CN111484695A - 荧光共轭聚合物纳米颗粒、制备方法及在光转化中的应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种荧光共轭聚合物纳米颗粒及其制备方法和在提高绿色植物光合作用中的应用，属于纳米材料技术领域。该荧光共轭聚合物纳米颗粒包括荧光共轭聚合物和表面配体两种成分，经配置成最低浓度为0.04mg/ml的水溶液后，每天至少一次均匀喷洒在植物叶片表面，形成均匀的液珠，以正常昼夜光照交替的条件下进行培育，可以提高叶片中叶绿素含量，增加光能吸收，使得植物的光合作用变强。与现有技术相比，该方法易于操作，工艺简单，且不需要使用其他植物培育装置，绿色环保，在光照农业中有着潜在的应用前景。

Description

荧光共轭聚合物纳米颗粒、制备方法及在光转化中的应用
技术领域
本发明涉及纳米材料技术领域，尤其涉及一种利用荧光共轭聚合物纳米颗粒提高绿色植物光合作用的方法。
背景技术
绿色植物在光合作用中吸收空气中的二氧化碳，转为糖类等有机物，参与构建植物体，并成为动物体所需有机物的直接或者间接来源，同时其所释放的氧气补充了动植物呼吸和物质燃烧时所消耗的氧，保证了自然界中氧的相对平衡。因此，提高植物的光合作用具有重要意义。
光合作用所需要的能量主要由光提供。如果受到如上层植物的遮盖，或生长区域的气候影响，植物仅能被提供弱光的生长环境，那么植物的产量以及品质将大大下降。因此应该通过一定的方法，加强太阳光的转化，提高有效辐射。
植物对光的吸收不是全波段的而是有选择性的，在可见区域主要集中在400～460nm的蓝紫区和600～700nm的红橙区。这两种光就如同植物所需的“光肥”，但日光中强度最大的恰恰是500nm左右的绿光，蓝紫和红橙区的强度较小。因此，如果能够运用某种发光材料，使其发射光谱较大限度地接近植物的吸收光谱以产生共振吸收，则能高效地进行光合作用。
目前，很多提高植物光合作用的方法都是通过对温室大棚或者种植装置的改造。如中国专利CN110583311A中，发明了一种能够聚光且能够提高光合作用的温室大棚，通过轮轴的运用调节光线的折射，从而提高温室大棚内部植物的光合作用效率，但这些方法仅能针对温室内种植的植物进行运用，对于多数野生种植的植物可能并不受用，同时需要人力以及其他能量如电能的使用，较为复杂。
共轭聚合物纳米颗粒是一种新型的荧光纳米材料，越来越多地被用在生物医学领域，其具有吸光系数大、荧光强度强、优良的光稳定性、荧光效率高、结构多样性和功能可设计性等特点。与无机纳米材料相比，共轭聚合物纳米颗粒不含有任何有毒的重金属组分，使用安全，同时，由于纳米颗粒粒径小，比表面积大，可以吸附至植物表面，发挥作用。
因此，本领域的技术人员致力于开发一种操作更加简单，适用范围更广的方法来提高植物的光合作用。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是开发一种简单新型的荧光共轭聚合物纳米颗粒，并用其提高植物的光合作用。
为实现上述目的，本发明提供了一种荧光共轭聚合物纳米颗粒，包括荧光共轭聚合物和表面配体两种成分，其中，所述荧光共轭聚合物与所述表面配体的质量浓度比在0.8～1.2之间，所述荧光共轭聚合物为吸收波长在480～550nm之间，发射波长在600～700nm之间的聚合物，所述表面配体为末端羧基修饰的表面配体或者为末端氨基修饰的表面配体。
进一步地，所述荧光共轭聚合物为2-甲氧基-5-(2-乙基己氧基)-1,4-苯乙炔。
进一步地，所述2-甲氧基-5-(2-乙基己氧基)-1,4-苯乙炔重均分子量Mw为150000～250000。
进一步地，所述表面配体为苯乙烯-聚乙二醇-羧基、苯乙烯-顺丁烯二酸酐共聚物、聚乙二醇-羧基、氨基端聚甲基丙烯酸甲酯中的任一种或任两种或两种以上组合物。
其中所述2-甲氧基-5-(2-乙基己氧基)-1,4-苯乙炔的英文名缩写为MEH-PPV，所述苯乙烯-聚乙二醇-羧基的英文名缩写为PS-PEG-COOH，所述苯乙烯-顺丁烯二酸酐共聚物的英文名缩写为PSMA，所述聚乙二醇-羧基的英文名缩写为PEG-COOH，所述聚甲基丙烯酸甲酯的英文名缩写为MMA-NH2。
本发明还提供了一种所述的荧光共轭聚合物纳米颗粒的制备方法，所述方法包括以下步骤：
步骤1、将所述荧光共轭聚合物和所述表面配体分别溶于四氢呋喃或者氯仿中配置成荧光共轭聚合物储备液和表面配体储备液；
步骤2、在四氢呋喃或者氯仿中先后加入质量浓度比为0.8～1.2的所述荧光共轭聚合物储备液和所述表面配体储备液，水浴超声3～8分钟，得到混合溶液A；
步骤3、在探头超声或者水浴超声的条件下，将所述混合液A加入到水相中，得到混合液B；
步骤4、在所述混合液B中通入氮气或者采用旋蒸方式将所述混合液B中的有机溶剂除去。
进一步地，所述步骤2中所述探头超声的功率设置为10％，每超声3～4秒停2秒，总超声时间为1分钟，水浴超声的功率为100W，超声时间为3～5分钟。
进一步地，所述步骤3中通入氮气时间为30～35分钟，控制温度为40℃～50℃。
本发明还提供一种利用所述的荧光共轭聚合物纳米颗粒提高绿色植物光合作用的方法，所述方法包括将所述荧光共轭聚合物纳米颗粒配置成荧光共轭聚合物纳米颗粒胶体水溶液；在生长状态良好的植物叶片表面喷洒所述荧光共轭聚合物纳米颗粒胶体水溶液；使得所述荧光共轭聚合物纳米颗粒胶体水溶液在叶片表面形成均匀的液珠。
进一步地，所述荧光共轭聚合物纳米颗粒胶体水溶液的浓度最低为0.04mg/ml。
进一步地，所述喷洒的频率为一天至少一次。
本发明中的荧光共轭聚合物纳米颗粒配方易于操作，工艺简单，且不需要使用其他植物培育装置，绿色环保，对叶片中叶绿素含量的增加明显，在光照农业中有着潜在的应用前景。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1为MEH-PPV-NH2荧光共轭聚合物纳米颗粒透射电镜图；
图2为MEH-PPV-COOH荧光共轭聚合物纳米颗粒透射电镜图；
图3为MEH-PPV-NH2荧光共轭聚合物纳米颗粒在油相和水相中的分配情况；
图4为MEH-PPV-COOH荧光共轭聚合物纳米颗粒在油相和水相中的分配情况；
图5为MEH-PPV-NH2荧光共轭聚合物纳米颗粒在油相和水相中的吸收光谱；
图6为MEH-PPV-COOH荧光共轭聚合物纳米颗粒在油相和水相中的吸收光谱；
图7为MEH-PPV-NH2荧光共轭聚合物纳米颗粒在水中的吸收光谱和发射光谱；
图8为MEH-PPV-COOH荧光共轭聚合物纳米颗粒在水中的吸收光谱和发射光谱；
图9为MEH-PPV-NH2和MEH-PPV-COOH两种荧光共轭聚合物纳米颗粒在水中的发射光谱以及叶绿素的吸收光谱；
图10为连续喷洒四天后，铜钱草叶片整体荧光成像图；
图11为连续喷洒两天后，铜钱草叶片横切面的显微荧光成像图；
图12为连续喷洒十天后，铜钱草叶片的横切面以及纵切面的荧光成像图；
图13为连续喷洒三天、五天后，铜钱草叶片内叶绿素含量变化情况。
具体实施方式
以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。
实施例1：荧光共轭聚合物纳米颗粒的制备以及性能表征
取0.4ml浓度为1mg/ml的2-甲氧基-5-(2-乙基己氧基)-1,4-苯乙炔](MEH-PPV)溶液和0.4ml浓度为1mg/ml的氨基端聚甲基丙烯酸甲酯(MMA-NH2)溶液加入到1.2ml四氢呋喃(THF)中，探头超声1分钟，其中MEH-PPV溶液及MMA-NH2溶液均由THF作溶剂配置。在超声时，将上述混合液快速转移至10ml的去离子水中，再在45℃的条件下，通入N2 40分钟除尽溶液中的THF，制备得到0.04mg/ml的MEH-PPV-NH2荧光共轭聚合物纳米颗粒。
取0.4ml浓度为1mg/ml的2-甲氧基-5-(2-乙基己氧基)-1,4-苯乙炔](MEH-PPV)溶液和0.4ml浓度为1mg/ml的苯乙烯-聚乙二醇-羧基(PS-PEG-COOH)溶液加入到1.2ml四氢呋喃(THF)中，探头超声1分钟，其中MEH-PPV溶液及PS-PEG-COOH溶液均由THF作溶剂配置。超1分钟后时，将上述混合液快速转移至10ml的去离子水中，再在45℃的条件下，通入N2 40分钟除尽溶液中的THF，制备得到0.04mg/ml的MEH-PPV-COOH荧光共轭聚合物纳米颗粒。
图1、图2分别为MEH-PPV-NH2和MEH-PPV-COOH两种荧光共轭聚合物纳米颗粒的透射电镜图。从图中可以看出来所制备的纳米颗粒，呈圆球形貌。
图3、图4分别为MEH-PPV-NH2和MEH-PPV-COOH两种荧光共轭聚合物纳米颗粒在正辛醇(油相)和去离子水(水相)中的分配情况。
图5、图6分别为MEH-PPV-NH2和MEH-PPV-COOH两种荧光共轭聚合物纳米颗粒在正辛醇(油相)和去离子水(水相)中的吸收光谱。从图中可以看出来，MEH-PPV-NH2纳米颗粒的亲脂性强，易于从角质层途径进入叶片，MEH-PPV-COOH纳米颗粒的亲水性强，易于从维管束途径进入叶片。
图7为MEH-PPV-NH2荧光共轭聚合物在水中的吸收光谱和发射光谱。从图中可以看出，纳米颗粒的最大吸收在500nm左右，最大发射在600nm，可以吸收绿光转化为红橙光。
图8为MEH-PPV-COOH荧光共轭聚合物在水中的吸收光谱和发射光谱。从图中可以看出，纳米颗粒的最大吸收在500nm左右，最大发射在600nm，可以吸收绿光转化为红橙光。
图9为MEH-PPV-NH2和MEH-PPV-COOH两种荧光共轭聚合物在水中的发射光谱以及叶绿素的吸收光谱。从图中可以看出，两种纳米颗粒的发射光谱与叶绿素在红橙光区处的吸收有很大的重叠。这说明，两者可以产生共振吸收，从而高效的进行光合作用。
实施例2：荧光共轭聚合物纳米颗粒进入方式的观察
取生长状态良好的铜钱草盆栽，叶面喷洒实施1所得MEH-PPV-NH2和MEH-PPV-COOH两种荧光共轭聚合物纳米颗粒(浓度0.04mg/ml),叶片表面形成均匀的液珠，每天喷洒一次，以正常昼夜光照交替的条件下进行培育，在体以及离体条件下进行荧光观察。
图10为连续喷洒四天后铜钱草叶片整体荧光成像图。从图中可以看出，相比于未喷洒纳米颗粒的空白叶片，经过MEH-PPV-NH2和MEH-PPV-COOH两种荧光共轭聚合物纳米颗粒处理的叶片上都有明显的荧光信号。说明纳米颗粒在发挥作用的过程中其荧光性能未受到环境影响，例如日光照射淬灭等。
图11为连续喷洒两天后，铜钱草叶片横切面的显微荧光成像图。从图中可以看出，喷洒两天后，经过不同纳米颗粒处理的叶片气孔处都有荧光信号，说明两天时两种纳米颗粒都经过气孔进入叶片。
图12为连续喷洒十天后，铜钱草叶片的横切面以及纵切面的显微荧光成像图。喷洒十天后，MEH-PPV-NH2荧光共轭聚合物纳米颗粒由于其强亲脂性大部分附着在角质层内。而MEH-PPV-COOH荧光共轭聚合物纳米颗粒进入到了维管束(叶脉)中。这说明，随着时间的增加，两种纳米颗粒可以通过不同的方式进入到叶片内部发挥作用，最终实现叶片的转光。
实施例3：荧光共轭聚合物纳米颗粒应用于促进铜钱草叶片的光合作用
在生长状态良好的铜钱草植物叶面分别喷洒浓度为0.04mg/ml的MEH-PPV-NH2和MEH-PPV-COOH两种荧光共轭聚合物纳米颗粒胶体溶液，叶片表面形成均匀的液珠，每天喷洒一次，以正常昼夜光照交替的条件下进行培育，喷洒处理三天，五天后，叶片中叶绿素含量明显变高，吸收光能增加，光合作用变强。
图13为连续喷洒三天、五天后，铜钱草叶片内叶绿素含量变化情况。从图中可以看出经过纳米颗粒连续喷洒三天和五天的叶片相比于空白叶片，叶绿素A和叶绿素B的含量都增加，同时光合速率随着叶绿素含量的增加而增加。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种荧光共轭聚合物纳米颗粒，其特征在于，包括荧光共轭聚合物和表面配体两种成分，其中，所述荧光共轭聚合物与所述表面配体的质量浓度比在0.8～1.2之间，所述荧光共轭聚合物为吸收波长在480～550nm之间，发射波长在600～700nm之间的聚合物，所述表面配体为末端羧基修饰的表面配体或者为末端氨基修饰的表面配体。
2.如权利要求1所述的荧光共轭聚合物纳米颗粒，其特征在于，所述荧光共轭聚合物为2-甲氧基-5-(2-乙基己氧基)-1,4-苯乙炔。
3.如权利要求2所述的荧光共轭聚合物纳米颗粒，其特征在于，所述2-甲氧基-5-(2-乙基己氧基)-1,4-苯乙炔重均分子量Mw为150000～250000。
4.如权利要求1所述的荧光共轭聚合物纳米颗粒，其特征在于，所述表面配体为苯乙烯-聚乙二醇-羧基、苯乙烯-顺丁烯二酸酐共聚物、聚乙二醇-羧基、氨基端聚甲基丙烯酸甲酯中的任一种或任两种或两种以上组合物。
5.一种如权利要求1至4任一项所述的荧光共轭聚合物纳米颗粒的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤1、将所述荧光共轭聚合物和所述表面配体分别溶于四氢呋喃或者氯仿中配置成荧光共轭聚合物储备液和表面配体储备液；
步骤2、在四氢呋喃或者氯仿中先后加入质量浓度比为0.8～1.2的所述荧光共轭聚合物储备液和所述表面配体储备液，水浴超声3～8分钟，得到混合溶液A；
步骤3、在探头超声或者水浴超声的条件下，将所述混合液A加入到水相中，得到混合液B；
步骤4、在所述混合液B中通入氮气或者采用旋蒸方式将所述混合液B中的有机溶剂除去。
6.如权利要求5所述的荧光共轭聚合物纳米颗粒的制备方法，其特征在于，所述步骤2中所述探头超声的功率设置为10％，每超声3～4秒停2秒，总超声时间为1分钟，水浴超声的功率为100W，超声时间为3～5分钟。
7.如权利要求5所述的荧光共轭聚合物纳米颗粒的制备方法，其特征在于，所述步骤3中通入氮气时间为30～35分钟，控制温度为40℃～50℃。
8.一种利用如权利要求1至4任一项所述的荧光共轭聚合物纳米颗粒提高绿色植物光合作用的方法，其特征在于，所述方法包括将所述荧光共轭聚合物纳米颗粒配置成荧光共轭聚合物纳米颗粒胶体水溶液；在生长状态良好的植物叶片表面喷洒所述荧光共轭聚合物纳米颗粒胶体水溶液；使得所述荧光共轭聚合物纳米颗粒胶体水溶液在叶片表面形成均匀的液珠。
9.如权利要求8所述的利用荧光共轭聚合物纳米颗粒提高绿色植物光合作用的方法，其特征在于，所述荧光共轭聚合物纳米颗粒胶体水溶液的浓度最低为0.04mg/ml。
10.如权利要求8所述的利用荧光共轭聚合物纳米颗粒提高绿色植物光合作用的方法，其特征在于，所述喷洒的频率为一天至少一次。
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