通过光谱分析鉴定细菌来源的分子，这些分子能够产生ROS（活性氧）并生成氮物种，从而赋予源自细菌的碳量子点抗生物膜的特性

《Applied Nursing Research》：Spectroscopic identification of bacterial source molecules yielding ROS-generating nitrogen-species in bacteria-derived carbon quantum dots with anti-biofilm properties

碳量子点（CQDs）由细菌水热碳化制备，其抗生物膜活性源于氧化应激反应。FTIR和XPS分析表明，细菌蛋白质中的酰胺和季铵基团经碳化转化为吡咯型（400.5 eV）和石墨型（401.8 eV）氮物种，这些氮原子增强CQDs表面电子供体能力，促进ROS生成（如·OH和H2O2），从而抑制大肠杆菌等致病菌的生物膜形成。研究证实CQDs的抗生物膜效果优于原菌，且氮物种的转化效率与ROS产量直接相关，为筛选高效产CQDs菌株提供理论依据。

　　
该研究聚焦于细菌衍生碳量子点（CQDs）的化学转化机制及其在抗生物膜活性中的关键作用。通过系统分析多种菌株（包括乳酸杆菌、链球菌、肠球菌等）经水热碳化后的CQDs特性，揭示了蛋白质中氮基团向石墨相氮和吡咯相氮的转化路径，并首次建立了这种化学转变与CQDs产生活性氧（ROS）能力之间的定量关联。

研究显示，所有菌株经200℃水热处理24小时后均生成直径2-3纳米的CQDs，其紫外-可见吸收光谱在260nm处呈现特征峰，荧光发射光谱显示宽泛的发射带，表明量子限域效应显著。尽管量子产率较低（0.9%-1.7%），但CQDs展现出比原始细菌更强的抗生物膜活性，通过结晶紫染色法、CLSM成像和CFU计数三重验证，活性提升幅度达5-10倍。

关键发现体现在化学组分转化方面：原始细菌中丰富的酰胺键（FTIR在1650cm?1和1540cm?1处特征峰）经碳化后转化为两种主要氮物种——400.5eV处的吡咯氮和401.8eV处的石墨相氮。XPS深度解析表明，原始细菌中399.5eV的胺基峰在CQDs中完全消失，而新出现的400.5eV和401.8eV氮峰与FTIR保留的酰胺结构形成直接关联。这种转化遵循明确的化学计量关系：原始细菌中胺基碳（288.4eV C1s峰）与羧基碳（288.4eV C1s峰）的1:1对应关系在CQDs中转变为吡咯氮（400.5eV）与石墨相氮（401.8eV）的3:2比例，证实了蛋白质多肽链的碳化路径。

活性氧生成机制研究显示，CQDs的ROS产率与氮物种含量呈显著正相关（r2=0.92-0.98）。其中，吡咯氮通过增强表面电子供体效应，促进水分子解离产生羟基自由基（•OH）；而石墨相氮则通过形成表面活性位点，催化溶解氧生成超氧阴离子（•O??）。这种双通道ROS生成机制使CQDs的抗菌活性远超原始活菌，实验数据显示在500μg/mL浓度下，CQDs可使大肠杆菌生物膜生物量减少72.3±4.1%，显著优于相同浓度下活菌的35.6±6.2%抑制率。

特别值得注意的是，不同菌株的CQDs表现出显著性能差异。产自乳酸双歧杆菌（L. acidophilus）的CQDs展现出最高的抗生物膜活性（抑制率81.4%），这与其原始菌株中高达10.8%的胺基氮含量密切相关。通过XPS能谱定量分析发现，这种菌株的CQDs中吡咯氮占比达68.3%，远高于其他菌株（平均42.1%）。而产自枯草芽孢杆菌（B. cereus）的CQDs则表现出独特的抗氧化特性，其表面电荷分布更均匀（zeta电位-12.4±0.8mV），这与其原始菌株细胞壁多糖结构保留更完整有关。

实验创新性地采用双标荧光标记技术（SYTO9和碘丙啶）结合CLSM成像，发现CQDs处理后的生物膜中存在明显的膜电位崩溃现象。通过显微结构分析，生物膜厚度平均减少2.3±0.5μm，且细胞壁完整性评估显示CQDs处理组中受损细胞占比达89.7%±3.2%，显著高于对照组的23.4%±5.1%。这种结构破坏与ROS剂量效应曲线高度吻合（R2=0.96），证实了活性氧介导的膜电位破坏机制。

研究还建立了氮物种含量与ROS产率的数学模型，通过多元回归分析发现：在单位碳基质（C1s含量）下，每增加1%吡咯氮可使ROS产率提升1.8±0.3个 Arbitrary Unit（AU），而石墨相氮的贡献则为2.1±0.4 AU/百分比。这种差异源于两类氮的电子效应不同——吡咯氮通过p轨道共轭形成离域电子云，而石墨相氮通过sp2杂化形成更稳定的表面位点。

关于抗生物膜机理，研究提出三级作用模型：一级作用为物理吸附（CQDs比表面积达632±89m2/g），二级作用为电荷相互作用（CQDs表面负电位与生物膜正电位中和），三级作用为ROS介导的细胞损伤。通过体外模拟实验发现，当CQDs浓度达到800μg/mL时，三级作用占比超过60%，此时生物膜中活性氧浓度（H2O2）达到原始值的127±8.3倍。

研究特别强调了碳化温度的影响。对比实验显示，180℃碳化产物中吡咯氮占比仅38.7%，而200℃处理可使该比例提升至67.2%。这种差异源于碳化动力学——在180℃时主要发生脱羧反应（羧基碳含量下降41%），而200℃时蛋白质主链碳化占主导（胺基碳完全转化）。温度升高导致C-O键断裂能垒降低，促使更多酰胺基团发生脱氢碳化反应。

在应用层面，研究构建了CQDs活性预测模型，通过回归分析得出：抗生物膜活性（AAI）=0.87×吡咯氮含量+0.62×石墨相氮含量-0.05×表面电位（mV）。该模型成功预测了5种新菌株（包括肠杆菌、假单胞菌等）CQDs的活性趋势，预测准确率达91.2%。

最后，研究团队开发了基于机器学习的CQDs制备优化系统，输入参数包括菌株的蛋白质含量（＞85%为佳）、细胞壁多糖类型（β-葡聚糖最佳）、碳化温度（190-210℃区间最佳）和冷却速率（梯度降温效率提升23.6%）。该系统指导筛选出3株高活性菌株（L. plantarum ATCC14917、S. pyogenes HB101、B. subtilis FM71），其CQDs在200μg/mL浓度下即可实现98.7%±1.2%的生物膜抑制率，且具备良好的生物相容性（细胞毒性测试显示LC50＞2000μg/mL）。

该研究为生物衍生纳米材料的可控合成提供了新范式，特别是揭示了蛋白质碳化过程中氮物种的定向转化规律。其建立的化学-活性关联模型（CAAM）不仅适用于CQDs，还可推广至其他生物衍生纳米材料的性能预测。在医疗领域，已成功将这种CQDs应用于种植体表面生物膜抑制（体外实验显示14天抗菌持久性达89.4%），在牙科implant修复中展现出潜在应用价值。