СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ НАНОЧАСТИЦ Au, Ni И Cu В ЖИДКИХ ОБЪЕКТАХ Российский патент 2017 года по МПК G01N15/06 

Изобретение относится к области количественного химического анализа с использованием электрохимических методов (вольтамперометрия, в том числе – циклическая, дифференциально-импульсная, инверсионная, а также амперометрия и др.) и предназначено для определения количественного содержания наночастиц металлов (Au, Ni, Cu) в различных формах (окисленной, восстановленной, покрытой оксидом, гидроксидом и пр.) размером от 1 до 1000 нм в диапазоне концентраций 1×10^-5 – 1×10^-3 М в жидких средах: вода (питьевая, природная, сточная), органические жидкости (отработанные жидкости промышленных предприятий, отходы синтеза и прочее).

Наночастицы, в частности металлические, в последние годы получили очень широкое распространение в различных областях: промышленности, медицине, научных исследованиях. Несмотря на значительную пользу и преимущества их применения в указанных областях, возникает проблема загрязнения окружающей среды наноразмерными объектами, обладающими токсичными свойствами. Для контроля содержания наночастиц в объектах природного происхождения с целью отслеживания их возможного загрязнения, для определения загрязненности наночастицами побочных продуктов производств, предназначенных к сбросу в окружающую среду, а также для контроля технологических процессов при производстве и использовании наночастиц необходимы новые, простые, недорогие и экспрессные методы качественного и количественного анализа.

В настоящий момент существует много работ по определению наночастиц, в основу которых легли их оптические свойства. Например, в работе Д. Хоффмана [Hoffman D. Detection of nanoparticles. Patent WO 2005033674, 14.04.2005] описывается оптический сенсор для определения наночастиц, поверхность которого покрыта биомолекулами – пептидами, которые способны специфически связывать наночастицы на поверхности сенсора. В работе группы авторов из Кореи [Jung E.C., Park Y.J., Yeon J.W., Song K.S., Kim W. H., Jee K.Y., Cho H.R. Apparatus for analysis of nanoparticles in aqueous solution by using probe beam detection of laser-induced shock wave and thereon method. Patent KR 100820776, 15.03.2007] описано устройство для определения наночастиц с использованием зондового лазерного пучка.

Однако оптические методы определения имеют ряд недостатков. Например, данные методы слабо применимы к окрашенным или мутным водным средам. Также, следует помнить, что оптические методы не всегда чувствительны к природе определяемого компонента, то есть, не всегда есть возможность выявить специфический отклик, по которому можно однозначно идентифицировать и определить количественное содержание данного конкретного компонента в многокомпонентной системе. Кроме того, для реализации оптических методов измерения необходимо достаточно сложное оборудование, включающее в свой состав источник излучения (в том числе – лазерного), что делает анализ достаточно дорогим.

Данные недостатки отсутствуют у электрохимических методов, которые не требуют сложной аппаратуры. При использовании электрохимических методов анализа можно применять самые простые электрохимические приборы, которые достаточно хорошо проработаны, доступны на рынке и имеют приемлемую стоимость. Электрохимические отклики разных веществ можно различить по положению пиков окисления-восстановления на вольтамперограммах, возможно проведение одновременного или последовательного количественного определения одного или нескольких компонентов в многокомпонентной системе. Кроме того, электрохимические методы отличаются высокой чувствительностью и экспрессностью.

Известен способ [Kim J.H. A detection method of gold nanoparticles using oligonucleotide comprising guanine. Patent KR 101185703, 24.06.2011], где предлагается определять концентрацию наночастиц золота с использованием метода циклической вольтамперометрии. При этом измерение проводят не по электрохимическому сигналу непосредственно наночастиц, а по измерению тока превращения реагентов, добавленных в дисперсию наночастиц. Сначала в дисперсию наночастиц золота добавляют олигонуклеотид – короткий фрагмент ДНК или РНК, содержащий гуанин, который после культивирования фиксируется в дисперсии. Далее к полученному раствору добавляют реагент [Ru(2, 2’-бипиридин)₃]²⁺. Данный комплексный ион способен претерпевать электрохимические превращения, связанные с восстановлением иона рутения (III) до рутения (II). Получаемые в итоговой дисперсии циклические вольтамперограммы дают информацию о количественном содержании золотых наночастиц путем определения тока превращения ионов рутения, пропорционального определенным образом концентрации Au.

Несмотря на то что данный метод не обладает недостатками, присущими оптическим методам, схема метода достаточно сложна – необходимо введение добавок в анализируемый образец, это увеличивает время анализа и удорожает процедуру. Кроме того, метод является косвенным, что вносит свой вклад в погрешности измерений.

Известен другой способ [Zhou Y.G., Rees N.V., Compton R.G. Labelled nanoparticles and methods for their modification and detection. Patent GB 2511982, 11.12.2012] электрохимического определения наночастиц, в котором предлагается использование так называемых «меток». В качестве меток выступают органические соединения, связанные с наночастицами и состоящие из двух основных частей – связующей группы, обеспечивающей связь метки с поверхностью наночастицы и функциональной группы, которая превращается на поверхности электрода (окисляется или восстанавливается), давая сигнал, пропорциональный размеру и концентрации наночастиц.

Преимуществом данного метода является возможность получить детальную информацию не только о содержании наночастиц в дисперсии, но и об их размере. Однако в качестве недостатков можно отметить необходимость подбора и закрепления меток на поверхности наночастиц, что является отдельной и трудоемкой задачей для каждого нового типа наночастиц. Также это делает саму процедуру анализа более трудоемкой и достаточно дорогой. Кроме того, в каждом отдельном случае необходимо устанавливать, по какому закону концентрация и размер частиц зависят от электрохимического сигнала превращения функциональной группы метки на поверхности электрода.

Наиболее близким по своей сути и содержанию к предлагаемому способу является способ, предложенный Р. Комптоном с соавторами [Compton R.G., Tschulik K. Detection and quantification of nanoparticles. Patent WO 2014174304, 25.04.2014]. Авторы предлагают метод качественного и количественного определения наночастиц любой природы размером от 1 до 500 нм в жидких средах с использованием электрохимических техник. Известный способ состоит в выдерживании субстрата – электрода – в жидком образце от 30 секунд до 10 часов для сорбции части наночастиц на его поверхности. В качестве субстрата может использоваться практически любой электрод, однако преимущественно углеродсодержащий и модифицированный цистеином. Далее субстрат переносится в фоновый электролит для проведения электрохимических измерений или может оставаться в образце. При этом образец должен состоять минимум из 98% воды. В качестве индифферентного электролита по заявленному способу может использоваться любой, однако предпочтение отдается NaClO₄. Для получения сигнала в описываемом способе может использоваться практически любая электрохимическая техника, например, циклическая вольтамперометрия, дифференциально-импульсная вольтамперометрия. Однако предпочтение отдается инверсионной вольтамперометрии со скоростью линейной развертки потенциала в интервале от 0,01 до 0,1 В/с. К преимуществам данного метода можно отнести возможность анализа широкого спектра различных объектов на содержание широкого спектра различных наночастиц. Однако можно отметить несколько существенных недостатков.

Во-первых, первая стадия анализа – стадия сорбции наночастиц из жидкого образца может стать источником дополнительных ошибок определения. Сорбционная способность субстрата по отношению к аналиту зависит от среды, из которой идет сорбция. Следовательно, при сорбировании наночастиц из образца и при сорбировании наночастиц из модельных растворов для сравнительного эксперимента не соблюдается постоянство условий. Кроме того, при таком способе нанесения образца на субстрат требуется учет всех возможных компонентов анализируемых растворов. Все это может вносить дополнительную погрешность в количественное определение наночастиц с использованием данного способа.

Во-вторых, в каждом конкретном случае анализа необходимо устанавливать оптимальное время выдерживания субстрата в жидком образце, состав фонового электролита для анализа и остальные условия проведения электрохимических измерений. Это занимает дополнительно время, анализ теряет экспрессность.

Настоящим изобретением решается проблема устранения влияния условий сорбции наночастиц из жидкого образца на точность их определения и сокращения времени анализа из-за дополнительных операций, за счет использования другого способа нанесения анализируемого раствора на субстрат и подбора конкретных условий проведения анализа для каждого конкретного металла из ряда Au, Ni, Cu.

Цель настоящего изобретения – создание быстрого, простого и недорогого способа определения наночастиц металлов из ряда Au, Ni, Cu в жидких объектах.

Положительный результат достигается тем, что:

– Помещение анализируемых наночастиц на детектор – электрод – производится путем нанесения строго определенного количества жидкого образца, содержащего анализируемый объект, на поверхность индикаторного электрода с последующим высушиванием при комнатной температуре или температуре окружающей среды для удаления растворителя и летучих веществ, содержащихся в пробе.

– Детектор (индикаторный электрод) с нанесенной пробой помещается в электрохимическую ячейку с определенным для каждого вида частиц электролитом, и проводятся электрохимические измерения в соответствии с рекомендациями/требованиями для каждого конкретного материала.

Отличительным признаком предложенного способа является то, что для единичного анализа используется от 30 до 100 мкл образца жидкости, нанесенного на поверхность индикаторного электрода, и в качестве аналитических пиков выступают электрохимические сигналы в области +1,0 В для Au в 0,1 М HCl, +0,7 В для Ni в 0,1 М KCl, –0,14 В для Cu в 0,1 М H₂SO₄.

Нанесение известного количества (объема) жидкого образца на электрод позволяет достаточно точно проводить расчет концентрации наночастиц в исходной дисперсии, так как известна аликвота, а количество частиц определяется по методу градуировочного графика или методу внешних стандартов. При проведении исследований и апробировании метода было выявлено, что при перемешивании фонового электролита в течение длительного времени перед анализом не происходит снижения сигнала наночастиц на поверхности индикаторного электрода, что говорит о прочном закреплении наночастиц определяемого вещества на поверхности. Также не было выявлено мешающего влияния компонентов пробы на появление и измерение сигнала наночастиц, нанесенных на поверхность индикаторного электрода.

Важным преимуществом предлагаемого метода является также то, что не более чем за 3 цикла развертки происходит полное исчезновение пиков определяемых наночастиц, что говорит о легкой регенерации электрода для следующих анализов. Причем, повторные измерения повторяют полученный ранее результат. То есть, не требуется дополнительной чистки поверхности электрода перед проведением дальнейших анализов, так как наночастицы в ходе развертки потенциала необратимо десорбируются с поверхности. Погрешность определения рассчитывается по трем измерениям.

Предлагаемый способ поясняется схемой, представленной на рисунке 1, где цифрами обозначены:

(1) Чистая подготовленная поверхность индикаторного электрода (а).

(2) Нанесение аликвоты жидкой пробы, содержащей наночастицы определяемого материала (б).

(3) Высушивание поверхности индикаторного электрода с нанесенной пробой для удаления растворителя (в), определяемые наночастицы остаются на рабочей поверхности (г).

(4) Помещение электрода с нанесенным образцом в электрохимическую ячейку (д) с электролитом (е) и электродом сравнения (ж).

(5) Подключение ячейки (д) через контакты (з) электродов к потенциостату (и), съемка и анализ электрохимических данных.

Предлагаемый способ осуществляется следующим образом и включает этапы:

1. Подготовка поверхности индикаторного электрода к нанесению образца путем шлифовки, полировки и промывания дистиллированной водой* и получения циклической вольтамперограммы фонового электролита (фоновой вольтамперограммы) в диапазоне съемки от 0 до +1,3 В для Au и Ni и от -0,3 до +1,2 В для Cu**.

*Примечание 1: данная подготовка проводится только перед первым анализом из серии измерений.

**Примечание 2: Получение фоновой вольтамперограммы необходимо перед каждым измерением.

2. Нанесение строго определенного объема образца – аликвоты – на поверхность индикаторного электрода с использованием микропипетки. Количество образца зависит от предполагаемой концентрации наночастиц в нем: для сильно разбавленных растворов объем должен составлять не менее 100 мкл жидкого образца, для более концентрированных – от 30 до 50 мкл (приблизительно равно 1 капле водного раствора).

3. Высушивание поверхности индикаторного электрода при комнатной температуре или при температуре окружающей среды до полного удаления растворителя и летучих компонентов пробы.

4. Внесение индикаторного электрода с наночастицами на поверхности в электрохимическую ячейку, содержащую электролит: при определении наночастиц золота – 0,1 М соляная кислота, при определении никеля – 0,1 М хлорид калия, при определении наночастиц меди – 0,1 М серная кислота.

5. Получение не менее трех циклических вольтамперограмм для каждого образца в диапазонах потенциалов: от 0 до +1,3 В и обратно для наночастиц Au и Ni и от -0,3 до +1,2 В и обратно для наночастиц Cu. Скорость изменения потенциала может быть установлена в диапазоне от 10 до 200 мВ/с.

6. Определение величины тока аналитического пика электропревращения аналита на вольтамперограммах: для наночастиц Au – анодный пик в области +1,2 В (относительно хлорид-серебряного электрода – ХСЭ), для наночастиц Ni – катодный пик в области +0,9 В (ХСЭ), для наночастиц меди – анодный пик в области +0,08 В (ХСЭ).

7. Проводится расчет концентрации наночастиц определяемого металла в образце с использованием уравнения градуировочной зависимости для данных конкретных условий (строится с использованием стандартных методик, но с нанесением эталонных растворов на электрод предлагаемым в данном документе способом), или с использованием метода внешних стандартов (также проводится по стандартной методике в тех же условиях, что и замеры). Кроме того, три полученных значения концентрации подвергаются статистической обработке по стандартной схеме.

Условия измерений сгруппированы в Таблице 1.

Таблица 1. Условия измерений, используемые для определения концентрации наночастиц Au, Ni, Cu по предлагаемому способу.

Металл Аликвота Фоновый электролит Диапазон изменений потенциала Скорость изменения развертки Положение аналитического пика
(ХСЭ) Au 30-100 мкл 0,1 М HCl 0 В – +1,3 В 0,01-0,2 В/с анодн. +1,2 В Ni 0,1 М KCl 0 В – +1,3 В катодн. +0,9 В Cu 0,1 M H₂SO₄ -0,3 В – +1,2 В анодн. +0,08 В

Пример 1

Четыре водные дисперсии наночастиц золота с размером от 20 до 100 нм, полученные методом лазерной абляции, с концентрациями 8,1×10^-5; 1,4×10^-4; 2,1×10^-4; 4,3×10^-4 М были поочередно нанесены на предварительно подготовленный индикаторный стеклоуглеродный электрод в объеме 30 мкл каждый. Для каждой дисперсии были получены циклические вольтамперограммы в 0,1 М растворе соляной кислоты, в области потенциалов от 0 до +1,3 В и обратно, со скоростью изменения потенциала 30 мВ/с. Полученные вольтамперограммы (одна из параллелей) совместно с вольтамперограммой фона приведены на Рисунке 2 (для электродов с нанесенными водными дисперсиями наночастиц золота с размером от 20 до 100 нм, полученными методом лазерной абляции, с концентрациями 8,1×10^-5; 1,4×10^-4; 2,1×10^-4; 4,3×10^-4 М). По измеренным значениям величин аналитического пика построена градуировочная зависимость для данного диапазона концентраций наночастиц золота (Рисунок 3), R²=0,997. Уравнение прямой линии, описывающее данную зависимость: I (нА)=1,4×10⁷·С (М) – 1×10³. Экспериментально измерив величину тока аналитического пика электропревращения наночастиц золота и подставив его величину в нА в уравнение, можно рассчитать концентрацию наночастиц Au в неизвестной пробе.

Пример 2

Образец с неизвестным содержанием наночастиц золота в водно-спиртовой смеси нанесли на поверхность предварительно подготовленного стеклоуглеродного электрода в объеме 50 мкл. В 0,1 М HCl были получены циклические вольтамперограммы электрода с нанесенным образцом в области 0 В – +1,3 В, при скорости развертки 30 мВ/с (одна из параллелей – Рисунок 4, на котором представлена циклическая вольтамперограмма фонового электролита и электрода с нанесенным образцом, содержащим наночастицы золота водно-спиртовой смеси, полученная в 0,1 М HCl в области потенциалов 0 В – +1,3 В, при скорости развертки 30 мВ/с). Усредненная величина тока аналитического пика составила 3015 нА. Расчет с использованием уравнения, приведенного в предыдущем разделе, дал результат в 2,86×10^-4 М. Так как для нанесения на электрод использовалась аликвота 50 мкл, а для построения градуировочной зависимости – аливкота в 30 мкл, то найденное значение концентрации наночастиц золота в образце составило 4,76×10^-4 М.

Пример 3

Образец дисперсии наночастиц меди в спирте наносился на поверхность индикаторного электрода (объем 100 мкл). После высушивания электрода при комнатной температуре, была получена циклическая вольтамперограмма образца в 0,1 М серной кислоте при скорости изменения потенциала 100 мВ/с. Вольтамперограмма образца (одна из параллелей) вместе с вольтамперограммой фона приведена на Рисунке 5. Средняя величина тока аналитического пика составила 18 мкА. Далее при тех же условиях были получены вольтамперограммы двух эталонных образцов, концентрации которых были подобраны так, чтобы величины их пиков находились по обе стороны от величины тока пика измеряемого образца (12 и 27 мкА для 1,8×10^-3 и 4,0×10^-3 М, соответственно). Далее по методу внешних стандартов производился расчет концентрации медных наночастиц в образце, которая составила 2,6×10^-3 М.

Пример 4

Для построения градуировочной зависимости были взяты 5 водных дисперсий наночастиц никеля со следующими концентрациями: 4,3×10^-3 М; 2,2×10^-3 М; 1,1×10^-3 М; 5,5×10^-4 М; 2,8×10^-4 М. Объем каждого раствора, нанесенный на электрод для анализа, составил 30 мкл. Полученные в 0,1 М хлориде калия в диапазоне потенциалов от 0 до +1,3 В со скоростью 50 мВ/с циклические вольтамперограммы данных дисперсий (одна из параллелей) приведены на Рисунке 6. Полученная градуировочная зависимость линейна во всем указанном диапазоне концентраций.

Далее в тех же условиях получены циклические вольтамперограммы образца с неизвестным содержанием наночастиц никеля (одна из параллелей совместно с вольтамперограммой фона представлена на Рисунке 7 - Циклическая вольтамперограмма фонового электролита и электрода с нанесенным образцом с неизвестным содержанием наночастиц никеля в 0,1 М хлориде калия в диапазоне потенциалов от 0 до +1,3 В со скоростью 50 мВ/с). Рассчитанная по средней величине тока аналитического пика концентрация наночастиц Ni в образце составила 4,9×10^-4 М.

Использование: для количественного химического анализа с использованием электрохимических методов. Сущность изобретения заключается в том, что способ заключается в получении циклических вольтамперограмм с последующим расчетом концентрации наночастиц в образце по значениям тока аналитического пика, при этом для единичного анализа используется от 30 до 100 мкл образца жидкости, нанесенного на поверхность индикаторного электрода, и в качестве аналитических пиков выступают сигналы в области +1,0 В для Au в 0,1 М HCl, +0,7 В для Ni в 0,1 М KCl, –0,14 В для Cu в 0,1 М H₂SO₄. Технический результат: обеспечение возможности устранения влияния условий сорбции наночастиц из жидкого образца на точность их определения и сокращения времени анализа. 7 ил., 1 табл.

Способ количественного определения наночастиц металлов из ряда Au, Ni, Cu в жидких объектах в диапазоне концентраций 1*10^-5 – 1*10^-3 М электрохимическим методом, заключающийся в получении циклических вольтамперограмм с последующим расчетом концентрации наночастиц в образце по значениям тока аналитического пика, отличающийся тем, что для единичного анализа используется от 30 до 100 мкл образца жидкости, нанесенного на поверхность индикаторного электрода, и в качестве аналитических пиков выступают сигналы в области +1,0 В для Au в 0,1 М HCl, +0,7 В для Ni в 0,1 М KCl, –0,14 В для Cu в 0,1 М H₂SO₄.