СПОСОБ КАЧЕСТВЕННОГО И КОЛИЧЕСТВЕННОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ИОНОВ Cu В РАСТВОРЕ Российский патент 2025 года по МПК G01N21/64 

Это изобретение относится к области аналитической химии и предназначено для определения ионов Cu²⁺ с использованием методов спектрофотометрии и спектрофлуориметрии. Оно может быть применено в различных отраслях, включая горнодобывающую и химическую промышленность, сельское хозяйство, для анализа содержания ионов Cu²⁺ в растворе.

Известны способы определения ионов Cu²⁺ в растворе c использованием соединений, цвет или флуоресценция которых в растворе изменяется в присутствии определяемых катионов [Z.-H. Fu, L.-B. Yan, X. Zhang, F.-F. Zhu, X.-L. Han, J. Fang, Y.-W. Wang, Y. Peng, A fluorescein-based chemosensor for relay fluorescence recognition of Cu(II) ions and biothiols in water and its applications to a molecular logic gate and living cell imaging, Org. Biomol. Chem. 15 (2017) 4115-4121. https://doi.org/10.1039/C7OB00525C; V. Bhardwaj, A.K. Sk, S.K. Sahoo, Pyridoxal derived red-emitting aggregates for the ratiometric sensing of pH and copper(II), Opt. Mater. 136 (2023) 113414. https://doi.org/10.1016/j.optmat.2022.113414; P.G. Mahajan, N.C. Dige, B.D. Vanjare, S.-H. Eo, S.J. Kim, K.H. Lee, A nano sensor for sensitive and selective detection of Cu2+ based on fluorescein: Cell imaging and drinking water analysis, Spectrochim. Acta. A. Mol. Biomol. Spectrosc. 216 (2019) 105-116. https://doi.org/10.1016/j.saa.2019.03.021; X. Bao, Q. Cao, X. Wu, H. Shu, B. Zhou, Y. Geng, J. Zhu, Design and synthesis of a new selective fluorescent chemical sensor for Cu2+ based on a Pyrrole moiety and a Fluorescein conjugate, Tetrahedron Lett. 57 (2016) 942-948. https://doi.org/10.1016/j.tetlet.2016.01.056; F. Ge, H. Ye, J.-Z. Luo, S. Wang, Y.-J. Sun, B.-X. Zhao, J.-Y. Miao, A new fluorescent and colorimetric chemosensor for Cu(II) based on rhodamine hydrazone and ferrocene unit, Sens. Actuators B Chem. 181 (2013) 215-220. https://doi.org/10.1016/j.snb.2013.01.048; Y. Wang, H.-Q. Chang, W.-N. Wu, W.-B. Peng, Y.-F. Yan, C.-M. He, T.-T. Chen, X.-L. Zhao, Z.-Q. Xu, Rhodamine 6G hydrazone bearing pyrrole unit: Ratiometric and selective fluorescent sensor for Cu2+ based on two different approaches, Sens. Actuators B Chem. 228 (2016) 395-400. https://doi.org/10.1016/j.snb.2016.01.052; X. Li, Q. Wen, J. Gu, W. Liu, Q. Wang, G. Zhou, J. Gao, Y. Zheng, Diverse reactivity to hypochlorite and copper ions based on a novel Schiff base derived from vitamin B₆ cofactor, J. Mol. Liq. 319 (2020) 114124. https://doi.org/10.1016/j.molliq.2020.114124].

Наиболее близким к изобретению по технической сущности, то есть прототипом, является способ определения ионов Cu²⁺ с использованием гидразона родамина 6G и этил 5-формил-3,4-диметил-пиррол-2-карбоксилата, при котором для качественного и количественного определения ионов Cu²⁺ в растворе к анализируемой пробе, содержащей ионы Cu²⁺, добавляли раствор индикатора (гидразона родамина 6G и этил 5-формил-3,4-диметил-пиррол-2-карбоксилата в смеси этанол - Трис-HCl буфер, pH 7,2 (2/8 об/об) и фиксировали увеличение оптической плотности при 525 нм, и усиление флуоресценции при 550 нм с увеличение квантового выхода при помощи спектрофлуориметра [Y. Wang, H.-Q. Chang, W.-N. Wu, W.-B. Peng, Y.-F. Yan, C.-M. He, T.-T. Chen, X.-L. Zhao, Z.-Q. Xu, Rhodamine 6G hydrazone bearing pyrrole unit: Ratiometric and selective fluorescent sensor for Cu2+ based on two different approaches, Sens. Actuators B Chem. 228 (2016) 395-400. https://doi.org/10.1016/j.snb.2016.01.052]. Данный способ позволяет селективно определить ионы меди(II) с концентрацией больше либо равной 2,94 мкмоль/л.

Недостатком представленных аналогов является довольно низкая чувствительность индикаторного соединения при определении ионов меди(II) в растворе.

Техническим результатом изобретения является повышение чувствительности способа, то есть снижение предела обнаружения ионов Cu²⁺ в растворе.

Указанный результат достигается тем, что в способе качественного и количественного определения ионов Cu²⁺ в растворе, заключающемся в том, что к анализируемой пробе, содержащей ионы Cu²⁺, добавляют раствор индикатора и фиксируют увеличение оптической плотности на спектрофотометре и усиление флуоресценции с увеличением квантового выхода при помощи спектрофлуориметра, согласно изобретению в качестве индикатора используют гидразид флуоресцеина, в качестве растворителя используют смесь ацетонитрил - Трис-HCl буфер, pH 7,4 (9/1 об./об.), увеличение оптической плотности фиксируют при 535 нм; усиление флуоресценции оценивают на длине волны 651 нм, а возбуждение осуществляют на длине волны 538 нм.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображена структура индикатора на ионы меди(II); на фиг. 2 приведены электронные спектры поглощения растворов, содержащих индикаторное соединение и катионы различных металлов; на фиг. 3 приведены спектры флуоресценции растворов, содержащих индикаторное соединение и катионы различных металлов; на фиг. 4а. представлена оптическая плотность при 535 нм растворов, содержащих новый индикатор, ионы Cu²⁺ и другие катионы металлов, на фиг. 4б показана интенсивность флуоресценции при 651 нм растворов, содержащих новый индикатор, ионы Cu²⁺ и другие катионы металлов. Из фиг. 4а, б видно, что присутствие ионов металлов в эквимолярном количестве не препятствует качественному обнаружению ионов Cu²⁺; на фиг. 5а представлена оптическая плотность при 535 нм растворов, содержащих индикатор, ионы Cu²⁺ и различные анионы, на фиг. 5б показана интенсивность флуоресценции при 651 нм растворов, содержащих индикатор, ионы Cu²⁺ и различные анионы. Из фиг. 5а, б видно, что присутствие анионов в эквимолярном количестве не препятствует качественному и количественному обнаружению ионов Cu²⁺. Флуоресценция возбуждена светом с длиной волны 538 нм; на фиг. 6а изображены электронные спектры поглощения растворов, содержащих индикатор (50 мкмоль/л) и ионы Cu²⁺ (0 - 88 мкмоль/л). Показано, что при увеличении концентрации ионов Cu²⁺ наблюдается увеличение оптической плотности при 535 нм. На фиг. 6б показаны спектры флуоресценции растворов индикатора (50 мкмоль/л) и ионов Cu²⁺ (0 - 79 мкмоль/л). Фиг. 7а - зависимость оптической плотности при 535 нм от общей концентрации ионов меди(II). Фиг. 7б - зависимость интенсивности флуоресценции раствора индикатора при 651 нм от общей концентрации ионов Cu²⁺.

Достижение заявленного технического результата в предлагаемом способе обусловлено применением гидразида флуоресцеина. Механизм изменения цвета и увеличения интенсивности флуоресценции данного соединения связан с раскрытием спиролактамного кольца ксантенового красителя в присутствии ионов Cu²⁺, что приводит к увеличению сопряженной системы и структурной жесткости молекулы. В результате чего увеличивается чувствительность способа определения ионов Cu²⁺ и уменьшается предел обнаружения.

Для осуществления изобретения использованы следующие вещества:

- гидразид флуоресцеина - синтез осуществлялся по известной методике [G. Zhao, Y. Sun, H. Duan, Four xanthene-fluorene based probes for the detection of Hg²⁺ ions and their application in strip tests and biological cells, New J. Chem. 45 (2021) 685-695. https://doi.org/10.1039/D0NJ05155A];

- ацетонитрил, хч, ЭКОС-1, Россия, ТУ 2636-092-44493179-04;

- дистиллированная вода, (κ = 3,6 μS/см, pH = 6,6). ГОСТ 6709-72;

- Трис-HCl буфер, pH 7,4. ТУ 9398-036-05595541-2011.

Для записи электронных спектров поглощения использован спектрофотометр Shimadzu UV1800 (Shimadzu, USA). Для фиксирования спектров флуоресценции использован спектрофлуориметр Shimadzu RF6000 (Shimadzu, USA)

Изобретение осуществляют следующим образом.

Точную навеску индикатора растворяют в ацетонитриле и добавляют 10 об. % водного Трис-HCl буфера, pH 7,4. К 2,7 мл полученного раствора, добавленного c помощью автоматического дозатора, в спектрофотометрическую или флуориметрическую кювету с длиной оптического пути 1 см. Первоначально прибавляют несколько проб, содержащих известное количество ионов Cu²⁺, так, чтобы итоговая концентрация не превышала 40 мкмоль/л. Затем строят зависимость оптической плотности при 535 нм или зависимость интенсивности флуоресценции раствора при 651 нм (длина волны возбуждения 538 нм), чтобы получить градуировочный график определения ионов Cu²⁺. Далее к 2,7 мл раствора гидразида флуоресцеина, добавленного в спектрофотометрическую или спектрофлуориметрическую кювету с длиной оптического пути 1 см, прибавляют исследуемую пробу воды и находят неизвестную концентрацию ионов Cu²⁺ в исследуемом образце путем измерения оптической плотности при 535 нм или интенсивности флуоресценции при 651 нм.

Гидразид флуоресцеина показывает существенное увеличение оптической плотности при 535 нм в присутствии ионов Cu²⁺ в растворе ацетонитрил - Трис-HCl буфер, pH 7,4 (9/1 об/об). Кроме того, наблюдается усиление интенсивности эмиссии при 651 нм при возбуждении светом с длиной волны 538 нм. В диапазоне концентраций ионов Cu²⁺ до 40 мкмоль/л увеличение оптической плотности и интенсивности флуоресценции прямо пропорционально концентрации аналита, что обеспечивает возможность проведения количественного анализа.

Предел обнаружения и количественного определения рассчитывают следующим образом: на зависимости интенсивности флуоресценции раствора индикатора с концентрацией 50 мкмоль/л от концентрации ионов Cu²⁺ находят линейный участок зависимости (до 40 мкмоль/л Cu²⁺) и определяют соответствующий ему тангенс угла наклона. Предел обнаружения (limit of detection, LOD) определяют по отношению утроенной стандартной погрешности измерения оптической плотности или интенсивности флуоресценции раствора индикатора, поделенной на этот тангенс угла наклона:

Предел количественного определения (limit of quantification, LOQ) определяют по отношению удесятеренной стандартной погрешности измерения оптической плотности или интенсивности флуоресценции раствора индикатора, поделенной на этот тангенс угла наклона:

Предел качественного обнаружения составляет 0,64 мкмоль/л для спектрофотометического метода и 0,24 мкмоль/л для спектрофлуориметрического метода, предел количественного определения - 2,13 мкмоль/л для спектрофотометического метода и 0,80 мкмоль/л для спектрофлуориметрического метода.

Пример 1

Заявленный способ используют для анализа количества Cu²⁺, добавленного в речную воду (река Уводь, координаты места отбора пробы - 57°00'09.0"N 40°59'46.7"E). К 5 мл речной воды добавляют раствор нитрата меди(II), что соответствует концентрации ионов меди(II) 400 мкмоль/л. Затем различное количество этого раствора добавляют к 2,7 мл 50 мкмоль/л раствора гидразида флуоресцеина в растворе ацетонитрил - Трис-HCl буфер, pH 7.,4 (9/1 об/об) и измеряют оптическую плотность при 535 нм смеси индикатора с ионами меди(II). Результаты анализа предоставлены в таблице 1.

Таблица 1

Образец Добавлено, мкмоль/л Найдено, мкмоль/л Вода из реки
Уводь 5,00 мкмоль/л 5,05±0,19 мкмоль/л 10,00 мкмоль/л 9,84±0,36 мкмоль/л 15,00 мкмоль/л 14,91±0,25 мкмоль/л

Пример 2

Заявленный способ используют для анализа количества Cu²⁺, добавленного в речную воду (река Чеснава, координаты места отбора пробы - 58°23'49.1"N 38°11'64.7"). К 5 мл речной воды добавляют раствор нитрата меди(II), что соответствует концентрации ионов меди(II) 400 мкмоль/л. Затем различное количество этого раствора добавляют к 2,7 мл 50 мкмоль/л раствора гидразида флуоресцеина в растворе ацетонитрил - Трис-HCl буфер, pH 7.4 (9/1 об/об) и измеряют интенсивность флуоресценции смеси при λ_ex = 538 нм и λ_em = 651 нм. Результаты анализа предоставлены в таблице 2.

Таблица 2

Образец Добавлено, мкмоль/л Найдено, мкмоль/л Вода из река Чеснава 5,00 мкмоль/л 4,84±0,39 мкмоль/л 10,00 мкмоль/л 9,61±0,51 мкмоль/л 15,00 мкмоль/л 14,70±0,68 мкмоль/л

Все эксперименты повторяют трижды.

Из указанных примеров можно сделать вывод, что предложенный способ анализа обеспечивает точное определение количества ионов Cu²⁺ в растворе.

Предложенное изобретение позволяет качественно и количественно определять ионы Cu²⁺ в растворе за счет применения гидразида флуоресцеина в качестве индикатора с высокой чувствительностью с использованием спектрофотометрического и спектрофлуориметрического методов. Пределы качественного обнаружения составляют 0,64 и 0,24 мкмоль/л, пределы количественного определения - 2,13 и 0,80 мкмоль/л, что ниже по сравнению с прототипом, то есть на лицо снижение предела обнаружения ионов Cu²⁺ в растворе, а именно повышение чувствительности способа. Кроме того, возможно проведение селективного качественного анализа ионов меди(II) в присутствии других катионов и анионов.

Использование: для качественного и количественного определения ионов Cu²⁺ в растворе. Сущность изобретения заключается в том, что к анализируемой пробе, содержащей ионы Cu²⁺, добавляют раствор индикатора и фиксируют увеличение оптической плотности на спектрофотометре и усиление флуоресценции с увеличением квантового выхода при помощи спектрофлуориметра, при этом в качестве индикатора используют гидразид флуоресцеина, в качестве растворителя используют смесь ацетонитрил - Трис-HCl буфер, pH 7,4 (9/1 об./об.), увеличение оптической плотности фиксируют при 535 нм; усиление флуоресценции оценивают на длине волны 651 нм, а возбуждение осуществляют на длине волны 538 нм. Технический результат: повышение чувствительности обнаружения ионов Cu²⁺ в растворе. 7 ил., 2 табл.

Способ качественного и количественного определения ионов Cu²⁺ в растворе, заключающийся в том, что к анализируемой пробе, содержащей ионы Cu²⁺, добавляют раствор индикатора и фиксируют увеличение оптической плотности на спектрофотометре и усиление флуоресценции с увеличением квантового выхода при помощи спектрофлуориметра, отличающийся тем, что в качестве индикатора используют гидразид флуоресцеина, в качестве растворителя используют смесь ацетонитрил - Трис-HCl буфер, pH 7,4 (9/1 об./об.), увеличение оптической плотности фиксируют при 535 нм; усиление флуоресценции оценивают на длине волны 651 нм, а возбуждение осуществляют на длине волны 538 нм.