Химический сенсор для обнаружения катионов бария или стронция Российский патент 2024 года по МПК G01N21/29 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Изобретение относится к области аналитической химии, а именно к исследованию материалов путем наблюдения за изменением цвета химического сенсора. Изобретение может быть использовано при проведении экологического мониторинга состояния объектов окружающей среды на наличие загрязнений катионами бария или стронция, в том числе для оценки содержания данных катионов в пластовых водах при добыче нефти.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Способы определения стронция и бария немногочисленны и, из-за невысокого уровня воздействия данных катионов на организм человека и окружающую среду, определяются преимущественно совместно с другими соединениями. В химических лабораториях, при наличии соответствующего оборудования, стронций и барий определяются спектрофотометрическим методом с применением капиллярного электрофореза ввиду его быстроты и чувствительности [ГОСТ 31869-2012. Вода. Методы определения содержания катионов (аммония, бария, калия, кальция, лития, магния, натрия, стронция) с использованием капиллярного электрофореза. Метод А].

Измерение выполняется при помощи системы (анализатора) капиллярного электрофореза с источником высокого напряжения положительной полярности, оснащенной кварцевым капилляром, спектрофотометрическим детектором и компьютером со социальным программным обеспечением для регистрации и обработки электрофореграмм. Кроме того, при необходимости определить только содержание стронция и бария, придется воспользоваться такими методами как спектроскопия, турбидиметрия, гравиметрия или титрование.

Турбидиметрический метод определения массовой концентрации ионов бария основан на малой растворимости хромата бария в нейтральной среде. В данном методе оптическую плотность раствора измеряют при помощи спектрофотометра в видимой области спектра в кюветах с длиной поглощающего слоя 30 мм. Диапазон измерений данного метода составляет от 0,1 до 6,0 мг/дм³ [ПНД Ф 14.1:2:3:4.264-2011. Количественный химический анализ вод. Методика измерений массовой концентрации бария в питьевых, поверхностных, подземных пресных и сточных водах турбидиметрическим методом с хроматом калия]. Аналитический прибор спектрофотометр позволяет определять маленькие концентрации металлов с высокой точностью. Однако недостатками вышеперечисленных методов являются дорогостоящее оборудование, необходимость пробоподготовки, невозможность определения ионов стронция и бария во внелабораторных условиях.

Гравиметрический метод [ГОСТ 30240.1-95. Концентрат баритовый. Методы определения сульфата бария], несмотря на высокую точность и использования аналитических весов в качестве средства измерения, является самым длительным и трудоемким, требует долгой пробоподготовки, что делает его непригодным для крупных исследований состава воды на содержание ионов бария.

Эмиссионный пламенно-фотометрический метод определения стронция [ГОСТ 23950-88. Вода питьевая. Метод определения массовой концентрации стронция] основан на измерении абсолютной интенсивности излучения наиболее чувствительной резонансной линии стронция 461 нм при возбуждении его в пропановоздушном или ацетиленовоздушном пламени. Диапазон измерений 0,5-10 мг/дм³. Для осуществления данного метода необходимо использовать спектрометр с системой призм или дифракционной решеткой, с электронным фотоумножителем, с пламенным атомизатором, работающий в эмиссионном режиме, подключенный к компьютеру со специальным программным обеспечением.

Метод атомно-эмиссионной спектроскопии с индуктивно связанной плазмой [ПНД Ф 14.1:2:4.135-98. Количественный химический анализ вод. Методика выполнения измерений массовой концентрации элементов в пробах питьевой, природных, сточных вод и атмосферных осадков методом атомно-эмиссионной спектрометрии с индуктивно связанной плазмой] основан на измерении интенсивности излучения возбужденных в аргоновой плазме атомов и ионов определяемого элемента на атомно-эмиссионном спектрометре с индуктивно связанной плазмой с полихроматором и/или полупроводниковым матричным детектором. Данный метод позволяет определять только суммарную массовую концентрацию элемента вне зависимости от его состояния и валентности (барий от 0,0010 до 5,0 мг/дм³, стронций от 0,0010 до 10 мг/дм³).

Метод атомно-абсорбционной спектроскопии [ПНД Ф 014.1:2:4.137-98. Методика выполнения измерений массовых концентраций магния, кальция и стронция в питьевых, природных и сточных водах методом атомно-абсорбционной спектрометрии] основан на измерении резонансного поглощения света свободными атомами стронция при прохождении света через атомный пар исследуемого образца, образующийся в пламени при помощи атомно-абсорбционного спектрометра с пламенным атомизатором. Данный метод позволяет определить концентрацию стронция в диапазоне от 0,1 до 20 мг/дм³.

Приведенные выше методы и используемые устройства позволяют получить высокоточные, воспроизводимые результаты, однако требуют дорогостоящего оборудования, специального программного обеспечения и квалифицированного персонала для проведения анализа, что может стать проблемой при необходимости быстрого обнаружения катионов стронция или бария в объектах окружающей среды.

Известен способ количественного определения стронция и бария методом трилонометрического титрования с маскировкой мешающих ионов цинка, кадмия, ртути, свинца и олова соединениями типа 2,3-димеркаптопропанола, с применением в качестве маскирующего реагента унитиола (2,3-димсркаптопропансульфонат натрия) [Авторское свидетельство СССР № 131535 A1, МПК G01N 31/16, C01F 1/00. Способ количественного определения стронция и бария: № 648262: заявл. 24.12.1959: опубл. 10.10.1960 / Л.А. Вольф – EDN DLJIZG]. Несмотря на высокую чувствительность и селективность метода по отношению к катионам бария и стронция, и отсутствия сложного аналитического оборудования данный способ имеет недостатки: необходимость трудоемкой пробоподготовки и невозможность проведения внелабораторного анализа.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению (аналогом) является способ определения количества анализируемого вещества в исследуемых пробах по аналитическому сигналу с использованием цветовой шкалы [Патент № 2428663 C1, Российская Федерация, МПК G01J 3/46, Способ определения количества анализируемого вещества по цветовой шкале: № 2010114385/28: заявл. 12.04.2010: опубл. 10.09.2011 / С.В. Муравьев, Н.А. Гавриленко, А.С. Спиридонова, С.В. Силушкин; заявитель Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет". – EDN HXUCLO]. Недостатком этого способа является использование в устройстве полимерной матрицы и довольно трудоемкое изготовление оптода.

РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Технический результат, на достижение которого направлено изобретение, заключается в разработке простого селективного устройства для проведения внелабораторного экспресс-определения содержания катионов бария или стронция в объектах окружающей среды.

Технический результат достигается тем, что в устройстве используют синтезированное заявителем соединение - 4',5''-бис(1-гидрокси-2-трифторметилацетамид-9,10-антрахинон-9-имино)-дибензо-18-краун-6-эфир (далее - хемосенсор) (фиг. 1), обладающее сенсорными свойствами по отношению к катионам щелочных и щелочноземельных металлов. В результате комплексообразования с катионами щелочных и щелочноземельных металлов наблюдаются катион-индуцированные гипсохромные сдвиги длинноволновой полосы поглощения растворов хемосенсора. В таблице 1 приведены количественные характеристики спектральных изменений растворов в ацетонитриле хемосенсора до и после добавления перхлоратов щелочных и щелочноземельных металлов.

Таблица 1 – Изменение электронных спектров поглощения растворов хемосенсора (С_L = 1⋅10^-4 М) в MeCN до и после прибавления перхлоратов щелочных и щелочноземельных металлов. [L]/[Mⁿ⁺] = 1:10

Соединение λ_max (Δλ_max), нм L Li⁺ Na⁺ K⁺ Mg²⁺ Са²⁺ Ba²⁺ Sr²⁺ Хемосенсор 573 0 -1 -3 -5 -10 -152 -152

Наибольший гипсохромный сдвиг длинноволновой полосы поглощения хемосеносра наблюдается при добавлении катионов стронция или бария и составляет 152 нм. Ввиду визуально наблюдаемых контрастных изменений цвета растворов от темно-бордового до светло-розового, данное соединение является перспективным хемосенсором на катионы бария или стронция. Для удобства проведения анализа содержания катионов бария или стронция в природных объектах проводили иммобилизацию хемосенсора на бумажную матрицу.

Проведение химического анализа с помощью данного изобретения не требует высокоточного аналитического оборудования, квалифицированных кадров и проведения анализа в специализированной лаборатории, что позволяет уменьшить затраты и время на проведение мониторинга содержания катионов бария и стронция в объектах окружающей среды для различных целей.

Настоящее изобретение направлено на упрощение способа проведения качественного и количественного анализа содержания катионов бария или стронция в природных объектах благодаря экспрессности метода и простоты использования устройства.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Фиг. 1 – Химическая структура 4',5''-бис(1-гидрокси-2-трифторметилацетамид-9,10-антрахинон-9-имино)-дибензо-18-краун-6-эфира.

Фиг. 2 – Цветовая градуировочная шкала для разных концентраций растворов бария.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Для создания тестера проводили иммобилизацию хемосенсора на бумажную подложку. В качестве бумажной матрицы была выбрана фильтровальная бумага «Синяя лента», ввиду ее высокой впитывающей способности и доступности. Полоски из фильтровальной бумаги «Синяя лента» размером 3×2 см погружали в раствор хемосенсора в ацетонитриле и выдерживали 5 минут, затем сушили на воздухе в течение 3 часов. Для построения цветовой градуировочной шкалы на тест-полоски наносили водные растворы перхлората бария или стронция в концентрациях 10^-2 – 10^-6 М. Полоски приобретали окраску от темно-бордовой до светло-розовой соответственно (фиг. 2). Аналогичным способом изготавливалась градуировочная шкала для катионов стронция. Минимальная концентрация обнаружения катионов бария или стронция оставляет 10^-4 М. Разработанный тип хемосенсора прост в изготовлении, устойчив к воздействию воздуха, влаги, температур, не теряет чувствительности при длительном хранении, может быть использован для проведения внелабораторного экспресс-анализа.

Изобретение относится к области анализа материалов и касается устройства для визуального определения содержания катионов бария или стронция в объектах окружающей среды. Устройство состоит из соединения - 4',5''-бис(1-гидрокси-2-трифторметилацетамид-9,10-антрахинон-9-имино)-дибензо-18-краун-6-эфир, иммобилизованного на бумажную матрицу. Содержание катионов бария и стронция определяется посредством сравнения интенсивности окраски бумажной матрицы с градуировочной шкалой. Технический результат заключается в создании простого устройства для проведения внелабораторного экспресс-определения содержания катионов бария и стронция в объектах окружающей среды. 2 ил., 1 табл.

Устройство для визуального определения содержания катионов бария или стронция в объектах окружающей среды колориметрическим способом посредством сравнения интенсивности окраски бумажной матрицы с градуировочной шкалой, отличающееся тем, что устройство состоит из соединения - 4',5''-бис(1-гидрокси-2-трифторметилацетамид-9,10-антрахинон-9-имино)-дибензо-18-краун-6-эфир, иммобилизованного на бумажную матрицу.