Содержание к диссертации
Введение
1. Индикаторные матрицы и принципы планарнои хроматографии в химических тест-методах анализа 11
1.1. Тест-системы, использующие твёрдые матрицы в качестве носителей реагентов 11
1.2. Использование планарной хроматографии в тест-методах 24
2. Экспериментальная часть 34
2.1. Объекты исследования 34
2.2. Методика исследования 40
3. Бумажные матрицы в качестве носителей реагентов в химических тест-методах анализа 45
3.1. Целлюлозная бумага 45
3.2. Удерживание реагентов различных классов на бумажной матрице 49
3.3. Спектрофотометрические характеристики индикаторных бумажных матриц 56
3.4. Особенности адсорбции реагентов на целлюлозной бумаге 62
4. Ткани из искусственных и натуральных волокон в качестве носителей реагентов в химических тест-методах анализа 71
4.1. Ткани из искусственных и натуральных волокон 71
4.2. Удерживание реагентов различных классов на ткани 73
4.3. Спектрофотометрические характеристики индикаторных тканей 76
4.4. Особенности адсорбции реагентов на тканях 79
5. Тонкий слой силикагеля в качестве носителя реагентов в химических тест-методах анализа .88
5.1. Особенности химического строения и структуры силикагеля 88
5.2. Удерживание реагентов различных классов на тонком слое силикагеля 91
5.3. Спектрофотометрические характеристики иммобилизованных реагентами пластин для ТСХ 93
5.4. Особенности адсорбции реагентов в тонком слое силикагеля 95
6. Практическое использование тонкослойных индикаторных матриц в химических тест- методах анализа 104
6.1. Индикаторные матрицы на основе целлюлозной бумаги 104
6.2. Индикаторные матрицы на основе пластин ТСХ 114
6.3. Индикаторные тканей в тест-методах анализа 118
Выводы 128
- Использование планарной хроматографии в тест-методах
- Методика исследования
- Особенности адсорбции реагентов на целлюлозной бумаге
- Особенности адсорбции реагентов на тканях
Введение к работе
Актуальность работы. Современный уровень хозяйственной деятельности человека оказывает значительное воздействие на окружающую среду. Темпы развития промышленности и технологии ещё в середине прошлого века обнаружили необходимость разработки таких средств контроля состояния объектов окружающей среды, которые отличались бы простотой, экспрессностью и малыми экономическими затратами. Химические тест-методы явились наиболее доступными и простыми средствами при анализе объектов окружающей среды, промышленном и лабораторном контроле. Отсутствие необходимости лабораторных условий и специальной квалификации персонала при анализе с использованием тест-методов также сыграло свою роль в развитии этого направления методов анализа.
В настоящее время предложен большой выбор тест-систем различных типов, среди которых по ряду причин наибольшее распространение получили тест-системы на основе иммобилизованных на твердых носителях реагентов.
В большинстве тест-методов содержание определяемого вещества оценивается визуально по интенсивности цвета или окраске индикаторной зоны. Визуальное определение и цена деления цветной шкалы приводят к значительным погрешностям и допускают лишь полуколичественное определение содержания. Применение портативных фотоколориметров или денситометров приводит к снижению погрешности, но значительно увеличивает стоимость тест-определения.
Применение принципов планарной хроматографии при создании тест-систем даёт возможность повысить точность и чувствительность тест-определения до уровня инструментальных методов. Такие тесты представляют собой полосы индикаторной бумаги, заклеенные в полимерную плёнку. Анализируемая жидкость движется по тест-полосе под действием капиллярных сил и на индикаторной матрице возникает окрашенная или обесцвеченная зона в результате взаимодействия
7 определяемого компонента с реагентом. Трудности определения возникают в ряде случаев из-за нечёткости зоны, вызванной вымыванием реагента или продуктов реакции. Поэтому одной из актуальных проблем в создании тест-методов, использующих в качестве индикаторного элемента иммобилизованные реагенты и принципы планарной хроматографии, является поиск новых тонкослойных носителей и их оптимальное сочетание с иммобилизуемыми реагентами.
Установление закономерностей влияния природы носителя и реагента на свойства индикаторных матриц позволят подбирать такие комбинации «реагент-матрица», которые будут отличаться высокой степенью удерживания как реагента, так и продуктов реакции.
Связь диссертации с научными программами. Диссертационная работа является частью плановой госбюджетной работы кафедры химии (регистрационный номер Р-457) и выполнялась в соответствии с проектом РФФИ № 05-03-32024.
Цель работы состояла в изучении закономерностей влияния природы носителя и реагента на свойства индикаторных матриц, применении последних для разработки новых и улучшения существующих тест-систем экспресс-определения различных веществ. Достижение поставленной цели предусматривало решение следующих задач:
установление факторов, влияющих на степень удерживания реагентов на различных матрицах;
исследование сорбционного поведения реагентов и хелатов на матрицах различной природы;
разработка методик экспрессного определения различных компонентов в объектах окружающей среды с применением тест-систем на основе новых тонкослойных индикаторных матриц.
Научная новизна.
Показана принципиальная возможность использования кислотно-
основных и хелатообразующих органических реагентов в качестве
8 неподвижных фаз на бумажных, тонкослойных силикагелевых и тканевых носителях для тест-анализа на основе принципов планарной хроматографии.
Выявлено влияние природы органических реагентов, природы впитывающих тонкослойных матриц, кислотности среды, ионной силы раствора, концентрации реагентов и способов хроматографирования на оптимальные аналитические характеристики тест-систем.
Проведена оценка адсорбционных возможностей бумажных матриц, силикагелевых пластин для ТСХ, хлопковых и вискозных тканей по отношению к реагентам триарилметанового, тиазинового, акридинового, эйродинового, родаминового рядов, азо- и дисазореагентам. Даны рекомендации по выбору носителей реагентов при использовании их в тест-методах, основанных на принципах планарной хроматографии. Практическая значимость.
Предложены и апробированы в тест-методах анализа тонкослойные индикаторные матрицы на основе комбинирования реагентов триарилметановых, тиазиновых, эйродиновых, акридиновых рядов, азосоединении и нескольких видов носителей (пластины для ТСХ, целлюлозная бумага, ткани из искусственных и натуральных волокон), отличающиеся высокой степенью удерживания реагентов (R > 60 %). Разработаны следующие тест-методики:
на основе бумажных матриц: определение кислот, щелочей {0,1 - 100 мМ); общей щелочности воды (0,2 - 35 мМ), общей кислотности воды (0,2 - 20 мМ), общей жесткости воды (0,05 - 40 мМ); Th(IV), U(VI), Zr(IV) 0,5 - 200 мг/л.
на основе пластин ТСХ покрытых силикагелем: определение Au(III) 1-200 мг/л; кислот и щелочей 0,1 - 5 М.
с использованием носителей из натуральных и искусственных волокон: определение Hg(II), Sb(III,V) 0,01-1 мг/л, формальдегида в воде 0,5 - 50 мг/л, растворенного в воде кислорода на уровне 0,01 - 8,5 мг/л.
9 Продолжительность анализа во всех случаях — 3-15 минут, sr< 0,3.
На защиту выносятся:
результаты, показывающие возможность использования выбранных носителей в качестве тонкослойных матриц с адсорбционно закрепленными реагентами в химических тест-методах анализа.
установленные закономерности влияния природы реагента и носителя на адсорбционные и спектрофотометрические характеристики индикаторных матриц и их связь.
разработанные тест-методики анализа жидких сред, растворов, природных, бытовых и технических вод: определение кислот, щелочей, общей щелочности, кислотности и жесткости воды, Th(IV), U(VI), Zr(IV), Au(III), Hg(II), Sb(III,V), формальдегида, растворенного в воде кислорода.
Личный вклад автора заключался в анализе литературных данных по теме диссертации; проведении экспериментальных исследований сорбционных и спектрофотометрических характеристик индикаторных матриц; участии в разработке тест-методик; интерпретации и обработке результатов эксперимента.
Апробация работы. Основные результаты работы доложены на международных конференциях студентов и аспирантов по фундаментальным наукам «Ломоносов - 2001», «Ломоносов - 2002», «Ломоносов - 2004» «Ломоносов - 2005», «Ломоносов - 2006» (Москва, 2001 - 2006), на Всероссийском симпозиуме «Тест-методы химического анализа» (Москва, 2001), на международной конференции «Современное приборное обеспечение и методы анализа почв, кормов, растений и сельскохозяйственного сырья» (Москва, 2003), на Всероссийском симпозиуме «Тест-методы химического анализа» (Саратов, 2004), на VII конференции «Аналитика Сибири и Дальнего Востока - 2004» (Новосибирск, 2004).
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 14 работ: 3 статьи в центральной печати, 11 тезисов докладов.
10 Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 142
страницах, включая введение, 6 глав, выводы, список литературы (116
источников). Работа содержит 65 рисунков и 20 таблиц.
Использование планарной хроматографии в тест-методах
Применение хроматографических принципов в тест-методах рассмотрено в работе [89]. В тонкослойной и бумажной хроматографии используют зависимости площади окрашенного пятна от концентрации. Иногда для удобства хрома-тограмме придают такую форму, чтобы пятно определяемого вещества приходилось на суженный участок бумаги («количественный мостик»), и в этом месте измеряют длину пятна [90]. Те же принципы были применены и в химических тест-методах анализа [89]. В бумажной и тонкослойной хроматографии проба наносится на носитель и он одним концом опускается в подвижную фазу, которая как правило представляет собой смесь органических растворителей. Отличительной чертой тест-методов является использование носителей, содержащих на своей поверхности реагенты, а подвижной фазой является анализируемая жидкость. В одном случае (рис. /.(а)) анализируемый раствор контактирует с индикаторной полосой прямоугольной формы (размер 10 х 90 мм) через небольшое отверстие (диметр 0,3 - 0,5 мм) в защитной полимерной пленке. Это отверстие располагается в центре тест-полосы на одинаковом расстоянии от ее противоположных концов [91]. В другом варианте проба контактирует с прямоугольной индикаторной матрицей (размер 4 х 80 мм) по всей ее короткой стороне (рис. 1. (б)). За счет действия капиллярных сил вся аналитическая пла-нарная система пропитывается (смачивается) анализируемым раствором. При этом на тест-полосе образуется окрашенная или обесцвеченная зона, диаметр (площадь) которой (рис. 1. (а)) или длина (рис. 1. (б)) пропорциональны концентрации определяемого вещества. В аналогичных системах используют также и варианты радиальной хроматографии [92]. Важным явилось математическое описание основных процессов в тест-полосах, заклеенных в полимерную пленку [91, 93] и в планарной хроматографии к таким процессам можно отнести движение фронта элюента (анализируемого раствора при использовании тест-полос в планарнои системе) и образование и движение фронта окрашенной зоны. Окрашенная зона образуется при контакте раствора, содержащего определяемый компонент, с планарнои тест-системой, содержащей аналитический реагент, который образует с компонентом окрашенное соединение.
Для описания движения фронта анализируемого раствора в прямоугольной планарнои тест-системе возможно использовать уравнения, полученные для описания движения верхней границы элюента [94]: z2 =%t, (1) где z - расстояние от линии контакта анализируемого раствора с используемой планарной системой до фронта этого раствора в данной системе, - постоянная потока, t - время процесса. Было отмечено, что выполнение закономерности (1) в тест-методах не очевидно, поскольку, во-первых, анализируемый раствор не является чистым (в отличие от элюента в ТСХ) и, во-вторых, физико-химические свойства планарной системы изменяются вследствие ее пропитки реагентом. Однако данные, полученные с использованием различных систем (бумажной и ТСХ), согласуются с уравнением (1) (рис. 2.). Следующей важнейшей характеристикой является связь параметров образующейся окрашенной зоны (например, длины) в прямоугольной планарной системе с концентрацией определяемого компонента и с его объемом, прошедшим через зону с индикаторным реагентом. Исходя из уравнения материального баланса, можно получить соответствующую функциональную зависимость. Концентрация определяемого компонента (с), может быть выражена следующим уравнением: с,=тс/ Vs = bjspc I zb.pi = lspc I zp} , (2) где mc - общее количество определяемого компонента в окрашенной зоне; V\ - общее количество анализируемого раствора, которое прошло через начальную границу окрашенной зоны; bs - ширина зоны; 4 - длина зоны; рс - нагрузка селективного реагента, которая выражается, например, в мг определяемого компонен-та, необходимого для образования 1 мм окрашенной зоны; р/ - удельная емкость индикаторной полосы по анализируемому раствору, которая выражается, например, в мл этого раствора, смачивающего 1 мм2 используемой планарной системы. Как следует из уравнения (2), чувствительность аналитической системы тем выше (величина с, уменьшается), чем более чувствительна используемая реакция, т.е. чем меньше величина ре (удельная нагрузка селективного реагента) и больше величины р/ (емкость системы по анализируемому образцу) и г. Однако с увеличением z возрастает и продолжительность определения. Так, подставляя в уравнение (2) выражение (1), получаем: Из полученного соотношения (3) вытекает, что величина с, уменьшается с увеличением времени пропитки анализируемым раствором используемой системы (это заключение получено в предположении, что 4 = const). Так, например, увеличение времени определения с 10 до 100 мин (т.е. в 10 раз) позволяет понизить минимальную определяемую концентрацию примерно на 30 %. В работе [89] указывается, что не все аналитические реагенты могут быть использованы в химических тест-методах анализа, основанных на принципах планарной хроматографии. Минимальным требованием является выполнение по крайней мере двух условий. Первое - реагент, выступающий в роли неподвижной фазы, должен прочно удерживаться на носителе и не должен вымываться с него при движении анализируемой жидкости по носителю под действием капиллярных сил. Второе - определяемый компонент должен образовывать продукты реакции, детектируемые визуально (появление окрашенной или обесцвеченной зоны на индикаторной матрице). В работе [2] требования, предъявляемые к реагентам, применяемым в химических тест-методах анализа, использующих принципы планарной хроматографии, сформулированы более подробно: Малая растворимость в воде иммобилизованных на бумаге реагентов (не более 10"3 - 5 10 3 М при различных значениях рН и ионной силы раствора).
При невыполнении этого условия появляются размытые нечеткие зоны на тест-полосе и определение концентрации становится невозможным. Малая растворимость образующегося на бумаге продукта реакции (Ks 10" ). Образующийся продукт реакции должен оставаться в порах бумаги в месте его образования и не вымываться потоком движущейся жидкости. В случае окрашенных реагентов и соединений продукт реакции должен быть либо бесцветным, либо окрашенным с контрастностью АХ 60 нм. Меньшая контрастность затрудняет визуальный отсчет длины зоны продукта реакции. В случае бесцветных реагентов продукт реакции должен быть окрашенным. Скорость реакции должна быть достаточной для образования продуктов реакции, по крайней мере, за 3 - 5 мин. Использование в качестве неподвижных фаз в планарной хроматографии реагентов, отвечающих этим требованиям, позволяет разрабатывать количественные способы экспресс-определения большинства химических элементов и веществ по длине и площади окрашенных или обесцвеченных зон тест-полос [2, 5,49, 89, 95]. С учетом этих требований для иммобилизации на бумаге апробированы составы реактивов, показанные в табл. 6 . Реагенты III группы необходимо использовать для группового определения указанных в табл. 6. элементов. Для избирательного определения необходима регулировка кислотности среды, применение маскирующих реактивов, либо отделения мешающих определению элементов. Перспективно использование селективных реагентов (например, диметилглиоксим). Нижняя граница определяемых концентраций с реагентами этой группы 1 - 5 мг/л. Малорастворимые ассоциаты R - ПАВ (группа II, табл. 6.), осажденные на бумаге, являются чувствительными реагентами для определения ряда элементов. Чувствительность определения повышается в 50 - 100 раз по сравнению с реагентами группы III. Увеличивается также контрастность на 20 - 50 нм, что очень важно для визуальной оценки зоны окрашивания. Возможности избирательного определения элементов здесь возрастают из-за дифференциации оптимальной кислотности комплексообразования ионов. Реагенты IV-VI (табл. 6.) групп из-за различной устойчивости образующихся комплексов позволяют выбирать составы для избирательного определения ионов с учетом рядов произведений растворимости Н.А. Тананаева. Нижняя граница определяемых концентраций 0,1 - 0, 5 мг/л. Примером использования малорастворимых комплексных солей может служить методика двухстадийного получения индикаторной бумаги для определения хлоридов в жидких средах.
Методика исследования
Все перечисленные реагенты растворимы в воде или в водно-этанольных смесях. Иммобилизацию матриц проводили путем их замачивания в 0,1 - 0,5 %-ых растворах реагентов. Затем матрицы промывали и сушили. Тест-полосы. Полосы из индикаторных матриц размером 4 х 80 мм (бумага и ткань), 10 х 80 мм (пластины для ТСХ) заклеивали в термоклеевую пленку при температуре 100 - 150С. Длину окрашенных зон измеряли с помощью миллиметровой линейки по ГОСТ 17435-72. Тест-устройства. Усеченные конусы для тест-устройства (рис. 3.) изготовлены из полиэтилена низкого давления или полипропилена. Для пропускания определенного объема исследуемого раствора через тест-устройство использовали шприц инъекционный однократного применения «луер» с резиновой манжеткой. Усеченный конус (1) имеет меньший диаметр и входит в конус (2) на 5 -10 мм, если их вставлять основаниями. Индикаторная матрица (3), при одевании конуса (I) на конус (2), закрепляется между ними. Внутренний диаметр основания малого конуса 2-7 мм, большего - 4-9 мм. Внутренний диаметр вершин усеченных конусов 0,5-1 мм. Длина обоих конусов может быть 4 - 6 см и особой роли не играет. Полученное тест-устройство может быть присоединено к прокачивающему устройству, например одноразовому шприцу (4). Скорость пропускания жидкости можно контролировать числом капель, вытекающих из тест-устройства. Замена индикаторной бумаги позволяет использовать тест-устройство неограниченное число раз. Способы изготовления и применения тест-полос и тест-устройств описаны в работе [2]. Кислотность растворов регулировали ацетатно-аммиачными буферными растворами, рН измеряли на иономере И-130 и И - 500 «АКВИЛОН» в системе стеклянный - хлоридсеребряный электроды. Спектры поглощения индикаторных матриц измеряли на спектрофотометре СФ-46 и КФК - 3 относительно матрицы, не содержащей иммобилизованного реагента. Измерение оптической плотности иммобилизованных матриц проводили после смачивания их растворами с определенной кислотностью и помещения их между двумя пластинами из тонкого стекла. Определение величины рКа реагентов.
Величины рКа реагентов в растворе и на матрице определяли спектрофотометрическим методом, в основу был положен расчетный способ [96]. Константу диссоциации рассчитывали по формуле: Ка = (Асм-АШІ)[ЇҐ]/(Ап-А где Асм, Аця, AR - оптические плотности смешанной, кислотной и диссоциированной форм реагента соответственно при выбранных длинах волн. Определение степени удерживания. Степень удерживания реагентов на матрицах оценивали следующим образом. Матрицы, импрегнированные реагентами, помещали в раствор с определенной кислотностью, перемешивали в течение 3-5 мин и измеряли оптическую плотность. Степень удерживания R (%) рассчитывали по формуле: R = (A/A,)xWO%, где A - оптическая плотность матрицы после вымывания с неё реагента; А0 -оптическая плотность матрицы, смоченной раствором с той же кислотностью. Оптическую плотность измеряли относительно матриц, не иммобилизованных реагентами и смоченных дистиллированной водой. Методика изучения сорбции реагентов на матрицах. Для изучения адсорбции реагентов на различных носителях готовили растворы с содержанием реагентов от 0,01 до 3 мМ. Образцы матриц размером 20 х 35 мм помещали в приготовленные растворы на 3, 24, 72 ч (t = 18С) и затем определяли концентрацию реагента в растворе фотометрическим методом по предварительно построенному градуировочному графику. Значение сорбции S (ммоль/г , ммоль/м2) оценивали как отношение изменения содержания реагента в растворе к поверхности образца матрицы: S = V(c0 - c)/F, где со и с - концентрации реагентов в растворах до и после выдерживания в них пластин, мМ; V- объем раствора, л; F- площадь образца матрицы, м . Для изучения сорбции реагентов на тканях и целлюлозной бумаге готовили растворы с содержанием реагентов от 0,01 до 3 мМ. Образец размером 20 х 35 мм помещали в приготовленные растворы на 24 ч (t = 18С) и затем определяли концентрацию реагента в растворе аналогчным способом. Значение сорбции S (ммоль/г) оценивали как отношение изменения содержания реагента в растворе к массе образца ткани площадью 7 см2: 5 = V(ca - c)/m, где Co и с - концентрации реагентов в растворах до и после выдерживания в них тканевых образцов, мМ; V - объем раствора, л; т - масса ткани площадью 7 см2, г. Таким образом, S (ммоль/г, ммоль/м ) - это количество реагента, сорбированное образцом матрицы.
Изотермы сорбции представляют собой зависимость S (ммоль/г или ммоль/м2) реагента от с, мМ этого реагента в растворе при одной и той же экспозиции (24 часа) для всех образцов матрицы. Для построения изотермы сорбции готовили серию растворов реагента с = 0,01 - 3 мМ. По форме изотермы сорбции можно характеризовать способ взаимодействия реагента с матрицей, делать выводы о сорбционной емкости матрицы, судить о характере расположения молекул реагента на участке поверхности матрицы. Кривые насыщения представляют собой зависимость S от времени (5 -720 мин.) нахождения образца матрицы в растворе реагента при его постоянной исходной концентрации. Для этого готовили серию растворов с одной концентрацией и помещали в каждый из растворов образец матрицы. По прошествии 5, 10, 15, 30, 45, 60, 90, 120, 180, 240, 360, 720 минут образец матрицы извлекали из раствора и определяли S реагента. Это позволяет определить максимальную величину адсорбции реагента на матрице и время наступления равновесия в системе реагент/раствор - реагент/матрица. Для оценки адсорбционных возможностей бумажной матрицы и ее влияния на свойства адсорбированного реагента необходимо составить представление о природе и строении матрицы. Рассмотрим особенности бумажных матриц в качестве носителей реагентов. 3.1. Целлюлозная бумага Целлюлоза является одним из важнейших и наиболее распространенных природных соединений, химический состав и строение макромолекул которого определяется особенностями процесса биохимического синтеза. Замечательным является то, что этот полимер воспроизводим в природе и запасы его могут быть неисчерпаемы. Общепризнанным является построение молекулы стереорегулярного природного полимера целлюлозы из повторяющихся 1,5-ангидроглюкопиразоновых звеньев, соединенных между собой 1,4-р-0-гликозидной связью [97]:
Особенности адсорбции реагентов на целлюлозной бумаге
Из кривых насыщения, полученных при адсорбции реагентов на бумаге, видно, что для всех классов реагентов равновесие достигается в интервале 3-6 часов с момента погружения образца матрицы в раствор (рис. 18). При этом заметным является влияние величины начальной концентрации реагента в растворе на время достижения сорбционного равновесия. Так, при сорбции на бумаге азура 1 и малахитового зеленого (рис. 19, 20) разница во времени при выходе на горизонтальный участок кривой для образцов, помещенных в раствор малахитового зеленого с минимальной (0,01 мМ) и максимальной (0,04 мМ) концентрацией реагентов, составила около 150 минут, а для азура \{смин = 0,02мМ, смаке = 0,06 мМ) - 60 мин. На одном и том же участке матрицы способно разместиться намного большее число компактных молекул АЖ, Азур 1 и НК, чем вытянутых молекул КК, обладающих плоским и линейным строением, или объемных пропеллерообразных молекул МЗ [101-105,109, 109]. Вероятно, этим же вызвано намного меньшее значение сорбции реагентов МЗ и КК как в указанной области исходных концентраций, так и при больших ее значениях. В области с 0,25 мМ для МЗ, КК и ЭХЧТ S 0,01 ммоль/г, тогда как для других реагентов S 0,025 - 0,035 ммоль/г. Подтверждением этому могут являться и данные кривых насыщения (рис. 24, 23), значения сорбции азура 1 (SAiyvi 0,005 ммоль/г) при установлении равновесия примерно в 2 - 2,5 раза превышают значения сорбции КК и МЗ ( кк 0,002 - 0,0025 ммоль/г). Большее значение сорбции КК по сравнению с МЗ и ЭХЧТ можно объяснить субстантивными свойствами первого. Резкий рост значений сорбции и образование второго плато на изотерме КК при с 0,75 мМ скорее всего вызваны образованием полимолекулярного слоя или вертикальной переориентацией молекул КК [107]. Влияние электролитов. Интересным является влияние электролитов на адсорбцию при их добавлении в растворы реагентов. На рисунках 22 - 24 представлены изотермы сорбции реагентов А1, КК, МЗ на бумаге с добавлением и без добавления электролита в раствор реагента. Хорошо заметно негативное действие электролитов в случае сорбции основных по своей природе азура 1(тиазиновый класс) и малахитового зеленого (триаминотриарилметановый класс). При диссоциации в водном растворе молекулы этих соединений приобретают положительный заряд на атоме азота, тогда как поверхность целлюлозы в воде приобретает отрицательный заряд [105]. Взаимодействие основных красителей с поверхностью целлюлозы относят к ионному типу [105 - 107]. Сорбирующиеся на поверхности целлюлозы ионы К+ и Са2+ частично нейтрализуют её отрицательный заряд. Причем влияние иона Са , благодаря большему положительному заряду, выражено ярче (особенно в случае сорбции азура 1 (рис. 22)).
При сорбции на бумаге КК наблюдается небольшое увеличение сорбции реагента при введении в раствор электролитов. Возможно, уменьшение отрицательного заряда на поверхности целлюлозы за счет сорбции К+ и Са2+ уменьшает влияние электростатических сил (реагент КК при диссоциации в растворе приобретает отрицательный заряд), тогда как одной из основных причин сорбции прямых (субстантивных) реагентов считается образование водородных связей с поверхностью целлюлозы (или донорно -акцепторного взаимодействия тс-сопряженной электронной системы красителя с поверхностью целлюлозы) [108, 109]. При сорбции КК также более выражено влияние иона с большим положительным зарядом. В случае добавления электролитов значения адсорбции реагента КК превышают значения более адсорбционно активного в обычной среде азура 1 (рис. 23). Таким образом, для некоторых реагентов можно повышать или понижать величину сорбции на бумаге, изменяя концентрацию и природу электролита в растворе. Добавление электролитов в анализируемый или промывной раствор позволяет повысить степень удерживания реагентов. 1. Степень удерживания реагентов на целлюлозной бумаге (R 60%) в широком диапазоне рН позволяет использовать прямые красители, тиазиновые, акридиновые и эйродиновые реагенты для создания бумажных индикаторных матриц. Прямые красители удерживаются за счет водородных и донорно-акцепторных связей между я-электронной системой реагента и поверхностью целлюлозы. Это вызвано плотным контактом молекул реагента с поверхностью целлюлозы, обеспечиваемым схожестью структуры поверхности молекул реагентов с плоской структурой звена целлюлозной цепи. Взаимодействие основных красителей с поверхностью целлюлозы относится, вероятно, к ионному типу. 2. Применение реагентов, сходных по строению с арсеназо III и эриохромовым черным Т, ограничено интервалом кислотности среды раствора, в котором упомянутые реагенты имеют достаточную степень удерживания. Реагенты группы арсеназо III не вымываются в сильнокислой среде (степень удерживания 80-90 % в интервале кислотности 1-6 М по НС1), а реагенты группы эриохром черный Т не вымываются в щелочной (рН 9 - 14) и кислой (0,5 - 2 М НС1) средах, степень удерживания составляет 85 - 95 % . 3. Из-за слабого удерживания на бумаге (R 50%) невозможным является применение триариламинометановых реагентов в тест-методах, использующих принципы планарной хроматографии. Наиболее вероятно, что это связано с особенностями структуры триариламинометановых реагентов. 4. Позитивное влияние добавления электролитов в раствор реагента при сорбции реагентов типа конго красного и негативное при сорбции основных реагентов подтверждает природу их взаимодействия с поверхностью целлюлозы (донорно-акцепторное в первом случае и ионное во втором). 5, Введение электролитов в промывной раствор способствует увеличению степени удерживания за счет конкуренции реакций сорбции - десорбции молекул реагентов и электролитов. 6. Взаимодействие с поверхностью целлюлозы бумаги приводит к батохромному сдвигу максимумов поглощения иммобилизованных реагентов. Установлено, что с ростом величины батохромного сдвига увеличивается степень удерживания реагента на матрице и уменьшается величина рК реагентов на 0,3 - 0,5 ед. Можно предположить, что степень влияния целлюлозы на тс-электронную систему реагента пропорциональна степени взаимодействия целлюлозы и реагента и прочности удерживания реагента на поверхности целлюлозы. В наибольшей мере это проявляется для субстантивного красителя КК (R = 98%), ДХ, = 40 нм, ДрК = 0,5.
Особенности адсорбции реагентов на тканях
Кривые насыщения. Из кривых насыщения (рис. 33), полученных при адсорбции реагентов на ткани, видно, что для азура 1 и малахитового зеленого равновесие сорбции-десорбции молекул реагентов достигается приблизительно через 3 часа с момента погружения образца матрицы в раствор. Для конго красного характерно увеличение количества сорбированного реагента на всем промежутке времени (720 мин.). Возможно, для этого реагента при сорбции на вискозном волокне характерен следующий механизм: по мере того как очередная молекула красителя продвигается в глубь полимера, она как бы Изотермы сорбции. Изотермы сорбции реагентов представлены на рис. 35 - 37. Хорошо заметно, что плато, характерные для поверхности, заполненной однородным слоем [109], как и в случае бумажной матрицы, появляются на изотермах сорбции субстантивного (КК) и триарилдиаминоме-танового (МЗ) красителей раньше (с 0,25 - 0,4 мМ), чем для реагентов других классов. Объяснение этого явления аналогично для случая адсорбции реагентов на бумажной матрице [103, 106-109]. Величина сорбции малахитового зеленого, эриохромового черного Т и конго красного намного меньше, чем у других реагентов. В области с 0,5 мМ для МЗ, КК и ЭХЧТ S 0,01 - 0,02 ммоль/г, тогда как для других реагентов S = 0,025 - 0,06 ммоль/г. Это, вроятно, связано со строением молекул перечисленных реагентов [97 - 101]. Наиболее вероятным объяснением достаточно больших значений сорбции ЭХЧТ на ситце (5эхчт кк, мз и S зур \t дж, нк) может являться загрязнение волокна ситца солями металлов (Са, Mg, Fe). ЭХЧТ, кроме непосредственно сорбции волокном из раствора, параллельно химически связывается в комплекс с адсорбированными на поверхности волокна ионами металлов. Это подтверждается и значительным гипсохромным сдвигом максимума поглощения, характерного комплексу реагента: в фазе целлюлозы ДА, = -30 нм. Максимумы и плато на изотермах сорбции реагентов, вероятно, вызваны образованием полимолекулярного слоя или вертикальной переориентацией их молекул [108,109]. Влияние электролитов. На рис. 38 - 40 представлены изотермы сорбции реагентов азура 1, малахитового зеленого и конго красного на тканях с добавлением и без добавления электролита в раствор реагента.
Как и в случае с бумажной матрицей, хорошо заметно негативное действие добавления электролитов в случае сорбции основных по своей природе азура 1(тиазиновый краситель) и малахитового зеленого (аминот-риарилметановый краситель). Для МЗ влияние электролитов на адсорбцию в случае с вискозной матрицей даже более выражено, чем на матрице из целлюлозной бумаги. Следовательно, поверхность вискозного волокна при погружении в воду приобретает более отрицательный заряд, благодаря своей регенерированной структуре [97,101, 108, 109]. В отличие от бумажного носителя, на вискозе наблюдается четко выраженное увеличение значения сорбции конго красного при введении в рас-твор Са , тогда как введение К приводит к уменьшению поглощенного волокном количества реагента. Вероятно, это является результатом химической модификации целлюлозы в вискозном волокне. Таким образом, изменяя концентрацию и природу электролита, можно влиять на адсорбцию реагентов. 4.5. Выводы к главе 4 1. Адсорбционная способность тканей из искусственных и натуральных волокон (вискоза и вискоза с хлопком S 0,02-0,08 ммоль/г и ситец S 0,01-0,035 ммоль/г) в диапазоне концентраций реагентов 0,25 -1,75 мМ позволяет получать индикаторные матрицы путем непосредственной обработки ткани растворами реагентов. 2. Максимальная степень удерживания 60 - 98 % для большинства реагентов в диапазоне рН 1-13 наблюдается для матрицы из вискозного волокна. Это обусловливает предпочтение использования индикаторных матриц на основе вискозы при создании тест-систем, основанных на принципах пленарной хроматографии, в сравнении с другими тканями. 3. Установлено более сильное влияние электролитов на адсорбцию реагентов вискозой по сравнению с целлюлозой бумаги. Это объясняется большей адсорбционной активностью поверхности вискозного волокна. Добавление электролитов в промывной раствор ведет к увеличению степени удерживания азура 1 и малахитового зеленого на ткани и значительному (35 %) уменьшению удерживания конго красного. Влияние ионов К+ и Са2+ затрудняет десорбцию азура 1 и малахитового зеленого с вискозного волокна и оказывает вытесняющее влияние на конго красный. 4. Достижение сорбционного равновесия зависит от исходной концентрации реагента в растворе. В интервале сисх = 0,01 - 0,04 мМ время достижения сорбционного равновесия составляет 2-3 часа. Использование растворов с концентрацией 0,5 - 5 мМ позволяет достигать равновесной концентрации реагента на носителе в течение 1 - 10 мин. 5.
Установлено, что для большинства реагентов основного характера (Азур І, ТГ, АЖ, НК) на вискозе и на ситце характерен гипсохромный сдвиг в спектрах поглощения. Батохромный сдвиг для всех реагентов характерен на матрице из вискозного и хлопкового волокна. Весьма распространенным неорганическим полимерным носителем является силикагель. Его синтезируют из ортокремниевой кислоты, получаемой гидролизом силиката (водное стекло)[ 110]. На концентрированные растворы силиката натрия действуют минеральной кислотой. Продуктом реакции при этом является золь гидратированной кремниевой кислоты, диспергированный в растворе нейтральной соли. Формальное образование основной структуры может быть описано по следующей схеме: Поликонденсация дает вначале пластические гели, основные структуры которых состоят из мостиков -Si-0-Si-. Эти основные структуры несут силанольные группы, число которых зависит от способа получения. Сокращение пластических гелей при контролируемых условиях приводит к образованию ксерогелей (рис. 41) с определенной структурой пор и стандартизованными свойствами. Кроме силанольных групп (от 4 до 5 на нанометр, что соответствует 8 мкмоль/м2) в силикагеле также присутствуют силоксановые группы (рис. 42). Они обладают протоноакцепторными свойствами, в то время как свободные, геминальные (парные) и вицинальные (соседние) силанольные группы [111 - 113] действуют как доноры протонов (рК = 6 - 6,8; слабокислотные катиононообменники [111, 112]). Дипольные свойства зависят от основной структуры силикагеля [ПО]. После созревания гель освобождают от примесей минеральных солей и сушат при 115 - 130 С до остаточной влажности 5 - 7%. Оставшаяся влага представляет собой структурную воду поверхностного слоя, что обусловливает наибольшую адсорбционную активность силикагеля при данном содержании влаги. Молекулы воды легко захватываются силикагелем. Они формируют многослойное покрытие и удаляются до нижнего слоя активированием (нагреванием до 120С)[ 110, 113, 114]. Вициальные группы SiOH теряют воду при более высокой температуре Т=200С. Это приводит к образованию силоксановых групп, которые с трудом поддаются гидролизу. Когда силикагель нагревают до 1000С, он теряет почти всю свою активность. Силикагель - это полярный сорбент с гидрофильными свойствами. Однако, он растворяется в воде, образуя 0,01 % раствор (Т=20С). Этот коллоидный раствор может быть причиной трудностей с кристаллизацией в случае препаративной ТСХ [114]. Гидролиз и растворимость существенно возрастают при рН 9, так что основные проблемы возникают с силикагелем при продолжительном воздействии щелочных рН. Промышленностью выпускаются крупно- и мелкопористые силикагели различных марок, отличающихся друг от друга как химическим составом, пористостью, так и внешней формой [114]. Уникальные свойства поверхности силикагеля (наличие как протонодонорных, так и протоноакцепторных группирвок) делают его очень перспективным носителем различных по своей природе реагентов.
