AT522913A1 - Verfahren zur Herstellung von Metalloxid- oder Metall-Nanopartikeln - Google Patents

Abstract

Die Erfindung stellt ein Verfahren zur Herstellung von Metall- oder Metalloxid-Nanopartikeln bereit, aufweisend das Mischen eines Metallsalzes, eines Metall-Chelatbildners, eines Molkeproteins und eines reduzierenden Saccharids in einem Lösungsmittel; das Erhitzen und Verdampfen des Lösungsmittels aus der Mischung zur Bildung eines Gels, wobei Metall- oder Metalloxid-Nanopartikel innerhalb des Gels gebildet werden.

Description

Gebiet der Erfindung Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Verfahren zur Herstellung von Metall- und Metalloxid-Nanopartikeln und die

erhaltenen Nanopartikel.

Hintergrund der Erfindung

Nanopartikel sind ein Teil von Nanomaterialien, die ın mindestens einer ihrer Dimensionen eine Größe im Bereich von 1-500 nm haben. Nanopartikel sind aufgrund ihrer wichtigen optischen, elektrischen und magnetischen Eigenschaften ein weit verbreitetes Material für die Entwicklung neuer bahnbrechender Anwendungen in den Bereichen Kommunikation, Energiespeicherung, Sensorik, Datenspeicherung, Optik, Übertragung, Umweltschutz, Kosmetik, Biologie und Medizin.

Es gibt verschiedene Verfahren zur Herstellung von Metall- und Metalloxid-Nanopartikeln, darunter das Sol-Gel-Verfahren, welches in Dankes et al., Mater. Horiz. 3, 2016: 91 untersucht wurde. Das Verfahren schließt die Synthese von Feststoffmaterialien wie Metalloxiden aus Vorstufen im gelösten Zustand ein. Diese können Metallalkoxide, die sich zu Gelen vernetzen, Metallhydroxid-Sole (Mohapatra et al., Science of the Total Environment 485-486 (2014) 263-269), aber auch Metallion-Chelat-Komplexe oder organische Polymergele, die Metallspezies enthalten, einschließen. Die Wahl der Edukte kann einen erheblichen Einfluss auf die Struktur und Zusammensetzung des Feststoffproduktes haben.

WO 2018/019595 offenbart mikrometergroße Zinkoxid-Kristalle, die eingeschlossene Proteinpartikel aufweisen.

Ein übliches Sol-Gel-Verfahren ist die Synthese von MetalloxidNanopartikeln in Anwesenheit eines Polymergels, wie das durch Ethylenglykol (US 3,330,697 A) gebildete. Dieses Verfahren hat den Nachteil, dass die resultierenden Partikel eine relativ breite Größenverteilung haben (hohe Polydispersität) und dass die Verwendung von synthetischen Polymeren nicht umweltfreundlich ist.

Es ist daher ein Ziel, alternative Verfahren zur Herstellung von Metalloxid-Nanopartikeln bereitzustellen, die sehr gleichmäßige Partikelgrößen bereitstellen und umweltfreundlicher sind, sowie das umweltfreundliche Verfahren auf metallische Nanopartikel zu

übertragen.

Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zur Herstellung sowohl von Metall- als auch Metalloxid-Nanopartikeln bereit, aufweisend das Mischen eines Metallsalzes, eines MetallChelatbildners, eines Molkeproteins oder Molkepolypeptids und gegebenenfalls eines reduzierenden Saccharids in einem Lösungsmittel; das Erhitzen und Verdampfen des LöÖsungsmittels aus der Mischung zur Bildung eines Gels, wobei Metall- oder MetalloxidNanopartikel innerhalb des Gels gebildet werden.

Im Zusammenhang damit stellt die Erfindung ferner ein Verfahren zur Herstellung von Metall- oder Metalloxid-Nanopartikeln bereit, aufweisend das Mischen eines Metallsalzes, eines MetallChelatbildners und Molke in einem Lösungsmittel; das Erhitzen und Verdampfen des LöÖösungsmittels aus der Mischung zur Bildung eines Gels, wobei Metall- oder Metalloxid-Nanopartikel innerhalb des Gels gebildet werden.

Die Erfindung stellt ferner Nanopartikel und Zusammensetzungen von Nanopartikeln bereit, die aus solchen Verfahren erhältlich sind. Es wird beispielsweise eine Zusammensetzung bereitgestellt, die eine Vielzahl von Metall- oder Metalloxid-Nanopartikeln aufweist, wobei die Metall- oder Metalloxid-Nanopartikel eine durchschnittliche Größe von bis zu 200 nm in der längsten Dimension haben und wobei

Q

weniger als 0,1 % der Metall- oder Metalloxid-Nanopartikel in ihrer Größe um mehr als 50 % von der durchschnittlichen Größe abweichen. Weiterhin wird eine Zusammensetzung bereitgestellt, die eine Vielzahl von Metall- oder Metalloxid-Nanopartikeln aufweist, wobei die Metall- oder Metalloxid-Nanopartikel eine durchschnittliche Größe von 3 nm bis 200 nm in der längsten Dimension haben und wobei die Metall- oder Metalloxid-Nanopartikel 0,2 bis 1 Mol-% Ca und/oder 0,5 bis 4 Mol-% K aufweisen.

Sämtliche Aspekte beziehen sich gleichermaßen auf die Erfindung, und alle ausführlichen Beschreibungen und alle bevorzugten Ausführungsformen beziehen sich auf alle diese Aspekte. Insbesondere beziehen sich die Verfahrensbeschreibungen auf die Nanopartikel und Zusammensetzungen, wie sie aus solchen Verfahren erhältlich sind. Die Beschreibung der Nanopartikel und

Zusammensetzungen kann das Produkt der Verfahren beschreiben.

Das erfinderische Verfahren verwendet ein Metallsalz, einen Metall-Chelatbildner, ein Molkeprotein und ein reduzierendes Saccharid - oder einfach ein Metallsalz, einen Metall-Chelatbildner und Molke - zur Herstellung von Metall- oder MetalloxidNanopartikeln (hierin auch einfach als „Nanopartikel“ bezeichnet). Die Nanopartikel können in einem Sol-Gel-Verfahren hergestellt werden. Bei diesem Verfahren kann eine Mischung dieser Bestandteile erhitzt werden, um in einem Lösungsmittel ein Gel zu bilden. Bei diesem Prozess wird ein Chelatbildner, meist Zitronensäure, verwendet, um wässrige Kationen zu umgeben und sterisch einzuschließen. Die Anwesenheit von Molkeproteinen unterstützt diesen Prozess und bildet zusammen mit dem Chelatbildner eine Einschlussmatrix. Danach wird eine Polymermatrix gebildet, um die chelatisierten Kationen in einem Gel oder Harz zu immobilisieren.

„Metall oder Metalloxid“ werden zusammenfassend als ‚Metall (oxid)“ bezeichnet. Ob sich ein Metall-Nanopartikel oder Metalloxid-Nanopartikel bildet, hängt von den oxidativen Bedingungen (zum Beispiel mit oder ohne Sauerstoffzugang; Anwesenheit und Menge von Reduktionsmitteln) und der Art des Metallmaterials ab. Edelmetalle wie Ag und Au haben auch unter (schwach) oxidativen Bedingungen eine höhere Neigung zur Bildung von Metall-Nanopartikeln anstelle von Metalloxiden. Sollte sich ein Edelmetall wie Ag oder Au zu Metalloxiden umwandeln, sind üblicherweise zusätzliche Oxidationsmittel erforderlich.

Innerhalb des Gels werden die Metall (oxid) -Nanopartikel während des Erhitzens gebildet, was ÜUüblicherweise das Verdampfen des Lösungsmittels und gegebenenfalls die Pyrolyse des Gels und des Chelatbildners sowie die Entfernung der Nanopartikel aus dem Gel beinhaltet. Vorzugsweise wird das resultierende Polymer dann unter oxidierenden Bedingungen verbrannt, um den organischen Anteil zu entfernen und ein Produkt (Oxid) mit homogen dispergierten Kationen zu erhalten. Üblicherweise wird dem Sauerstoff Zugang gegeben, um die Oxidationsbedingungen zu erleichtern. Der Zugang von Sauerstoff kann aus der Luft erfolgen. Der Sauerstoff kann das Metall oxidieren oder einfach das Salz des Metallsalzes ersetzen, um das Metalloxid zu bilden. Im Falle von Edelmetall-Nanopartikeln (Ag, Au) in Umgebungsluft wird die Oxidation durch die Einbettung der reduzierten metallischen Atome/Cluster durch die Gelmatrix

verhindert.

In bevorzugten Ausführungsformen weist das Verfahren das Mischen eines reduzierenden Saccharids mit dem Metallsalz auf. Ein solches reduzierendes Saccharid kann bereits in Molke vorhanden sein, und in diesem Falle ist eventuell kein zusätzlicher Schritt erforderlich. Ein reduzierendes Saccharid wird auch als reduzierender Zucker bezeichnet. Es kann ein Kohlenhydrat sein, das einen anomeren Kohlenstoff hat - es hat eine offenkettige Form mit einer Aldehydgruppe. Die funktionelle Aldehydgruppe ist Leicht deprotonierbar und ermöglicht es dem reduzierenden Saccharid, als Reduktionsmittel zu fungieren.

Die Anwesenheit von reduzierendem Saccharid kann die Reduktion der Metallkationen in einen niedrigeren Oxidationszustand oder sogar in einen metallischen Zustand fördern. Dies begünstigt die Bildung einer homogenen Dispersion und den Erhalt von monodispersen Produkten. Im Falle von Metalloxiden setzt sich das Metall schließlich natürlich in das Metalloxid um, was eine Oxidation unter oxidierenden Bedingungen einschließen kann.

Vorzugsweise ist das reduzierende Saccharid ein Monosaccharid oder Disaccharid, wie Lactose. Lactose ist üblicherweise reichlich in Molke enthalten. Das Mono- oder Disaccharid kann zum Beispiel Fructose-, Glucose- und Galactose-Einheiten aufweisen.

In bevorzugten Ausführungsformen wird das Molkeprotein aus einem Lactalbumin ausgewählt, wie o-Lactalbumin, ß-Lactoglobulin; Serumalbumin und Immunglobuline. Vorzugsweise ist es ein Lactalbumin, besonders bevorzugt x-Lactalbumin, das sehr monodisperse Nanopartikel ergibt, vermutlich durch Bildung einer sehr geeigneten Matrix für den Einschlussprozess des Metalls. In einigen Ausführungsformen werden native Molkeproteine verwendet; in anderen Ausführungsformen können hitze- und/oder pH-denaturierte Proteine verwendet werden.

Molke oder Molkeproteine können auch hydrolysiert werden, um Molkepolypeptide bereitzustellen; solche Polypeptide als Molkehydrolysat sind Fragmente von Molkeproteinen, die die Gelierfähigkeit von Molkeproteinen aufrechterhalten. Diese können zusätzlich oder als Alternativen zu Molkeproteinen oder Molke in den erfinderischen Verfahren verwendet werden. Diese Hydrolysate/Polypeptide können durch enzymatischen, physikalischen oder chemischen Abbau von Molkeproteinen hergestellt werden. Der Abbaugrad kann durch die Intensität und Dauer der Behandlung

gesteuert werden. Gewünschte Fragmente können ferner durch

Q Q

Molkeproteins mindestens 90 % oder mindestens 95 % oder sogar

Q

mindestens 99 %. Die Reinheit wird als Feststoffanteil einer

Zusammensetzung, unter Ausschluss Jeglicher Lösungsmittel, angegeben. Der Einfachheit halber wird Molke verwendet, d.h. ohne

Isolierung von Molkeprotein aus anderen Molkebestandteilen. Das erfinderische Verfahren kann das Mischen eines Metallsalzes, eines Metall-Chelatbildners und von Molke in einem Lösungsmittel; das Erhitzen und Verdampfen des LöÖösungsmittels aus dieser Mischung, um ein Gel zu bilden, wobei Metall (oxid) -Nanopartikel innerhalb des Gels gebildet werden, aufweisen. Während des Erhitzens wird, wie oben erwähnt, vorzugsweise der Zugang von Sauerstoff zugelassen. Typische Molke weist Lactose, ein Disaccharid, das für die Reduktion von Metallionen (wie Zn, Ti, Ag, Au) verantwortlich ist; und 1lösliche Proteine auf, die für die Bildung des Gels, das eine polymere Matrix bildet, verantwortlich sind. Sie fungiert als Einbettung- und Keimbildungsstelle für das reduzierte Metall. Die Keimbildungsstellen, die durch Molke gebildet werden, sind viel empfindlicher gegenüber Temperatur und pH-Wert, verglichen mit denjenigen, die durch die Ethylenglykol-Polymerisation, die durch Zitronensäure induziert wird, gebildet werden. Dadurch kann das Verfahren für einen breiteren Partikelgrößenbereich angepasst werden. Die in der Molke vorhandenen Proteine zeichnen sich durch ihren hohen biologischen Wert aus. Sie sind reich an verzweigten essentiellen Aminosäuren, Leucin, Isoleucin, Valin. Molke kann darüber hinaus Salzbestandteile wie K- und Ca-Ionen aufweisen, die

in den Metalloxid-Nanopartikeln als Dotierungsbestandteile auftreten

Die Reichhaltigkeit von Sulfhydrylaminosäureresten ist eine vorteilhafte Eigenschaft der Molkeproteine. Diese Eigenschaft ermöglicht es den Molkeproteinen, während der Verarbeitung bei hoher Temperatur und schwach sauren Bedingungen intermolekulare kovalente Bindungen zu bilden, mit anschließender Bildung einer Gelmatrix. Die Poren der Matrix werden durch die Länge der intermolekularen kovalenten Bindungen zwischen Proteinen, aggregierten Proteinresten und Peptiden bestimmt, die über den pH-Wert eingestellt werden kann und zwischen einigen wenigen, normalerweise 2 nm bis >100 nm Durchmesser variieren kann. Die Poren dienen als Keimbildungsstellen für die Bildung der Nanopartikel, wobei eine ideale Ladungsdichte und einstellbare sterisch begrenzte Keimbildungsstellen entstehen.

Molke ist vorzugsweise Molke aus Rinder-, Schaf-, Büffel- oder Ziegenmilch.

Die nach der Erfindung verwendete Molke kann einen Proteingehalt von 0,5 g/100 g (g Protein pro 100 g Molke) bis 5 g/100 g haben; sie kann einen Wassergehalt von 85 %-95 % (Masse-%) haben; sie kann einen Kohlenhydratgehalt von 2 g/100 g bis 8 g/100 g (g Kohlenhydrat pro 100 g Molke) haben; insbesondere kann sie reduzierende Saccharide, wie Lactose, in einer Konzentration von 1 g/100 g bis 7 g/100 g (g reduzierende Saccharide, zum Beispiel Lactose, pro 100 g Molke) oder eine beliebige Kombination dieser Konzentrationen aufweisen. Natürlich kann Molke eingedickt werden, um den Wassergehalt zu reduzieren und die Konzentration der aufgeführten Bestandteile zu

erhöhen, zum Beispiel um den Faktor x1,5, x2, x3, x4 usw.

Vorzugsweise wird die bei der Gelbildung verwendete Mischung, die das Metallsalz, den Chelatbildner und Molkeprotein (oder Molke oder Molkepolypeptid) aufweist, vorzugsweise bei natürlichem oder leicht saurem pH-Wert verwendet, wie bei einem pH-Wert von 4,5 bis 8, vorzugsweise 5,5 bis 7,5, wie 6,5 bis 7,2.

Das Lösungsmittel ist vorzugsweise ein wässriges Lösungsmittel, vorzugsweise Wasser.

Das erfinderische Verfahren weist ferner den Schritt des Erhitzens und Verdampfens des LöÖösungsmittels aus der Mischung auf, um ein Gel zu bilden. Das Erhitzen erfolgt bis zur Bildung eines Gels, zum Beispiel bei einer Temperatur von 50 °C bis 90 °C.

Vorzugsweise wird dieser Erhitzungsschritt für 20 min oder länger

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Der Chelatbildner ist ein Ligand, der zwei oder mehr getrennte Koordinationsbindungen zum Metall als Zentralatom der Koordinationsbindung bildet. Der Chelatbildner ist mehrzähnig, um mehrere Bindungen, d.h. mindestens zwei, mit dem Metall zu bilden. Dementsprechend kann der Chelatbildner zwei oder mehr funktionelle Gruppen aufweisen, um Koordinationsbindungen mit dem Metall einzugehen. Vorzugsweise sind die funktionellen Gruppen Carbonsäuregruppen, Amingruppen, tertiäre Amingruppen, Hydroxylgruppen, Thiolgruppen. Der Chelatbildner kann zum Beispiel eine 2-4-wertige Carbonsäure, vorzugsweise Zitronensäure, sein. Weitere Chelatbildner sind Ethylendiamintetraessigsäure, Methylglycindiessigsäure, Ethylendiamin-N,N’-disuccinsäure, Porphin, ein Cobalamin (Vitamin B-12; mit oder ohne Kobalt), Dimercaprol (2,3-Dimercapto-1-propanol) und L-Glutaminsäure N,NDiessigsäure.

Das Molverhältnis von Chelatbildner und Metall(en) zur Bildung der Metalloxid-Nanopartikel beträgt vorzugsweise 6:1 bis 1:1, vorzugsweise 5:1 bis 2:1.

Vorzugsweise liegt das Massenverhältnis von Zitronensäure (wasserfreie Masse) zu Molke im Bereich von 2:1 bis 1:50, wie 1:1

bis 1:10, vorzugsweise 1:1,5 bis 1:5, besonders bevorzugt 1:2. In

Die Mischung kann gegebenenfalls ein Reduktase-Enzym aufweisen, vorzugsweise ein Reduktase-Enzym aus Molke. In Molke vorhandene Reduktasen tragen dazu bei, die ideale Ladungsverteilung bis zu ihrer Verbindung mit Sauerstoff beizubehalten.

Bei dem erfinderischen Verfahren steuern Molkeproteine bzw. steuert die Molke die Größe und Morphologie der Metall (oxid)Nanopartikel in einem Sol-Gel-Verfahren. Sol-Gel-Verfahren können zur Bildung einer großen Vielfalt von Metall (oxid)-Nanopartikeln verwendet werden. Das Verfahren ist auf alle Metalle anwendbar. Das Metall des Metallsalzes und der gebildeten Metall (oxid) -Nanopartikel kann jedes beliebige Metall von Interesse sein und zum Beispiel aus Fe (Eisen), Co (Kobalt), Ti (Titan), Zn (Zink), Zr (Zirkonium), Ce (Cer), Li (Lithium), Mn (Mangan), Ag (Silber), Ni (Nickel), Sn (Zinn), Au (Gold) oder Mischungen davon, wie LiMn, LiTi, Li1Co usw., ausgewählt werden. Zn (Zink), Ti (Titan), Ag (Silber) werden besonders bevorzugt, da sie vielseitig einsetzbar sind und mit dem erfinderischen molkebasierten Verfahren ausgezeichnete Nanopartikel bilden.

Vorzugsweise hat das Metalloxid die Formel MeO, wobei Me ein Metall und O Sauerstoff ist. Ein solches Metalloxid hat das Metall in der Oxidationsstufe 2+. In weiteren Ausführungsformen kann die Oxidationsstufe des Metalls 1+, 2+, 3+, 4+, 5+, 6+ oder Mischungen davon sein. Beispiele für Metalloxide sind SnO, TiO2, Co304, Fe20O3, Fez304, CeO2, Ce203, LiCoO2, LiMn204, Li2T1i307. Bevorzugte beispielhafte Metalle, die nicht zu Oxiden verarbeitet werden, sind Ag und Au. Vorzugsweise werden die Metalle aus Metallen ausgewählt, die Nitrate und Sulfate bilden.

In bevorzugten Fällen ist das Metallsalz wasserlöslich. Vorzugsweise ist es ein Metallhalogenid, zum Beispiel Fluorid, Chlorid, Bromid, Jodid; Nitrat, Sulfat, Acetat oder Phosphat. Das Metallsalz sollte sich leicht auflösen, um eine Koordination des Metalls mit dem Chelatbildner zu ermöglichen. Ansonsten spielt die Art des salzbildenden Gegenions keine Rolle.

Die vorliegende Erfindung stellt ferner eine Zusammensetzung bereit, die eine Vielzahl von Metall (oxid) -Nanopartikeln aufweist,

die durch die erfinderischen Verfahren erhältlich sind. Eine solche

Weiterhin ist eine Zusammensetzung vorgesehen, die eine Vielzahl von Metall (oxid)-Nanopartikeln aufweist, wobei die Metalloxid-Nanopartikel eine durchschnittliche Größe von 2 nm bis 200 nm in der längsten Dimension haben und wobei die MetalloxidNanopartikel 0,1 bis 1 Mol-% Ca und/oder 0,2 bis 4 Mol-% K und/oder 0,1 bis 3 Mol-% P aufweisen. Die Anwesenheit von Ca (Calcium), K (Kalium) und gegebenenfalls P (Phosphor) sind Indikatoren für das erfinderische Verfahren und können verwendet werden, um Nanopartikel zu identifizieren, die umweltfreundlich mit dem erfinderischen Verfahren hergestellt wurden.

Vorzugsweise weisen die Nanopartikel 45 Mol-% bis 49 Mol-% des Metalls (Me) auf, vorzugsweise Zn, Ti, Ag. Die Zusammensetzungen der Nanopartikel können nach Kalzinierung und Sauerstoffentfernung bestimmt werden. Dann weist die Restzusammensetzung vorzugsweise 96 ®% bis 99,5 % Me, vorzugsweise Zn, Ti, Ag, und vorzugsweise die oben genannten Indikatoren auf, zum Beispiel von 0,2 bis 1 Mol-% Ca und/oder 0,4 bis 4 Mol-% K und/oder 0,2 bis 3 Mol-% P.

Vorzugsweise haben die Metall (oxid) -Nanopartikel eine durchschnittliche Größe im Bereich von 2 nm bis 200 nm, insbesondere bevorzugt 3 nm bis 150 nm, 4 nm bis 120 nm, 5 nm bis 100 nm, 6 nm bis 80 nm, 7 nm bis 60 nm, 8 nm bis 50 nm, 9 nm bis 40 nm, 10 nm bis 30 nm, und einen beliebigen Bereich zwischen diesen Werten. Insbesondere kleine Partikel, zum Beispiel mit einer durchschnittlichen Größe von 20 nm oder weniger, zum Beispiel 3 nm bis 15 nm, oder 15 nm oder weniger oder 10 nm oder weniger, sind besonders vorteilhaft und können durch das erfinderische Verfahren effizient und homogen hergestellt werden. Diese Größen beziehen sich auf Größen in der längsten Dimension des Partikels. Vorzugsweise sind die Nanopartikel im Wesentlichen rund oder kugelförmig, wobei sich die kürzeste und die längste Dimension eines Nanopartikels in mindestens 90 % der Nanopartikel der Zusammensetzung, vorzugsweise in mindestens 95 % der Nanopartikel der Zusammensetzung, um höchstens

25 % der Länge in der längsten Dimension unterscheiden.

Was die Größenverteilung zwischen den einzelnen Nanopartikeln betrifft, so ist diese aufgrund der hohen Homogenität der im Wesentlichen monodispersen Partikel der Erfindung üblicherweise gering. Vorzugsweise weichen weniger als 0,1 %, zum Beispiel weniger als 0,05 % der Metalloxid-Nanopartikel in ihrer Größe um mehr als 50 % oder mehr als 30 % oder mehr als 20 % von der durchschnittlichen Größe ab. Größe bedeutet Korngröße, gemessen mittels TEM.

Der erfinderische Herstellungsprozess kann zu Nanopartikeln führen, die an ihrer Oberfläche funktionelle Gruppen und Metalle aufweisen, die durch die Denaturierung von Molkepeptiden und proteinen, insbesondere der Lactoglobuline, entstehen - wenn sie nicht entfernt werden. Diese funktionellen Gruppen ermöglichen aufgrund der inhärenten Eigenschaften von Metall- oder Metalloxiden in Nanopartikeln (z.B.: antimikrobielles Mittel, optische und elektronische Eigenschaften) ein breites Anwendungsspektrum in Gesundheit und Landwirtschaft. In Molke hergestellte Metall- oder Metalloxid-Nanopartikel sind aufgrund dieser funktionellen Gruppen und der Abwesenheit toxischer Rückstände aus anderen Verfahren, wie dem Ethylenglykol-Verfahren, grundsätzlich bioverträglich. In vivo würden die bioverträglichen Nanopartikel aufgrund der Abwesenheit solcher toxischen Rückstände keine toxischen Reaktionen verursachen.

In einigen Ausführungsformen weisen die Metall (oxid)-

Nanopartikel auf ihrer Oberfläche eine organische Verbindung oder

funktionelle Gruppen auf, die aus Molke-Pyrolyse- oder Kalzinierungsprodukten ausgewählt sind. Solche organischen Verbindungen/funktionelle Gruppen der Molke-Pyrolyse- oder Kalzinierungsprodukte können ein Alkylnitril, Benzylnitril,

Sulfhydryl/Disulfid, ein Phenol, ein Benzolalkylnitril, Toluol, Furfural, 2,5-Dimethyl, Furan, Levoglucosenon, Levoglucosan, 3Methyl-pentansäure, 5-Methyl-2-furancarboxaldehyd, Acetamid, Picolinamid, 3-Pyridinol, Indol, Schwefelgruppen, Thiolgruppen aufweisen.

Üblicherweise sind die metallischen (Oxid-)Nanopartikel, die durch den Herstellungsprozess unter Verwendung von Molke hergestellt werden, von grauer Farbe im Gegensatz zu den weiß gefärbten metallischen Oxid-Nanopartikeln, die durch herkömmliche Verfahren hergestellt werden, wie wenn Ethylenglykol anstelle von Molkeproteinen oder Molke verwendet wird. Die graue Farbe ist nicht ansprechend, sondern ein Ergebnis des molkebasierten

Herstellungsverfahrens und seiner Auswirkungen auf die Struktur der

Die erfinderische Zusammensetzung kann als Pulver, zum Beispiel als Trockenpulver, bereitgestellt werden. Andere Zusammensetzungen können als Suspension in einer Flüssigkeit, zum Beispiel einem wässrigen Medium, bereitgestellt werden.

Vorzugsweise weist die Zusammensetzung eine Vielzahl von Nanopartikeln auf, wie 1000 Nanopartikel oder mehr, zum Beispiel 10.000 Nanopartikel oder mehr.

Die Nanopartikel oder die Zusammensetzung können/kann für verschiedene Zwecke verwendet werden, zum Beispiel für Anwendungen als Hygieneprodukt, zum Beispiel als antimikrobielles Mittel; in der Biomedizin, zum Beispiel als biologischer Marker; insbesondere ZnO und TiO2z in Kosmetika, zum Beispiel als Sonnenschutzmittel; in der Chemie, zum Beispiel als Katalysator. Beispielsweise ist ZnO ein attraktives Halbleitermaterial für kurzwellige optoelektronische Anwendungen aufgrund seiner breiten Bandlücke von 3,37 eV, seiner großen Bindungsstärke und seiner hohen Exzitonen-Bindungsenergie (60 meV) bei Raumtemperatur. Als Material mit breiter Bandlücke wird ZnO in der blauen bis ultravioletten (UV) Festkörper-Optoelektronik, einschließlich Laserentwicklungen, verwendet. Zusätzlich zeigt ZnO aufgrund seiner nicht-zentrosymmetrischen kristallographischen Phase die piezoelektrische Eigenschaft auf, die für die Herstellung von Vorrichtungen, wie elektromagnetisch gekoppelten Sensoren und Aktoren, sehr nützlich ist.

Abhängig vom Metalloxidmaterial kann die Bandlücke entweder durch Änderung der chemischen Zusammensetzung (Aufnahme von Dotierungselementen) oder durch Änderung der Nanopartikelgröße (Fernändez-Garcia und Rodriguez, Metal Oxide Nanoparticles, DOI: 10.1002/9781119951438 .eibc0331) verschoben werden. Solche Änderungen können natürlich auch in die erfinderischen Nanopartikel

eingeführt werden. Die Größe kann im Herstellungsprozess gesteuert

Die vorliegende Erfindung wird durch folgende Figuren und Beispiele weiter veranschaulicht, ohne auf diese Ausführungsformen

der Erfindung beschränkt zu sein.

Figuren:

Fig. 1 zeigt eine Transmissionselektronenmikroskopie (TEM)-Aufnahme von vielen erfinderischen Zinkoxid-Nanopartikeln, die eine homogene Größe von etwa 20 mm haben. Die Nanopartikel wurden durch Kalzinierung bei 600 °C für 1 h hergestellt. 100 nm-Maßstab.

Fig. 2 zeigt TEM-Aufnahmen von Zinkoxid-Nanopartikeln, die eine Größe von etwa 20 (links) oder 50 nm (rechts) haben. 20 nm-Maßstab. Fig. 3 zeigt eine TEM-Aufnahme von Zinkoxid-Nanopartikeln, die durch ein Vergleichsbeispiel unter Verwendung von Ethylenglykol als Geliermittel hergestellt wurden. Die Partikel sind polydispers mit viel größeren Partikeln (siehe oben rechts). Die Nanopartikel wurden durch Kalzinierung bei 600 °C für 1 h hergestellt. 100 nm-Maßstab. Fig. 4 zeigt die thermogravimetrische (TGA) und differentielle thermische Analyse (DTA) von ZnO-Xerogelen.

Fig. 5 zeigt die XRD-Muster (kristalline Struktur) der ZnONanopartikel, die bei verschiedenen Temperaturen kalziniert wurden. Fig. 6 stellt das Raman-Spektrum der ZnO-Nanopartikel im Spektralbereich von 200-1000 cm” dar.

Fig. 7 zeigt ein EDS-Spektrum der ZnO-Nanopartikel.

Beispiele:

Vergleichsbeispiel:

ZnO-Nanopartikel wurden unter Verwendung des Pechini-Verfahrens synthetisiert (US 3,330,697; überarbeitet in Dankes et al., Mater.

ZnO-Nanopartikel zu erhalten.

Beispiel 1: Gewinnung, Behandlung und Charakterisierung von Molke Im Labor wurde frische flüssige Molke aus der Käseproduktion von Minas Frescal (Carvalho et al., Food Control 18(3), 2007: 262267) verwendet. Die gewonnene Molke wurde ordnungsgemäß pasteurisiert, in 1-L-Milchbeutel abgefüllt und eingefroren bis zum Zeitpunkt der Verwendung in einem Gefrierschrank aufbewahrt. Das pasteurisierte Serum wurde physikalisch und chemisch charakterisiert, indem dreifach folgende Analysen durchgeführt wurden: 1. Säuregrad in Grad Dornic (°D) - 10 ml der Probe wurden mit einer volumetrischen Pipette in ein 100-ml-Becherglas überführt, dann wurden 5 Tropfen einer 1%igen Phenolphthaleinlösung (Marke Neon) zugetropft und mit Natriumhydroxidlösung (Marke Vetec) N / 9 unter Verwendung einer 10-ml1-Bürette oder eines Dornic-Acidometers titriert, bis eine rosarote Farbe auftrat. Die Ablesung wurde durchgeführt und das Ergebnis in Grad Dornic angegeben, und jeweils 0,1 ml der Natriumhydroxidlösung N / 9 entsprechen 1 °D. 2. pH-Wert, durch direkte Messung im Potentiometer; 3. Austrocknungsverlust (Feuchtigkeit) - Direkte Trocknung im Ofen bei 105 °C - Die Proben wurden in einer Heizplatte verdampft, bis die Konsistenz pastös war, dann wurden 2 bis 10 g der Probe in eine Porzellankapsel gewogen, die zuvor austariert wurde. Diese wurde für 3 h in einem Treibhaus erhitzt und in einem Exsikkator auf Raumtemperatur abgekühlt, dann gewogen, wobei der Heiz- und Kühlvorgang bis zur Gewichtskonstanz wiederholt wurde. Die

Berechnung wurde anhand der folgenden Formel durchgeführt:

Gesamtprobenmasse (100 %) und dem Gehalt an Feuchtigkeit, Proteinen,

Fett, Asche usw. ermittelt.

Tabelle 1: Ergebnisse der Charakterisierung von Molke:

Parameter Messung Teixeira und Brasil Fonseca (2008) (2013) pH-Wert 6,12 + 0,02 6,3 6,0 - 6,8

Säuregrad (°D) 11,66 + 0,02 12,49 8 —- 14 Dichte (g/ml) 1025 + 0,15 1,024 — Feuchtigkeit (g/100 g) 90,69 + 0,84 93,72 — Fett (g/100 g) 0,92 + 0,03 0, 68 — Proteine (g/100 g) 2,38 0,84 — Asche (g/100 g) 0,71 + 0,11 0,49 — Kohlenhydrate (g/100 g) 5,28 - Lactose (g/100 g) 3,58 4,12 FFT (g/100 g) 6,52 + 0,01 - Kryoskopie (°H) -0,39 -0,55 -

Referenzen: Teixeira und Fonseca, Arquivo Brasileiro de Medicina Veterinäria ee Zootecnia 60(01), 2008: 243-250; Ministerio da Agricultura Pecuäria e Abastecimento, BRASIL, „Regulamento Tecnico de Identidade e Qualidade de Soro de Leite,“ Diärio Oficial da Uniäo, Brasilia, DF, S. Portaria Nr.° 53, 10 April 2013. Die für Molke gefundenen Säuregrad- und pH-Werte liegen im Normalbereich. Die

Säuregrad- und pH-Werte stehen in direktem Zusammenhang mit der

zurückhält.

Beispiel 2: Experimentelle Synthese zur Gewinnung von 10 g Nanopartikeln:

Zinkoxid (ZnO)-Nanopartikel wurden mit einem molkeunterstützten Sol-Gel-Verfahren synthetisiert. In einem modifizierten Protein-SolGel-Verfahren wurde Molke erfolgreich als größenbegrenzendes Geliermittel eingesetzt, um nanostrukturiertes ZnO zu erhalten. Die synthetisierten Nanopartikel wurden mittels Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) charakterisiert. Die Durchmesser der Partikel wurden gemessen und die Größe lag im Bereich von 20-50 nm.

Das für die Synthese verwendete Material:

73 g Zinknitrat (Zn(NO3)2.6H20)

75 ml entionisiertes Wasser (H20)

80 g Zitronensäure (C6H807.H20O)

150 ml Molke Zur Herstellung der Nanopartikel wurde das Sol-Gel-Verfahren gewählt, da es das Mischen des Ausgangsreagenzes auf atomarer Ebene ermöglicht und eine gute Reproduzierbarkeit hat. Dieses Verfahren ermöglicht auch die Steuerung der chemischen Zusammensetzung und homogene Materialien in ihrer Zusammensetzung, wobei die Möglichkeit von schwer nachweisbaren Verunreinigungen verringert wird. Das SolGel-Verfahren hat bestimmte Vorteile gegenüber anderen chemischen Formen der Herstellung von Metalloxid-Nanopartikeln, da es eine schnellere Keimbildung und ein schnelleres Wachstum ermöglicht und für die großtechnische Herstellung von Nanopulvern verwendet werden kann. Zusätzlich ist die Verwendung von Molke in diesem Prozess vorteilhaft gegenüber anderen kKkostenintensiven Verfahren der Vorstufen für die Gewinnung von Metall-Nanomaterialien. ZnO-

Nanopartikel wurden über einen Sol-Gel-Weg unter Verwendung von

Es ist wichtig zu betonen, dass die Molke:

1.) eine Polymermatrix bereitstellt, die die Metallionen einbettet. Wenn die Lösung dehydriert wird, polymerisiert sie (Puff-Bildung), wobei ein Harz aus einer chemischen Umgebung biologischen Ursprungs gebildet wird, das die Oberfläche der Partikel verändert.

2.) als Verdickungs- und Geliermittel wirkt, was die Stabilität des Puffs verbessert.

Die Größe der Zinkoxid-Nanopartikel, die nach dem Verfahren der vorliegenden Erfindung erhalten werden, wird durch die Temperatur gesteuert. Fig. 2 zeigt Nanopartikel von 20 nm oder 50 nm, durch Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) bestimmt. Nach der vorliegenden Erfindung ist es möglich, durch eine umweltfreundliche Synthese sehr gleichförmige und stabile Metalloxid-Nanopartikel herzustellen. Durch die Verwendung von Molke wird die Stabilität verbessert.

Das Molke-Sol-Gel-Verfahren erwies sich als sehr effizient für die Synthese von kristallinen ZnO-Nanopartikeln. Die vorliegenden Untersuchungen bestätigen, dass Molke ein nützlicher Chelatbildner zur Herstellung von ZnO-Nanopartikeln mit guter Kristallinität, hoher Reinheit, Steuerung der Kristallitgröße und einer umweltfreundlichen Synthese ist, bei der Ethylenglykol ersetzt wird. Die Zusammensetzung der Nanopartikel hatte ein graues Aussehen, d.h. die Farbe des Codes #e0e0e0 (RGB: 224, 224, 224).

Beispiel 3: Wirkung von Molke im Vergleich zu anderen Reagenzien Tabelle 2 zeigt die durchschnittlichen Partikelgrößen für die

ZnO-Proben, wobei verschiedene Reagenzien verglichen werden. Molke

Tabelle 2: Geschätzte Partikelgröße des ZnO-Pulvers nach der Kalzinierung als Ergebnis unterschiedlicher Temperaturen mit

Ethylenglykol, mit Molke und nur mit Citrat.

Temperatur des Mit Mit Molke Ohne 1-stündigen Ethylengly Agenzien, nur Kalzinierungspr |kol (EG) mit Citrat ozesses

400 °C 18 nm 6 nm Polydispers*) 600 °C 26 nm 15 nm Polydispers*) 800 °C 34 nm 30 nm Polydispers*) 1000 °C 200 nm 120 nm Polydispers*)

*) Größe und Form werden nicht kontrolliert, die Dispersität ist groß, NP werden von sehr klein (wenige nm) bis sehr groß (wenige 100

nm) zur gleichen Zeit im gleichen Prozess gebildet.

Bei Molke sind im Vergleich zu EG-gefertigten Nanopartikeln kleinere Nanopartikel möglich (siehe Tabelle 2). Ein größerer Bereich verschiedener Größen von ZnO-NP kann auf reproduzierbare Weise unter Verwendung von Molke hergestellt werden. Die Größe der ZnO-Nanopartikel ist eine Funktion der Temperatur, des pH-Wertes und der Konzentration der Molke. Folglich ist eine größere Variation der Bandlücke im Vergleich zu den mit EG hergestellten ZnO-NP möglich. Dies äußert sich in einer Variation des optischen Absorptionsspektrums.

Ethylenglykol ist ein Material auf Erdölbasis, während Molke ein erneuerbares, nachhaltiges Produkt sowie ein Nebenprodukt der Käseproduktion ist. Die Verwendung von Molke ermöglicht das Recycling von Abfällen aus der Milchindustrie. Molke ist reich an Protein und Saccharose. Das Sol-Gel-Verfahren ist das gewählte

Verfahren zur Synthese von Nanopartikeln.

Beispiel 4: Charakterisierung von ZnO-Nanopartikeln

Tabelle 3 zeigt die durchschnittlichen Kristallitgrößen und Gitterparameter für ZnO-Proben, die durch Kalzinierung bei verschiedenen Temperaturen hergestellt wurden. TEM: Transmissionselektronenmikroskopie, XRF:

Röntgenfluoreszenzspektroskopie, XRD: Röntgenbeugung.

Tabelle 3:

Nomenklatur T (°C) Korngröße- Kristallitg Gitterkonstanten (nm) Einheitszelle TEM röße-XRD Volumen (nm3) (nm) (nm) a=b ce

ZnO- 1 400 20,5 18,3 3,2511(8) 5,2110(8) 47,702

ZnO- 2 600 36,1 33,7 3,2497(9) 5,2102(7) 47,654

ZnO- 3 800 72,0 75,1 3,2531(4) 5,2108(9) 47,758

ZnO- 4 1000 120,1 88,6 3,2500(7) 5,2101(8) 47,661

Tabelle 4 zeigt XRF-Daten der ZnO-Nanopartikel, die bei verschiedenen Temperaturen kalziniert wurden. Nd steht für nicht

detektierbar und Sp steht für Spuren.

ZznO- 1 ZnO- 2 ZnO- 3 Mg 0,07 0,12 0,07 Al 0,03 0,05 0,03 si 0,04 0,09 0,06 P 0,39 0,61 0,37 S 0,05 0,10 0,06 K 1,76 1,45 0,89 Ca 0,52 0,69 0,54 Fe Nd 0,01 Nd Ti 0,01 Nd Nd Ni Sp 0,01 0,01 zn 97,13 96,87 97,91 Ag Nd Nd 0,06 Mo Nd 0,01 Nd Summe 100,00 100,00 100,00

Die thermogravimetrische (TGA) und differentielle thermische

Analyse (DTA) der ZnO-Xerogele sind in Figur 4 dargestellt.

Figur 5 zeigt die XRD-Muster (kristalline Struktur) der ZnO-

Nanopartikel, die bei verschiedenen Temperaturen kalziniert wurden.

Figur 6 stellt die Raman-Spektren der ZnO-Nanopartikel im

Spektralbereich von 200-1000 cm” dar. Figur 7 zeigt ein EDSSpektrum.

Claims (7)

Patentansprüche

1. Verfahren zur Herstellung von Metalloxid- oder MetallNanopartikeln, aufweisend das Mischen eines Metallsalzes, eines Metall-Chelatbildners und eines Molkeproteins oder Molkepolypeptids in einem Lösungsmittel; das Erhitzen und Verdampfen des Lösungsmittels aus der Mischung zur Bildung eines Gels, wobei Metalloxid- oder Metall-Nanopartikel innerhalb des Gels gebildet

werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Molkeprotein aus d&Lactalbumin, ß-Lactoglobulin, Serumalbumin und Immunglobulinen, vorzugsweise einem Lactalbumin ausgewählt ist; und/oder das Molkepolypeptid aus Hydrolysaten von x-Lactalbumin, ß-Lactoglobulin, Serumalbumin und Immunglobulinen, die Polypeptide mit mindestens 1

kDa aufweisen, ausgewählt ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, das ferner das Mischen eines reduzierenden Saccharids mit dem Metallsalz aufweist, wobei das reduzierende Saccharid vorzugsweise ein Monosaccharid oder

Disaccharid, vorzugsweise Lactose, ist.

4. Verfahren zur Herstellung von Metall- oder MetalloxidNanopartikeln, aufweisend das Mischen eines Metallsalzes, eines Metall-Chelatbildners und Molke in einem Lösungsmittel; das Erhitzen und Verdampfen des LöÖösungsmittels aus der Mischung zur Bildung eines Gels, wobei Metall- oder Metalloxid-Nanopartikel innerhalb des Gels gebildet werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, das ferner die

Entfernung des Gels, vorzugsweise durch Kalzinierung, aufweist.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, das ferner ein

Reduktase-Enzym, vorzugsweise ein Reduktase-Enzym aus Molke,

aufweist.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Chelatbildner eine 2- bis 4-wertige Carbonsäure, vorzugsweise

Zitronensäure, ist.

die Formel MeO hat, wobei Me ein Metall ist.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das Metall Zink ist.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Metalloxid aus T1O2, Co3014, Fe203, Fez301, CeO2, Ce2O03, L1CoO2, L1iMn204, L12T1307

ausgewählt ist.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei das Metallsalz wasserlöslich ist, vorzugsweise ein Metallchlorid oder -

nitrat ist.

12. Zusammensetzung, die eine Vielzahl von Metalloxid- oder MetallNanopartikeln aufweist, wobei die Nanopartikel eine durchschnittliche Größe von bis zu 200 nm in der längsten Dimension

Q

haben; und wobei weniger als 0,1 % der Nanopartikel in ihrer Größe um mehr als 50 % von der durchschnittlichen Größe abweichen; und/oder wobei die Nanopartikel 0,2 bis 1 Mol-% Ca und 0,5 bis 4 Mol-% K

aufweisen.

13. Zusammensetzung nach Anspruch 12, wobei der durchschnittliche

Durchmesser 15 nm oder weniger, vorzugsweise 2 nm bis 10 nm beträgt.

14. Zusammensetzung nach Anspruch 12 oder 13, wobei die Nanopartikel auf ihrer Oberfläche eine organische Verbindung aufweisen, die aus Molke-Pyrolyseprodukten ausgewählt ist, wobei die MolkePyrolyseprodukte vorzugsweise ein Alkylnitril, Benzylnitril, ein Phenol, ein Benzolalkylnitril, Toluol, Furfural, 2,5-Dimethyl, Furan, Levoglucosenon, Levoglucosan, 3-Methyl-pentansäure, 5Methyl-2-furancarboxaldehyd, Acetamid, Picolinamid, 3-Pyridinol,

Indol, Thiolgruppen, Schwefelgruppen aufweisen.

15. Zusammensetzung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, wobei die Nanopartikel grau sind, entsprechend dem Farbcode (Hex-Code) #eeeeee oder dunkler oder entsprechend RGB(238, 238, 238) oder dunkler oder entsprechend RAL 9003 oder dunkler.

16. Zusammensetzung nach einem der Ansprüche 12 bis 15, erhältlich

durch ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11.