ ｍ ｅ ｃ ｕ ｒ ｖ ｅ ｆ ｏ ｒ Ｅ． ｃ ｏ ｌ ｉ ０ ０－
大肠杆菌的微量热曲线显示出特有 由图 ２ 可知 ， 、 、 、 的生长期 ： 适应期 （ 指数期（ 稳定期（ 衰退期 １） ２） ３） （ ） 。 微量热曲 线 的 峰 值 和 Ｏ 时间曲线的峰值几 ４ Ｄ６ ０ ０－ 乎同时发生 。 微量热曲线的每一个阶段都和细胞密度 相吻合 。 含有不同浓度碳点的大肠杆菌的微量热曲线如图 ３ 所示 。
１ ７］ 。 通过对 微 量 热 曲 线 中 对 数 期 部 分 的 ｌ 数［ ｎ Ｐ ｔ 和ｔ
长越短 ， 吸收强度越大 ， 为典型的碳点的吸收光谱 。 由 碳点的荧光光谱在 ４ 图１ ｂ 可知 ， ９ ６ｎ ｍ 处有 一 个 明 显 对称的发射峰 。 ２． ２ 大肠杆菌的微量热曲线 微量热法是一种有效且准确的研究微生物能量代
在 纳米材料作为一 种 具 有 市 场 应 用 潜 力 的 材 料 ， ［ １ ３ － 医药 、 化工 、 电子和航空等领域得到了广泛的应用 ］。 纳米材料 在 开 发 和 应 用 过 程 中 将 不 可 避 免 地 进 入 环
４］ 。 因此 ， 对环境和人类健康产生潜在的重大危害 ［ 境，
的研究分子和细胞 生 物 学 的 模 式 生 物 。 此 外 ， 大肠杆 菌还被广泛应用于研究外源性物质 （ 如重金属 、 除草剂
的数据进行线性拟合计算得到 ：
２ ８
ｌ ｎ Ｐ ｎ Ｐ０ ＋ ｋ ｔ ｔ＝ ｌ
荧光碳点纳米材料对大肠杆菌的毒性研究／ ２ ０ １ ５ 年第 ９ 期 刘文娟等 ：
式中 ： ｔ 是对数期的某一时刻 ； Ｐ０ 是微生 物 所 有 细 胞进入对数期时的 初 始 总 放 热 功 率 ； Ｐ ｔ 是ｔ 时 刻 的 总 放热功率 。
２ 结果与讨论
２． １ 碳点的光谱测定 碳点的紫外 吸 收 光 谱 和 荧 光 发 射 光 谱 如 图 １ 所 示。
图 ３ 含有不同浓度碳点的大肠杆菌的微量热曲线 Ｆ ｉ ． ３ Ｍ ｉ ｃ ｒ ｏ ｃ ａ ｌ ｏ ｒ ｉ ｍ ｅ ｔ ｒ ｉ ｃ ｃ ｕ ｒ ｖ ｅ ｓ ｏ ｆ Ｅ． ｃ ｏ ｌ ｉ ｉ ｎ ｔ ｈ ｅ ｒ ｅ ｓ ｅ ｎ ｃ ｅ ｇ ｐ ） ） 图 １ 碳点的紫外吸收光谱 （ 和荧光发射光谱 （ ａ ｂ ） Ｆ ｉ ． １ Ｕ Ｖ Ａ ｂ ｓ ｏ ｒ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ｅ ｃ ｔ ｒ ｕ ｍ（ ａ ｇ ｐ ｐ ） ａ ｎ ｄ ｈ ｏ ｔ ｏ ｌ ｕ ｍ ｉ ｎ ｅ ｓ ｃ ｅ ｎ ｃ ｅ ｓ ｅ ｃ ｔ ｒ ｕ ｍ（ ｂ ｏ ｆ Ｃ ｄ ｏ ｔ ｓ ｐ ｐ
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ｗ ｗ． ｈ ｘ ｓ ｗ ｃ ． ｃ ｏ ｍ ２ ０ １ ５， Ｖ ｏ ｌ ． ３ ２Ｎ ｏ ． ０ ９ ｗ ｙ ｇ
化学与生物工程
ｈ ｅ ｍ ｉ ｓ ｔ ｒ ＆Ｂ ｉ ｏ ｅ ｎ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ Ｃ ｙ ｇ ｇ
： ／ ｄ ｏ ｉ １ ０． ３ ９ ６ ９ ． ｉ ｓ ｓ ｎ． １ ６ ７ ２－５ ４ ２ ５． ２ ０ １ ５． ０ ９． ０ ０ ７ ｊ
荧光碳点纳米材料对大肠杆菌的毒性研究
刘文娟 ， 靳竞男 ， 马家恒 ， 姚 俊 （ ） 北京科技大学土木与环境工程学院 ， 北京 １ ０ ０ ０ ８ ３
摘 要： 以革兰氏阴性菌大肠杆菌为 实 验 模 型 ， 采用微量热法研究了碳点对细 菌 生 长 的 生 物 效 应。低 浓 度 的 碳 点 （ ·Ｌ－１ ） 使得细菌的最大热功 率 （ 和总热量（ 增 大。碳 点 对 大 肠 杆 菌 的 半 抑 制 浓 度 （ 为 ０ ． ０ ０～５ ． ０ ０ｍ Ｐｐ Ｑ Ｉ Ｃ ｇ ｅ ａ ｋ） ｔ ｏ ｔ ａ ｌ） ５ ０） ·Ｌ－１ 。 碳点对大肠杆菌生长的影响与其浓度有关 。 １ ８ ． ５ ３ｍ ｇ 关键词 ： 碳点 ； 大肠杆菌 ； 微量热法 ； 毒性效应 （ ） 中图分类号 ： Ｒ ３ ７ ８． ２ １ 文献标识码 ： Ａ 文章编号 ： １ ６ ７ ２ ５ ４ ２ ５ ２ ０ １ ５ ０ ９ ０ ０ ２ ６ ０ ５ － － －
含有不同浓度碳点的大肠杆菌的微 由图 ３ 可知 ， 量热曲线形状相似 ， 能够明显看出大肠杆菌的４个生 长期 。 但是随着碳点 浓 度 的 增 大 ， 大肠杆菌的微量热 说明它的整个代谢过程变缓且 曲线的峰值逐渐降低 ， 有延迟 。 生长速率常数 ｋ 是微生物活动的一个重要的定量 指 标， 是指示微生物的化学应力和微生物呼吸的参
］ １ ３ １ ５ － 。 的毒性 ［ 及纳米材料等 ）
作者采用微量热法研究了碳点对大肠杆菌生长的 影响 。 从大肠杆菌的微量热曲线计算得出大肠杆菌的 、 生长速率常数 （ 最大热功率 （ 和碳点对大肠杆 ｋ） Ｐｐ ｅ ａ ｋ） 。 菌的半抑制浓度 （ Ｉ Ｃ ５ ０）
纳米材料 对 环 境 和 人 类 的 副 作 用 需 要 进 行 深 入 的 研 具有很多半导体 究 。 碳点是一种零维 的 碳 纳 米 材 料 ， 量子点的优点 ， 如很 好 的 光 稳 定 性 、 多 色、 双光子吸收