Устройство для получения наноразмерных частиц металлов

Изобретение относится к области биотехнологии. Предложено устройство для получения наночастиц металлов путем восстановления металлов из исходных солей в присутствии культивируемых клеток микроорганизмов. Устройство включает управляющий компьютер (1), связанный с ним электронный блок регуляции и управления (2) всеми функциональными узлами и блоками ферментера (3), pH-стабилизирующий блок (4) с датчиком pH (5) и шлангами для подачи подтитровочных растворов посредством насосов (6, 7), блок (8) для регулирования редокс-потенциала культуральной смеси, оснащенный редокс-датчиком (9), независимо управляемые насосы (10, 11) для введения в ферментер (3) исходных растворов солей металлов, восстановителей и ростовых факторов, блок (12) для регулирования уровня растворенного кислорода с датчиком pO₂ (13), насос (14) для подачи ростового субстрата, блок (15) для измерения оптической плотности культуры с применением оптоволоконного датчика (16), блок (17) для измерения спектральных характеристик культуральной смеси с применением оптоволоконного датчика (18), изолированного не проницаемой для клеток мембраной с размером пор 100-250 нм, блок (19) для терморегуляции ферментера (3), оснащенный датчиком температуры (20), блок (21) для регулирования перемешивания культуральной смеси, приводящий во вращение лопастную мешалку (22), блок (23) для регулирования освещения культуральной смеси при культивировании фототрофных микроорганизмов и управления спектральными параметрами погружного диодного светильника (24), блок (25) для ультрафильтрации отбираемой культуральной смеси со стерилизующей мембраной с размером пор 100-250 нм с возможностью вывода из ферментера только взвеси наночастиц, конденсатор выходящей влаги (26), препятствующий потере культуральной смеси. Изобретение способствует расширению арсенала технологических методов получения наночастиц металлов и позволяет достичь контролируемости режимов формирования наночастиц. 2 ил., 3 пр.

 

Область техники

Изобретение относится к области производства наноматериалов, бионано-технологии, медицины, электроники и направлено на создание оборудования для технологически простого и экономичного способа получения наноразмерных частиц металлов и квантовых точек.

Уровень техники

Конструирование синтетических аналогов природных молекул и молекулярных комплексов с заданными свойствами на основе использования наноразмерных частиц металлов становится все более обычным делом. Наночастицы металлов и полупроводников находят все более широкое применение в медицине, биологических научных исследованиях и других новейших технологиях.

Принципиальные вопросы получения наноразмерных частиц самого разного состава для различных типов применения в основном решены [1]. Сегодня ясно, что наноразмерные частицы формируется из небольшой группы атомов металла за счет нарастания на эту точку кристаллизации последующих слоев атомов, восстанавливаемых из растворов соответствующих солей металлов. Для искусственного получения наноразмерных частиц существуют два различающихся метода - химический и биотехнологический («зеленый») [2, 3]. В химическом методе реализуется взаимодействие в растворе катионов металлов, входящих в состав растворимых солей, с растворами тех или иных химических низкомолекулярных восстановителей. Биотехнологический метод использует природный восстановительный потенциал биологически активных соединений и живых клеток. Заявляется устройство для реализации варианта биотехнологического метода, подразумевающего контролируемое формирование наноразмерных частиц металлов непосредственно в ходе культивирования микроорганизмов в ферментере, оборудованном специальным образом. В заявляемом устройстве для восстановления катионов металлов используют восстановительный потенциал компонентов поверхностных структур целых клеток культивируемых микроорганизмов, а также биологически активных соединений, секретируемых клетками в процессе роста.

Многочисленными исследованиями показано, что любой параметр наноразмерных частиц (форма частицы, линейные размеры, элементный состав) принципиально важен для их свойств и, соответственно, определяет область применения соответствующих препаратов наночастиц [3, 4, 5]. В частности, с увеличением линейных размеров наноразмерных частиц, происходящим из-за формирования все более крупных кристаллических структур или за счет агглютинации нескольких мелких наночастиц, заметно снижется бактерицидное действие таких препаратов [6].

Расширение областей использования наноразмерных частиц металлов и полупроводников в биологических и медицинских исследованиях в настоящее время становится возможным благодаря все большему распространению высокочувствительных аналитических приборов, способных регистрировать сочетания таких качеств наночастиц, как уникальные оптические свойства, высокоразвитая поверхность, каталитическая активность, высокая емкость двойного электрического слоя и многих других. Уникальные свойства позволили успешно применять наночастицы благородных металлов для усиления сигнала отдельных органических биомолекул в спектроскопии комбинационного рассеяния, а также в спектроскопии поверхностно-усиленного рамановского рассеяния. Важно подчеркнуть, что именно кристаллическая структура наночастиц металлов дает возможность при регистрации их размеров и формы, динамики формирования и иных практически значимых свойств применять гораздо большее число аналитических методов, чем используют для регистрации свойств клеток микроорганизмов или иных биологических объектов. Наряду с обычными для биологических и медицинских исследований с использованием спектроскопии в УФ- и видимом диапазоне (UV-vis absorption), а также просвечивающей электронной (TEM - transmission electron microscopy) и сканирующей электронной микроскопией (FESEM - field emission scanning electron microscopy) для исследования наночастиц проводят спектроскопию поверхностноусиленного рамановского рассеяния (SERS - surface enhanced raman scaterring), регистрацию распределения линейных размеров наночастиц (PSD - particle size distribution), рентгеновское угловое рассеяние взвеси наночастиц (XRD - X-ray powder diffraction) и другие высокоточные методы.

В настоящей заявке предложено устройство, позволившее реализовать существенное расширение арсенала технологических методов получения наноразмерных частиц металлов. Технический результат изобретения заключается в том, что предлагаемое устройство позволяет достичь контролируемости режимов формирования наноразмерных частиц с использованием модифицированного и специально оснащенного биотехнологического оборудования. Модифицированный ферментер позволяет поводить реакции взаимодействия исходного раствора соли металла, требуемого для получения наночастиц, и клеток культуры-продуцента восстановительных биологически активных соединений аналогично прочим биотехнологическим процессам. Таким образом, исходный раствор соли мы рассматриваем как один из субстратов реакции восстановления катионов металла, а формирующиеся наноразмерные частицы - как конечный продукт биотехнологического процесса. Предлагаемый подход позволяет использовать способность клеток большинства видов микроорганизмов в определенной фазе роста синтезировать соединения, способные выступать в роли восстановителей катионов, что обеспечивает массовое формирование однородных по форме и размеру наночастиц металлов. Оснащение ферментера дополнительным регулируемым блоком автоматического прекращения подачи в реакционную смесь исходного раствора соли металла, а также блоком активации системы ультрафильтрации реакционной смеси позволяет автоматически проводить отбор сформированных наноразмерных частиц по достижении ими требуемых параметров, оставляя клетки культивируемого микроорганизма внутри ферментера. В целом заявляемый результат достигается при постоянном спектрометрическом контроле изменения линейных размеров и формы наночастиц в ходе их формирования непосредственно в ростовой среде в процессе культивирования микроорганизмов, клетки которых продуцируют восстановительные биологически активные соединения.

Сущность изобретения

Предлагаемое устройство для биотехнологического получения наноразмерных частиц металлов с заданными параметрами обеспечивает проведение реакций формирования нанокристаллов металлов в ферментере непосредственно в процессе выращивания культуры-продуцента восстановительных биологически активных соединений. Предлагаемое устройство оборудовано системами и устройствами, обеспечивающими строго регулируемые параметры культуральной жидкости и оптимальные условия для роста культуры микроорганизма, продуцирующего восстановительные биологически активные соединения: автоматической управляющей системой для поддержания в реакционной смеси требуемого уровня растворенного кислорода, оптимальный уровень pH и редокс потенциала, температуру, освещенность (см. рис.1). Предлагаемое устройство оборудовано устройствами для введения и перемешивания растворов ростовых факторов и раствора соли металла как субстрата для формирования наночастиц. Замена исходного раствора соли позволяет получать наноразмерные частицы металла требуемого элементного состава. В целом устройство оснащено всеми необходимыми автоматическими системами, обеспечивающими одновременно оптимальные режимы культивирования микроорганизмов, продуцирующих восстановительные биологически активные соединения, и условия восстановления катионов для формирования однородных по форме и размеру наноразмерных частиц металла.

Подтверждение однородности по размеру и форме получаемых наночастиц металла достигается с помощью анализа препаратов взвеси наночастиц методом просвечивающей электронной микроскопии. Подтверждение требуемого элементного состава получаемых наноразмерных частиц металла проводится методом рентгеновского микроанализа [7]. Так при использовании в качестве источника катионов водного раствора Ag(NH₃)₂NO₃ все наблюдаемые в поле зрения электронного микроскопа оптически плотные наночастицы (вне зависимости от их размеров) показывали присутствие в них пиков серебра, то есть состояли из восстановленных атомов серебра Ag⁰ (рис.2).

Так как устройством управляет центральный электронный блок регуляции режимов работы отдельных функциональных блоков, возможна быстрая перенастройка устройства на режимы, оптимальные для использования различных культур-продуцентов, в том числе для фототрофных микроорганизмов. Быстрая перенастройка устройства позволяет также учитывать различия в динамике формирования наноразмерных частиц разных металлов, что позволяет получать широкий спектр препаратов наночастиц с требуемыми линейными параметрами и свойствами.

Заявляемый результат достигается тем, что предлагаемое устройство для получения наноразмерных частиц металлов оснащено блоком непрерывного измерения спектральных характеристик реакционной смеси для постоянного наблюдения за процессом формирования взвеси наноразмерных частиц металла в культуральной жидкости. Остановка реакции восстановления катионов и процесса формирования наноразмерных кристаллов восстановленных атомов металла возможна сразу по достижении требуемого размера и формы наночастиц. В этот момент остановку формирования наноразмерных частиц осуществляют прекращением подачи в реактор исходного раствора соли, а сами наночастицы начинают выводить с помощью автоматически регулируемой системы ультрафильтрации культуральной жидкости через мембрану с порами размером 100-250 нм - не проницаемую для клеток культуры-продуцента.

Несмотря на широкую распространенность в мире использования биотехнологического метода получения препаратов наноразмерных частиц и в периодической, и в патентной литературе не встречается описаний применения автоматизированных ферментеров для этих целей. В качестве прототипа выбран практически единственный патент США [Lauf R.J., Phelps T.J., Zhang C., Roh Y. Mixed oxide nanoparticles and method of making. 2002, US Patent 6444453] в котором представлен анаэробный ферментер и способ его использования для получения наноразмерных магниточастиц восстановленного железа Fe⁰. Ферментер-прототип использовали для непрерывного культивирования термофильных анаэробных бактерий Thermoanerobacter etanolicus TOR39. В качестве восстановителей аморфного железа (Fe³⁺) использовали вносимые в ростовую среду органические восстановители - различные сочетания водорода, глюкозы и CO₂. Ферментер-прототип был оснащен автоматическими системами термостабилизации, pH-стабилизации, специальной вынесенной емкостью, в которой собирали магниточастицы. В тексте патента рассматривался вопрос масштабирования объема ферментера.

Существенные преимущества предложенного нами устройства для реализации биотехнологического метода получения наночастиц металлов в сравнении с прототипом следующие.

1. Заявляемое устройство оснащено автоматическими системами, поддерживающими в реакционной смеси не только уровень аэрации культуры-продуцента, pH и температуры, но и регулируемый уровень редокс-потенциала среды, освещенности, а также дополнительно оснащено регулируемыми системами введения исходного раствора соли и непрерывного измерения спектральных характеристик взвеси формирующихся наночастиц.

- В прототипе: реализована автоматическая стабилизация только основных параметров культивирования для термофильных анаэробных бактерий (уровень pH, температуры, скорости перемешивания растворов).

2. Заявляемое устройство для биотехнологического получения однородных наноразмерных частиц металлов оснащено автоматической системой, постоянно контролирующей динамику процесса формирования наночастиц с помощью регистрации спектральных показателей взвеси наночастиц в реакционной смеси, что позволяет останавливать процесс формирования наночастиц металла сразу по достижении ими требуемых параметров путем прекращения подачи в реактор исходного раствора соли. Одновременно для отделения полученных наночастиц автоматически включается система ультрафильтрации реакционной смеси через мембрану, не проницаемую для клеток культуры-продуцента.

- В прототипе: момент сбора готовых наноразмерных частиц железа определяли по времени процесса и осуществляли с помощью магнита, расположенного в специальной вынесенной емкости.

3. Заявляемое устройство для реализации биотехнологического метода получения наночастиц оснащено блоком регуляции освещения культуральной смеси и погружным светильником, что позволяет использовать фототрофные микроорганизмы в качестве культур-продуцентов наноразмерных частиц металлов.

- В прототипе: использовали культуру анаэробных термофильных бактерий.

Осуществление изобретения

Заявляемое устройство для получения наноразмерных частиц металлов из исходных растворов солей в присутствии культивируемых клеток микроорганизмов представляет собой ферментер, оснащенный дополнительными функциональными блоками и оригинальной управляющей системой. Необходимые конструктивные элементы, взаимосвязанные для промышленной применимости устройства, включают: управляющий компьютер (рис.1, 1), регистрирующий параметры процесса, а также связанный с ним центральный электронный блок регуляции и управления (рис.1, 2) всеми узлами ферментера (рис.1, 3); pH-стабилизирующий блок, оснащенный шлангами для подачи подтитровочных растворов посредством насосов (рис.1, 6, 7) и датчиком pH (рис.1, 5), расположенным в рабочем объеме ферментера; блок для регулирования редокс-потенциала реакционной смеси (рис.1, 8), оснащенный редокс-датчиком (рис.1, 9), расположенным в рабочем объеме ферментера, и независимо управляемые насосы (рис.1, 10, 11) для введения в ферментер исходных растворов солей металлов и ростовых факторов; блок регулирования уровня растворенного кислорода (рис.1, 12), оснащенный датчиком pO₂ (рис.1, 13), расположенным в рабочем объеме ферментера, и насосом для подачи в ферментер стерильного кислорода; блок для измерения оптической плотности культуры (рис.1, 15), оснащенный оптоволоконным датчиком (рис.1, 16), расположенным в рабочем объеме ферментера; блок для измерения спектральных характеристик взвеси наночастиц в культуральной жидкости (рис.1, 17), оснащенный оптоволоконным датчиком, изолированным от клеточной суспензии полупроницаемой мембраной (рис.1, 18), расположенным в рабочем объеме ферментера; блок для терморегуляции рабочего объема ферментера (рис.1, 19), оснащенный датчиком температуры (рис.1, 20), расположенным в рабочем объеме ферментера; блок для регулирования перемешивания реакционной смеси (рис.1, 21), управляющий вращением лопастной мешалкой (рис.1, 22); блок для регуляции освещения реакционной смеси (рис.1, 23) при культивировании фототрофных микроорганизмов, оснащенный погружным диодным светильником (рис.1, 24) с управляемыми спектральными параметрами; блок для ультрафильтрации отбираемой реакционной смеси (рис.1, 25), оснащенный стерилизующей мембраной с размером пор 100-250 нм, с возможностью вывода из ферментера только взвеси сформировавшихся наноразмерных частиц металла; конденсатор выходящей влаги (рис.1, 26), препятствующий потере культуральной смеси.

Все технические функции заявляемого устройства для биотехнологического получения наноразмерных частиц находятся под контролем управляющего компьютера. Этот же компьютер используется как регистратор и анализатор параметров двух основных составляющих процесса биотехнологического получения наноразмерных частиц металла: а) собственно культивирования в оптимальных условиях клеток продуцента биологически активных соединений, выступающих в роли восстановителей катионов металла, и б) восстановления катионов металла до получения наноразмерных кристаллических частиц требуемых размеров и формы. Возможна быстрая перенастройка управляющих параметров для культивирования различных культур-продуцентов, а также замена исходного раствора соли металла для получения наночастиц соответствующего элементного состава. Введение исходного раствора соли металла для получения наночастиц, а также ростовых факторов осуществляют насосами, независимо управляемыми центральным электронным блоком регуляции. По достижении наночастицами заданных размеров центральный электронный блок автоматически прекращает подачу в биореактор исходного раствора соли металла. Постоянно действующие блок измерения оптической плотности суспензии клеток культуры-продуцента и блок измерения спектральных характеристик взвеси наночастиц непрерывно контролируют рост клеток культуры-продуцента и динамику формирования наночастиц. Блоком ультрафильтрации реакционной смеси управляет центральный электронный блок на основании анализа спектральных характеристик формирующихся в реакционной смеси наночастиц металла. По достижении наночастицами заданных размеров центральный электронный блок регуляции и управления автоматически активирует систему ультрафильтрации реакционной смеси, что позволяет выводить из рабочего объема только взвесь наночастиц (через стерилизующую мембрану с размером пор 100-150 нм), оставляя клетки культуры-продуцента внутри ферментера. Конденсатор испаряющейся влаги необходим для предотвращения уменьшения объема реакционной смеси.

Возможность реализации изобретения с получением вышеуказанного технического результата иллюстрируется следующими примерами.

Пример 1.

Для получения наноразмерных частиц биотехнологическим методом с применением заявляемого устройства в качестве культуры-продуцента восстановительных биологически активных соединений использовали бактерии рода Bacillus (рис.2,А). Рабочий объем устройства заполняли стерильной 10%-ной ростовой средой LB. Оптимальные для выращивания бактерий рода Bacillus режимы обеспечивали с помощью автоматической системы регулирования параметров культуральной жидкости. В момент достижения культурой логарифмической фазы роста вносили раствор катионов серебра в виде водного раствора Ag(NH₃)₂NO₃ в конечной концентрации до 0,1 М. Процесс формирования наноразмерных частиц серебра постоянно контролировали по изменению спектральных характеристик реакционной смеси. Методом рентгеновского микроанализа элементного состава подтверждали, что наблюдаемые в поле зрения электронного микроскопа сформировавшиеся оптически плотные наночастицы (из проб реакционной смеси) состоят из восстановленных атомов серебра Ag⁰ (рис.2,Б). Получаемые наночастицы имели сферическую форму (рис.2,А), треть из них были диаметром 23±5 нм (рис.2,В). Выведение из реактора взвеси «готовых» наноразмерных частиц осуществляли путем активирования блока ультрафильтрации реакционной смеси, оставляя клетки культуры-продуцента внутри ферментера.

Пример 2.

Для получения с помощью заявляемого устройства наноразмерных частиц в качестве фототрофной культуры-продуцента использовали микроводоросли рода Dunaliella. Оптимальный режим выращивания культуры-продуцента обеспечивали с помощью автоматической системы регулирования параметров реакционной среды и освещения рабочего объема ферментера.

Пример 3.

Для получения с помощью заявляемого устройства наноразмерных частиц различного элементного состава в качестве источника катионов металла использовали растворы различных солей благородных металлов (Ag, Au, Pt) и тяжелых металлов (Cu, Cd, U) в концентрации не выше 0,05 М. Линейные параметры получаемых наночастиц металлов определяли в процессе формирования наночастиц с помощью автоматической системы постоянного измерения спектральных характеристик взвеси наночастиц непосредственно в реакционной смеси.

Литература

1. Xia Y., Xiong Y., Lim В., Skrabalak S.E. Shape-controlled synthesis of metal nanocrystals: simple chemistry meets complex physics? Angew. Chem. lnt. Ed. Engl., 2009, 48(1), 60-103.

2. Basel M.T., Dani R.K., Kang M., Pavlenok M., Chikan V., Smith P.E., Niederweis M., Bossmann S.H. Direct observation of gold nanoparticle assemblies with the porin MspA on mica. ACS Nano, 2009, 3(2), 462-66.

3. Darroudi M., Bin Ahmad M., Abdullah A.M., Ibrahim N.A., Shameli K. Effect of accelerator in green synthesis of silver nanoparticles. Int. J. Mol. Sci., 2010, 11, 3898-05.

4. Biju V., Itoh Т., Anas A., Sujith A., Ishikawa M. Semiconductor quantum dots and metal nanoparticles: syntheses, optical properties, and biological applications. Anal. Bioanal. Chem., 2008, 391, 2469-95.

5. Cao Y.-L, Ding X.-L, Li H.-C., Yi Z.-G, Wang X.-F., Zhu J.-J., Kan С.-Х. Morphology-controllable noble metal nanoparticles: synthesis, optical property and growth mechanism. Acta Phys.-Chim. Sin., 2011, 27(6), 1273-86.

6. Irwin P., Martin J., Nguyen L.-H., He Y., Gehring A., Chen C.-Y. Antimicrobial activity of spherical silver nanoparticles prepared using a biocompatible macromo-lecular capping agent: evidence for induction of a greatly prolonged bacterial lag phase. J. Nanobiotech., 2010, 8, 34, 1-12.

7. Каленов С.В., Кузнецов А.Е. Лабораторный биореактор с системой удаленного доступа для сбора данных и контроля ферментационных процессов на базе LabView фирмы "National Instruments". - В сб. трудов конф. Образовательные, научные и инженерные приложения в среде LabVIEW и технологии National Instruments. (Москва, 14-15 ноября 2003 г.) - M.: Изд-во РУДН, 2003, с.138-41.

Подписи к рисункам

Рисунок 1.

Основные узлы и регулирующие блоки устройства для биотехнологического получения наноразмерных частиц металлов.

1 - Управляющий компьютер и регистратор параметров процесса. 2 - Блок регуляции и управления узлами заявляемого устройства. 3 - Рабочий объем биореактора. 4 - pH-стабилизатор. 5 - Датчик pH. 6, 7 - Насосы для введения подтитровочных растворов. 8 - Блок регулирования Eh, хранилище растворов ростовых факторов и исходного раствора соли металла. 9 - Редокс-датчик. 10, 11 - Насосы для введения растворов ростовых факторов и исходного раствора соли металла. 12 - Блок регулирования уровня растворенного кислорода и генератор кислорода. 13 - pO₂ датчик. 14 - Насос для подачи стерильного кислорода. 15 - Блок измерения оптической плотности культуры-продуцента. 16 - Оптоволоконный датчик. 17 - Блок измерения спектральных характеристик взвеси наночастиц. 18 - Оптоволоконный датчик, изолированный от клеточной суспензии полупроницаемой мембраной. 19 - Блок терморегуляции биореактора. 20 - Датчик температуры. 21 - Блок регулирования перемешивания реакционной смеси. 22 - Лопастная мешалка. 23 - Блок регуляции освещения реакционной смеси. 24 - Погружной светильник. 25 - Блок ультрафильтрации реакционной смеси. 26 - Конденсатор выходящей влаги.

Рисунок 2.

Наноразмерные частицы серебра, полученные с использованием заявляемого устройства при культивировании Bacillus.

А - реакционная смесь, содержащая бактериальные клетки и наночастицы. Стрелками показаны наночастицы, для которых подтверждено содержание серебра Ag⁰.

Б - типичный спектр рентгеновского микроанализа, характеризующий элементный состав полученых наночастиц.

В - распределение по диаметру 150 измеренных наночастиц серебра.

Устройство для получения наноразмерных частиц металлов путем восстановления металлов из исходных солей в присутствии культивируемых клеток микроорганизмов, включающее: управляющий компьютер (1), регистрирующий параметры процесса, связанный с ним электронный блок регуляции и управления (2) всеми функциональными узлами и блоками ферментера (3), pH-стабилизирующий блок (4) с датчиком pH (5), расположенным в рабочем объеме ферментера (3) и имеющим шланги для подачи подтитровочных растворов по команде блока (4) посредством насосов (6, 7), блок (8) для регулирования редокс-потенциала культуральной смеси, оснащенный редокс-датчиком (9), расположенным в ферментере (3), независимо управляемые насосы (10, 11) для введения в ферментер (3) исходных растворов солей металлов, восстановителей и ростовых факторов, блок (12) для регулирования уровня растворенного кислорода с датчиком pO₂ (13), расположенным в ферментере (3), насос (14) для подачи ростового субстрата в ферментер (3), блок (15) для измерения оптической плотности культуры с применением оптоволоконного датчика (16), расположенного в ферментере (3), блок (17) для измерения спектральных характеристик суспензии наночастиц в культуральной смеси с применением расположенного в ферментере (3) оптоволоконного датчика (18), изолированного не проницаемой для клеток мембраной с размером пор 100-250 нм, блок (19) для терморегуляции ферментера (3), оснащенный датчиком температуры (20), блок (21) для регулирования перемешивания культуральной смеси, приводящий во вращение лопастную мешалку (22), блок (23) для регулирования освещения культуральной смеси при культивировании фототрофных микроорганизмов и управления спектральными параметрами погружного диодного светильника (24), блок (25) для ультрафильтрации отбираемой культуральной смеси со стерилизующей мембраной с размером пор 100-250 нм с возможностью вывода из ферментера только взвеси наночастиц, конденсатор выходящей влаги (26), препятствующий потере культуральной смеси.