基于雜化的碳納米顆粒的光合作用刺激物、相關的生產方法以及在農作物中作為納米生物刺激物和納米肥料的相關用途與流程
1.本專利屬于農用化學品領域。本發明涉及基于碳點的具有發光和營養物攜帶的特性的納米復合材料的制備，所述納米復合材料當施用于植物的葉和/或根時刺激光合作用，并且還刺激生理響應以增強發育和生產力。這樣的響應是文獻中歸類為生物刺激物和/或生物肥料的材料的特征。
背景技術
：：：2.持續的人口增長，加上無節制的城市化，給農業和其他生產部門帶來了壓力，以克服不斷增長的糧食需求、有限農業區的可持續生產以及農村勞動力減少和適應氣候變化的挑戰(jaggard；qi；ober,philosophicaltransactionsoftheroyalsocietyb:biologicalsciences,2010)。3.根據un(聯合國)，2050年世界人口將超過90億人，糧食產量將必須增加50-70％。與此同時，對水和能源的需求將成比例增長(keating等人，globalfoodsecurity,3,125-132,2014)。4.fao(聯合國糧食及農業組織)對農業田枯竭和退化、水源急劇減少及其對糧食安全和生態系統保護的影響表示出關切。(prasad；bhattacharyya；nguyen,frontiersinmicrobiology,8,1014,2017)例如，到2050年，糧食和動物飼料對谷物的需求可以達到30億噸，而目前為21億噸(keating等人,globalfoodsecurity,3,125-132,2014)。5.這種悲觀的情況促使全世界努力開發替代方法，在不對自然資源增加壓力的情況下以滿足全球對糧食、能源和水不斷增長的需求(mueller等人,nature,490,254–257,out.2012)。6.從歷史上講，農業是最穩定且最重要的部門，幾個世紀以來，農業一直負責為糧食和動物飼料工業提供原材料。20世紀60年代的綠革命極大地增加了全球糧食供應，因為農業受益于由生物技術和化學部門引入的各種技術創新。然而，綠革命后對合成殺蟲劑和肥料的嚴重依賴對生態系統和公共健康造成了負面影響(europeanpublichealthalliance,agricultureandpublichealth:impactsandpathwaysforbettercoherence2016)。7.殺蟲劑和肥料的濫用造成了生態系統的污染，以及水生環境和土壤的富營養化(tilman等人,nature,490,254-257,2002；bhat,asiapacificjournalofclinicalnutrition,17,91-94,2008)。在淡水資源(albuquerque等人,environmentalscience.processes&impacts,18,779–787,2016)、水果、加工食品(cabras,angioni,j.agric.foodchem.48,967-9732000)甚至人類母乳(bedi等人,scienceofthetotalenvironment,463–464,720–726,2013)中都發現了殺蟲劑殘留。8.martin等人(2018)觀察到癌癥與接觸殺蟲劑之間的聯系，并主張殺蟲劑在惡性結腸癌腫瘤的病因學中可發揮重要作用，因此需要監測人接觸農藥殘留物的水平(martinenvironmentalmicrobiology,78,6749–6758,2012)。17.納米農用化學品殘留物在人類和環境中的生物累積是一個有待解決的問題，因為隨著生產鏈中這樣添加劑的逐漸增加，這種累積必然會增加，并且有必要考慮這些殘留物可能存在的所有水平，并且還確定這樣的投入品的安全參數，從而確保對環境的影響最小。18.在這種情況下，本發明優于使用金屬納米顆粒的所有技術，因為它基于碳納米顆粒或碳點，其被植物完全代謝，并且不在食物鏈中轉移，即不存在營養轉移。19.此外，金屬納米顆粒對土壤微生物有影響。ge等人(2012)通過基于dna的指紋分析評估了tio2和zno納米顆粒對土壤細菌落的影響(ge；schimel；holdena,appliedandenvironmentalmicrobiology,78,6749–6758,2012)。獲得的結果表明，這些材料引起了土壤生物區系平衡的變化。觀察到根瘤菌目、慢生根瘤菌科和慢生根瘤菌(固氮菌)種的減少，以及對鞘脂單胞菌科和鏈霉菌科種的積極影響(ge；schimel；holdena,appliedandenvironmentalmicrobiology,78,6749–6758,2012)。20.為此，碳納米材料因其具有低毒性、生物相容性和不可生物累積性而成為開發可持續農業替代品的希望。除了作為肥料之外，碳納米材料顯示出對種子發芽和增強植物生長的有益效果(zheng等人,acsomega,2,3958–3965,2017)。21.碳點是一類尺寸小于10nm的準晶體類球形納米顆粒，且由無定形碳邊界包圍的高度有序的多芳族域(核)組成(choi等人,chemistry-anasianjournal,13,586-598,2018)。碳點在2004年在單壁碳納米管的純化過程中首次被分離出來(xu等人journaloftheamericanchemicalsociety,120,12737-12737,2004)。22.現有技術中描述了許多碳點制備方法。23.liu等人(2016)采用電化學方法，通過使用石墨電極作為碳源來合成碳點(liu等人,analyst,141,2657-2664,2016)。研究人員使用石墨棒作為電化學電池的陰極和陽極，用氫氧化鈉/乙醇作為電解質溶液。電流通過電化學電路導致石墨棒碎片的形成，從而產生具有不同發光特征(不同波長)的碳點。由于作者獲得的碳點是多分散的，發光行為的差異可以歸因于混合的尺寸和明顯的表面缺陷。該方法的另一個缺點是產品產量低，石墨棒的成本高，并且需要純化階段。必須要強調的是，上述方面使得由電解產生的碳點的商業應用不可行。24.還描述了電化學途徑，(ramiladevi；vigneshkumar；sundramoorthy,journaloftheelectrochemicalsociety,165,g3112–g3119,2018)提出了電解質溶液組成的變化以獲得其它性能。然而，電化學方法的一個明顯的限制是大的顆粒尺寸分布和形態，通常在合成結束時，需要隨后分離和純化獲得的材料(ramiladevi；vigneshkumar；sundramoorthy,journaloftheelectrochemicalsociety,165,g3112–g3119,2018)。25.在涉及碳源的多個反應過程(例如燃燒(combustion)或燃燒(burning))中產生的碳煙，也被用作合成碳點的前體。將這些材料/副產物放入具有濃酸(如硝酸)的回流系統中，然后對較小的納米顆粒進行尺寸分離(liu等人,angewandtechemie,46,6473-6475,2007)。酸的強氧化特性對于碳煙中碳聚集體的溶解至關重要；酸進一步與碳膠體反應，以產生與顆粒的熒光發射相關的富氧和富氮表面缺陷。然而，這樣的碳煙基的或富碳的副產物材料導致低產率的碳點，并形成大量的有毒殘留物。26.碳源的水熱處理已經成為碳點生產最常見的程序。這種方法使得能夠從各種來源(例如分子和殘留物)產生納米顆粒(deyro等人,aipconferenceproceedings,2083,0200007,2019)。27.碳點的水熱合成的本質是一個開始于高溫誘導碳分子成核/凝結的過程，該碳分子作為形成石墨核的結構單元。水熱合成方案的另一個重要特征是來自碳試劑的一些殘留物保留在石墨核的表面上，從而為顆粒提供各種可控的功能和光學特性(wang等人,analyticalmethods,10,2775–2784,2018)。28.與前面提及的方法相比，水熱路線顯示顆粒具有窄的尺寸分布和發光性能的一致性。然而，限制因素與通常較高的合成時間，以及受使用控制內部壓力的系統限制的低產率有關。29.demedeiros等人(2019)通過基于微波的水熱合成獲得了碳點。微波輻射取代了傳統水熱法中使用的熱源。通過微波加熱產生的碳點在溶液和固相中都發射高發光。合成時間大大減少，因為整個過程中釋放的能量相當高，并且可以在設備本身內控制。得到的顆粒類似于通過水熱法得到的顆粒，盡管產率降低并受限于合成中所用附件的強度(demedeiros等人,journalofmaterialschemistryc,7,7175–7195,2019)。上述方面阻礙了通過水熱反應大規模生產碳點。30.用于制造碳點的高溫碳化已經在除水以外的溶劑中進行。馬克斯·普朗克聚合物研究所的研究人員表明，對分散在非配位溶劑(例如，有機溶劑十八烯和1-十六胺)中的碳源(例如檸檬酸)進行熱處理產生高度發光的碳點(wang等人,chemistryofmaterials,22,4528–4530,2010)。反過來，在這樣的條件下，來自合成的殘留物成為增加碳點產量的障礙。31.前面提到的技術雖然對碳點的生產有效，但都有關于生產大量具有均勻且可選擇特征的材料方面的障礙。如在電化學法和水熱法中，即使那些具有高產率合成的技術也面臨著所得材料的再現性和質量的困難。值得一提的是本發明提出的方法允許大規模生產碳點，并且不同于前面提到的方法，因為沒有使用水熱法，沒有毒性試劑或殘留物。在本發明中，碳點的生產通過在封閉回路中的連續流動反應來進行，這確保了再現性和高產率。所提出的方法再使用所有的水和殘留物，并且不產生溫室氣體。32.除了碳點生產技術，重要的是要強調，在生物環境中探索碳點需要注意，因為合成材料的原材料和條件是影響表面組成、功能性和生物活性的因素。33.幾個示例說明水熱法產生的碳點在其表面上含有前體分子的片段。例如，在zhao等人(2017)報告的文件中，由蛋黃油熱解產生的碳點表現出類似于藥物血凝酶的抗出血活性(zhao,y.,zhang,y.,liu,x.等人.scientificreport,7,4452,2017)。34.在專利申請cn103980894a中，通過水熱路線由葉酸產生的碳點能夠通過與和葉酸相互作用的質膜蛋白(葉酸受體)特異性地相互作用來選擇性識別腫瘤細胞。各個碳點表現出與由其它前體產生的其它納米顆粒相似的所有形態和物理化學特征。盡管如此，表面上葉酸片段的存在使它們獨特，并有資格獲得專利保護。35.在另一個示例中，由雞蛋膜熱解產生的碳點能夠選擇性地識別dna和rna片段(pramanik等人.pccp,20,20476,2018)。值得一提的是，由其它碳源熱解產生的碳點沒有顯示出識別核酸的選擇性能力。36.在國際專利申請wo/2018/160142中，由聚氧乙烯在酸性條件下的縮合產生的碳點產生了具有抗菌特性的納米材料，并被結合到惰性聚合物膜中。同樣，形態和物理化學特征類似于由其他碳源產生的碳點的特征，盡管顆粒的表面特性導致了能夠保護其的特定生物活性。37.因此，盡管形態和物理化學方面表明碳點通常只是碳球，但是合成過程和碳源影響碳點的表面組成和生物特性。38.zheng等人(2017)發表的文件中提出了碳點在農業中作為肥料的用途，該文件公開了花粉作為納米顆粒前體的用途(zheng等人,acsomega,2,3958–3965,2017)。在水培萵苣中進行試驗，且該試驗表明，用20mg·l-1溶液處理的植物生長約50％。結果沒有表明與負責植物生長的蛋白質或酶的選擇性相互作用。作者簡單地提出了碳點作為肥料的用途。39.在li等人(2018)發表的研究中，由石墨電解產生的五個碳點在水稻中表現出獨特的表面組成和不同的響應(li等人,acs,appliedbiomaterials,1,663-672,2018)。40.描述了顆粒之間植物生長活性的顯著差異，證明了即使尺寸和物理化學特征相似，每個顆粒也具有獨特的特征。此外，觀察到合成的碳點與植物遺傳物質相互作用，促進生長基因os06g32600的表達。進一步觀察到c點與負責固定大氣co2的rubisco蛋白相互作用(li等人,acs,appliedbiomaterials,1,663-672,2018)。41.綜上所述，本發明優于其他技術，因為它處理具有特定特征的碳點，所述特征模擬了類似于與質膜蛋白特異性地相互作用的植物激素的響應，并通過專門開發的合成有機催化方法獲得，以促進加速植物生長并將常量和微量營養物直接輸送到植物細胞中。42.本專利中描述的碳點作為生物刺激物，增強營養物吸收，改善植物對水的利用，并提高光合作用速率，因為它使氣孔開放時間更長，并促進測試培養物的加速生長。43.由此提出的碳點生物活性是獨特的，并表明在植物代謝中的顆粒作用發生在類似于植物激素(例如生長素、guiberlines和細胞分裂素等)的水平的分子水平。44.對于以上所有內容，開發如本發明所公開的具有模擬激活質膜蛋白h-atp酶的植物激素的活性的生物刺激物在現有技術中沒有預見到。附圖說明45.基于圖1至19，可以更容易地理解本發明，其描述如下：46.圖1圖示了由金屬納米顆粒和金屬氧化物納米顆粒引起的食物鏈富營養化過程。47.圖2示出了根據所開發方法的生物刺激物生產方案。48.圖3示出了通過所開發的方法合成的碳點的傅立葉變換紅外光譜。49.圖4示出了通過合成前體產生的碳點形成和表面基團的保持。50.圖5示出了碳點在uv-可見光區的吸收光譜和在360至620nm區間的激發發射光譜。51.圖6示出了葉綠素a和b的吸收光譜。52.圖7在a中示出了xps光譜和通過計算常量營養物氮、磷和鉀(n、p、k)的生物刺激物組成。在b中，為磷的高分辨率光譜。在c中，為顯微圖像和高分辨率透射電子顯微圖像(hrtem),在d中，為顆粒直徑分布。53.圖8示出了zeta電勢(ζ)和流體動力學直徑作為加入了10ml體積的濃度為50mg/l的碳點的營養物溶液體積(ml)的函數。54.圖9示出了在四個區中的植物分布p1(白)和p2(藍)。55.圖10示出了用不同濃度的碳點處理的p1組在處理開始后第17天(a)、第28天(b)、第42天(c)和第56天(d)的樣品分布。56.圖11示出了用不同濃度的碳點處理的p2組在處理開始后第17天(a)、第28天(b)、第42天(c)和第56天(d)的樣品分布。57.圖12示出了b1、b2、b3和b4組在植物房中的處理分布。58.圖13示出了不同濃度的碳點對b1和b2區的‘finestra’番茄的光合作用速率(右側)和水分利用效率(左側)的處理效果。59.圖14示出了不同濃度的碳點對b3和b4區的‘finestra’番茄的光合速率(右側)和水分利用效率(左側)的處理效果。60.圖15示出了不同濃度的碳點對水培萵苣作物的水分利用效率的處理效果。61.圖16示出了碳點在玉米幼苗根干質量(rdm)中的濃度影響。62.圖17圖示了leonard花瓶中的玉米作物系統，通過營養物溶液施用碳點。63.圖18示出了100mg/l碳點在液體光合作用(a)、氣孔導度(b)、蒸騰作用(c)和水分利用效率(d)中的濃度影響。64.圖19示出了通過使用帶有碳點的霍格蘭德溶液，玉米植物中營養物增加或減少的百分比。具體實施方式65.本發明涉及一種具有光致發光特性的含碳光合作用刺激物(碳點)，其用作生物刺激物和生物肥料，因為一旦施用于植物的葉或根，可以引起促進植物生長的生理響應。所述生理響應在光合變量、植物根系特征以及發育周期必需的微量和常量營養物的吸收中觀察到。66.此外，本發明的產品表現出高的水溶性和可生物降解性；能被植物完全代謝，因此不具有生物累積性；其使用減少了食物鏈中常規納米顆粒的營養物轉移的負面影響；并且它是無毒的。正因為該原因，與傳統的農用化學品相比，它減少了與土壤和水污染有關的環境影響，從而使其具有更高的潛力用作投入品。67.納米材料作為有機碳源，并作為錨定在其結構中的微量和常量營養物載體。在自下而上的合成過程中，納米材料的尺寸受到控制，并因此其結構中的活性位點的活化受到控制。通過表面工程專業知識，這些活性位點被構建并易于接收營養物和/或刺激物，由于植物與納米復合材料的生物親和性以及它們的易代謝性，這些營養物和/或刺激物將以更高的效率被輸送到最多樣類型的作物。68.該技術中顯示的納米材料通過根據圖2的使用反應器組合的流通(flow-through)法獲得。為了在合成過程后更好地儲存，材料要進行另一次干燥操作。69.本發明的形式之一涉及生產碳點的方法，這是一種通用的方法，因為它允許使用不同的富碳基質作為原料，例如谷氨酰胺、有機酸、檸檬酸、酒石酸、油酸、蘋果酸、富馬酸、異檸檬酸、玉米淀粉；還可以通過使用能夠提供適當試劑成分的替代來源、具有相同官能團和短鏈的復合材料來進行協同處理，優選檸檬酸和酒石酸。70.與常規路線(水熱路線)相比，所提出的方法是快速的方法，因為不需要如在水熱路線中發生的長的穩定時間來啟動碳化過程和顆粒生長。這也是一種低成本的方法，因為它可以以連續過程生產。水被用作溶劑，并且在合成過程結束時沒有產生有毒廢物。71.碳點合成中使用的方法是一種涉及物理化學轉化的方法。所使用的路線被認為是化學上綠的，因為它使用水作為溶劑，并且在合成中沒有產生有毒殘留物。72.通常，所述方式(modality)可以理解為由催化化學反應和流通過程組成的獲得碳點的過程。73.納米顆粒由不同的碳源(即檸檬酸、葡萄糖、氨基酸和農業廢物，例如果皮、果漿和動物糞便)獲得；主要使用檸檬酸是因為部分中和酸堿反應，其中堿溶液(羥基官能團的來源)用于由酸形成鹽，并通過溶液形式的離子(oh-)誘導的靜電排斥作用促進形成多個成核點。所用的堿溶液可以是氫氧化鈣、氫氧化鈉、氫氧化鉀、氫氧化銨、苯胺、金屬胺、尿素和硫脲，優選氫氧化銨。74.制備酸溶液(碳源)和堿溶液(官能團源)，并將其放入流動系統中。75.使用計量泵和閥，將所述溶液計量加入混合器中，隨后，將其再引導至接收再循環物和摻雜物(微量和常量營養物或刺激物)的第二混合容器。在通過混合器后，將試劑泵入配有閥的活塞流管式反應器(pfr)中，該閥限制材料輸出并在其內部保持恒定壓力，從而避免當反應器加熱到100℃至250℃，優選150℃時試劑蒸發。76.pfr反應器必須具有減小的直徑，僅幾毫米，并且由低粗糙度的材料制成，以減少材料流出過程中的壓降。該過程中的另一個關鍵因素是保持湍流水動力徑流狀態；所有這些都是通過伯努利方程計算得出的，因為該反應器必須放置在溫室內以加熱混合物。77.根據所用材料的濃度，所述反應器必須加熱到100-250℃。反應器內的壓力由出口閥控制，從而防止溶液沸騰；壓力因反應而異，取決于所涉及的鹽的密度。所述壓力是高的，因此反應器材料必須承受至高5巴的壓力。從第一反應器(管式反應器)出來的材料流排放到連續攪拌釜式反應器(cstr)中，該連續攪拌釜式反應器也被加熱并具有攪拌活動。所述反應器的出口流通過分離系統，該分離系統通過水力旋流器密度差或潷析器工作，該潷析器允許通過溢流除去最終產物并將底流料流返回至回流。78.需要進行材料回流直到建立最佳操作條件。形成的產物密度低于前體鹽溶液，因此，可以通過該原理分離產物，去除上清液并再循環底部材料，將底部材料插入在反應器之前并加入初始試劑料流中。材料保持回流的穩定化過程之前的過程花費0.5至2小時，優選1小時；從這時起，材料密度開始改變，產品開始成型。79.該方法的產率為95％(2小時循環后為713g)。材料的這些量足夠用于24公頃。80.該產品可以以液態儲存，或者可以經過干燥過程，在該干燥過程中，材料的表面積擴大到其體積的大約5倍。81.用于生產碳點的技術具有縮放特征，這允許其在不對所形成的碳點的質量產生負面影響的情況下可行地過渡到工業規模。在將實驗室生產的c點的生產放大100倍進行的試驗中，顯示出可以生產和保持相同性能和質量。在低環境影響的高生產需求下，如農業投入品行業所要求的，這種技術是創新性的，并與當前新的生產需求相結合。82.多功能性也是開發的生產平臺的主要特征之一，它允許其組成和特性發生變化，以滿足生產鏈的需求。83.通過這種方法生產的碳點顯示出高水溶性，這是由于在合成中前體分子中存在親水基團，這可以通過圖3所示的紅外光譜來檢驗。84.除了親水特性之外，納米顆粒表面基團在溶液中具有離子絡合潛力(圖4)。當在合成后通過表面基團絡合時，植物需要量高的常量營養物(鉀、氮、鈣、磷、鎂和硫)和需要量低的微量營養物(錳、硼、鋅、鐵、銅、鉬和氯)都可以加入到制備碳點的過程中。85.除此之外，它們是可生物降解的材料，這賦予了它們作為農業投入品的更高的應用潛力。86.因此，本發明的另一種方式涉及基于碳點的納米制劑作為強有力的光合作用刺激物、生物刺激物和有機礦物生物肥料的用途。本文件中介紹的技術是完全無毒的、生物相容的、不可生物累積的，并且是通過使用綠納米技術原理可持續生產的。試驗結果表明，光合作用效率提高約60％，水分利用效率提高50％，根質量增加50％。生產并摻雜基本化學元素的納米材料同時提供營養物，并改善植物的生理狀況，并減少傳統上使用肥料的不利影響。必須強調的是，所介紹的技術克服了與經濟可行性、生產規模、環境生產和安全性相關的限制，這些限制是農業中可持續使用納米技術的阻礙。87.碳點作為光合作用刺激物的用途源于其光譜特性。含氮芳族試劑的引入(其促進了c＝n/c＝o鍵的形成)，是多態吸收并在藍/綠/紅區域發射的原因(圖5)。88.葉綠素a和b顯示兩個吸收帶，其中心位于對應于藍(～440nm)和紅(～650nm)的光譜區域，但對綠區域顯示極低的光譜響應(圖6)。合成的碳點在綠區域(532nm)顯示出強吸收，且發射中心在645nm。由于更好地利用陽光，這種光譜適應導致增加的培養物生產率。89.實施例90.示出以下實施例來說明本發明的最佳實施方案。值得一提的是，本發明不限于所引用的實施例，而是可以用于所描述的所有應用或任何其他等效變型。91.實施例1：碳點合成92.農業上的使用的量要求比實驗室中使用的量更高。因此，在如圖1所示的試點結構中引入了方法和生產規模。將500g葡萄糖和550ml氫氧化銨溶解在1000ml水中，并放入圖1所示的流通系統中。工作溫度設定為150℃，最終產物的產率為95％(2小時循環后為713g)。材料的這些量足夠用于24公頃。93.實施例2：含有常量營養物的雜化的碳點的合成94.最初，該方法沒有被提供第二混合器，但是隨著再循環的需要和輸入營養物的需求，在接收酸料流和堿料流的第一混合器之后增加了第二混合器。因此，計算再循環物和摻雜物劑量，以實現化學計量比。這允許生成純c點和雜化的碳點，其中將最多樣的摻雜物添加到第二混合器中。95.圖7a示出了xps光譜和含有常量營養物的樣品組成。圖7b中的高分辨率xps光譜示出了磷(p)被結合到碳基質中。以131.25和132.25ev為中心的譜帶分別對應于-c3-po和-c-po3基團。圖7c和d示出了具有類球形形態且平均尺寸為5nm的納米顆粒的圖像。該結果表明，磷可以直接輸送到植物細胞機構，且營養物生物利用度過程類似于營養氮的生物利用度過程，這取決于植物對納米材料的代謝。該納米材料同時充當光合作用刺激物、生物刺激物/生物肥料和充當常量營養物(有機礦物肥料)的來源。此外，它是完全水溶性的、無毒的，并且有利地減少了由于在土壤中過度使用肥料而造成的環境影響。值得指出的是，到本發明公開為止，文獻中沒有報道類似的技術。96.實施例3：營養物載體電勢的評估97.研究了碳點營養物載體電勢，因為在溶液中，在表面占多數的羧基(coo-)賦予負電荷，因此賦予有利于系統膠體穩定性的排斥。被分類為微量和常量營養物的金屬在溶液中帶有正電荷，并可以被顆粒中的羧基所吸引。98.為了分析添加離子時碳點的表面行為和穩定性，隨著營養物溶液添加量的增加，進行zeta電勢(ζ)和流體動力學直徑的測量。10ml的濃度為50mg/l的c點用標準霍格蘭德溶液(1/2強度)標定。在圖8中，隨著更多離子的加入，可以觀察到zeta電勢和流體動力學直徑的行為。99.如所預期的，電勢降低表明正金屬離子結合到表面，導致電勢逐漸降低。然而，從某一體積開始，曲線行為趨于保持不變，如圖8中所觀察到的。即使在高離子強度下，顆粒也表現出穩定性，這由流體動力學直徑的狹窄變化證實。這些特性表明，c點可以與標準營養物溶液一起使用，以促進營養物運輸并避免傳統農業中發生的營養物浸出。膠體穩定性也增強了例如光合作用刺激物、生物刺激物/生物肥料和液體有機礦物肥料的技術商業化的可能性。100.實施例4：農藝試驗101.選擇了一種甜椒作物(capsicumannuum)來顯示納米材料對植物生長的影響，因為這種作物受到了許多關于水果中農用化學品殘留物的批評。102.碳點對甜椒生產系數的影響在析因方案2×4中建立，其中兩個是應用用途(單次應用并分四個階段(instalment))，且四個碳點濃度從0、25、50和100mg.l-1變化。試驗采用隨機區設計，重復四次，總計總數為32個實驗單元。103.實驗單元是每個中填充惰性基質和植物的混合物的5.0dm3的塑料容器。通過施肥添加營養物和水，每天添加400ml全營養物溶液四次。104.將甜椒種子播種在發芽盤中，27天后，將長出的幼苗移植到預先填充惰性基質的5升容器中，該惰性基質的組成中有草皮、蛭石、有機廢物、農用工業有機廢物和石灰石。選擇移植后19天內的32株幼苗開始施用碳點；在選擇時，所有幼苗的尺寸和使用的生長標準是相同的。105.應用的碳點濃度(0至100mg.l-1)根據前面的試驗確定。對于每株植物的每個濃度，用于隨后碳點質量量化的最大溶液體積為200ml。植物分為兩組p1和p2，其中分類為p1的植物接收單次劑量的溶液(200ml)，而p2的植物每隔15天接收逐步劑量(50ml)，直到達到最大溶液體積(200ml)。圖9顯示了將植物分為四個區以檢查處理隨機化。106.將植物放入玻璃溫室中，每天均勻灌溉四次。將碳點溶液噴灑在葉上，以使過量的溶液可以自由地流入植物基質中。107.為了測量碳點在植物相對生長中的影響，用一個以毫米為刻度的卷尺沿測試方向測量尺寸。在第一天，在開始施用之前，測量并收集初始尺寸，然后施用第一濃度。p1組在每株植物中接受200ml的體積，而p2組接受50ml的第一劑量。p2組每兩周在施用后的同一天進行一次尺寸收集過程，直至達到200ml體積。108.等式1用于計算植物的相對生長，其中“h最終”代表施用處理后進行的測量，“h初始”代表施用處理前進行的測量。109.等式1：110.將收集的數據制成電子表格，用于統計測試。使用的第一統計檢驗是夏皮羅-維爾克正態性檢驗，其表明所收集數據的非正態分布類型。然后，使用非參數統計(獨立樣本的kruskall-wallis檢驗)來評估結果。(圖10)。鑒于此，比較平均值是確定統計差異和進行的觀察的結論的最適當方式。111.c點的濃度和數量對植物生理生長的影響通過分開的p1組和p2組的統計數據顯示。112.從進行的統計分析可以得出結論，對于p1組(圖10)，僅在試驗開始時每株植物單次施用200ml后，施用56天后，濃度為100mg·l-1的處理和濃度為0mg·l-1的對照處理之間存在統計學差異。當與其他處理，特別是對照處理(即沒有施用納米生物刺激物(0，0mg.l-1))相比較時，當使用較高濃度的碳點(100mg.l-1)時，甜椒有較大的相對生長。113.相比之下，當分析p2組的結果時(圖11)，其中每兩周對于每個濃度施用50ml的量，直到達到200ml的體積，在42和56天后觀察到濃度為25mg·l-1的處理和0mg·l-1的對照處理之間的統計學差異。當與對照濃度和其他處理相比時，分次施用的較小濃度以更高效的方式促進相對生長。114.實施例4：碳點對‘finestra’番茄光合作用速率的影響115.碳點對光合作用速率的影響通過使用便攜式光合作用系統顯示，該系統使用紅外氣體分析儀。這些測量的關鍵點是co2同化和通過氣孔的葉片蒸騰作用造成的失水之間的關系。co2和水在紅外線中的特定響應用于開發在氣體交換過程中讀取紅外線的傳感器(紅外線氣體交換分析儀–irga)。116.co2和水蒸氣的變化可以通過葉同時監測，因此當被讀數室中的設備照亮時，提供了液體光合作用和樣品蒸騰作用的精確且綜合的體內測量，該讀數室在不損壞葉的情況下夾緊葉，并且當樣品處于讀數室內的黑暗環境中時，還提供了線粒體呼吸速率和殘余蒸騰作用。117.在“finestra”番茄(由embrapavegetables開發的f1)中觀察到碳點對光合作用的影響。118.番茄幼苗在播種25天后移植到花瓶中，并且在移植后60天開始收獲果實。119.在播種48天后，選擇5個具有幼苗的盤開始施用生物刺激物。該試驗的濃度如下：0mg·l-1(僅水)；0.5mg·l-1；2.5mg·l-1；5mg·l-1和10mg·l-1。將溶液噴灑在葉上，以使過量的溶液可以流入基質中。用于填充盤和花瓶的基質由生物穩定的松樹皮、蛭石、木炭粉、水和酚醛泡沫制成。120.在仍然在發芽盤中的真葉出現之后，在幼苗上進行施用第一劑量。對于每種處理將250ml的單次劑量均勻地噴灑在盤上，并連續三天重復該過程。121.從先前處理的盤中，選擇來自每種處理的20株幼苗(0；0.5；2.5；5.0；10mg·l-1)移植到具有基質的15升花瓶中。將幼苗隨機分布在四個區中，因此對于每種處理，每個區重復計數四次，總共80株幼苗。b1區和b2區暴露在溫室的光下，而b3區和b4區用遮光布覆蓋(圖12)。122.前面實施例中示出的等式1用于計算相對生長。123.在移植到花瓶后，幼苗在基質中經過15天的成熟時間，在這之后恢復施用。對于番茄植物所處的生長階段，將500ml的劑量施用于葉上，溶液和基質之間可能接觸。相同劑量的處理(濃度)被分開并分組用于均勻地噴灑溶液。然后，將處理物再次分配到各自的初始工作臺，注意不要讓有遮光布的花瓶與沒有遮光布的花瓶在返回工作臺時混合。施用過程一直以單次劑量每周重復四次以上。124.在停止施用后在早晨進行數據收集，并對一天中光合作用速率和蒸騰作用的機制和強度進行生理學研究。保存所有處理的讀數條件，并在分析結束后，提取數據用于在由設備提供的感興趣變量中應用統計檢驗。125.圖13和14示出了處理的效果。使用的第一統計檢驗是夏皮羅-維爾克正態性檢驗，其表明所收集數據的非正態分布類型。然后，使用非參數統計(獨立樣本的kruskall-wallis檢驗)來評估結果。鑒于此，比較平均值成為確定統計差異和進行的觀察的結論的最適當方式。126.通過比較具有遮光布的處理的組(b3和b4)和沒有遮光布的處理的組(b1和b2)，顯示了碳點濃度和自然光在‘finestra’番茄植物的光合作用中的聯合作用。如前面所解釋的，碳點具有光吸收/發光和發射特性，這些熱性可以通過葉綠素對光的吸收過程來研究。127.獲得的b1區和b2區數據顯示，濃度為2.5mg·l-1和5mg·l-1的處理有增加光合作用速率的趨勢(圖13)。128.水分利用效率不是由irga直接提供的參數，而是可以通過將光合作用值(pho)除以氣孔導度(ci)獲得。因此，對于b1和b2區的濃度為2.5mg·l-1和5mg·l-1的處理的水分利用效率也趨于增加(圖13)。129.b3和b4區(均由遮光布保護)收集的數據(圖14)強調了一個事實，即在施用碳點的地方，光合作用速率低于對照處理(0mg·l-1)。然而，水分利用效率提高了(圖14)。130.遮光區和非遮光區之間的差異表明，碳點發光行為僅在當被外部光源照射時發生。131.實施例5：碳點對萵苣作物的光合作用速率的影響132.還顯示了碳點對水培系統中栽培的萵苣(lactucasativa)的光合作用的影響。水培作物是一種栽培技術，其中土壤或基質被含有植物生長所必需的所有的營養物所替代。133.水培系統允許幼苗通過根用營養物溶液逐漸灌溉。因此，排除噴灑，水培系統本身被用作碳點到植物的分配載體。134.使用了與三個具有獨立水培溶液的儲存器相連的三個獨立的工作臺。每個儲存器有1000升溶液的體積，該溶液定期地被投入系統中的循環。為所有的儲存器準備了霍格蘭德改進的營養液營養物溶液(植物生長所必需的)并測定了碳點的三種濃度，0mg.l-1；20mg.l-1和50mg.l-1。營養物溶液本身被用作碳點分配載體。135.獲得幼苗并在溫室中經過一段適應期，在溫室中，它們均勻地分布在三個工作臺，并用預先制備的營養物溶液灌溉。碳點在儲存器中被稀釋，并在隨后的萵苣幼苗移植21天后投入循環。136.在每個處理中對十株萵苣幼苗進行數據收集。在開始施用碳點后15天進行測量，并保存所有處理的讀數條件。在分析結束后，提取數據用于如實施例4中的統計檢驗。137.圖15示出了由irga獲得的數據。僅在較高濃度的處理50mg.l-1和對照處理0mg.l-1的水分利用效率上觀察到差異。這些觀察有助于這樣一個事實，即當在葉上進行施用時，實現了光合作用效率，但是，即使在沒有促進光合作用的變化的情況下，碳點也可以促進光合作用期間水分更好地利用。138.實施例6：碳點濃度對玉米幼苗根系的影響139.玉米幼苗用10％的naclo4溶液超聲處理10分鐘，并用蒸餾水沖洗5次以達到滅菌目的。然后將它們無菌放置在發芽紙上，并在黑暗、28℃的bod室中發芽。發芽兩天后，將約1-1.5cm的生根幼苗轉移到塑料花瓶中的水培系統中，該花瓶含有補充有0mg.l-1、10mg.l-1、20mg.l-1、40mg.l-1、80mg.l-1和160mg.l-1的碳點的霍格蘭德營養物溶液(25％強度)。生長5天后，收獲植物(n＝9)并評估根干重量(rdw)。通過回歸分析結果，并計算最有效的碳點濃度。140.為了計算最有效的碳點濃度，進行了回歸分析，且本文顯示的模型是最適合數據的模型。回歸數據遵循正態分布(圖16)。141.顯示了一個顯著的二次模型，在較低濃度時增加而在較高的所用碳點濃度時逐漸抑制(圖16)。最有效的濃度估計為100mg.l-1碳點，導致與對照處理相比rdm增加約75％。142.實施例7：碳點對葉中的光合作用速率、氣體交換和玉米種子中的營養物含量的影響143.用不同劑量的碳點進行回歸分析后，在僅對照(0mg.l-1)與如實施例6中所概述的觀察到的最有效劑量(100mg.l-1)的比較中，顯示出碳點影響。144.將約1-1.5cm的生根種子轉移到leonard花瓶中(圖17)，在花瓶頂部含有0.5kg的用10％hcl溶液滅菌，隨后用蒸餾水沖洗，直到電導率《5ms.cm-1的沙(0.5-0.84mm)。在leonard花瓶的底部，放置0.5dm3的補充有0或100mg.l-1碳點的霍格蘭德營養物溶液(25％強度)。將幼苗移植，每周用新生產的，但濃度增加到50％、75％和100％濃度的溶液替換溶液。145.在28天的生長之后，通過使用具有6cm2的標準葉室的irga型的光合作用系統測量植物(n＝4)中葉的氣體交換的參數，例如液體光合作用、氣孔導度和蒸騰作用。水分利用效率(wue)計算為液體光合作用和蒸騰作用之間的比率。氣體交換室中的co2濃度設定為400μmol.mol-1，且測量在500μmol.m-2.s-1的光合通量密度下進行。在上午9點至11點進行計算。實驗過程中的平均溫度為約28℃，且相對濕度為50％至60％。146.對于營養分析，收獲植物并在65℃下熱處理直至恒定重量，用刀磨機(knifemill)進一步研磨成細粉末(2mm目篩)。在180℃下用hno3和hclo4分解0.5g復合材料后，用微波等離子體原子發射光譜法分析所得材料的ca、mg、s、fe、cu、mn、zn和ni含量。在用h2so4和h2o2分解復合材料后，通過抗壞血酸/鉬藍酸法在660nm下用比法估計總磷。147.通過方差分析的f檢驗分析了葉的氣體交換和營養物含量。148.添加碳點導致液體光合作用增加(p《0.05)(圖18a)。然而，氣孔導度和蒸騰速率沒有改變(分別為圖18b和18c)。149.世界農業對水分利用效率(wue)的需求不斷增加。在這方面，植物刺激物的使用應被視為一種有價值的工具，因為這些刺激物作為根結構改進劑和損害植物初生和次生代謝過程的誘導劑。wue代表植物優化碳吸收和最小化水分損失的能力，從而產生競爭優勢。150.碳點將wue顯著提高了22％(圖18d)。該參數的增加是植物刺激物添加的特征，并突出了碳點通過增加植物從土壤中吸收水分的能力來調節根生長的能力。151.由于營養物溶液中存在碳點，分析的所有營養物的含量都顯著變化(圖19)。其中，觀察到僅鎂有所下降(8.7％)。磷、ca和zn顯示出較小增量，按順序分別為7.8；8.3％和13.0％。硫和ni含量顯示出26.6％和55.5％的中等增加。觀察到mn、cu和fe的增加最多，它們的含量分別達到70.2；82.1；82.6％。152.營養物含量數據顯示，碳點作為光合作用刺激物和納米生物刺激物，改善了一些營養物的吸收。當前第1頁12當前第1頁12
技術特征：
1.一種光合作用刺激物，其特征在于其包括具有發光和營養物攜帶特性的雜化的碳納米顆粒。2.根據權利要求1所述的光合作用刺激物，其特征在于所述碳納米顆粒摻雜有常量營養物，其中包括鉀、氮、鈣、磷、鎂和硫，優選磷，或者微量營養物，例如錳、硼、鋅、鐵、銅、鉬和氯。3.根據權利要求1或2所述的光合作用刺激物，其特征在于所述碳納米顆粒吸收多態并在藍/綠/紅區域發射。4.根據權利要求1至3所述的光合作用刺激物，其特征在于所述碳納米顆粒在532nm波長區域顯示吸收，并且發射中心在645nm波長區域。5.根據權利要求1至4所述的光合作用刺激物，其特征在于所述碳納米顆粒顯示出具有5nm平均尺寸的類球形形態。6.生產根據權利要求1至5中任一項所述的光合作用刺激物的方法，其特征在于所述方法是部分酸堿中和反應。7.根據權利要求6所述的生產光合作用刺激物的方法，其特征在于碳點納米顆粒由富碳基質形成，例如谷氨酰胺、有機酸、檸檬酸、酒石酸、油酸、蘋果酸、富馬酸、異檸檬酸、玉米淀粉，優選檸檬酸和酒石酸。8.根據權利要求6或7中任一項所述的生產光合作用刺激物的方法，其特征在于所用的堿溶液包括：氫氧化鈣、氫氧化鈉、氫氧化鉀、氫氧化銨、苯胺、金屬胺、尿素和硫脲，優選氫氧化銨和尿素。9.根據權利要求6至8中任一項所述的生產光合作用刺激物的方法，其特征在于所述方法使用水作為溶劑。10.根據權利要求6至9中任一項所述的生產生物殺蟲劑納米制劑的方法，其特征在于碳點納米顆粒的形成發生在連續的流通系統中，在所述系統中將酸和堿溶液通過計量泵注入到混合容器中，隨后再引導到接收再循環物和摻雜物(微量和常量營養物或刺激物)的第二混合容器中，然后泵送到具有閥的活塞流管式反應器中，所述閥限制材料輸出并在內部保持恒定壓力和100-250℃，優選150℃的溫度，其中過程保持在湍流流體動力徑流的狀態；然后，將從所述管式反應器出來的材料流排放到在相同的加熱模式下的連續攪拌釜式反應器中，所述反應器的輸出流通過分離系統，在所述分離系統中去除上清液并將底部的材料再循環，將底部的材料插入反應器之前并加入初始試劑料流中；繼續回流過程，直到形成產物。11.根據權利要求1至5中任一項所定義的光合作用刺激物的用途，其特征在于其用作生物刺激物。12.根據權利要求1至5中任一項所定義的光合作用刺激物的用途，其特征在于其用作常量營養物和微量營養物的載體。
技術總結
本發明屬于農用化學品領域。本發明涉及基于碳點的具有發光和營養物攜帶的特性的納米復合材料的制備，所述納米復合材料當施用于植物的葉和/或根時刺激光合作用，并且刺激生理響應以增強發育和生產力。這樣的響應是文獻中歸類為生物刺激物和/或生物肥料的材料的特征。征。征。
