TWI839847B - 金屬多酚奈米酵素的製備方法及其應用 - Google Patents
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Abstract
本發明揭露一種金屬多酚奈米酵素的製備方法及其應用，係混合包括過渡金屬鹽水溶液和植物多酚水溶液，調整酸鹼值後加熱攪拌，藉以生成含金屬多酚奈米酵素產物，並將之乾燥，得到金屬多酚奈米酵素。該金屬多酚奈米酵素塗層於濾材表面上，可以有效去除通過之氣體或液體中的活性氧物質。
Description
本發明是有關於一種去除活性氧物質的領域，特別是一種關於去除活性氧物質的金屬多酚奈米酵素的製備方法及其應用。
當今因人類活動所產生的汽車所排出廢氣，餐廳廚房的油煙，廢棄物燃燒所產生的廢氣，燃燒香菸的煙氣，高爐煉鐵的工業排放廢氣，石化燃料的燃燒廢氣等，皆會產生粒狀污染物，而粒狀污染物只是空氣污染的一種，包括懸浮微粒，落塵，金屬微粒，黑煙，酸霧，油煙等皆是。當粒狀污染物小於或等於2.5微米(μm)時，可謂之「細懸浮微粒」，即可稱之PM2.5，而此種比病毒大，比細菌小的「細懸浮微粒」濃度過高時，經陽光照射會在空氣中產生出活性氧物質(Reactive Oxygen Species, ROS)，而該活性氧物質主要包含有: 一氧化氮 (NO)，超氧離子 (O
2 -)，過氧亞硝基陰離子(ONOO
-) ，以及氫氧自由基 (.OH)。
而當會產生氧化壓力(Oxidative stress) 的自由基(Free radical)與抗氧化物間比例失衡時，活性氧物質會產生過剩的情況。活性氧物質亦存在於諸如人類細胞，以及其他可進行有氧呼吸的生物體內，由於體內過量的活性氧物質會對細胞造成損傷，因此，進行有氧呼吸的生物體內，亦具有活性氧物質清除酶，藉以清除活性氧物質，而將體內的活性氧物質維持在極低濃度。環境中的活性氧物質係以不同的形式存在，對於經常暴露在活性氧物質環境下的人，無疑地會造成嚴重傷害，例如活性氧物質會隨著空氣進人體，當進入體內的活性氧物質以及體內的活性氧物質的總量，超出體內活性氧物質清除酶的清除能力時，則體內組織細胞將會受損。
更者，活性氧物質會造成細胞內大分子(如DNA、蛋白質，以及脂類等)的損壞或氧化，亦可能會導致細胞死亡或細胞內蛋白質的聚合，或其他功能的活化和調節增生，可能會導致免疫力受到影響。目前活性氧物質已確定可以控制和調節生物體內許多生理反應，如程式性細胞死亡(programmed cell death)生長，細胞內的信息傳遞，細胞週期，以及對生物和非生物逆境的反應。而活性氧物質所引起的氧化傷害與人類疾病亦已息息相關，例如帕金森氏症和活性氧物質調控的細胞凋亡信號有關，阿滋海默症和活性氧物質引起的蛋白質聚合有關，其他如心血管疾病，唐氏症，類風濕性關節炎，自身免疫性疾病，愛滋病等皆與活性氧物質有關。
綜前所述，現今如何防止活性氧物質破壞人體組織，使得細胞氧化損傷造成細胞衰老，已成為重要的課題，亦即，排除活性氧物質的危害，避免活性氧物質侵擾人類生活，或是避免活性氧物質侵擾環境，已成為今日主要的關心議題。
依據前述，本發明提供一種金屬多酚 (Metal-Polyphenol Network, MPN)奈米酵素，其製備方法及其應用，係由植物多酚類物質與過渡金屬離子所形成，具有去除氣體及液體中的活性氧物質的能力。
依據前述，本發明提供一種金屬多酚奈米酵素，其製備方法及其應用，由植物多酚類物質與過渡金屬離子形成，透過改變配位溶液之極性及離子強度，可形成不同型態的金屬多酚奈米酵素，可和不同的材料搭配，以及應用於不同結構或系統上。
依據上述，一種金屬多酚奈米酵素的製備方法，包括: 混合原料形成混合液，該原料至少包括等體積(1:1)的過渡金屬鹽水溶液和植物多酚水溶液；調整該混液的酸鹼值至中性範圍；加熱攪拌調整酸鹼值後的該混液並持續一段時間，藉以生成含金屬多酚奈米酵素的產物；自該產物中收集沉澱物；以及乾燥該沉澱物，藉以得到金屬多酚奈米酵素。
一種包括上述製備方法所得到的該金屬多酚奈米酵素，其為球狀，片狀或針狀結構。
一種包括上述製備方法所得到的該金屬多酚奈米酵素附著固定於載體上形成濾材，其中該載體包括不織布以及其他過濾材料。
以下透過具體實施例說明本發明的金屬多酚奈米酵素及其應用，本領域技術人士可由本文揭露的內容了解本發明的優點和效果，本發明可透過其他具體實施例實現或應用，各項細節可基於不同觀點和應用，在不背離本發明的構思下進行修改和變更，而本發明的附圖僅為簡單示意，並非依實際尺寸描繪，為方便說明可能放大特定細節，而本文中所使用的術語「或」，應視實際情況包括相關聯的列出項目之任一或多個的組合。
本發明以下所述的金屬鹽水溶液，至少包括過渡金屬離子的水溶液，過渡金屬包括鐵(Fe)、鈷(Co)、鎳(Ni)、銅(Cu)、鋅(Zn)等；過渡金屬鹽可包括硫酸鐵、氯化鐵、硝酸鐵、硫酸鈷、硝酸鈷、硫氰酸鈷、氯化鎳 、硫酸鎳、硝酸鎳、醋酸鎳、硝酸鎳 、氯化銅、硫酸銅、乙酸銅、硝酸銅、氯化鋅、硫酸鋅 、乙酸鋅、硝酸鋅，綜合前述以合先敘明。
本發明以下所述的植物多酚水溶液，主要包括植物多酚(plant polyphenol)溶於水，植物多酚舉例但不限地，例如單寧(tannins)、鞣質、花青素、兒茶素、櫟精、沒食子酸、鞣花酸、熊果苷等等，綜合前述以合先敘明。
圖1為本發明的金屬多酚奈米酵素(Metal-Polyphenol Network Nanozymes)製備方法的第一實施例流程示意圖。請參考圖1的步驟10: 首先，混合原料並溶解於水中形成混合液，原料包括等體積(1:1)的過渡金屬鹽水溶液和植物多酚水溶液，其中過渡金屬鹽水溶液的濃度，可以是重量百分比，約達2.0wt%重量百分比至3.0wt%重量百分比，而植物多酚水溶液的濃度，可以是約達0.05wt%重量百分比至0.15wt%重量百分比。另外，原料可更包括將濃度達99%的乙醇，加入過渡金屬鹽水溶液和植物多酚水溶液中，並調整混合液為約達30wt%重量百分比至50wt%重量百分比的乙醇混合液。更者，原料可更包括氯化鈉，該混合液為約達0.3wt%重量百分比至0.5wt%重量百分比的氯化鈉水溶液。
續請參考圖1的步驟12: 調整該混液的酸鹼值，例如利用一般酸鹼中和方式調整該混合液的酸鹼值至一中性範圍，大約是中性，例如於25℃下，其酸鹼值(pH值)約6.9至7.8。
再續參考圖1的步驟14: 加熱攪拌調整酸鹼值後的該混合液並持續一段時間。於第一實施例中，加熱該pH值約6.9至7.8的混合液至40℃至60℃，且加以攪拌之，如以500每分鐘轉速(revolutions per minute, rpm)至700每分鐘轉速的轉速，並持續約達3小時至5小時，使得混合液中的原料進行反應，藉以生成含金屬多酚奈米酵素的產物，該產物包括在混合液中的沉澱物。
繼續參考圖1的步驟16: 自該加熱攪拌後的混液中收集沉澱物，收集方式可採用一般過濾清洗的方式，保留清洗後的固體沉澱物，該固體沉澱物即是金屬多酚奈米酵素。
仍請參考圖1的步驟18: 乾燥該沉澱物，藉以得到金屬多酚奈米酵素，乾燥的方法可以採用一般風乾方法，真空乾燥方法，以及冷凍乾燥方法。如此可得到片狀結構的金屬多酚奈米酵素，其寬度約為150.29 ± 52.03奈米(nm)，厚度約為19.18 ± 4.77奈米，前述寬度與厚度僅係本發明第一實施例的結果例示，並非作為本發明實施的限制。
圖2為本發明的金屬多酚奈米酵素製備方法的第二實施例流程示意圖。故而，依據本發明的製備方法，可以進行配位溶液之極性及離子強度的調整，可以形成不同型態的金屬多酚奈米酵素。
經比較圖2本發明金屬多酚奈米酵素製備方法的第二實施例流程示意圖與圖1所不同之處，在於圖2的步驟20與圖2的步驟28，而圖2的步驟20: 首先係混合原料並溶解於水中形成混合液，原料包括等量體積(1:1)的過渡金屬鹽水溶液和植物多酚水溶液，其中過渡金屬鹽水溶液的濃度，約達2.0wt%重量百分比至3.0wt%重量百分比，植物多酚水溶液的濃度，可以是約達0.05wt%重量百分比至0.15wt%重量百分比。另外，原料可更包括將濃度達99%的乙醇，加入過渡金屬鹽水溶液和植物多酚水溶液中，並調整混合液為約達30wt%重量百分比至50wt%重量百分比的乙醇混合液。更者，原料可更包括氯化鈉，該混合液為約達0.3wt%重量百分比至0.5wt%重量百分比的氯化鈉水溶液。
續請參考圖2的步驟22(圖中未示)，亦即，重複如圖1的步驟12: 調整該混合液的酸鹼值，例如利用一般酸鹼中和方式調整該混合液的酸鹼值至一中性範圍，大約是中性，例如於25℃下，其酸鹼值約6.9至7.8。
再續請參考圖2的步驟24(圖中未示)，亦即，重複如圖1的步驟14: 加熱攪拌調整酸鹼值後的該混合液並持續一段時間。於第一實施例中，加熱該酸鹼值約達6.9至7.8的混合液至約達40攝氏溫度(℃)至60℃，且加以攪拌之，如以500每分鐘轉速(revolutions per minute, rpm)至700每分鐘轉速的轉速，並持續3小時至5小時，使得混合液中的原料進行反應，藉以生成含金屬多酚奈米酵素的產物，該產物包括在混合液中的沉澱物。
再續請參考圖2的步驟26(圖中未示)，亦即，重複如圖1的步驟16: 自該加熱攪拌後的混合液中收集沉澱物，收集方式可採用一般過濾清洗的方式，保留清洗後的固體沉澱物，該固體沉澱物即是金屬多酚奈米酵素。
參考圖2的步驟28: 乾燥該沉澱物，其中得到的是球狀金屬多酚奈米酵素，其粒徑約為71.44 ± 23.37奈米，前述寬度與厚度僅係本發明第二實施例的結果例示，並非作為本發明實施的限制。
圖3為本發明的金屬多酚奈米酵素製備方法的第三實施例流程示意圖，比較圖3本發明金屬多酚奈米酵素製備方法的第三實施例流程示意圖與圖1不同之處，在於圖3的步驟30與圖3的步驟38，而圖3的步驟30: 混合原料並溶解於水中形成混合液，原料包括等量體積(1:1:1)的氯化鈉，過渡金屬鹽水溶液，以及植物多酚水溶液，其中氯化鈉的濃度，可以是約達0.5wt%重量百分比至0.6wt%重量百分比；過渡金屬鹽水溶液的濃度，可以是約達2.0wt%重量百分比至3.0wt%重量百分比；以及植物多酚水溶液的濃度，可以是約達0.05wt%重量百分比至0.15wt%重量百分比。另外，原料可更包括將濃度達99%的乙醇，加入過渡金屬鹽水溶液和植物多酚水溶液中並調整混合液為約達30wt%重量百分比至50wt%重量百分比的乙醇混合液。更者，原料可更包括氯化鈉，該混合液為約達0.3wt%重量百分比至0.5wt%重量百分比的氯化鈉水溶液。
續請參考圖3的步驟32(圖中未示)，亦即，重複如圖1的步驟12: 調整該混合液的酸鹼值，例如利用一般酸鹼中和方式調整該混合液的酸鹼值至一中性範圍，大約是中性，例如於25℃下，其酸鹼值(pH值)約達6.9至7.8。
再續請參考圖3的步驟34(圖中未示)，亦即，重複如圖1的步驟14: 加熱攪拌調整酸鹼值後的該混合液並持續一段時間。於第一實施例中，加熱該酸鹼值約達6.9至7.8的混合液至約達40℃至60℃，且加以攪拌之，如以500每分鐘轉速(revolutions per minute, rpm)至700每分鐘轉速的轉速，並持續約達3小時至5小時，使得混合液中的原料進行反應，藉以生成含金屬多酚奈米酵素的產物，該產物包括在混合液中的沉澱物。
再續請參考圖3的步驟36(圖中未示)，亦即，重複如圖1的步驟16: 自該加熱攪拌後的混合液中收集沉澱物，收集方式可採用一般過濾清洗的方式，保留清洗後的固體沉澱物，該固體沉澱物即是金屬多酚奈米酵素。
參考如圖3的步驟38: 乾燥該沉澱物，其中得到的是針狀金屬多酚奈米酵素，其寬度約為616.32±285.83奈米，厚度為76.03±14.62奈米 ，前述寬度與厚度僅係本發明第三實施例的結果例示，並非作為本發明實施的限制。
請參考圖4，係本發明金屬多酚奈米酵素去除水中過氧化氫的試驗示意圖。由圖4可以看到，以一定量的金屬多酚奈米酵素加入包括過氧化氫的水試品中，隨著時間的增加，水試品中的過氧化氫可持續地下降，且一開始加入的金屬多酚奈米酵素越多，則被去除的過氧化氫量越多。
圖5為本發明的金屬多酚奈米酵素去除水中氫氧自由基的能力試驗示意圖。由圖5可以看到，不同型態的金屬多酚奈米酵素的活性氧物質去除能力有所差異，以球狀結構為最佳，針狀結構次之。以不同溫度測試時則可以發現，溫度高低對於同一型態的金屬多酚奈米酵素的活性氧物質去除能力影響不大。此外，就不同溫度的活性氧物質去除能力來看，高溫下針狀結構的金屬多酚奈米酵素較常溫佳，球狀和片狀結構的金屬多酚奈米酵素則是常溫下的活性氧物質去除能力較優。
圖6為本發明的金屬多酚奈米酵素的活性氧物質去除能力的穩定性試驗示意圖。由圖6來看，在高溫並持續一段時間的條件下，不同型態的金屬多酚奈米酵素的活性氧物質去除能力表現僅有少許的波動，雖有下降但下降趨勢緩慢，顯示本發明的金屬多酚奈米酵素具有穩定的活性氧物質去除能力。
圖7為本發明的金屬多酚奈米酵素對氣體中活性氧物質去除能力的試驗示意圖。而由圖7來看，隨著使用的金屬多酚奈米酵素的量越多，去除掉的燃燒香菸煙氣中的活性氧物質也越多。
圖8為將本發明的金屬多酚奈米酵素固定到載體的製備方法示意圖。依據前述，本發明的金屬多酚奈米酵素對氣體中活性氧物質去除具有顯著的效果，可將其固定於適合的載體上，製作成適合從氣體或液體環境下的過濾材料。請參考圖8的步驟40: 將金屬多酚奈米酵素分散於溶劑或分散劑中，其中溶劑可以是水，乙醇等等，例如製備0.1wt%重量百分比至0.3wt%重量百分比的金屬多酚奈米酵素分散液。圖8的步驟42: 提供固體載體，例如聚丙烯(PP)高分子或活性碳不織布。圖8的步驟44: 將該金屬多酚奈米酵素分散液接觸該載體上，例如用噴濺或浸泡塗佈的方式，使得該金屬多酚奈米酵素附著並固定至該載體上，若以聚丙烯(PP)高分子作為載體，可製備成具有附載量為5 毫克/平方公分(mg/cm
2)的濾材，該濾材可去除燃燒香菸煙氣中的活性氧物質達26%；而若以活性碳不織布作為載體，可製備成附載量為8毫克/平方公分，該濾材可去除燃燒香菸煙氣中的活性氧物質達39%。
圖9係依據圖8製備方式製備的濾材外觀(左側)和顯微放大(右側)示意圖。而由圖9可清楚地看到不織布濾材上塗佈的金屬多酚奈米酵素，顯示本發明的金屬多酚奈米酵素可透過簡單適當的方式附著於載體上，藉以成為具有去除活性氧物質的濾材。
圖10為本發明的金屬多酚奈米酵素和其他物質對氣體中活性氧物質去除能力的試驗示意圖。圖10中，控制組為當燃燒一根香菸時，分別對照等量的植物多酚和本發明金屬多酚奈米酵素，而由圖10可以觀察到，本發明金屬多酚奈米酵素其去除活性氧物質的能力顯然為植物多酚的兩倍之多，顯示本發明的金屬多酚奈米酵素具有突出的去除活性氧物質能力。
圖11為依據圖8製備方式製備的濾材的對氣體中活性氧物質去除能力的試驗示意圖。如圖11所示，可使用不同的溶劑或分散劑將本發明的金屬多酚奈米酵素附著固定於不同材料的載體，和無本發明的金屬多酚奈米酵素的載體進行比較。由圖11可以看到，有附載本發明的金屬多酚奈米酵素的不織布的過濾去除能力皆高於無附載本發明的金屬多酚奈米酵素的不織布。此外，以水為溶劑、活性碳為載體的組合，其對氣體中活性氧物質去除能力高於其他溶劑和載體材料。
綜合前述，本發明不同型態之金屬多酚奈米酵素，皆能有效去除水中及氣體中之活性氧物質。本發明之0.8毫克/毫升/(mg/ml)金屬多酚奈米酵素可去除62% 水中的體積莫耳濃度約達50毫莫耳每升(mM)氫氧自由基(˙OH)。以燃燒香菸之煙氣測試，本發明之20毫克(mg)金屬多酚奈米酵素能去除大於(＞75%)由燃燒一根香菸所產生之活性氧物質。本發明之金屬多酚奈米酵素塗佈固定於過濾空氣之聚丙烯不織布及活性碳不織布上，以金屬多酚奈米酵素塗佈活性碳不織布表面濃度為8毫克/平方公分(mg/cm
2) 之濾布，能去除約 40%燃燒香菸煙氣中之活性氧物質。包括本發明的金屬多酚奈米酵素的濾材，可以具有優秀的活性氧物質去除能力，可應用於過濾氣體或液體中的活性氧物質。
而有關本發明金屬多酚奈米酵素之一運用領域，以「口罩」的運用領域為例，將包括本發明的金屬多酚奈米酵素的不織布層作為複數多層口罩中的其中一層，成為具有奈米酵素的複合型「口罩」。
有關本發明金屬多酚奈米酵素之另一運用領域，甚或，以機車安全帽的運用領域為例，可於機車安全帽前的鼻部位置，設置「通氣過濾層」，將包括本發明的金屬多酚奈米酵素的不織布層作為複數多層口罩中的其中一層，裝設於「通氣過濾層」內，成為具有奈米酵素的機車安全帽「通氣過濾層」。
有關本發明金屬多酚奈米酵素之其他運用領域，以除濕機或是冷氣機的家電設備運用領域為例，可於除濕機或是冷氣機家電設備前方的送風位置，設置「通氣過濾層」，將包括本發明的金屬多酚奈米酵素的不織布層作為複數多層口罩中的其中一層，裝設於「通氣過濾層」內，成為具有奈米酵素的除濕機或是冷氣機家電設備「通氣過濾層」。
以上所述僅為本發明之較佳實施例而已，並非用以限定本發明之申請專利範圍；凡其它未脫離本發明所揭示之精神下所完成之等效改變或修飾，均應包含在下述之申請專利範圍內。
圖1的10步驟、12步驟、14步驟、16步驟、18步驟，
圖2的20步驟、28步驟，
圖3的30步驟、38步驟，
圖8的40步驟、42步驟、44 步驟
圖1係本發明的金屬多酚奈米酵素製備方法的第一實施例流程示意圖。
圖2係本發明的金屬多酚奈米酵素製備方法的第二實施例流程示意圖。
圖3係本發明的金屬多酚奈米酵素製備方法的第三實施例流程示意圖。
圖4係本發明的金屬多酚奈米酵素去除水中過氧化氫的試驗示意圖。
圖5係本發明的金屬多酚奈米酵素去除水中氫氧自由基的能力試驗示意圖。
圖6係本發明的金屬多酚奈米酵素的活性氧物質去除能力的穩定性試驗示意圖。
圖7係本發明的金屬多酚奈米酵素對氣體中活性氧物質去除能力的試驗示意圖。
圖8係將本發明的金屬多酚奈米酵素固定到載體的製備方法示意圖。
圖9係依據圖8製備方式製備的濾材外觀(左側)和顯微放大(右側)示意圖。
圖10係本發明的金屬多酚奈米酵素和其他物質對氣體中活性氧物質去除能力的試驗示意圖。
圖11為依據圖8製備方式製備的濾材的對氣體中活性氧物質去除能力的試驗示意圖。
圖1的10步驟、12步驟、14步驟、16步驟、18步驟
Claims (7)
- 一種金屬多酚奈米酵素的製備方法，包括：混合一原料形成一混合液，該原料至少包括等體積的：一過渡金屬鹽水溶液；一植物多酚水溶液；乙醇；以及氯化鈉水溶液，其中該混合液包括約達30wt%重量百分比至50wt%重量百分比的乙醇混合液，以及該混合液包含約達0.3wt%重量百分比至0.5wt%重量百分比的氯化鈉水溶液；調整該混合液的酸鹼值至一中性範圍；加熱攪拌調整酸鹼值後的該混合液並持續一段時間，藉以生成含金屬多酚(MPN)奈米酵素的一產物；自該產物中收集一沉澱物；以及乾燥該沉澱物，藉以得到一金屬多酚奈米酵素，其中該金屬多酚奈米酵素係由一球狀結構，一片狀結構，以及一針狀結構群組中所選出。
- 如請求項1所述的金屬多酚奈米酵素的製備方法，其中該過渡金屬鹽水溶液的濃度，包括約達2.0wt%重量百分比至3.0wt%重量百分比。
- 如請求項1所述的金屬多酚奈米酵素的製備方法，其中該植物多酚水溶液的濃度，包括約達0.05wt%重量百分比至0.15wt%重量百分比。
- 如請求項1所述的金屬多酚奈米酵素的製備方法，其中該中性範圍包含其酸鹼值(pH值)約達6.9至7.8。
- 如請求項1所述的金屬多酚奈米酵素的製備方法，其中該加熱攪拌的溫度，包含約達40℃至60℃。
- 如請求項1所述的金屬多酚奈米酵素的製備方法，其中該段時間持續包含約達3小時至5小時。
- 一種濾材，包含請求項1至請求項6所述的以金屬多酚奈米酵素的製備方法所得到的該金屬多酚奈米酵素，附著固定於一載體上，其中該載體包含一不織布材料。
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2022
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