Введение к работе
Одной из актуальных задач современной аналитической химии является разработка экспрессных методов анализа, позволяющих определять содержание компонента в режиме реального времени без трудоемких операций пробоотбора и пробо-подготовки. Решение такой масштабной проблемы возможно при использовании тест-методов1, сенсоров и сенсорных систем2, созданных с применением микро- и нанотехнологий. Области использования сенсоров уже в настоящее время охватывают широкий круг возможных приложений, включающих мониторинг окружающей среды, контроль технологических процессов, медицинскую диагностику.
Исследования, связанные с разработкой и применением пьезосенсоров, вызывают значительный интерес ученых практически во всех странах мира вот уже в течение более четверти века. Эти публикации выявили привлекательные стороны этих аналитических устройств и перспективы их дальнейшего развития и практического применения. По мнению академика Ю.А. Золотова «метод анализа - это достаточно универсальный и, как правило, теоретически обоснованный способ определения химического состава, обычно безотносительно к определяемому компоненту и анализируемому объекту»3. К бесспорным преимуществам, именно, пьезосенсоров можно отнести их универсальность, возможность автоматизации измерений и интерпретации сигнала, а также способность работать в режиме on line4. Зависимость частоты резонанса кристалла кварца АТ-среза (резонаторы устойчивы к климатическим воздействиям и способны работать в широком интервале температур; угол среза 34-3530') от массы покрытия, выражаемая уравнением Зауэрбрая, позволяет непосредственно устанавливать массу соединения, сорбируемого из газовой фазы, а селективность определения можно варьировать путем подбора соответствующих модификаторов - сорбентов электродов пьезорезонатора.
Однако в большинстве известных работ содержится лишь ограниченная информация, содержащая параметры взаимодействия тонких пленок сорбентов-модификаторов пьезосенсоров с аналитами. Во многом это обусловлено многообразием факторов, влияющих на отклик сенсора, что, в значительной мере, затрудняет достижение необходимой воспроизводимости параметров сенсоров, а также их стабильности и селективности. Кроме того, практически отсутствуют коммерчески доступные высокочувствительные устройства, работа которых предполагает использование пьезосенсоров, для контроля веществ, материалов и изделий. Остается ограниченным и использование пьезосенсоров в анализе жидких сред вследствие сложности конструкции генератора колебаний и измерительной ячейки.
Создание пьезосенсоров различных конструкций позволит расширить их применение в пищевой, фармацевтической, парфюмерной промышленности, биотехнологии и сельском хозяйстве5. Значительный практический интерес представляет соз-
* автор выражает благодарность и признательность заслуженному деятелю науки РФ, зав. кафедрой аналитической химии ВГУ, д.х.н., проф. В.Ф. Селеменеву за консультирование и всестороннюю помощь при выполнении диссертационной работы
1 Золотов Ю.А., Иванов В.М., В.Г.Амелин Химические тест-методы анализа.-М. :Едиториал УРСС, 2002.
2 Кельнер Р. Аналитическая химия. Проблемы и подходы: в 2-х томах / Пер. с англ. Под ред. Р. Кель
нера, Ж.-М. Мерме, М. Отто, М. Видмера. - М.: Мир, 2004.
3 Золотов Ю.А. Аналитическая химия: фрагменты картины.- М.: ГЕОХИ, 1999.
4 Малов В.В. Пьезорезонансные датчики. - М.: Энергоатомиздат, 1989.
5 Ермолаева Т.Н., Калмыкова Е.Н. Пьезокварцевые сенсоры: аналитические возможности и перспек
тивы. - Липецк, 2007.
дание автоматизированных мультисенсорных систем1,2, аналогичных обонятельной системе человека, для мониторинга окружающей среды; оценки качества выпускаемой продукции и выявления фальсификации3. В связи с этим, тема диссертационного исследования представляется актуальной и перспективной.
Работа выполнена в соответствии с координационными планами НИР РАН по проблеме «Хроматография»; НИР Научного Совета по адсорбции и хроматографии РАН «Изучение механизма межмолекулярных взаимодействий и закономерностей удерживания» (тема №215.6.2 на 2000-2004 г.г.) и «Разработка теоретических представлений о равновесии, кинетике и динамике процессов в сорбционных системах» (тема№2.15.6.1.Х.64 на 2006-2009 г.г.).
Целью диссертационной работы являлось развитие научно-технических принципов и создание прототипов высокочувствительных приборов и методов, использующих пьезосенсоры и мультисенсорные системы на их основе для определения физиологически активных веществ и токсикантов в газовых и жидких средах.
В качестве объектов исследования выбраны алканы Сб - Сц (гексан, гептан, октан, нонан, декан, до декан), нитроалканы Сі - Сз (нитрометан, нитроэтан, 1-й 2- нитропропаны), нитроарены (нитробензол, о- и м- нитротолуолы), аминокислоты (глицин, (3—аланин, гистидин), дипептиды (глицил-глицин, карнозин), и ионы металлов (К+, Са +, Fe +, Zn +).
Такой выбор объектов исследования обусловлен тем, что алканы Сб - Сц раздражают дыхательные пути, вызывают гипотонию, повышенную утомляемость, бессонницу, функциональные неврозы. Нитроалканы Сі—Сз при длительном вдыхании нарушают функционирование внутренних органов, обладают метгемоглоби-нобразующим действием. При высоких концентрациях нитроалканов возможен отек легких. Нитроарены присутствует в газовых выбросах парфюмерной, мыловаренной и анилинокрасочной промышленности. Вдыхание паров нитробензола сопровождается головокружением, шумом в ушах, тошнотой и рвотой, затруднением дыхания, потерей сознания. Острые отравления часто сопровождаются расстройствами сердечной деятельности, анемией. Негативное воздействие углеводородов и их нитропроизводных на организм человека обусловливает актуальность разработки способов их определения в воздухе рабочей зоны и населенных мест.
Учитывая огромную роль физиологически активных веществ в организме, необходима разработка методов анализа и контроля свободных аминокислот, ди-пептидов, углеводов в процессе их биосинтеза, клинической диагностике и медицинской практике.
Создание способов и приемов оперативной диагностики изменения микро-, макроэлементного состава сложных биосистем позволит снизить их негативное воздействие на объекты окружающей среды.
Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи: — изучены и теоретически обоснованы способы формирования чувствительного слоя пьезосенсора, обеспечивающие устойчивость, повторяемость технических характеристик сенсоров при определении углеводородов и их нитропроизводных;
1 Власов Ю.Г., Легин А.В., Рудницкая A.M. Мультисенсорные системы типа электронный язык - но
вые возможности создания и применения химических сенсоров // Успехи химии. 2006, Т. 75, № 2.
2 Шапошник А.В. Селективное определение газов полупроводниковыми сенсорами : диссертация ...
доктора химических наук. - Воронеж, 2005.
3 Кучменко Т.А. Применение метода пьезокварцевого микровзвешивания в аналитической химии. -
Воронеж: изд - во Воронеж, гос. технол. акад., 2001.
установлены закономерности сорбции индивидуальных компонентов на пленках сорбентов различной природы в динамических и статических условиях;
развиты теоретические основы функционирования и методологические аспекты практического применения пьезосенсоров для определения органических токсикантов - загрязнителей окружающей среды и физиологически активных веществ;
определена зависимость величины аналитического сигнала пьезосенсора от собственных характеристик сенсора, условий проведения анализа (природа, масса сорбента-модификатора) в статических и проточных условиях;
предложены новые подходы к конструированию пьезосенсоров для контроля жидких сред, условий обработки аналитического сигнала, позволяющих анализировать процессы сорбции на границе «аналит - сорбент»;
сконструирован прототип мультисенсорной системы контроля объектов окружающей среды и промышленных товаров, в том числе и для обобщенной оценки качества объекта контроля;
предложена искусственная нейронная сеть прямого распространения с алгоритмом обучения обратного распространения ошибки для количественного определения углеводородов и их нитропроизводных в газовых смесях с помощью пьезосенсоров;
разработан комплекс новых способов раздельного и суммарного определения органических токсикантов в воздухе и физиологически активных веществ в водных растворах с применением пьезосенсоров и мультисенсорных систем на их основе;
реализована экспертная система оценки загрязненности (токсичности) объектов окружающей среды на основе искусственных нейронных сетей и аппарата нечеткой логики; проведена сравнительная оценка математических методов классификации, использованных для построения экспертной системы.
Научная новизна.
-
Сформулированы теоретические положения и разработаны методологические приемы получения пленок сорбентов-модификаторов, обеспечивающие устойчивость, повторяемость технических характеристик пьезосенсоров и установлено их влияние на эффективность определений алканов Сб - Сц (гексан, гептан, октан, нонан, декан, до декан), нитроалканов Сі - Сз (нитрометан, нитроэтан, 1- и 2-нитропропаны), нитроаренов (нитробензол, о- ж м- нитротолуолы).
-
Разработаны, изготовлены и испытаны оригинальные конструкции измерительных ячеек для определения аналитов в газовой среде в статических и динамических условиях. Предложенные измерительные ячейки апробированы при анализе индивидуальных аналитов и их модельных растворов.
-
Оценены технические характеристики пьезосенсоров (условия проведения измерений, хранения пьезосенсора, особенности выбора сорбента) при определении индивидуальных аналитов; рассчитаны метрологические параметры определений. Изучены особенности применения пьезосенсоров при анализе многокомпонентных растворов. Для разделения аналитических сигналов пьезосенсоров и интерпретации полученных результатов использованы хемометрические методы (метод главного компонента, кластерный анализ, искусственные нейронные сети).
-
Применена многоуровневая нейронная семиотическая модель обоняния для создания мультисенсорной системы типа «электронный нос». Данная модель включает три уровня — рецепторный (пьезосенсоры), обменный и интерпретационный (искусственная нейронная сеть). Для создания малогабаритной высокоин-тегрированной системы сбора данных с гибкой структурой, поддерживающей
функцию внутрисхемного перепрограммирования, использована логическая интегральная схема. Разработан собственный алгоритм, на базе которого создана интеллектуальная автоматизированная экспертная система газового анализа в среде Borland Delphi 7.0 (СУБД - Paradox).
-
Созданы и испытаны собственные конструкции пьезосенсоров для контроля жидких сред. Исследованы закономерности детектирования ионов металлов (К , Са , Fe , Zn ), углеводов и аминокислот в водных растворах.
-
Предложены способы определения гексана, нитрометана, нитроэтана, 1- и 2-нитропропанов, нитробензола в воздухе и газовых смесях, способы детектирования аминокислот (глицина, (3—аланина, гистидина), дипептидов (глицил-глицина, кар-нозина) в водных и водно-спиртовых растворах, ионов металлов (К , Са , Fe , Zn ) с применением пьезосенсоров, отличающихся устойчивостью при хранении и использовании, в том числе в полевых условиях.
Научная новизна предлагаемых аналитических решений подтверждена патентами Российской Федерации, некоторые способы прошли апробацию в лабораториях производственных предприятий (ООО «Воронежмасло», 000 «РИФ», АО «Котовскии лакокрасочный завод», экс пертно-криминалистический центр при ГУВД по Воронежской области).
Практическая значимость работы состоит в том, что:
апробированы разработанные методы получения чувствительных покрытий пьезосенсоров, отличающихся улучшенными операционными и аналитическими характеристиками;
разработан комплекс способов определения органических токсикантов в воздухе различного генезиса с помощью пьезосенсоров, отличающихся устойчивостью при хранении и использовании, в том числе в полевых условиях;
созданы конструкции измерительных ячеек для определения аналитов в газовой среде в статических и динамических условиях; предложенные измерительные ячейки апробированы при анализе индивидуальных аналитов и их модельных растворов;
сконструирован измерительный комплекс для экспериментирования с пьезо-сенсорами в жидких средах;
реализована экспертная система оценки загрязненности объектов окружающей среды на основе искусственных нейронных сетей и аппарата нечеткой логики.
Материалы диссертационного исследования использованы при чтении дисциплин «Химия радиоматериалов», «Криминалистика» в ГОУ ВПО «Воронежский институт МВД Российской Федерации» и «Химия» ГОУ ВПО «Воронежский государственный архитектурно-строительный университет» у студентов, обучающихся по специальности «Пожарная безопасность».
Положения, выносимые на защиту: 1. Методологические приемы формирования чувствительного покрытия пьезосен-сора с использованием хроматографических фаз (сквалан, апиезон L, триэтанола-мин, карбовакс 20 М, 1,2,3-трис-(3-пианэтоксипропан, тритон Х-100 и 305, поливи-нилпирролидон), молекул-комплексообразователей (краун-эфиры, амфифильные (3-пикл о декстрин и калике [4]резорцинарен) и оценка его эффективности при определении алканов Сб - Си (гексан, гептан, октан, нонан, декан, до декан), нитроалка-нов Сі - Сз (нитрометан, нитроэтан, 1- и 2- нитропропаны), нитроаренов (нитробензол, о-жм- нитротолуолы).
-
Конструкции измерительных ячеек для определения аналитов в статических и динамических условиях в газовой среде и их апробация при анализе индивидуальных компонентов и модельных растворов.
-
Способы обработки сигналов пьезосенсоров с применением методов хемомет-рики (метод главного компонента, кластерный анализ, искусственные нейронные сети). Устройство мультисенсорной системы «электронный нос» на основе многоуровневой нейронной семиотической модели обоняния. Экспертная система классификации компонентов анализируемого объекта.
-
Конструкции пьезосенсоров для контроля жидких сред и измерительный комплекс для детектирования веществ в жидких средах. Закономерности детектиро-
I ^) і 0-1- О і
вания ионов металлов (К , Са , Fe , Zn ), углеводов и аминокислот в водных растворах пьезосенсорами.
5. Новые экспрессные и чувствительные способы определения гексана, нитроме-
тана, нитроэтана, 1- и 2-нитропропанов, нитробензола в воздухе и газовых смесях;
детектирования аминокислот (глицина, (3—аланина, гистидина), дипептидов (гли-
цил-глицина, карнозина) в их водных и водно-спиртовых растворах; ионов метал-
I 0-1- 0-1- О |
лов (К , Са , Fe , Zn ) и углеводов (глюкоза, сахароза) с помощью пьезосенсоров и мультисенсорных систем на их основе для использования в лабораторных и полевых условиях.
Апробация работы. Основные результаты исследований докладывались на Международных конференциях «Молодежь и химия» (Красноярск, 1999 - 2001), XLII - XLVI Zjazd Naukowy Polskiego Towarzystwa Chemicznego (Rzeszow, 1999; Lodz, 2000; Katowice, 2001; Krakow, 2002, Lublin, 2003, Poland), Международной конференции «Чистота довкілля у нашем місті» (Львів, Украіна, 1999), Международной конференции «Сенсор - 2000» (Санкт - Петербург, 2000), Всероссийской конференции «Российские химические дни» (Красноярск, 2001), Всероссийской конференции «Актуальные проблемы экологии, экспериментальной и клинической медицины» (Орел, 2001), Международной конференции «Forum Chemiczne» (Wars-zawa, Poland, 2001), Региональной конференции «Проблемы химии и химической технологии» (Тамбов, 2001), Международной конференции «Ars Separatoria» (Bydgoszcz, Poland, 2001), Поволжской конференции по аналитической химии (Казань, 2001), Российской конференции «Проблемы аналитической химии (III Черкесовские чтения)» (Саратов, 2002), Международна наукова конференція молодіх ученіх та аспірантів (Киів, Украіна, 2002), Региональной конференции «Вопросы региональной экологии» (Тамбов, 2002), Международной конференции «Современные технологии переработки животноводческого сырья в обеспечении здорового питания» (Воронеж, 2003), Международном форуме «Аналитика и аналитики» (Воронеж, 2003), XVII Менделеевском съезде по общей и прикладной химии (Казань, 2003, Москва, 2007), отчетных научных конференциях Воронежской государственной технологической академии (Воронеж, 2001 - 2003), Всероссийской конференции с международным участием «Аналитика России» (Москва,2004, Краснодар, 2007); III Международной научно-технической конференции «Информационные технологии в науке, образовании и производстве» (Орел, 2008).
Публикации. По материалам диссертации опубликованы 125 работ, 28 статей в изданиях, рекомендованных ВАК России, получено 12 патентов на изобретения.
Личный вклад соискателя в работу заключается в постановке задач, создании экспериментальных установок, выполнении расчетов и экспериментов, интер-
претации и обобщении полученных результатов определений. Подходы и идеи, предложенные автором, легли в основу патентов.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций базируется на использовании статистических методов обработки результатов измерений, а также использованием для контроля полученных данных таких современных методов анализа, как капиллярный электрофорез, газовая и жидкостная хроматография.
Объем и структура диссертации. Диссертационная работа изложена на 315 страницах машинописного текста, включает рисунков и таблиц. Состоит из введения, 5 глав, выводов, списка цитируемой литературы и приложения (материалы апробации и Роспатента). Библиография включает 405 источников.
