Способ получения раствора углеродных точек из соков ягод Российский патент 2023 года по МПК G01N21/64 B82Y20/00 A23L5/30 A23L5/43 

Изобретение относится к нанотехнологии и может быть использовано при изготовлении люминесцентных материалов в оптоэлектронных устройствах, катализе и биомедицине.

Известно, что углеродные точки являются новым классом углеродных люминесцентных наноматериалов, которые стали альтернативой традиционным полупроводниковым квантовым точкам и органическим красителям, благодаря своей настраиваемой люминесценции, низкой токсичности и высокой биосовместимости. В настоящее время представляет интерес синтезировать углеродные точки методами «зеленой химии» с использованием природных, возобновляемых прекурсоров, которые по сравнению с синтетическими углеродными прекурсорами предлагают низкие затраты, высокую растворимость в воде и меньшую токсичность. В связи с этим, углеродные точки из природных прекурсоров обладают большим потенциалом для разработки приложений в областях биомедицины, а именно детектирования, биовизуализации, тераностики, антибактериальных препаратов и др. Исходя из этого, предложено использование в качестве углеродных прекурсоров соки ягод, произрастающих на территории Якутии.

Известен синтез углеродных точек из ягод черники методом ультразвуковой обработки (см. Ayşe Merve Aslandaş, Neslihan Balcı, Mustafa Arık, Halis Şakiroğlu, Yavuz Onganer, Kadem Meral, Liquid nitrogen-assisted synthesis of fluorescent carbon dots from Blueberry and their performance in Fe³⁺ detection, Applied Surface Science, Volume 356, 2015, Pages 747-752, DOI: 10.1016/j.apsusc.2015.08.147). Недостатком данного способа является трудоёмкий этап подготовки углеродного прекурсора.

Кроме того, известен способ синтеза углеродных точек из сока апельсина гидротермальным методом для создания биовизуализирующих агентов (см. Swagatika Sahu, Birendra Behera, Tapas K. Maitib Sasmita Mohapatra, Simple one-step synthesis of highly luminescent carbon dots from orange juice: application as excellent bio-imaging agents Chem. Commun., 2012, 48, 8835–8837. DOI: 10.1039/C2CC33796G). Недостатком известного метод является использование токсичных реактивов на этапе очистки.

Способ синтеза углеродных точек из ягод Lantana camara (Лантана сводчатая) включает многоступенчатые процессы синтеза и очистки (см. Rajkumar Bandi, Ramakrishna Dadigala, Bhagavanth Reddy Gangapuram, Veerabhadram Guttena, Green synthesis of highly fluorescent nitrogen – Doped carbon dots from Lantana camara berries for effective detection of lead(II) and bioimaging, Journal of Photochemistry and Photobiology B: Biology, Volume 178, 2018, Pages 330-338, ISSN 1011-1344, https://doi.org/10.1016/j.jphotobiol.2017.11.010).

По способу синтеза углеродных точек из ягод Муррайя Кёнига (см. M. Preethi, C. Viswanathan, N. Ponpandian, An environment-friendly route to explore the carbon quantum dots derived from curry berries (Murrayakoenigii L) as a fluorescent biosensor for detecting vitamin B12, Materials Letters, Volume 303, 2021, 130521, ISSN 0167-577X, https://doi.org/10.1016/j.matlet.2021.130521) проводят ультразвуковую обработку ягод карри без использования нагрева.

Недостатком известных решений является слабая интенсивность люминесценции полученных углеродных точек.

Задача, на решение которой направлено заявленное изобретение, выражается в создании способа получения раствора углеродных точек на основе оригинального возобновляемого (природного) прекурсора, характеризующегося относительной технологической простотой, экологичностью, безопасностью и экономичностью процессов синтеза.

Технический эффект, получаемый при решении поставленной задачи, выражается в получении раствора углеродных точек из соков ягод брусники, голубики, красной смородины или черёмухи, синтезированных простым гидротермальным методом, без использования дорогостоящего оборудования и реактивов. Получаемые растворы углеродных точек нетоксичны, обладают яркой и стабильной люминесценцией.

Для решения поставленной задачи способ получения раствора углеродных точек из соков ягод характеризуется тем, что включает получение реакционной смеси при этом в качестве сока ягод используют сок ягоды брусники или голубики или красной смородины или черёмухи, полученный при помощи блендера и последующей фильтрацией, причем, получают реакционную смесь при следующем соотношении компонентов, в мас.ч.: деионизованная вода – 100; 25 % водный раствор аммиака – 35,8-36,2; сок ягоды – 13,33±0,02, после чего, полученный раствор помещают в автоклав, например, политетрафторэтиленовый автоклав и выдерживают в сушильной камере при температуре 180±2°С в течение 1±0,5 часа и охлаждают до температуры 25±5°С, затем раствор подвергают диализной очистке, например, в диализном мешке (MWCO 3,5 кДа), в течение 12±1 часов.

Сопоставительный анализ признаков заявленного способа с признаками аналогов свидетельствует о соответствии заявленного способа критерию «новизна».

Совокупность признаков изобретения обеспечивает решение заявленной технической задачи, а именно, получение раствора углеродных точек с яркой и стабильной люминесценцией из возобновляемых (природных) прекурсоров соков ягод брусники, голубики, красной смородины или черёмухи.

Сущность заявленного способа получения раствора углеродных точек заключается во взаимодействии соков ягод брусники, голубики, красной смородины или черёмухи с водой и водным раствором аммиака при температуре 180±2°С в автоклаве в течение 1±0,5 часа.

Заявленное техническое решение иллюстрируется чертежом, где на фигурах 1 и 2 показаны спектры поглощения водных растворов углеродных точек из соков ягод (на основе снимков на спектрофотометре Perkin Elmer), характеризующие ультрафиолетовое поглощение; на фигуре 3 – спектры излучения углеродных точек из соков ягод (на основе снимков на спектрометре Perkin Elmer LS 50B), характеризующие люминесцентные свойства получаемых растворов.

В качестве исходного сырья используют соки ягод брусники, голубики, красной смородины или черёмухи, полученные блендером и фильтрованием. В качестве источника азота, как допирующего (легирующего) агента, используют водный раствор аммиака, обладающего низкой токсичностью и легкой летучестью.

Осуществление изобретения достигается следующим образом.

В политетрафторэтиленовый автоклав загружали компоненты из расчета на 100 мас.ч. деионизованной воды, а именно, в 15±0,1 мл деионизованной воды добавляли 6±0,1 мл 25% водного раствора аммиака (35,8-36,2 мас.ч.) и 2±0,1 мл сока ягоды (13,33±0,02 мас.ч.). Далее раствор с автоклавом помещали в сушильный шкаф и выдерживали в течение 1±0,5 часа при 180±2°С. После чего автоклав охлаждали до достижения температуры 25±5°С.

В ходе синтеза полученный раствор приобретает коричневый цвет. После охлаждения раствора выполняли диализную очистку для удаления побочных продуктов реакции. Для чего, раствор в диализном мешке размерами пор 3,5 кДа помещали в деионизованную воду и подвергали постоянному перемешиванию. Продолжительность процесса очистки составляла 12±1 часов. Далее, очищенный раствор исследовали на содержание углеродных точек.

Были исследованы спектры поглощения и спектры люминесценции полученных углеродных точек. На спектрах поглощения углеродных точек из брусники, голубики и красной смородины имеют один пик на 269 нм. Данная полоса поглощения была приписана π→π*-переходу ароматических связей C=C (см. фиг. 1). В углеродных точках из черемухи присутствует пик при 228 нм, который обусловлен π→π* переходами в связи С=С, а пик при 282 нм соответствует n→π* переходу в связи С=О (см. фиг. 2).

Люминесценция полученных углеродных точек зависит от изменения длины волны возбуждения (см. фиг. 3). Смещение максимумов спектров люминесценции углеродных точек из брусники наблюдалось от 419 до 508 нм (см. фиг. 3, а), из голубики – от 407 до 511 нм (см. фиг. 3, б), из красной смородины – от 396 до 503 нм (см. фиг. 3, в), из черемухи – от 422 до 510 нм (см. фиг. 3, г).

Таким образом, заявленное техническое решение позволяет получить раствор углеродных точек из соков ягод брусники, голубики, красной смородины или черёмухи, синтезированный простым гидротермальным методом, при этом раствор нетоксичен и обладает люминесценцией в сине-зеленой области спектра.

Изобретение относится к получению раствора углеродных из соков ягод и может быть использовано при изготовлении люминесцентных материалов. Предложен способ получения раствора углеродных точек из соков ягод, который включает получение реакционной смеси, при этом в качестве сока ягод используют сок ягоды брусники, или голубики, или красной смородины, или черёмухи, причем получают реакционную смесь при следующем соотношении компонентов, в мас.ч.: деионизованная вода – 100; 25% водный раствор аммиака – 35,8-36,2; сок ягоды – 13,33±0,02, после чего полученный раствор помещают в автоклав и выдерживают в сушильной камере при температуре 180±2°С в течение 1±0,5 часа и охлаждают до температуры 25±5°С, затем раствор подвергают диализной очистке в течение 12±1 часов. Изобретение позволяет получить раствор углеродных точек из соков ягод брусники, голубики, красной смородины или черёмухи, синтезированный простым гидротермальным методом, при этом раствор нетоксичен и обладает люминесценцией в сине-зеленой области спектра. 6 ил.

Способ получения раствора углеродных точек из соков ягод, характеризующийся тем, что включает получение реакционной смеси, при этом в качестве сока ягод используют сок ягоды брусники, или голубики, или красной смородины, или черёмухи, причем получают реакционную смесь при следующем соотношении компонентов, в мас.ч.:

деионизованная вода – 100;

25% водный раствор аммиака – 35,8-36,2;

сок ягоды – 13,33±0,02,

после чего полученный раствор помещают в автоклав и выдерживают в сушильной камере при температуре 180±2°С в течение 1±0,5 часа и охлаждают до температуры 25±5°С, затем раствор подвергают диализной очистке в течение 12±1 часов.