ХИМИЧЕСКИ МОДИФИЦИРОВАННЫЙ ПЛАНАРНЫЙ ОПТИЧЕСКИЙ СЕНСОР, СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ И СПОСОБ АНАЛИЗА ПОЛИАРОМАТИЧЕСКИХ ГЕТЕРОЦИКЛИЧЕСКИХ СЕРОСОДЕРЖАЩИХ СОЕДИНЕНИЙ С ЕГО ПОМОЩЬЮ Российский патент 2016 года по МПК G01N21/63 G01N23/00 B82B1/00 

Изобретение относится к области аналитических исследований и может быть использовано в нефтехимической промышленности для качественного и количественного обнаружения полиароматических гетероциклических серосодержащих соединений в нефтепродуктах с высокой чувствительностью и экспрессностью.

Введение современных нормативов по содержанию серы в различных видах топлива (в первую очередь, "Евро 5") приводит к необходимости пересмотра существующих и разработке новых, более чувствительных, селективных и менее ресурсозатратных экспресс-способов определения серы в углеводородном сырье, топливе и других продуктах нефтепереработки.

В настоящее время для определения общего содержания серы, а также установления содержания конкретных классов сернистых соединений используются: окислительные методы (сжигание в бомбе, сжигание в лампе, сжигание и последующее электрохимическое детектирование, УФ-флуоресценция), восстановительные методы (восстановление в водороде и калориметрия, восстановление на никеле Ренея), рентгенофлуоресцентная спектроскопия, атомно-эмиссионная спектроскопия, жидкостная экстракция, колоночная и газовая хроматография.

Существенными недостатками всех вышеуказанных методов являются: высокая трудоемкость и большая длительность процесса, использование дорогостоящего оборудования, отсутствует возможность определения концентрации и типа серосодержащих углеводородов в соответствии с современными требованиями. В основном перечисленные методы позволяют определить лишь общее содержание серы в анализируемом объекте, но не дают представления о присутствии и содержании конкретных классов сернистых соединений.

Одним из актуальных направлений современных аналитических исследований для высокочувствительных диагностических методов анализа различных химических соединений является разработка подходов к селективному и экспрессному определению с помощью оптических сенсоров на основе наночастиц благородных металлов, нашедших применение в широком круге приложений, таких как биосенсоры, основанных на принципах спектроскопии гигантского комбинационного рассеяния (ГКР, SERS).

Перспективы перехода на современные технологии lab - on - chip (лаборатории на чипе) однозначно требуют создания планарных оптических сенсоров - многослойных структур на специальной подложке, способных модулировать сигнал (усиливать интенсивность, изменять частоту и т.д.), связанный с присутствием целевых анализируемых веществ, в области оптических частот 350-750 нм. При этом введение в состав таких структур дополнительных реагентов или изменение химического состава слоев, то есть химическое модифицирование, призвано усилить чувствительность и селективность подобных датчиков.

К особому классу оптических сенсоров относятся датчики на основе явления гигантского комбинационного рассеяния. Известно, что наночастицы благородных металлов способны усиливать сигнал комбинационного рассеяния более чем в миллиард раз за счет способности генерации локального электромагнитного поля и взаимодействия с колебательными состояниями органических молекул.

Данный эффект, известный в литературе как гигантское комбинационное рассеяние (ГКР) или поверхностно-усиленное рамановское рассеяние (от англ. surface enhanced Raman scattering, SERS), открывает новые возможности для понижения предела обнаружения известных методов и создания сверхчувствительных диагностических методов анализа.

Наиболее близким техническим решением в части конструкции сенсора, принятым за прототип, является (M. Piliarik, J. Homola, Surface plasmon resonance (SPR) sensors: approaching their limits? 2009 / Vol. 17, No. 19 / OPTICS EXPRESS 16505-16517) химически модифицированный планарный оптический сенсор, содержащий последовательно расположенные подложку на основе диэлектрического химически инертного материала и наноструктурированное покрытие на основе наночастиц благородных металлов. Работа такого сенсора основана на изменении показателя преломления на границе раздела анализируемой среды и сенсора. Для увеличения селективности сенсора используют химическое модифицирование путем нанесения мономолекулярных слоев непосредственно на поверхность наноструктурированного металлического слоя.

Однако применение этого сенсора для селективного анализа полиароматических гетероциклических серосодержащих соединений не представляется возможным в силу того, что получаемый сигнал не содержит структурной информации об анализируемых молекулах и не может использоваться для анализа смеси целевых аналитов. Кроме того, нанесение любого дополнительного слоя на поверхность наноструктурированного металла, как правило, золота, приводит к нарушению функциональности сенсора.

Известен сенсор (А.А. Semenova, Е.А. Goodilin, N.A. Brazhe, V.K. Ivanov, A.E. Baranchikov, V.A. Lebedev, A.E. Goldt, O.V. Sosnovtseva, S.V. Savilov, A.V. Egorov, A.R. Brazhe, E.Y. Parshina, O.G. Luneva, G.V. Maksimov, Y.D. Tretyakov, Planar SERS nanostructures with stochastic silver ring morphology for biosensor chips, J. Mater. Chem., 2012, 22, 24530-24544), который получают химическим способом нанесения наноструктурированных серебряных покрытий на оксидные подложки. При этом аэрозольным осаждением получают кольцевые структуры на основе наноструктурированного серебра на стеклянные подложки с использованием диаммиаката оксида серебра (I).

Однако применение этих структур для анализа полиароматических гетероциклических серосодержащих соединений также невозможно, поскольку полосы возбуждения данных соединений лежат выше по энергии, чем возбуждающее лазерное излучение и полоса плазмонного резонанса наноструктурированного серебра.

Известен оптический сенсор на основе спектроскопии комбинационного рассеяния, способ его получения и способ анализа с его использованием (патент US 2005/017981, МПК G01N 21/65 (2006.01), опуб. 19.05.2005.) Способ анализа, описанный в этом источнике, был принят нами за прототип. Он включал нанесение на химически модифицированный планарный оптический сенсор пробы с исследуемым соединением до образования поверхностно привитых соединений и их детектирование с помощью спектроскопии гигантского комбинационного рассеяния (ГКР) с последующей расшифровкой характеристических колебаний анализируемых соединений ГКР - спектров с использованием стандартного программного обеспечения. Сенсор содержал подложку на основе диэлектрического химически инертного материала, плазмон-резонансное зеркало из благородных металлов, сформированное на чувствительной поверхности подложки, слой плазмон-резонансных частиц, размещенный поверх зеркала, и слой оптически прозрачного диэлектрика толщиной около 2-40 нм, разделяющий зеркало и слой частиц. Описанное изобретение способно обнаруживать аналит с коэффициентом усиления до 10¹², т.е. обнаруживать отдельные молекулы аналита. Технический результат - повышение чувствительности анализа.

Однако указанная группа изобретений не позволяет проводить высокочувствительный анализ полиароматических гетероциклических серосодержащих соединений, так как полиароматические гетероциклические соединения, содержащиеся в нефти, имеют спектры поглощения в области 270-280 нм, что намного выше по энергии по сравнению с плазмонной полосой поглощения Ag (420 нм) и Au (520 нм), что делает их практически невидимыми для спектроскопии гигантского комбинационного рассеяния (ГКР).

Известны методы определения модельного аналитического объекта - красителя Родамина 6G - на наноструктурированных покрытиях на основе сенсора, выполненного в виде упорядоченных пленок наночастиц благородных металлов [Jingwu Tang, Yougen Yia, Jie Wua, Yongjian Tang, Porous Ag and Au hybrid nanostructures: Synthesis, morphology, and their surface-enhanced Raman scattering properties, Physica В 433(2014) P. 138-143] с помощью спектроскопии гигантского комбинационного рассеяния. Полученные наноструктурированные покрытия являются ГКР-активными. Нижний предел обнаружения составляет 1×10^-8 моль/л.

Однако описанный выше аналог обладает теми же недостатками, что и описанный выше аналог.

Известен сенсор для исследования количественных остатков пестицидов - параксона и серосодержащего тирама с помощью наноструктурированного покрытия на основе нанокубиков серебра, нанесенных на очищенную стеклянную поверхность [Bin Wang, Li Zhang, Xia Zhou, Synthesis of silver nanocubes as a SERS substrate for the determination of pesticide paraoxon and thiram, Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy. 2014. V. 121. P. 63-69]. Нижний предел обнаружения параоксона и тирама составляет 5×10^-8 моль/л, что свидетельствует о том, что данные покрытия из серебряных нанокубиков Ag обладают высокой чувствительностью.

Однако эти методы имеют те же недостатки, что и вышеописанные.

Задача настоящей группы изобретений заключается в увеличении чувствительности, селективности и экспрессности анализа полиароматических гетероциклических серосодержащих соединений путем создания химически модифицированных планарных элементов оптических сенсоров, позволяющих использовать метод спектроскопии гигантского комбинационного рассеяния.

Решение поставленной задачи достигается предлагаемой конструкцией химически модифицированного планарного оптического сенсора, содержащего последовательно расположенные подложку на основе диэлектрического химически инертного материала и наноструктурированное покрытие на основе наночастиц благородных металлов, новизна которого заключается в том, что он дополнительно содержит расположенную на покрытии на основе наночастиц благородных металлов прозрачную микропористую пленку хитозана, химически модифицированную π-акцепторным соединением, способным распознавать анализируемое вещество и химически связываться с ним путем формирования комплекса с переносом заряда, при этом наночастицы благородных металлов имеют размеры 20-90 нм, а покрытие из них составляет слой толщиной 1-10 мкм.

В заявленном изобретении мы предлагаем уникальный подход, который позволяет получать химически модифицированные планарные элементы оптических сенсоров для анализа серосодержащих соединений методом ГКР за счет образования окрашенного межмолекулярного комплекса с переносом заряда, иммобилизованного на наноструктурированных металлических подложках со слоем хитозанового геля, за счет чего появляются новые электронно-колебательные структуры в спектрах гигантского комбинационного рассеивания, что позволяет дополнительно повысить коэффициент усиления на 1-3 порядка за счет резонансных эффектов.

В такой конструкции хитозан выступает в роли защитного оптически прозрачного покрытия и, одновременно, сорбента (предконцентратора) целевого аналита; дополнительной функцией хитозанового слоя при этом служит удерживание молекул акцептора вблизи поверхности наноструктурированного серебра для обеспечения эффективности анализа окрашенных комплексов аналитов с использованием ГКР - спектроскопии. Эффективность анализа обеспечивается за счет того, что комплекс с переносом заряда поглощает в видимой области спектра, чем решается проблема несоответствия максимумов оптического поглощения серосодержащих соединений и плазмонных полос металла, то есть обходится проблема невозможности реализации наиболее эффективного фундаментального способа получения ГКР - сигнала за счет переноса заряда от поверхности металлической частицы и образования новых возбужденных состояний комплекса «молекула - металл».

В качестве диэлектрического химически инертного материала предпочтительно может быть использован материал, выбранный из ряда: оксид алюминия, оксид магния, диоксид кремния, диоксид циркония, силикатное стекло.

Наиболее технологично использовать в качестве благородного металла серебро или золото.

В качестве π-акцепторннго соединения предпочтительно может быть использовано соединение из ряда: 1,4-бензохинон; 2,3-дихлор-5,6-дициано-1,4-бензохинон; 7,7,8,8-тетрацианохинондиметан; 9,10-антрацендион; 2,4,5,7-тетранитро-9-флуоренон; 2,7-динитро-9-флуоренон.

Еще одним объектом предлагаемой группы изобретений является способ получения химически модифицированного планарного оптического сенсора, соответствующего п. 1, включающий обработку подложки на основе диэлектрического химически инертного материала до образования поверхности с шероховатостью 1-10 микрон, нанесение на него наноструктурированного покрытия на основе наночастиц благородных металлов, размеры которых составляют 20-90 нм, до толщины не более 10 микрон с последующим нанесением слоя микропористого хитозана до толщины 50-100 мкм и химическое модифицирование последнего π-акцепторным соединением, способным распознавать анализируемое вещество и химически связываться с ним путем формирования комплекса с переносом заряда, с последующим высушиванием растворителей.

Обработку подложки на основе диэлектрического химически инертного материала до образования шероховатой поверхности можно проводить водным раствором бифторида калия.

В качестве π-акцепторного соединения наиболее технологично использовать соединение из ряда: 1,4-бензохинон; 2,3-дихлор-5,6-дициано-1,4-бензохинон; 7,7,8,8-тетрацианохинондиметан; 9,10-антрацендион; 2,4,5,7-тетранитро-9-флуоренон; 2,7-динитро-9-флуоренон.

Для упрощения процесса химическое модифицирование слоя микропористого хитозана π-акцепторным соединением проводят однократным нанесением последнего в количестве 10-20 мкл с концентрацией 1-10 ммоль/л на 1 см² рабочей площади сенсора.

Наиболее технологично нанесение π-акцепторного соединения проводить из его раствора в органических растворителях, выбранных из ряда: хлороформ, изопропанол, диэтиловый эфир, обеспечивающих концентрацию π-акцепторного соединения 1-10 ммоль/л.

Еще одним объектом предлагаемой группы изобретений является способ анализа полиароматических гетероциклических серосодержащих соединений, включающий нанесение на химически модифицированный планарный оптический сенсор пробы с исследуемым соединением до образования окрашенного межмолекулярного комплекса, детектирование полученного комплекса с помощью спектроскопии гигантского комбинационного рассеяния (ГКР) с использованием лазеров с длинами волн 514, 532, 633, 785 нм, с последующей расшифровкой характеристических колебаний анализируемых соединений ГКР - спектров с использованием стандартного программного обеспечения, отличающийся тем, что в качестве сенсора используют сенсор, описанный в п. 1.

При анализе полиароматических гетероциклических серосодержащих соединений последние являются эффективными донорами электронов за счет неподеленной пары электронов атома серы и делокализованных электронов ароматических колец, в результате формируется окрашенный комплекс с переносом заряда. Формирующийся комплекс, содержащий химически связанное целевое анализируемое вещество, повышает селективность анализа, а смещение полосы поглощения комплекса в видимую область, близкую по энергии как к энергии возбуждающего лазера, так и к полосе плазмонного резонанса наноструктурированного серебра, приводит к резкому (в 1000 и более раз) увеличению чувствительности анализа за счет резонансных эффектов, что дает возможность определять целевые вещества при низких концентрациях.

Для детектирования анализируемых веществ с концентрациями 10^-5-10^-3 М предпочтительно использовать жидкие пробы объемом 15-30 микролитров путем их накапывания на поверхность сенсора.

Для обеспечения высокой эксперессности анализа при высоком отношении сигнал/шум и отсутствии появления ложной спектральной информации мощность лазерного излучения желательно не должна превышать 10% от номинальной величины при продолжительности набора спектров аналитов в составе межмолекулярного комплекса не более 10 секунд.

Технический результат заявляемой группы изобретений заключается в способности предконцентрировать и селективно связывать анализируемое вещество, контролируемо смещать область полосы поглощения анализируемого вещества в составе комплекса с переносом заряда, обнаруживать аналит с коэффициентом усиления до 10¹², в том числе за счет резонансных оптических явлений, при этом также стоит отметить сокращение расхода благородного металла, а значит, уменьшение стоимости сенсора, а также потенциальную миниатюризацию устройства за счет минимизации рабочей площади элемента сенсора до менее, чем 4×4 мм².

Анализ общеизвестных источников информации показал, что создание химически модифицированного планарного оптического сенсора путем введения в его структуру микропористой пленки хитозана, химически модифицированной π-акцепторным соединением, способным распознавать анализируемое вещество и химически связываться с ним путем формирования комплекса с переносом заряда, не известно. Таким образом, заявляемая структура сенсора сообщает всей группе изобретений соответствие как критерию «новизна», так и критерию «изобретательский уровень».

В настоящем описании приняты следующие обозначения:

AQ - антрахинон;

DBT - дибензотиофен;

DMDBT - 4,6-диметилдибензотиофен;

DNF - 2,7-динитро-9-флуоренон;

DDQ - 2,3-дихлоро-5,6-дициано-1,4-бензохинон;

DBT:DDQ - комплекс с переносом заряда дибензотиофена с 2,3-дихлоро-5,6-дициано-1,4-бензохинон;

DMDBT:DDQ - комплекс с переносом заряда 4,6-диметилдибензотиофен с 2,3-дихлоро-5,6-дициано-1,4-бензохинон;

TCNQ - 7,7,8,8-тетрацианохинодиметан;

DTNF - 9-дицианометилен-2,4,5,7-тетранитрофлуорен;

DBTO - кислородные производные (продукты окисления) дибензотиофена;

TNF - 2,4,5,7-тетранитро-9-флуоренон;

КР - спектры комбинационного рассеяния.

На Фиг. 1 представлена схема размещения компонентов химически модифицированного планарного оптического сенсора.

На Фиг. 2 представлены спектры оптического поглощения полиароматических гетероциклических серосодержащих соединений и их комплексов с переносом заряда, где

1 - спектр DBT,

2 - спектр DDQ,

3 - спектр DDQ:DBT,

4 - спектр DDQ:DMDBT.

На Фиг. 3 представлены общий вид (а) и микроструктура (б, в) стеклянной подложки с напыленным на нее слоем наноструктурированного серебра, где

- а - оптическая фотография общего вида стандартной стеклянной подложки с напыленным на нее слоем наноструктурированного серебра до нанесения слоя хитозана;

- б - электронно-микроскопическое изображение участка наноструктурированной поверхности;

- в - наночастицы серебра, составляющие наноструктурированную поверхность.

На Фигуре 4 представлены спектры комбинационного рассеяния (КР) и ГКР-спектры производных дибензотиофена (DBT) или продуктов его окисления, формирующих окрашенные межмолекулярные комплексы с молекулами - акцепторами, где:

- а - спектральные характеристики компонентов окрашенных комплексов при их концентрации 1*10^-4 моль/л, причем

1 - спектр DBT на стеклянной подложке, 2 - спектр DBT на подложке с наноструктурированным слоем серебра, 3 - спектр DDQ на стеклянной подложке, 4 - спектр DDQ на подложке с наноструктурированным слоем серебра, 5 - спектр комплекса с переносом заряда DDQ:DBT на стеклянной подложке, 6 - спектр DBT на подложке с наноструктурированным слоем серебра и слоем микропористого хитозана, химически модифицированного DDQ, 7 - спектр DMDBT на подложке с наноструктурированным слоем серебра и слоем микропористого хитозана, химически модифицированного DDQ;

- б - концентрационные зависимости ГКР - сигнала для комплекса DDQ:DBT при заданной концентрации анализируемого раствора DBT, причем:

1 - 10^-2 моль/л,

2 - 10^-4 моль/л,

3 - 10^-6 моль/л;

- в - концентрационные зависимости ГКР - сигнала при оптическом анализе межмолекулярных окрашенных комплексов кислородных производных (продуктов окисления) дибензотиофена, TCDM:DBTO, полученные при использовании в качестве сенсора:

1 - стеклянная подложка без слоя наноструктурированного серебра;

2 и 3 - концентрации DBT, использовавшиеся для анализа на подложке с слоями наноструктурированного серебра и микропористого химически модифицированного хитозана:

2 - 10^-5 моль/л, 3 - 10^-4 моль/л.

В Таблице 1 приведены данные, подтверждающие влияние размеров шероховатости на получение сенсора.

В Таблице 2 приведены данные, подтверждающие влияние толщины покрытия на основе наночастиц серебра на получение сенсора.

В Таблице 3 приведены данные, подтверждающие влияние толщины пленки хитозана на получение сенсора.

В Таблице 4 приведены данные подтверждающие обеспечение высокой скорости анализа при большом отношении сигнал/шум и отсутствии появления ложной спектральной информации.

Общая конструкция химически модифицированного планарного оптического сенсора (Фиг. 1) согласно концепции изобретения состоит из последовательно расположенных подложки 1 на основе диэлектрического химически инертного материала, наноструктурированного покрытия 2 на основе наночастиц благородных металлов размером 20-90 нм, толщиной не более 10 мкм, и микропористой пленки хитозана 3, прозрачной в области длин волн 500-700 нм и химически модифицированной π-акцепторным соединением 4, способным распознавать анализируемое вещество и химически связываться с ним путем формирования комплекса с переносом заряда.

При уменьшении размера наночастиц благородных металлов меньше 20 нм наноструктурированное покрытие подвергается быстрой деградации при контакте с воздухом, которая приводит к потере функциональности сенсора.

Увеличение размера наночастиц благородных металлов больше 90 нм приведет к падению эффекта ГКР на 2-3 порядка величины.

Увеличение толщины наноструктурированного покрытия более 10 мкм приведет к неоправданному удорожанию сенсора и повышенному поглощению возбуждающего излучения, что снижает эффект усиления спектрального сигнала в 2-3 раза.

Снижение прозрачности микропористой пленки хитозана приведет к резкому тушению сигнала комбинационного рассеяния и снижению чувствительности сенсора.

Выбор π-акцепторного соединения, способного распознавать анализируемое вещество и химически связываться с ним путем формирования комплекса с переносом заряда, осуществляют, используя как справочную литературу, так и подбор экспериментальным путем в связи с тем, что вышеуказанные комплексы мало исследованы. Критерием выбора π-акцепторного соединения, отвечающего изобретению, является наличия пика поглощения комплекса переноса заряда в области 500-700 нм.

Спектры оптического поглощения полиароматических гетероциклических серосодержащих соединений DBT, DMDBT, DDQ и их комплексов с переносом заряда DBT:DDQ, DMDBT:DDQ, приведенные на Фиг. 2, показывают, что формирование комплексов с переносом заряда позволяют сместить область поглощения в требуемый для анализа с помощью ГКР-спектров диапазон 500-700 нм.

В качестве диэлектрического химически инертного материала может быть использован любой материал, выбранный из ряда: оксид алюминия, оксид магния, диоксид кремния, диоксид циркония, силикатное стекло.

Рекомендуется использовать в качестве благородного металла серебро или золото, поскольку они обладают высокой химической инертностью и обладают существенным эффектом плазменного резонанса.

В качестве π-акцепторннго соединения предпочтительно может быть использовано соединение из ряда: 1,4-бензохинон; 2,3-дихлор-5,6-дициано-1,4-бензохинон; 7,7,8,8-тетрацианохинондиметан; 9,10-антрацендион; 2,4,5,7-тетранитро-9-флуоренон; 2,7-динитро-9-флуоренон.

Приведенные ниже примеры иллюстрируют, но не ограничивают заявляемую группу изобретений.

Способ получения заявляемого сенсора состоит из 4 последовательных стадий: 1) подготовка подложки на основе диэлектрического химически инертного материала до образования поверхности с шероховатостью 1-10 микрон; 2) нанесение оксида благородного металла на нагретую подложку; 3) нанесение слоя хитозана до толщины 50-100 мкм, 4) введение в слой хитозана π-акцепторных соединений, способных распознавать анализируемое вещество и химически связываться с ним путем формирования комплекса с переносом заряда.

Пример 1. Способ получения химически модифицированного планарного оптического сенсора для анализа производных дибензотиофена

На первой стадии для получения наноструктурированных покрытий металлического серебра на поверхности тонких стеклянных пластинок их очищают с помощью водного раствора бикарбоната натрия, промывают деионизированной водой высокой чистоты (Milli-Q), затем стеклянные пластины погружают в 0,5 М водный раствор гидроксида натрия и снова промывают деионизированной водой. Чистые и сухие стеклянные пластинки помещают в водный раствор 0,25 М гидрофторида калия (Aldrich, KHF₂) и выдерживают в течение 60-120 мин при температуре 80°C с последующей тщательной промывкой деионизированной водой (Milli-Q) и сушкой при комнатной температуре. Обработанная поверхность имеет шероховатость 1-10 микрон.

Данные, подтверждающие влияние размеров шероховатости на получение сенсора, приведены в Таблице 1. Как видно из таблицы, заявляемые пределы шероховатости являются необходимым условием изготовления сенсора.

На второй стадии нанесение на подложку наноструктурированного покрытия на основе наночастиц серебра до толщины не более 10 микрон осуществляют следующим образом: 0,1 М водный раствор гидроксида натрия (Aldrich NaOH, деионизированной вода высокой чистоты, Milli-Q, Millipore) добавляют по каплям в свежеприготовленный 0,01 М водный раствор нитрата серебра до полного осаждения коричневого осадка - оксида серебра (I). Полученный осадок тщательно промывают деионизированной водой высокой чистоты (Milli-Q) и растворяют в двукратном молярном избытке 10% водного раствора аммиака (полученного из 30% водного раствора гидроксида аммония, Aldrich). Затем прозрачный раствор аммиачного комплекса серебра фильтруют через сменный мембранный фильтр Millex-LCR (Millipore, размер пор 450 нм). Далее производят осаждение аэрозоля диаммиаката оксида серебра (I), при температуре 200-300°C с помощью ультразвукового нейбулайзера распыляют полученный раствор аммиачного комплекса оксида серебра (I) (размер капели 1-5 микрон) на разогретые до 200-270°C чистые и сухие шероховатые стеклянные пластинки в течение получаса с последующим контролем с помощью оптической микроскопии.

Полученные структуры имеют вид, представленный на Фиг. 3. Как видно из Фиг. 3а, при используемом способе нанесения наноструктурированного серебра на стеклянную подложку получаемое покрытие характеризуется однородным зеркальным блеском (в правом верхнем углу видно отражение потолочного осветителя), повышенная шероховатость поверхности приводит к возможности нанесения большего количества наночастиц на единицу поверхности исходной подложки (что очевидно из Фиг. 3б) и, соответственно, к большей поверхности контакта с жидкой средой, в которой находится анализируемое вещество, что повышает интенсивность спектрального сигнала. Кроме того, технологически нанесение наноструктурированного серебра на шероховатую подложку, вплоть до заявленных пределов шероховатости, происходит однородно в отношении распределения серебра по поверхности в виде наночастиц заявленного размера (Фиг. 3в).

Влияние толщины покрытия на основе наночастиц серебра на получение сенсора приведены в Таблице 2 и подтверждают, что заявляемые пределы 1-10 мкм являются необходимым условием изготовления сенсора.

Нанесение 50-100 микронного слоя хитозана на поверхность стеклянных пластин проводят в три стадии: наносят раствор хитозана на пластины; сшивают его с помощью глутаральдегида в течение времени, необходимого для полного высыхания смеси; после чего промыванием удаляют избыток сшивающего агента. Использование глутаральдегида как сшивающего агента определяет получение прозрачной в области длин волн 500-700 нм пленки хитозана.

Влияние толщины пленки хитозана на получение сенсора подтверждено данными, приведенными в Таблице 3, показывающими, что заявляемые пределы 50-100 мкн являются необходимым условием изготовления сенсора прозрачного в области длин волн 500-700 нм, при которых проводят анализ.

На четвертой стадии проводят процедуру химической модификации наноструктурированных покрытий. Для получения сенсора, способного анализировать содержание целевых производных дибензотиофена и/или продуктов его окисления в качестве π-акцепторного соединения, способного распознавать анализируемое вещество и химически связываться с ним путем формирования комплекса с переносом заряда, был выбран 2,3-дихлор-5,6-дициано-1,4-бензохинон (DDQ).

На металлическую поверхность наноструктурированного покрытия площадью 4×4 мм² с гелевой пленкой хитозана достаточно нанести раствор DDQ в хлороформе в количестве 10-20 мкл с концентрацией 1-10 ммоль/л на 1 см² рабочей площади сенсора и концентрацией 10^-4 моль/л. После высушивания полученные структуры могут быть использованы в качестве химически модифицированных планарных оптических сенсоров.

Выбор в качестве подложки любой другой на основе диэлектрического химически инертного материала, в частности наиболее распространенных для этой цели материалов, таких как оксид алюминия, оксид магния, диоксид кремния, диоксид циркония, изменит в способе получения заявляемого способа лишь способ придания поверхности шероховатости заданного размера.

Для формирования комплексов с переносом заряда можно использовать следующие пары соединений: DDQ:DBT, TCDM:DBTO, AQ:DBT, DNF:DBT, TCNQ:DBT, DTNF:DBT, TNF:DBT.

Способ анализа полиароматических гетероциклических серосодержащих соединений с помощью сенсора, описанного в заявляемом изобретении, включает нанесение на химически модифицированный планарный оптический сенсор пробы с исследуемым соединением до образования окрашенного межмолекулярного комплекса, детектирование полученного комплекса с помощью спектроскопии гигантского комбинационного рассеяния (ГКР) с использованием стандартных лазеров, выбор которых должен соответствовать положению полос поглощения комплекса с переносом заряда, с последующей расшифровкой характеристических колебаний анализируемых соединений ГКР-спектров.

Для детектирования анализируемых веществ с концентрациями 10^-5-10^-3 М используют жидкие пробы объемом 15-30 микролитров путем их накапывания на поверхность сенсора.

Для обеспечения высокой скорости анализа при большом отношении сигнал/шум и отсутствии появления ложной спектральной информации мощность лазерного излучения не превышает 10% от номинальной величины при продолжительности набора спектров аналитов в составе межмолекулярного комплекса не более 10 секунд. Превышение данных параметров может привести к фотоповреждению образца.

Пример 2. Способ анализа дибензотиофена с концентрацией в интервале 10^-5-10^-3 М

Для анализа ДБТ был выбран химически модифицированный планарный оптический сенсор, содержащий в качестве π-акцепторного соединения, способного распознавать анализируемое вещество и химически связываться с ним путем формирования комплекса с переносом заряда, DDQ. Рабочая площадь элемента сенсора составляла 3×4 мм².

Жидкая проба объемом 30 микролитров была нанесена путем накапывания на поверхность сенсора до образования окрашенного межмолекулярного комплекса. Детектирование полученного комплекса с помощью спектроскопии гигантского комбинационного рассеяния (ГКР) проводилось с использованием лазеров с длиной волны 633 нм. Мощность лазерного излучения составляла 10% от номинальной величины при продолжительности набора спектров аналитов в составе межмолекулярного комплекса 10 секунд.

На Фиг. 4а приведены спектры комбинационного рассеяния (КР) DBT, DDQ и комплекса с переносом заряда DBT:DDQ (спектры 1, 3 и 5, соответственно) и гигантского комбинационного рассеяния (ГКР) комплекса с переносом заряда DBT:DDQ (спектр 6). Как видно на спектре ГКР присутствуют характерные сигналы дибензотиофена. Сигнал 1134 см^-1 соответствует колебательным спектрам тиофенового кольца, 1350 см^-1 соответствует валентным колебаниям тиофенового кольца, 1650-1670 см^-1 колебания С-С-связей ароматических колец. Большинство из этих пиков отличаются от спектров 2,3-дихлоро-5,6-дициано-1,4-бензохинона, следовательно, ГКР спектр комплекса 2,3-дихлоро-5,6-дициано-1,4-бензохинона с дибензотиофеном показывает присутствие дибензотиофена как анализиуемого соединения, иммобилизованного в комплекс с переносом заряда. Появление и усиление характерных сигналов DBT происходит только при наличии слоя наноструктурированного серебра (спектр 6) и микропористого химически модифицированного слоя хитозана, в противном случае характерных сигналов не наблюдается (спектр 2 и 5). На Фиг. 4б приведены концентрационные зависимости ГКР - сигнала для комплекса с переносом заряда DBT:DDQ при варьировании концентрации DBT. Показано, что нижний предел обнаруживаемой концентрации DBT составляет 10^-5 моль/л. Время анализа составило 10 секунд.

В предлагаемом примере удается, по определению, предконцентрировать и селективно связывать анализируемое вещество в слое химического модифицированного хитозана, контролируемо смещать область полосы поглощения анализируемого вещества в составе комплекса с переносом заряда, а затем обнаруживать аналит с повышенным коэффициентом усиления за счет резонансных оптических явлений, поскольку полоса поглощения комплекса становится близка как к полосе возбуждающего излучения, так и к полосе плазмонного резонанса наноструктурированного серебра.

В Таблице 4 приведены данные, подтверждающие обеспечение высокой скорости анализа при большом отношении сигнал/шум и отсутствии появления ложной спектральной информации, при условии применения мощности лазерного излучения 10% от номинальной величины и при продолжительности набора спектров аналитов в составе межмолекулярного комплекса 5-10 секунд. Как видно из приведенных данных, заявляемые параметры являются оптимальными.

Пример 3. Способ анализа диметилдибензотиофена с концентрацией в интервале 10^-5-10^-3 М

Для анализа ДМБДТ был выбран химически модифицированный планарный оптический сенсор, содержащий в качестве π-акцепторного соединения, способного распознавать анализируемое вещество и химически связываться с ним путем формирования комплекса с переносом заряда, DDQ. Рабочая площадь элемента сенсора составляла 4×4 мм².

Жидкая проба объемом 20 микролитров была нанесена путем накапывания на поверхность сенсора до образования окрашенного межмолекулярного комплекса. Детектирование полученного комплекса с помощью спектроскопии гигантского комбинационного рассеяния (ГКР) проводилось с использованием лазеров с длинами волн 633 нм. Мощность лазерного излучения составляла 10% от номинальной величины при продолжительности набора спектров аналитов в составе межмолекулярного комплекса 10 секунд.

На Фиг. 4а, где приведены спектры гигантского комбинационного рассеяния комплекса с переносом заряда DMDBT:DDQ (спектр 7), присутствуют характерные сигналы диметилдибензотиофена, в целом аналогичные сигналам DBT, за исключением наличия плечей наиболее характерного пика при 1650 см^-1, что связано с наличием метильных заместителей. Большинство из этих пиков отличаются от спектров 2,3-дихлоро-5,6-дициано-1,4-бензохинона, следовательно, ГКР спектр комплекса 2,3-дихлоро-5,6-дициано-1,4-бензохинона с диметилдибензотиофеном показывает присутствие диметилдибензотиофена как анализиуемого соединения, иммобилизованного в комплекс с переносом заряда. Появление и усиление характерных сигналов DMDBT происходит только при наличии наноструктурированного серебра и микропористого химически модифицированного слоя хитозана (спектр 7). Время анализа составило 10 с. Отличие полученных ГКР спектров комплексов с дибензотиофеном и диметилдибензотиофеном позволяет определять их в смеси друг с другом и доказывает высокую специфичность предлагаемого сенсора.

Пример 4. Способ анализа окисленных производных дибензотиофена с концентрацией в интервале 10^-6-10^-2 М

Для анализа ДБТ был выбран химически модифицированный планарный оптический сенсор, содержащий в качестве π-акцепторного соединения, способного распознавать анализируемое вещество и химически связываться с ним путем формирования комплекса с переносом заряда, TCDM. Рабочая площадь элемента сенсора составляла 3×3 мм².

Жидкая проба объемом 15 микролитров была нанесена путем накапывания на поверхность сенсора до образования окрашенного межмолекулярного комплекса. Детектирование полученного комплекса с помощью спектроскопии гигантского комбинационного рассеяния (ГКР) проводилось с использованием лазеров с длинами волн 633 нм. Мощность лазерного излучения составляла 10% от номинальной величины при продолжительности набора спектров аналитов в составе межмолекулярного комплекса 10 секунд (Фиг. 4в).

На Фиг. 4в приведены спектры комбинационного рассеяния (КР) комплекса с переносом заряда DBTO:TCNQ (спектр 1) и гигантского комбинационного рассеяния комплекса с переносом заряда DBTO:TCNQ (спектр 2 и 3), на которых присутствуют характерные сигналы окисленных производных дибензотиофена. Появление и усиление характерных сигналов окисленных производных дибензотиофена происходит только при наличии слоя наноструктурированного серебра и микропористого химически модифицированного слоя хитозана (спектр 2 и 3), в противном случае характерных сигналов не наблюдается (спектр 1). На Фиг. 4в приведены концентрационные зависимости ГКР - сигнала для комплекса с переносом заряда DBTO:TCNQ при варьировании концентрации DBTO. Показано, что нижний предел обнаруживаемой концентрации DBTO может составлять 10^-6 моль/л. Согласно Фиг. 4в, спектральные пики комплексов с переносом заряда для окисленных производных DBT (DBTO) лежат в областях, отличных от спектральных линий комплексов с DBT, что позволяет их легко спектрально различать. Время анализа составило 10 с.

В предлагаемом примере удается определять кислородсодержащие производные дибензотиофена DBTO, являющиеся обычно продуктом химических и биохимических процедур обессеривания нефтепродуктов, за счет связывания анализируемого вещества в слое химического модифицированного хитозана в комплекс с переносом заряда, определяемый спектрально с повышенным коэффициентом усиления за счет резонансных оптических явлений (Фиг. 4в). Отличие полученных ГКР спектров комплексов с дибензотиофеном и его кислородсодержащих производных позволяет определять их отдельно или в смеси друг с другом и доказывает высокую специфичность предлагаемого сенсора, поскольку для формирования комплекса с переносом заряда было выбрано акцепторное соединение TCDM, образующее стабильные комплексы именно с DBTO.

Как видно из приведенных примеров, в то время как известные способы давали возможность определения лишь общего содержания серы в образце нефтепродуктов за достаточно продолжительное время анализа, составлявшее в ряде случаев до нескольких часов с использованием дорогостоящего и громоздкого оборудования, заявляемая нами группа изобретений позволяет предконцентрировать и селективно связывать анализируемое вещество, контролируемо смещать область полосы поглощения анализируемого вещества в составе комплекса с переносом заряда, обнаруживать аналит с коэффициентом усиления до 1012, в том числе за счет резонансных оптических явлений. При этом также стоит отметить сокращение расхода благородного металла за счет шероховатых металлических поверхностей и минимизации рабочей площади элемента сенсора до менее чем 4×4 мм², что приводит к уменьшению стоимости сенсора.

Группа изобретений относится к области аналитических исследований и может быть использована в нефтехимической промышленности для качественного и количественного обнаружения полиароматических гетероциклических серосодержащих соединений в нефтепродуктах. Химически модифицированный планарный оптический сенсор содержит последовательно расположенные подложку на основе диэлектрического химически инертного материала, наноструктурированное покрытие толщиной 1-10 мкм на основе наночастиц благородных металлов, размеры которых составляют 20-90 нм, и прозрачную микропористую пленку хитозана, химически модифицированную π-акцепторным соединением, способным распознавать анализируемое вещество и химически связываться с ним путем формирования комплекса с переносом заряда. Также представлены способ получения указанного оптического сенсора и способ анализа полиароматических гетероциклических серосодержащих соединений с использованием данного сенсора. Достигается повышение чувствительности, селективности и экспрессности анализа. 3 н. и 10 з.п. ф-лы, 4 ил., 4 табл.

1. Химически модифицированный планарный оптический сенсор, содержащий последовательно расположенные подложку на основе диэлектрического химически инертного материала и наноструктурированное покрытие на основе наночастиц благородных металлов, отличающийся тем, что он дополнительно содержит расположенную на покрытии на основе наночастиц благородных металлов прозрачную микропористую пленку хитозана, химически модифицированную π-акцепторным соединением, способным распознавать анализируемое вещество и химически связываться с ним путем формирования комплекса с переносом заряда, при этом наночастицы благородных металлов имеют размеры 20-90 нм, а покрытие из них составляет слой толщиной 1-10 мкм.

2. Сенсор по п. 1, отличающийся тем, что в качестве диэлектрического химически инертного материала использован материал, выбранный из ряда: оксид алюминия, оксид магния, диоксид кремния, диоксид циркония, силикатное стекло.

3. Сенсор по п. 1, отличающийся тем, что в качестве благородного металла использовано серебро.

4. Сенсор по п. 1, отличающийся тем, что в качестве благородного металла использовано золото.

5. Сенсор по п. 1, отличающийся тем, что в качестве π-акцепторного соединения использовано соединение из ряда: 1,4-бензохинон; 2,3-дихлор-5,6-дициано-1,4-бензохинон; 7,7,8,8-тетрацианохинондиметан; 9,10-антрацендион; 2,4,5,7-тетранитро-9-флуоренон; 2,7-динитро-9-флуоренон.

6. Способ получения химически модифицированного планарного оптического сенсора, соответствующего п. 1, включающий обработку подложки на основе диэлектрического химически инертного материала до образования поверхности с шероховатостью 1-10 микрон, нанесение на него наноструктурированного покрытия на основе наночастиц благородных металлов, размеры которых составляют 20-90 нм, до толщины 1-10 микрон, с последующим нанесением слоя микропористого хитозана до толщины 50-100 мкм, и химическое модифицирование последнего π-акцепторным соединением, способным распознавать анализируемое вещество и химически связываться с ним путем формирования комплекса с переносом заряда, с последующим высушиванием растворителей.

7. Способ по п. 6, отличающийся тем, что обработку подложки на основе диэлектрического химически инертного материала до образования шероховатой поверхности проводят водным раствором бифторида калия.

8. Способ по п. 6, отличающийся тем, что в качестве π-акцепторннго соединения берут соединение из ряда: 1,4-бензохинон; 2,3-дихлор-5,6-дициано-1,4-бензохинон; 7,7,8,8-тетрацианохинондиметан; 9,10-антрацендион; 2,4,5,7-тетранитро-9-флуоренон; 2,7-динитро-9-флуоренон.

9. Способ по п. 6, отличающийся тем, что химическое модифицирование слоя микропористого хитозана π-акцепторным соединением проводят однократным нанесением последнего в количестве 10-20 мкл с концентрацией 1-10 ммоль/л на 1 см² рабочей площади сенсора.

10. Способ по п. 6, отличающийся тем, что нанесение π-акцепторного соединения проводят из его раствора в органических растворителях, выбранных из ряда: хлороформ, изопропанол, диэтиловый эфир, обеспечивающих концентрацию π-акцепторного соединения 1-10 ммоль/л.

11. Способ анализа полиароматических гетероциклических серосодержащих соединений, включающий нанесение на химически модифицированный планарный оптический сенсор пробы с исследуемым соединением до образования окрашенного межмолекулярного комплекса, детектирование полученного комплекса с помощью спектроскопии гигантского комбинационного рассеяния (ГКР) с последующей расшифровкой характеристических колебаний анализируемых соединений ГКР - спектров с использованием стандартного программного обеспечения, отличающийся тем, что в качестве сенсора используют сенсор, описанный в п. 1.

12. Способ по п. 11, отличающийся тем, что для детектирования анализируемых веществ с концентрациями 10^-5-10^-3 М используют жидкие пробы объемом 15-30 микролитров путем их накалывания на поверхность сенсора.

13. Способ по п. 11, отличающийся тем, что для обеспечения высокой скорости анализа при большом отношении сигнал/шум и отсутствии появления ложной спектральной информации мощность лазерного излучения не превышает 10% от номинальной величины при продолжительности набора спектров аналитов в составе межмолекулярного комплекса не более 10 секунд.