Способ получения наночастиц меди
METHOD FOR OBTAINING COPPER NANOPARTICLES

Изобретение относится к способу получения наночастиц меди и может быть использовано в области сельского хозяйства, в частности животноводстве и птицеводстве, для применения в рационе кормов в качестве биологически активной добавки, обладающей высокой усвояемостью, и одновременно антибактериальным эффектом как альтернатива антибиотикам в кормах.
Медь является необходимым микроэлементом для птиц и животных, так как необходима для выполнения надлежащих физиологических функций - принимает участие в поддержании эластичности связок, сухожилий, костей, стенок капилляров, прочности костей, в синтезе гемоглобина, транспортировке кислорода и участвует в ферментно-коэнзимных каталитических реакциях. Медь влияет на продуктивную работу животных, выступает в качестве усилителя роста. При этом медь является сильным противомикробным агентом, эффективность которого была доказана на различных патогенных бактериях.
Наночастицы меди из-за их высокой физической активности могут стать многообещающей альтернативой антибактериальным агентам и стимуляторам роста при их использовании в гораздо меньших концентрациях в кормах для животных, чем ее неорганические соли, поэтому создание способа получения наночастиц меди является актуальной задачей.
Известен электрохимический способ получения наночастиц меди в водной среде (RU 2410472 C1, 2011 г), в данном методе осуществляют растворение стабилизирующих компонентов в растворителе, затем в полученную среду помещают электродную систему, где анодом служит пластина из меди и катодом - пластина из нержавеющей стали, и проводят электрохимическое растворение анода при пропускании через раствор постоянного тока. При этом в качестве растворителя применяют дистиллированную воду, а в качестве стабилизирующих компонентов используют двухкомпонентную систему: органические и неорганические стабилизирующие компоненты. Органическими компонентами выступают поливинилпирролидон медицинский, полиакрилат калия, полигликоли, желатин, неорганическими - цитраты калия, натрия, аммония. Процесс растворения стабилизирующих компонентов проводят в две стадии, сначала при нагревании и перемешивании осуществляют растворение органических стабилизирующих компонентов, затем после охлаждения при перемешивании - растворение неорганических стабилизирующих компонентов. Размер получаемых наночастиц меди - до 15 нм.
Данный способ получения является многокомпонентным, многостадийным и трудоемким.
3
Известен способ получения наночастиц меди и использования указанных частиц (WO 2017115330 A1), включающий следующие этапы: растворение, по меньшей мере, одной соли меди, оксида или гидроксида в дистиллированной воде; растворение, по меньшей мере, одного стабилизатора в дистиллированной воде; смешивание двух растворов в реакторе; добавление первичного комплексообразователя; добавление щелочи; добавление антипенного средства; добавление, по меньшей мере, одного восстановителя, снижение температуры реакции до 0°С - 25°С при сохранении перемешивания; добавление, по меньшей мере, одного антиоксиданта; добавление, по меньшей мере, одного вторичного комплексообразователя; созревание и промывка смеси. В качестве первичного комплексообразователя используются аминсодержащие органические соединения, в качестве вторичного комплексообразователя выбирают из карбоновых кислот и их производных, дикарбоновых кислот, ненасыщенных карбоновых кислот, аммиака (NH), гидроксида аммония, первичного и вторичного аминов. В качестве стабилизаторов в процессе используют такие полимеры, как поливинилпирролидон, хитозан и его производные, поливиниловый спирт, поликарбонаты, полифенолы, полиэтиленгликоль и полиолы, алкилдиолы, поликислоты и их производные, меркаптоалканоаты и оксибензойные кислоты и др.
Недостатками известного способа являются многостадийность и трудоемкость, а использование щелочей относится к грязным производствам, а не методу зеленой химии. Также органические амины являются токсичными.
2)
3
2)
4
3
2
2
5
7
2
3
36
70
4
4
2
2
2
2
2
2
2
2
Наиболее близким техническим решением к заявляемому является способ, описанный в патенте US8864871B2, выбранный нами в качестве прототипа. В данном способе наночастицы меди синтезируют при перемешивании путем смешения раствора, включающего соль меди, диспергатор, восстановитель и органический растворитель; повышения температуры смеси до 30-50°С; облучают раствор смеси микроволновым излучением; и получают наночастицы меди путем понижения температуры раствора смеси. Соль меди представляет собой, по меньшей мере, одно соединение, выбранное из группы, состоящей из хлорида меди (II)(CuCl, нитрата меди (Cu(NO), сульфата меди (CuSO), ацетата меди (CHCOO)Cu, ацетилацетоната меди(II) Cu(OCH), карбоната меди (II) CuCO, стеарата меди (II) CuCHO, перхлората меди (II) Cu(ClO), этилендиамина меди (II) Cu(HNCHCHNH)(OH) и гидроксида меди Cu(OH).
2
2
2
4
4
Диспергирующим агентом является, по меньшей мере, соединение, выбранное из группы, состоящей из поливинилпирролидона, цетилтриметиламмония бромида, додецилсульфат натрия и карбоксиметилцеллюлоза натрия. Восстановителем является, по меньшей мере, одно соединение, выбранное из группы, состоящей из гидрофосфата натрия (NaHPO), гидразина гидрохлорида (NH), гидрохлорида натрия (NaClO) и боргидрида натрия (NaBH).
Органический растворитель представляет собой, по меньшей мере, одно соединение, выбранное из группы, состоящей из этиленгликоля, диэтиленгликоля, триэтиленгликоля и полиэтиленгликоля. Также в данном способе может добавляться этап получения наночастиц меди, включающий: выделение наночастиц меди путем центрифугирования раствора смеси; промывку выделенных наночастиц меди и сушку.
Недостатки: процесс является многостадийным и трудоемким, с использованием ряда органических токсических растворителей. Так, этиленгликоль действует главным образом на центральную нервную систему и почки (сосудистый и протоплазматический яд, вызывает ацидоз). Боргидрид натрия также является токсическим веществом.
Техническая проблема, решаемая предлагаемым изобретением, - создание безопасного одностадийного способа получения наночастиц меди, не требующего последующей дополнительной очистки состава от дополнительно вводимых токсичных восстановителей, стабилизаторов и других компонентов.
Технический результат от использования изобретения заключается в упрощении и ускорении процесса синтеза наночастиц меди (максимальное время синтеза - 15 минут), отсутствии токсичных компонентов в качестве восстановителей и стабилизаторов, возможности использования полученных растворов стабилизированных наночастиц меди непосредственно после синтеза в выпойке (в том числе через дозатор медикатор), так и в высушенном виде для добавки в комбикорма.
Предлагаемый способ получения наночастиц меди относится к методам зеленой химии, т.к. в отличие от прототипа в предлагаемом патенте используется дистиллированная вода и не используются органические растворители. Стабилизированные наночастицы меди, полученные по предлагаемому способу, обладают более высокой усвояемостью по сравнению с солевыми формами меди, и эффективными антибактериальными свойствами.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе получения наночастиц меди, включающем смешение раствора, содержащего соль меди, стабилизатор, восстановитель и растворитель, облучение полученной смеси микроволновым излучением до образования наночастиц меди, в качестве соли меди используют хлорид меди или ацетат меди в количестве 0,05-3 масс.%, в качестве стабилизатора хитозан или поливинилпирролидон в количестве 1-7 масс.%, в качестве восстановителя аскорбиновую кислоту в количестве 0,1-6 масс.%, в качестве растворителя растворы уксусной кислоты или молочной кислоты или янтарной кислоты или их смеси в количестве 0,1-10 масс.% и воду.
В качестве стабилизатора наночастиц меди выбран биосовместимый нетоксичный гипоаллергенный полисахарид хитозан, обеспечивающий транспортировку наночастиц в кровь животных. Кроме того, сам хитозан способен увеличивать темпы роста животных за счет увеличения использования азота и усвояемости аминокислот, улучшать перистальтику кишечника.
Также в качестве стабилизатора может использоваться поливинилпирролидон, который индифферентен для организма, не поддается расщеплению ферментами и выводится в неизмененном виде почками. Поливинилпирролидон имеет выраженную способность образовывать комплексы с различными веществами и способен пролонгированно высвобождать их в организме. Использование полимеров поливинилпирролидона с разной длиной цепи позволяет контролировать скорость высвобождения активного компонента. Поливинилпирролидон способствует нормализации проницаемости клеточных мембран, результатом этого является восстановление электролитного состава, происходит нормализация функции печени и почек, усиливается диурез, восстанавливаются ферментные процессы, синтез белка и т.д.
Аскорбиновая кислота, выступающая в качестве восстановителя наночастиц меди, участвует в окислительно-восстановительных реакциях в организме, оказывает неспецифическое общестимулирующее влияние, адаптационные способности и сопротивляемость организма к инфекциям, а также способствует процессам регенерации.
Все вещества используют марки х.ч. или осч.
Способ осуществляют следующим образом.
В водно-кислотный раствор хитозана или поливинилпирролидона вносят восстановитель, затем при непрерывном перемешивании прекурсор меди. Смешивание компонентов осуществляют при комнатной температуре в заявленных интервалах. Далее полученную смесь облучают микроволновым излучением при мощности установки 400-1500 Вт в зависимости от объема раствора до образования наночастиц меди. Размеры наночастиц меди определяли методом рентгенофазового анализа. Время синтеза наночастиц меди контролировали спектрофотометрически по нарастанию и достижению постоянного значения полосы плазмонного поглощения наночастиц меди при λ ~ 590 нм.
Изобретение иллюстрируются нижеследующими примерами и иллюстрациями, на которых изображены:
Фиг. 1 - Характерная полоса плазмонного поглощения наночастиц меди;
Фиг. 2 - Рентгенофазовый анализ образца композита хитозан-наночастицы меди;
Фиг. 3 - Относительная численность патогенов в исследованных пробах, %.
Пример 1.
2
Наночастицы меди получали в растворе 1 мас.% хитозана в 6 мас.% уксусной кислоте. Аскорбиновую кислоту (0.1 мас.%) вводили в раствор хитозана при непрерывном перемешивании, раствор продували аргоном, выдерживали 5 минут, затем по каплям добавляли раствор CuClв концентрации 0.05 мас.%. (как прекурсора наночастиц меди) и систему перемешивали в течение 5 мин, затем раствор снова продували аргоном. Наночастицы меди были получены под действием микроволнового излучения при мощности установки 900 Вт в течение 5 минут.Коэффициент выхода в расчете на исходный прекурсор - 100%. Время синтеза наночастиц меди контролировали спектрофотометрически по нарастанию и достижению постоянного значения полосы плазмонного поглощения наночастиц меди при λ ~ 590 нм.
Коэффициент выхода в расчете на исходный прекурсор - 100%. Ионы меди в растворе после синтеза наночастиц не обнаруживаются.
Пример 2.
Наночастицы меди получали в водном растворе 1 мас.% поливинилпирролидона. В раствор вводили 0.1 мас.% янтарной кислоты. Аскорбиновую кислоту (0.1 мас.%) вводили в раствор при непрерывном перемешивании, раствор продували аргоном, выдерживали 10 минут, затем по каплям добавляли раствор ацетата меди. Концентрация ацетата меди (как прекурсора наночастиц меди) в растворе поливинилпирролидона составляла 0.05 мас.%. Раствор перемешивали в течение 10 мин, затем снова продували аргоном. Наночастицы меди были получены под действием микроволнового излучения при мощности установки 900 Вт в течение 5 минут. Коэффициент выхода в расчете на исходный прекурсор -100%. Ионы меди в растворе после синтеза наночастиц не обнаруживаются.
Пример 3.
Наночастицы меди получали в растворе 7 мас.% хитозана в 10 мас.% молочной кислоте. Аскорбиновую кислоту в концентрации 6 мас.% вводили в раствор хитозана при непрерывном перемешивании, выдерживали 10 минут, затем по каплям добавляли раствор ацетата меди (3 мас.%) как прекурсора наночастиц меди и систему перемешивали в течение 20 мин. Наночастицы меди были получены под действием микроволнового излучения в течение 15 минут.Коэффициент выхода в расчете на исходный прекурсор - 100%. По окончании процесса раствор приобрел красно-кирпичный цвет.Ионы меди в растворе после синтеза наночастиц не обнаруживаются.
Пример 4.
Наночастицы меди получали в растворе 1 мас.% хитозана в 2 мас.% янтарной кислоте. Аскорбиновую кислоту в концентрации 0.2 мас.% вводили в раствор хитозана при непрерывном перемешивании, выдерживали 10 минут, затем по каплям добавляли раствор ацетата меди (0.05 мас.%) как прекурсора наночастиц меди и систему перемешивали в течение 5 мин. Наночастицы меди были получены под действием микроволнового излучения в течение 5 минут.Коэффициент выхода в расчете на исходный прекурсор - 100%. Ионы меди в растворе после синтеза наночастиц не обнаруживаются.
Пример 5.
Наночастицы меди получали в водном растворе 1 мас.% поливинилпирролидона. В раствор вводили 0.2 мас.% молочной кислоты. Аскорбиновую кислоту в концентрации 0.2 мас.% вводили в раствор хитозана при непрерывном перемешивании, выдерживали 10 минут, затем по каплям добавляли раствор хлорида меди (0.1 мас.%) как прекурсора наночастиц меди и систему перемешивали в течение 5 мин. Наночастицы меди были получены под действием микроволнового излучения в течение 5 минут.Коэффициент выхода в расчете на исходный прекурсор - 100%.
Пример 6.
Наночастицы меди получали в растворе 3 мас.% хитозана в 1,2 мас.% уксусной кислоте. Аскорбиновую кислоту (2 мас.%) вводили в раствор хитозана при непрерывном перемешивании, выдерживали 10 минут, затем по каплям добавляли раствор ацетата меди в концентрации 1 мас.%. (как прекурсора наночастиц меди) и систему перемешивали в течение 10 мин, затем раствор продували аргоном. Наночастицы меди были получены под действием микроволнового излучения при мощности установки 900 Вт в течение 10 минут.По окончании процесса раствор приобрел красно-кирпичный цвет.Время синтеза наночастиц меди контролировали спектрофотометрически по нарастанию и достижению постоянного значения полосы плазмонного поглощения наночастиц меди при λ ~ 590 нм. Коэффициент выхода в расчете на исходный прекурсор - 100%.
Хитозан и поливинилпирролидон в составе изобретения, а также уксусная, молочная и янтарная кислоты являются взаимозаменяемыми в соответствующих массовых процентах.
Качественным доказательством формирования наночастиц меди с выходом 100% и полным исчерпанием прекурсора меди является полоса плазмонного поглощения наночастиц меди при λ ~ 580 нм, полученная спектрофотометрическим методом.(Фиг. 1)
По данному способу изобретения по всем примерам получаются наночастицы меди, характеризующиеся средним размером ~ 30 нм. Подтверждением являются данные рентгенофазового анализа (Фиг. 2).
Смещение концентрации компонентов в сторону от указанных пределов затрудняет процесс получения продукта, поскольку ухудшается растворимость хитозана и уменьшается выход целевого продукта. Уменьшение концентрации поливинилпирролидона и хитозана ниже указанных пределов приводит к снижению стабильности дисперсии наночастиц меди в полимере. Пределы концентрации кислот оптимально подобраны для лучшего растворения полисахарида.
Высокую усвояемость разработанной биологически активной добавки по сравнению с использованием солевых форм меди обеспечивает хитозан, который способен раздвигать щелевые контакты в кишечнике и доставлять наночастицы меди в русло крови. Кроме того, усвояемость солей меди очень низкая, и примерно 80% меди выводится с фекалиями, вызывая загрязнение окружающей среды. А наночастицы меди, стабилизированные хитозаном (или поливинилпирролидоном) из-за их высокой физической реактивности могут стать многообещающей альтернативой при их использовании в гораздо меньших дозах, чем минералы (соли меди), в кормах для животных, что, как следствие, значительно увеличит эффективность их действия и рентабельность.
Наночастицы меди, комплексносвязанные с хитозаном, показали свою бактерицидную эффективность в опытах "in vitro" по отношению к культуре "Enterococcus faecalis".
Стабилизированные наночастицы меди, полученные по предлагаемому способу, обладают более высокой усвояемостью по сравнению с солевыми формами меди, эффективными антибактериальными свойствами и могут быть использованы в виде сухой биологически активной добавки для введения в комбикорма, так и в виде раствора для добавки в выпойку (в том числе через дозатор медикатор).
Показателем усвояемости, а значит и биодоступности наночастиц меди, стабилизированных полимером, являются результаты исследования переваримости и использования питательных веществ корма цыплятами-бройлерами при добавлении в корма композиции. Основные показатели представлены в таблице 1.
Таблица 1 - Основные показатели переваримости и использования питательных веществ корма у цыплят-бройлеров в возрасте 30-35 суток (проверено по 6 опытным животным)
Показатель
Группа
контроль
опытная
Переваримость протеина, %
88,0±0,32
91,1±0,46
Использование азота, %
50,5±0,21
52,7±0,20
Доступность, %: лизинаметионина
81,9±0,3980,8±0,30
82,9±0,3681,9±0,33
Переваримость жира, %
75,2±0,19
76,7±0,29
Использование, %: кальция и фосфора
35,2±0,1247,1±0,15
38,5±0,1648,8±0,14
Показателем бактерицидности наночастиц меди, стабилизированных полимером, служит анализ количества патогенов из пробы ЖКТ цыплят-бройлеров (Фиг. 3). Наименьшее относительное содержание патогенов было отмечено в пробах от птиц из группы, рацион которой включал в себя наночастицы меди, стабилизированные хитозаном.
Таким образом, предлагаемый способ позволяет ускорить процесс синтеза наночастиц меди (максимальное время синтеза - 15 минут), при отсутствии токсичных компонентов в качестве восстановителей и стабилизаторов.
Полученные растворы стабилизированных наночастиц меди можно использовать непосредственно после синтеза в выпойке (в том числе через дозатор медикатор), так и в высушенном виде для добавки в комбикорма.