Способ получения коллоидного раствора трисульфида циркония с противомикробными свойствами

Изобретение может быть использовано при обработке почв, пористых структур и сточных вод с целью подавления активности патогенных микроорганизмов. Способ получения коллоидных растворов трисульфида циркония в деионизированной воде включает синтез трисульфида циркония из металлического циркония и порошка элементарной серы, запаянных в кварцевые ампулы. Синтез проводят в трубчатой печи в течение 24 или 48 ч при температуре 650-900°С в вакууме не хуже 10^-3 бар. Полученные кристаллы диспергируют в деионизированной воде в концентрации от 0,001 до 1 г/л при ультразвуковой обработке. Затем проводят центрифугирование при 6000 об/мин в течение 15 мин и отделение осадка. Изобретение позволяет получать коллоидные растворы, обладающие противомикробной активностью, без необходимости применения антибиотиков широкого спектра действия, обеспечить возможность длительного хранения порошкового компонента перед приготовлением растворов. 1 ил., 1 пр.

 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение может использоваться для обработки пористых систем с целью подавления активности патогенных микроорганизмов в том числе обработке различных видов почв.

Уровень техники

В качестве аналогов данного изобретения можно рассматривать патент [RU 2 025 470 С1] где описывается способ получения среды, улучшающей рост растений за счет обработки отходов отделения хлопковых волокон раствором или дисперсией гексахлорофена. При этом авторы в основном планируют применять данный момент только для компостирования уже имеющихся отходов хлопкового производства, а описание не затрагивает непосредственное влияние основных действующих веществ на микроорганизмы и не предусматривает обработку почв или добавление к другим составам и композициям. Композиции с противомикробным действием, содержащие наночастицы неорганических соединений описаны в [RU 2327459 С1], где авторы рассматривают возможность использования композиций неорганических наночастиц и белковых агентов, позволяющих вводить препарат без значительных побочных эффектов. То есть изобретение подразумевает использование белка-носителя и противомикробного агента, который подавляет рост патогенных организмов и предотвращает контаминацию среды. Так как описываемое изобретение предполагает применение трисульфида циркония в качестве основного противомикробного агента, можно указать, что на данный момент в патентных документах аналогичные подходы с использованием данного класса соединений не рассматриваются, что может характеризовать изобретение как не имеющее аналогов.

Раскрытие изобретения

Сущность изобретения заключается в использовании методики газотранспортных реакций для получения кристаллов чистого трисульфида циркония (ZrS₃) в запаянных кварцевых ампулах. В качестве исходных веществ используется металлический цирконий в виде порошка или фольги и порошок элементарной серы в неглубоком вакууме не хуже 10^-3 бар. Синтез следует проводить при температуре не более 900°С и не менее 650°С. Размер ампулы должен лежать в диапазоне от 10 до 25 см в длину. Для синтеза используется трубчатая печь с диаметром рабочей зоны 50 мм. Синтез ведется в течение 24 или 48 часов. Полученные в результате синтеза кристаллы используются для приготовления коллоидных растворов в деионизированной воде в концентрации от 0,001 до 1 г/л в результате обработки ультразвуком в закрытых пробирках в течение 2 часов. Полученный коллоид затем декантируется и с осадка сливается стабильная дисперсия пригодная дли исследований и дальнейшего применения. Так как материал обладает слоистой структурой в результате воздействия ультразвука происходит расшелушивание кристаллитов поперек кристаллографического направления 'с', где отсутствуют прочные ковалентные связи, что приводит к еще более развитой поверхности и повышению активности данного материала.

Изобретение направлено в первую очередь на использование в качестве жидкого противомикробного средства для обработки почв, пористых структур и сточных вод. Изобретение характеризуется возможностью длительного хранения порошкового компонента перед приготовлением дисперсии. Также, в процессе взаимодействия трисульфида циркония с водой за счет высокоразвитой поверхности происходит сорбция различных примесей и микроорганизмов на поверхность твердой фазы, что может приводить к флокуляции с возможностью отделения патогенных микроорганизмов методом в результате седиментации осадка.

В связи с тем, что при взаимодействии ZrS₃ с водой может наблюдаться образование малых количеств H₂S подавляется активная жизнедеятельность множества различных патогенных микроорганизмов. Присутствие серы в активном веществе также способствует проявлению и фунгицидных свойств.

Основным отличием от аналогов является использование активных наночастиц твердой фазы в виде коллоидных растворов непосредственно обладающих противомикробной активностью без необходимости применять органические соединения класса антибиотиков широкого спектра действия. При этом в случае длительного нахождения под воздействием света и кислорода материал может переходить в безвредный оксид циркония, что позволяет говорить о низком вреде для окружающей среды. Отличием от других трихалькогенидов переходных металлов является повышенная температурная стабильность по сравнению с трисульфидом титана, а также более прозрачный коллоид, позволяющий контролировать наличие дополнительных фаз в дисперсии в видимой области спектра.

Пример 1.

На первом этапе для проведения синтеза соединения ZrS₃ готовились навески порошка чистого циркония (99,99%) и порошка элементарной серы марки ЧДА в стехиометрическом соотношении в соответствии с реакцией 1.

Полученный образец анализировался методами сканирующей электронной и оптической микроскопии, спектроскопии комбинационного рассеяния, рентгеноструктурного анализа и атомно-силовой микроскопии. В результате синтеза получены ленты ширина которых варьируется от 1 до 10 мкм, а толщина при этом составляет менее 100 нм.

На втором этапе полученный материал промывается в изопропаноле и дистиллированной воде 2 раза, а затем либо подвергается сушке для дальнейшего хранения, либо диспергируется в необходимом буфере или деионизированной воде для получения коллоида с ультразвуковой обработкой в течение 10 минут.

Дальнейшая стабилизация достигается центрифугированием при 6000 об/мин в течение 15 минут полученного после обработки ультразвуком коллоида с последующим отделением осадка. В результате получается коллоидный раствор частиц ZrS₃ в необходимом буфере. Стабильность данных коллоидов оценивается в соответствии с методикой оценки стабильности, которая построена на методе измерения электрокинетического потенциала (дзета-потенциала) и распределения частиц по размерам.

Анализ антибактериальных свойств свежих суспензий наночастиц ZrS₃ показал отсутствие биоцидного эффекта в концентрациях ниже 1 г/л. При увеличении дозы наноматериала до 1 г/л привело к снижению интенсивности люминесценции тест-объекта и проявлению высокого токсического действия - средний индекс токсичности 56,6 (Фиг. 1).

Фиг. 1 - Влияние коллоидных суспензий ZrS₃ на бактерии Е. Coli Исследование суспензий наночастиц ZrS₃ выдержанных 24 часа показало снижение люминесценции бактерий под действием вещества. Отмечены нелинейные токсические свойства трисульфида циркония - при минимальной концентрации образца наблюдался биоцидный эффект (индекс токсичности больше 20-ти, что говорит о средней степени токсичности), в дозе 0,001 г/л антибактериальное действие пропадало, а начиная с 0,01 г/л индекс токсичности, увеличивался с возрастанием концентрации препарата. Максимальное ингибирующее действие проявил раствор с максимальной концентрацией 1 г/л - индекс токсичности 52,7 (Фиг. 1).

Таким образом, установлено, что большим биоцидным действием обладают коллоидные растворы наночастиц трисульфида циркония выдержанные 24 часа. Подобный эффект вероятно связан с разложением ZrS₃ в водной среде и выделением сероводорода (о чем свидетельствовал характерный запах), оказывающего токсическое действие на бактерии.

Способ получения коллоидных растворов трисульфида циркония в деионизированной воде, обладающих противомикробной активностью, включающий синтез трисульфида циркония из металлического циркония и порошка элементарной серы, взятых в стехиометрическом соотношении в соответствии с реакцией Zr+3S=ZrS₃, запаянных в кварцевые ампулы, синтез проводят в трубчатой печи в течение 24 или 48 часов при температуре 650-900°С в вакууме не хуже 10^-3 бар, полученные кристаллы диспергируют в деионизированной воде в концентрации от 0,001 до 1 г/л при ультразвуковой обработке, затем проводят центрифугирование при 6000 об/мин в течение 15 минут и отделение осадка.