Muhammad Bilal Khan | Hans-Uwe-Dahms | Johnthini Munir Ahmed | Kainat Ishaq | Karen Aulrich | Yeou-Lih Huang
高雄医科大学医学实验室科学与生物技术系，台湾高雄
摘要
抗菌耐药性的迅速增长加剧了人们对纳米材料的探索，这些纳米材料可以提供比传统抗生素更有效、多功能的替代品。在本研究中，合成了基于多巴胺的氮掺杂石墨烯量子点（N-GQDs），并评估了其作为兼具抗菌和抗氧化功能的纳米平台的潜力。通过TEM、XRD、XPS、FTIR、UV-Vis和荧光光谱等技术对N-GQDs的结构和化学性质进行了表征，证实了氮的成功掺入以及量子点的良好形成。通过抗氧化、抗菌和抗生物膜测试评估了N-GQDs的生物活性。结果表明，N-GQDs对革兰氏阳性和革兰氏阴性人类病原体表现出强烈的抗菌活性，其中对腐生葡萄球菌和奇异变形杆菌的最小抑制浓度低至1µg/mL。值得注意的是，对常用抗菌剂具有降低敏感性的细菌菌株对N-GQDs表现出明显的敏感性，这表明其作用机制与众不同。抗生物膜研究进一步证明了N-GQDs抑制生物膜形成的能力，突显了其在应对持续性细菌感染方面的潜力。机制研究表明，N-GQDs通过引发细胞内活性氧种类的增加来破坏细胞壁，最终导致细菌死亡。同时，N-GQDs还表现出显著的抗氧化能力，在DPPH实验中其自由基清除活性达到了83.5%。比较分析显示，与未掺氮的量子点相比，氮掺杂显著降低了N-GQDs的抗菌和抗氧化性能的IC50值。总体而言，本研究表明基于多巴胺的N-GQDs具备强大的抗菌活性、抗生物膜能力和抗氧化活性，为其在未来的抗菌和治疗应用中提供了广泛的应用前景。
引言
抗生素耐药性已在多种病原微生物中出现，极大地复杂化了传染性疾病的治疗和控制。特别是多重耐药（MDR）细菌病原体日益被视为全球健康威胁。这种日益增长的耐药性主要归因于抗生素的过度使用和滥用，加速了耐药菌株的进化[1]。传统的消毒和治疗策略，包括氯化、臭氧氧化、紫外线照射和有机抗菌剂的应用，已被广泛采用[2]。然而，这些方法往往成本高昂、能耗大，并可能对公共健康和环境造成潜在风险。因此，开发具有更好疗效和安全性的替代抗菌和抗氧化剂已成为当务之急[3]。
纳米技术能够在纳米尺度（1-100 nm）设计和合成功能性纳米材料，并已在公共卫生、医学、农业、食品和电子工业等多个领域找到应用。这些纳米材料可以通过物理、化学和生物方法合成，每种方法都有其独特的优势[4]。其中，基于金属或金属氧化物的纳米材料因对耐药细菌和病毒病原体的抗菌活性而受到广泛关注[5]。据报道，包括碳量子点-银纳米复合材料[6]、CQDs@AgNPs@CS基纳米复合材料[7]、铜纳米粒子[8]、银掺杂锰氧化物纳米复合材料[9]、氧化锌纳米粒子[10]和氧化镁纳米粒子[11]在内的不同纳米材料均表现出较强的抗菌性能。重要的是，抗菌活性强烈依赖于纳米粒子的大小、形态、表面电荷和化学组成。较小的纳米粒子能够轻易吸附在细菌细胞表面并穿透细胞壁，导致膜损伤、代谢紊乱和DNA断裂[12]。
尽管许多基于金属的纳米材料具有抗菌效果，但由于其对非目标人体细胞的潜在细胞毒性，其广泛应用受到限制。因此，在抗菌效力和生物相容性之间取得平衡仍是一个关键挑战。基于碳的纳米材料，如氧化石墨烯、碳纳米管、石墨烯量子点和碳点，因其强大的抗菌和抗氧化活性以及相对较低的细胞毒性和优异的生物相容性而成为有前景的替代品[13,14]。
在这些材料中，石墨烯量子点因其独特的物理化学和生物特性以及较小的尺寸（3-5 nm）而受到特别关注，这有助于其与细菌细胞壁膜和病毒衣壳蛋白的有效相互作用[[15], [16], [17]]。与石墨烯和氧化石墨烯（GO）相比，GQDs的较小尺寸和量子限制效应使其在生物医学应用中更具潜力[18]。此外，GQDs还被广泛用于荧光标记、药物递送[19]、生物成像[20]、生物传感[21]和抗菌应用，得益于其低细胞毒性、低制备成本、热稳定性、抗光漂白性、渗透耐受性和pH稳定性[22,23]。此外，用磷、氮和硼等元素进行异质原子掺杂已被证明是调节GQDs电子结构、表面化学和光学特性的有效策略，从而提升其功能性能[24]。在这种框架下，用氮（N）掺杂GQDs被证明是一种有效的方法，可以改变石墨烯量子点的固有电子和表面特性。氮掺杂的GQDs（N-GQDs）在金属离子、小有机分子、非金属离子和生物大分子的荧光检测中显示出良好的应用前景[25]。
近年来，多项研究报道了基于碳的石墨烯量子点及相关纳米材料在对抗细菌感染和其他生物医学应用中的潜力[6,26,27]。例如，Wang等人报道了碳点具有高抗菌效率并保持持久的抗菌性能[28]。同样，Zare-Zardini等人证明，负载
Mentha提取物的白蛋白纳米粒子表现出强烈的抗菌活性，同时保持了增强的稳定性和降低的毒性[29]。
Kasirajan等人证明，超阳离子CQDs对多重耐药病原体具有增强的抗菌活性[30]。另一项机制研究表明，具有不同表面电荷的碳点可以触发细胞凋亡，如在大肠杆菌中的程序性细胞死亡，这突显了表面电荷在抗菌作用中的重要作用[31]。
特别是氮掺杂因其氮原子与碳晶格之间的强相互作用而受到广泛研究[24,34]。因此，我们使用天然多巴胺来源的氮原子作为异质原子来合成CQDs，以创建更活跃的电子位点，期望它们表现出显著的抗菌和抗氧化性能。
然而，尽管取得了这些进展，但使用生物来源的、无金属的氮源来合成兼具抗菌、抗生物膜和抗氧化活性的N-GQDs的研究仍较少。关于基于多巴胺的N-GQDs及其抗菌机制的系统性研究也很缺乏。多巴胺是一种天然富含氮（N）的前体，含有活性–OH（羟基）和–NH₂（胺基）官能团，能够牢固地粘附在不同表面上。将其作为可持续的异质原子前体使用，为开发多功能碳纳米材料提供了有前景的途径，同时避免了与基于金属的掺杂剂相关的潜在毒性[35]。
在本研究中，我们报道了通过水热法合成新型的无金属氮掺杂N-GQDs，并系统地研究了它们的抗菌、抗生物膜和抗氧化性能。通过形态学和物理分析对这些亲水且生物相容的N-GQDs进行了检测。扫描电子显微镜（SEM）显示，N-GQDs处理后细菌膜出现了明显的损伤和变形，这归因于带负电的细菌细胞壁与带正电的N-GQDs之间的强静电相互作用以及氧化应激。这项工作为设计可持续的多功能N-GQDs提供了新的见解，并突显了它们作为传统抗菌剂的有效替代品的潜力。实验工作流程的示意图见图S1。
材料
所有溶液均使用超纯Milli-Q水（Millipore，美国马萨诸塞州Billerica）制备。
琼脂、营养肉汤（NB）和Luria-Bertani（LB）肉汤、盐酸多巴胺和柠檬酸一水合物均购自Sigma Aldrich（美国密苏里州圣路易斯）。
GQDs和N-GQDs的合成
N-GQDs是通过使用柠檬酸和盐酸多巴胺作为氮源的改良一步水热法合成的[36,37]。简而言之，将2.1克柠檬酸和1克盐酸多巴胺溶解在双蒸水中
GQDs和N-GQDs的合成
首先通过视觉检查和光致发光观察评估了合成石墨烯量子点（GQDs）和氮掺杂石墨烯量子点的成功形成和荧光特性。图1a和b显示了在环境光和365纳米波长紫外光下分散的GQDs和N-GQDs的照片。如图1a所示，GQDs和N-GQDs的水分散液在环境光下是透明的，表明其分布均匀
结论
在本研究中，通过一步水热法成功合成了基于多巴胺的氮掺杂石墨烯量子点（N-GQDs），提供了一种无金属、简单且可持续的纳米材料平台。使用UV–Vis和荧光光谱、FT-IR、XPS、P-XRD、TEM和HR-TEM进行的物理化学表征证实了氮的成功掺入、丰富的表面官能团、高分散性和小于5纳米的均匀粒径。合成的N-GQDs
资助信息
本研究由台湾国家科学技术委员会资助，资助对象为Yeou-Lih Huang（NSTC 111-2113-M-037-017；NSTC 112-2113-M-037-019）和Tan Han Shih（Hans-Uwe Dahms）（NSTC 112-2221-E-037-005；KP15007）。本工作得到了高雄医科大学精密环境医学研究中心的支持，该中心隶属于教育部（MOE）的高等教育萌芽项目框架下的特色领域研究中心计划
作者贡献
Muhammad Bilal Khan：概念化、方法论、数据管理、原始稿撰写。
Johnthini Munir Ahmed：正式分析、方法论、审稿与编辑。
Kainat Ishaq：方法论和可视化。
Yeou-Lih Huang：资源提供、监督、审稿与编辑。
Hans-Uwe-Dahms和Karen Aulrich：审稿与编辑。所有作者均已阅读并批准了最终稿件版本。
涉及动物实验的研究
本研究未进行任何动物实验。
涉及人类实验的研究
手稿中未呈现任何涉及人类实验的内容。
包含可识别的人类数据
本研究中未呈现任何可能识别的人类数据。
数据可用性声明
生成声明：支持本文结论的原始数据将由作者提供，无任何保留。
生成式AI声明
本手稿的制备过程中未使用任何生成式AI。
作者声明
我们确认修订后的手稿是原创的，所有作者均已批准修改内容。手稿已根据审稿人的意见进行了修订，并解决了同行评审期间提出的所有问题。我们声明没有利益冲突。
未引用的参考文献
[32,33,[62], [63], [64], [65], [66],84,87]
