СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ФТОРИД-ИОНОВ В РАСТВОРЕ С ПРИМЕНЕНИЕМ ПИРИДОКСАЛЬ 5'-ФОСФАТ-2-БЕНЗОТИАЗОЛИЛГИДРАЗОНА В КАЧЕСТВЕ ИНДИКАТОРА Российский патент 2024 года по МПК G01N21/64 

Изобретение относится к аналитической химии, а именно к качественному и количественному определению фторид-ионов методом спектрофлуориметрического анализа. Изобретение может быть использовано в бытовой или промышленной водоподготовке для контроля содержания фторид-ионов в воде.

Известно использование соединений, флуоресценция которых в растворе усиливается в присутствии определяемых анионов, в качестве индикаторов фторид-ионов в растворе [Dalapati S, Jana S, Guchhait N (2014) Anion recognition by simple chromogenic and chromo-fluorogenic salicylidene Schiff base or reduced-Schiff base receptors. Spectrochim Acta A Mol Biomol Spectrosc 129:499–508. https://doi.org/10.1016/j.saa.2014.03.090; Ünver H, Boyacioglu B, Demir N, et al (2020) A Schiff base colorimetric probe for real-time naked-eye detection of biologically important fluoride and cyanide ions: Single crystal, experimental, theoretical, biological and antioxidant studies. Journal of Molecular Structure 1221:128663. https://doi.org/10.1016/j.molstruc.2020.128663; Borah N, De S, Gogoi A, Das G (2020) A series of benzothiazole-based Schiff bases for the colorimetric sensing of fluoride and acetate ions: acetate-induced turn-on fluorescence for selectivity. New J Chem 44:18703–18713. https://doi.org/10.1039/D0NJ03516E; Nakwanich B, Koonwong A, Suramitr A, et al (2021) Spectroscopy and a theoretical study of colorimetric sensing of fluoride ions by salicylidene based Schiff base derivatives. Journal of Molecular Structure 1245:131132. https://doi.org/10.1016/j.molstruc.2021.131132; Gauthama BU, Narayana B, Sarojini BK, et al (2020) Colorimetric ‘naked eye’ sensor for fluoride ion based on isatin hydrazones via hydrogen bond formation: Design, synthesis and characterization ascertained by Nuclear Magnetic Resonance, Ultraviolet–Visible, Computational and Electrochemical studies. Inorganic Chemistry Communications 121:108216. https://doi.org/10.1016/j.inoche.2020.108216; Berhanu AL, Gaurav, Mohiuddin I, et al (2019) A review of the applications of Schiff bases as optical chemical sensors. TrAC Trends in Analytical Chemistry 116:74–91. https://doi.org/10.1016/j.trac.2019.04.025; Wan H, Xu Q, Gu P, et al (2021) AIE-based fluorescent sensors for low concentration toxic ion detection in water. Journal of Hazardous Materials 403:123656. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2020.123656; Krishnaveni K, Gurusamy S, Rajakumar K, et al (2022) Aggregation induced emission (AIE), selective fluoride ion sensing and lysozyme interaction properties of Julolidinesulphonyl derived Schiff base. Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry 427:113822. https://doi.org/10.1016/j.jphotochem.2022.113822; Anbu Durai W, Ramu A (2020) Hydrazone Based Dual – Responsive Colorimetric and Ratiometric Chemosensor for the Detection of Cu^2+/F⁻ Ions: DNA Tracking, Practical Performance in Environmental Samples and Tooth Paste. J Fluoresc 30:275–289. https://doi.org/10.1007/s10895-020-02488-0; Saini N, Wannasiri C, Chanmungkalakul S, et al (2019) Furan/thiophene-based fluorescent hydrazones as fluoride and cyanide sensors. Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry 385:112038. https://doi.org/10.1016/j.jphotochem.2019.112038; Mondal A, Banerjee P (2021) Chromofluorogenic sensory probe for ppb level recognition of hazardous F⁻: Proposition towards Hg²⁺ mediated logic gate simulator. Journal of Fluorine Chemistry 246:109783. https://doi.org/10.1016/j.jfluchem.2021.109783; Mondal A, Hazra A, Chakrabarty J, et al (2020) A Harmonized Applied and Theoretical Exploration for Nanomolar Level Recognition of Perilous F⁻ and CN⁻ by Multichannel Chemosensor: Proposition of Hg²⁺-Mediated Logic Gate Imitator. ChemistrySelect 5:11976–11985. https://doi.org/10.1002/slct.202002964].

Наиболее близким к изобретению по технической сущности, то есть прототипом, является способ качественного и количественного определения фторид-ионов в растворе при помощи спектрофлуориметра, при котором к анализируемому раствору, содержащему F^- ионы, добавляли раствор индикатора основания Шиффа пиридоксаль-5’-фосфата и 2-аминотиофенола в диметилсульфоксиде и фиксировали усиление флуоресценции при 500 нм и увеличение квантового выхода флуоресценции [Sharma D, Moirangthem A, Roy SM, et al (2015) Bioimaging application of a novel anion selective chemosensor derived from vitamin B6 cofactor. Journal of Photochemistry and Photobiology B: Biology 148:37–42. https://doi.org/10.1016/j.jphotobiol.2015.03.021]. Данный способ позволяет определять фторид-ионы с концентрацией больше либо равной 1.88 мкмоль/л.

Техническим результатом изобретения является повышение чувствительности и селективности способа качественного и количественного определения фторид-ионов в растворе с достижением предела обнаружения менее 1.88 мкмоль/л.

Указанный результат достигается тем, что в способе качественного и количественного определения фторид-ионов в растворе к анализируемому раствору, содержащему фторид-ионы, добавляют раствор индикатора и фиксируют усиление флуоресценции при определенной длине волны, согласно изобретению, в качестве индикатора используют пиридоксаль 5'-фосфат-2-бензотиазолилгидразон, растворенный в диметилсульфоксиде, усиление флуоресценции оценивают на длине волны 531 нм, а возбуждение происходит на длине волны 420 нм.

Краткое пояснение чертежей

Фиг. 1 – структура нового флуоресцентного индикаторного соединения, флуоресценция которого значительно усиливается в присутствии фторид-ионов; фиг. 2 – видимая невооруженным глазом люминесценция растворов, содержащих индикатор и F^- ионы, по сравнению с растворами, содержащими индикатор и другие анионы; люминесценция возбуждена светом с длиной волны 365 нм; растворитель – ДМСО; фиг. 3 – спектры флуоресценции растворов, содержащих новое индикаторное соединение и различные анионы. Из спектров видно, что добавление фторид-ионов максимально усиливает интенсивность эмиссионного спектра. В качестве источника возбуждения использован свет с длиной волны 420 нм. Растворитель – ДМСО. Фиг. 4 – интенсивность флуоресценции при 531 нм растворов, содержащих новый индикатор, фторид-ионы и другие анионы. Видно, что присутствие различных анионов в эквимолярном количестве не препятствует обнаружению F^- ионов. Флуоресценция возбуждена светом с длиной волны 420 нм. Растворитель – ДМСО. Фиг. 5 – спектры флуоресценции растворов, содержащих новый индикатор (50 мкмоль/л) и фторид-ионы (0 – 200 мкмоль/л) от общей концентрации F^- ионов. Флуоресценция возбуждена светом с длиной волны 420 нм. Растворитель – ДМСО. Фиг. 6 – зависимость интенсивности флуоресценции раствора, содержащего новый индикатор и фторид-ионы от общей концентрации F^- ионов. Показана линейная зависимость интенсивности флуоресценции от концентрации фторид-ионов в пределах их концентрации до 70 мкмоль/л.

Для осуществления изобретения использованы следующие вещества:

- пиридоксаль 5'-фосфат-2-бензотиазолилгидразон – синтезирован по методике.

Синтез индикаторного соединения

Индикатор представляет собой гидразон, получаемый в ходе реакции конденсации пиридоксаль-5-фосфата и 2-гидразинобензотиазола.

Водные растворы пиридоксаль-5'-фосфата 0,25 г (1,0 ммоль) и 2-гидразобензотиазола 0,17 г (1,0 ммоль), предварительно нагревают до 90 °С, смешивают в колбе. При охлаждении реакционной смеси до комнатной температуры выпадает мелкодисперсный оранжевый осадок. Полученный кристаллический продукт фильтруют на фильтре Шотта и промывают ледяной дистиллированной водой и ацетоном и сушат до постоянной массы при 50 °С. Выход 0,33 г, 85%.

Соединение охарактеризовано методами ЯМР и ИК-спектроскопии: ¹H ЯМР (D₂O, pD ~13), δ, млн. д.: 8,29s (1H, H₇), 7,62s (1H, H₆), 7,38d (1H, H₁₀, ³J = 7,8 Гц), 7,09dd (1H, H₁₃, ³J = 7,8 Гц, ⁴J = 0,8 Гц), 7,01td (1H, H₁₂, ³J = 7,8 Гц, ³J = 7,2 Гц, ⁴J = 0,8 Гц), 6,75td (1H, H₁₁, ³J = 7,8 Гц, ³J = 7,2 Гц, ⁴J = 0,8 Гц), 4,83d (2H, H_5’, ²J = 6,8 Гц), 2,20s (3H, H_2’). ¹³C NMR (D₂O, pD ca. 13), млн. д.: 180,4 (C₈), 159,6 (C₉), 152,9 (C₃), 148,6 (C₂), 142,9 (C₇), 131,5 (C₆), 130,8 (C₅), 129,9 (C₁₄), 127,5 (C₄), 125,5 (C₁₂), 121,3 (C₁₀), 119,3 (C₁₁), 115,5 (C₁₃), 63,6 (C_5’), 18,9 (C_2’); IR, (KBr) cм^-1: 3552с, 3480с, 3417с, 3237с, 2917с, 2847с, 2032сл, 1637с, 1618с, 1558ср, 1501ср, 1468с, 1384с, 1270ср, 1115ср, 754ср, 620с, 478ср, 417с.

Общая методика применения заявляемого вещества

Качественное и количественное определение F^- ионов осуществляют следующим образом: точную навеску индикатора растворяют в диметилсульфоксиде. К 2,7 мл полученного раствора, добавленного c помощью автоматического дозатора в флуориметрическую кювету с длиной оптического пути 1 см, сперва прибавляют несколько проб, содержащих известное количество F^- ионов, так, чтобы итоговая концентрация не превышала 50 мкмоль/л, и строят зависимость интенсивности флуоресценции раствора при 531 нм (длина волны возбуждения 420 нм), чтобы получить градуировочный график. Далее к 2,7 мл раствора пиридоксаль 5'-фосфат-2-бензотиазолилгидразона, добавленного в спектрофлуориметрическую кювету с длинной оптического пути 1 см, прибавляют исследуемую пробу воды и находят неизвестную концентрацию фторид-ионов в исследуемом образце.

Механизм усиления интенсивности флуоресценции пиридоксаль 5'-фосфат-2-бензотиазолилгидразона, проявляющего индикаторные свойства по отношению к фторид-ионам, основан на депротонировании соединения и его последующей агрегации в растворе.

Пиридоксаль 5'-фосфат-2-бензотиазолилгидразон показывает существенное усиление интенсивности испускания при возбуждении светом с длиной волны 420 нм. В диапазоне концентраций фторид-ионов до 50 мкмоль/л это усиление интенсивности люминесценции линейно связано с концентрацией аналита, что позволяет провести количественный анализ.

Предел обнаружения и количественного определения были рассчитаны следующим образом: на зависимости интенсивности флуоресценции раствора соединения концентрацией 50 мкмоль/л от концентрации фторид-ионов нашли линейный участок зависимости (до 50 мкмоль/л F^-) и определили соответствующий ему тангенс угла наклона. Предел обнаружения (limit of detection, LOD) определяется по отношению утроенной стандартной погрешности измерения интенсивности флуоресценции, деленой на этот тангенс угла наклона. Предел количественного определения (limit of quantification, LOQ) определяется по отношению удесятеренной стандартной погрешности измерения интенсивности флуоресценции, деленой на этот тангенс угла наклона. Предел обнаружения составляет 0,22 мкмоль/л, предел количественного определения – 0,72 мкмоль/л для нового индикатора.

Пример 1

Пиридоксаль 5'-фосфат-2-бензотиазолилгидразон использовали для определения количества фторид-ионов, добавленного в дистиллированную воду. В 50 мл воды растворяли 15,71 мг KF, что соответствует 5,14 мг F^-. Затем 5 мкл этой воды добавляли к 2,7 мл 50 мкмоль/л раствора пиридоксаль 5'-фосфат-2-бензотиазолилгидразона в ДМСО, что соответствовало концентрации фторида 10 мкмоль/л, и измеряли интенсивность флуоресценции смеси при λ_ex = 420 нм и λ_em = 531 нм.

Анализируемый образец Точное содержание F^-, мг Найденное содержание F^-, мг Дистиллированная вода 5,14±0,01 4,98±0,08

Пример 2

Пиридоксаль 5'-фосфат-2-бензотиазолилгидразон использовали для определения количества фторид-ионов, добавленного в воду («Святой источник», Россия, которая содержит, мг/мл: Ca²⁺ = 0,5-130, Mg²⁺ = 0,5-50, Na⁺ = 0,2-100, K⁺ = 0,1-20, HCO₃^- = 5-350, Cl^- = 0,5-200, SO₄^2- = 0,5-200. Общая минерализация: 0,05-1 г/л). В 50 мл воды «Святой источник» растворяли 29,43 мг KF, что соответствует 9,62 мг F^-. Затем 5 мкл этой воды добавляли к 2,7 мл 50 мкмоль/л раствора пиридоксаль 5'-фосфат-2-бензотиазолилгидразона в ДМСО, что соответствовало концентрации фторида 20 мкмоль/л, и измеряли интенсивность флуоресценции смеси при λ_ex = 420 нм и λ_em = 531 нм.

Анализируемый образец Точное содержание F^-, мг Найденное содержание F^-, мг Минеральная вода «Святой источник» 9,62±0,01 10,31±0,15

Все эксперименты повторяли трижды.

Из приведенных примеров следует, что пиридоксаль 5'-фосфат-2-бензотиазолилгидразон позволяет проводить количественный анализ фторид-ионов в водном растворе с высокой точностью.

Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет с более высокой чувствительностью по сравнению с аналогом качественно и количественно определять спектрофлуориметрическим методом фторид-ионы в водном растворе с пределом обнаружения 0,22 мкмоль/л. Применение пиридоксаль 5'-фосфат-2-бензотиазолилгидразона в качестве индикатора позволяет осуществлять селективный анализ фторид-ионов при одновременном наличии еще ряда анионов.

Изобретение относится к аналитической химии. Раскрыт способ качественного и количественного определения фторид-ионов в растворе, при котором к анализируемому раствору, содержащему фторид-ионы, добавляют раствор индикатора и фиксируют усиление флуоресценции при определенной длине волны, при этом в качестве индикатора используют пиридоксаль 5'-фосфат-2-бензотиазолилгидразон, растворенный в диметилсульфоксиде, усиление флуоресценции оценивают на длине волны 531 нм, а возбуждение происходит на длине волны 420 нм. Изобретение обеспечивает повышение чувствительности и селективности способа качественного и количественного определения фторид ионов в растворе с достижением предела обнаружения менее 1,88 мкмоль/л. 6 ил., 2 табл., 2 пр.

Способ качественного и количественного определения фторид-ионов в растворе, при котором к анализируемому раствору, содержащему фторид-ионы, добавляют раствор индикатора и фиксируют усиление флуоресценции при определенной длине волны, отличающийся тем, что в качестве индикатора используют пиридоксаль 5'-фосфат-2-бензотиазолилгидразон, растворенный в диметилсульфоксиде, усиление флуоресценции оценивают на длине волны 531 нм, а возбуждение происходит на длине волны 420 нм.