Спосіб отримання активного елементу для сенсорів на окисники, відновники та кислоти на основі стабільних органічних радикалів, нанесених на інертні носії, що містять внутрішній стандарт

КоФіг.на модель відноситься до способів отримання активних елементів сенсорних пФіг.троїв на основі стабільних органічних радикалів, нанесених на інертні носії, що містять стабільний внутрішній стандарт. Галуззю застосування таких активних елементів є визначення наявності (детектування) та визначення кількості субстратів, що будь-яким чином реагують з вільним радикалом та призводять до зміни його сигналу ЕПР або/і магнітних характеФіг.тик чи спектру поглинання, зокрема, редокс-активних субстратів чи кислот (в залежності від класу органічного радикалу), в досліджуваному середовищі. Сенсори з такими активними елементами можуть викоФіг.товуватись, наприклад, у токсикологічному аналізі, при визначенні у біологічних рідинах наявності і вмісту метаболіту NO, який виступає у якості своєрідного „біомаркеру" ушкодження тканин організму [1]. Також, парамагнітні системи на основі радикалів застосовуються в ЕПР-оксиметрії, яка дозволяє визначити вміст кисню в біологічних системах, що, в свою чергу, широко викоФіг.товується в медицині [2]. Сенсори на основі таких активних елементів також можна викоФіг.товувати у хімічному виробництві, при визначенні наявності та кількості шкідливих речовин у повітрі або рідинах тощо. Основною вимогою до органічних радикалів, що викоФіг.товуються для отримання парамагнітних систем, є їх стабільність у часі. Оскільки нітроксильні радикали є найбільш поширеним і дослідженим класом стабільних радикалів, в основному описано парамагнітні системи на їх основі. Як правило, нітроксильні радикали викоФіг.товуються у якості спінових міток для біохімічних досліджень; дія таких міток полягає у зміні вигляду їх спектрів ЕПР при взаємодії з субстратами [3]. Варіюючи замісники та заряд нітроксильних радикалів, можна отримати селективні парамагнітні системи. Так, наприклад, в ЕПР-оксиметрії для визначення концентрації кисню в позаклітинному середовищі викоФіг.товуються заряджені нітроксили, для визначення ж вмісту кисню в клітинах застосовують нейтральні радикали, така відмінність обумовлена неможливістю проходження заряджених радикалів крізь плазматичну мембрану клітини [3]. Нітроксильні радикали, що викоФіг.товуються як спінові мітки, вводяться в досліджувану систему, наприклад, тканини досліджуваних тварин, у чистому вигляді або у вигляді розчинів в прийнятних для досліджуваних систем розчинниках [4]. Системи, що складаються з стабільних радикалів, нанесених на тверді інертні носії, мають ряд переваг перед розчинами радикалів. Серед таких переваг можна відмітити можливість простого відокремлення таких систем від розчинів, що аналізуються, більшу стабільність у часі або стабільність до дії повітря. ВикоФіг.тання поФіг.тих матеріалів як інертних носіїв надає ряд додаткових переваг, пов'язаних з тим, що стабільні органічні радикали будуть знаходитись в порах носія. Оскільки можливість доступу молекул субстратів до радикалу у такому випадку визначається розміром пор, то можливе проведення селективного визначення певних субстратів. Крім того, за рахунок однорідності за просторовою організацією і розміром мезопор для таких матеріалів досягається більш однорідний розподіл молекул органічного радикалу в такій матриці. Основні вимоги до твердих інертних носіїв включають їх стійкість , однорідність, можливість введення стабільного стандарту, здатність до іммобілізації активної речовини (органічного радикалу), відсутність будьякої хімічної взаємодії з внутрішнім стандартом чи активною речовиною. Як приклад можна навести композит на основі наночастинок магнетиту (Fe3 O4) та 4-гідрокси-2,2,6,6тетраметилпіперидин-1-оксилу [5]. Наночастинки Fe3O4, покриті етоксильованим поліспиртом, були активовані у колоїдному розчині у воді 6 мМ розчином 4-гідрокси-2,2,6,6-тетраметилпіперидин-1-оксилу у воді. Вигляд спектру ЕПР отриманого композитного матеріалу майже не відрізняється від спектру ЕПР чистого 4-гідрокси-2,2,6,6-тетраметилпіперидин-1-оксилу, що свідчить про відсутність впливу поліспирту на адсорбований радикал. Но та ширина ліній надтонкої взаємодії в спектрі ЕПР композиту залежить від концентрації наночастинок Fe3O4, що може викоФіг.товуватись для визначення концентрації останніх. Прототипом даної коФіг.ної моделі є спосіб отримання матеріалу (активного елементу) для створення сенсору для визначення малих концентрацій хлороводню та хлору на основі 1,3,5-трифенілвердазильного чи 1,5-дифеніл-3-(п-хлорфеніл)вердазильного радикалу (вміст радикалу за масою 0,016-0,034 %), пропіленкарбонату (вміст за масою 0,422-0,776 %) та інертного носія (пісок, скло) [6]. Спосіб отримання матеріалу, що є прототипом цієї коФіг.ної моделі, полягає у просочуванні піску чи нейтрального скла розчином вердазилу та пропіленкарбонату в ацетоні з подальшим висушуванням при 40-45°С при постійному перемішуванні. Отриманою масою заповнюють індикаторну трубку, намагаючись досягти рівномірного розподілу наповнювача по об'єму. При продувці через таку тр убку газової суміші, що містить хлор чи хлороводень, відбувається зміна забарвлення наповнювача трубки внаслідок взаємодії даних газів з вердазильним радикалом. Концентрація хлору чи хлороводню визначається по довжині стовпчика наповнювача, що змінив забарвлення. Активний елемент, виготовлений таким чином, має ряд недоліків, пов'язаних з неоднорідністю (структурною - розміром частинок, і хімічною -наявністю центрів адсорбції та їх розподілом по поверхні речовини) інертного носія. Так, точність та відтворюваність концентрацій аналітів, що визначаються, залежить від однорідності та повторюваності розподілу чутливого елементу по всьому об'єму трубки, однорідності адсорбції радикалу на цьому носії, а також точності вимірювання довжини стовпчика, що змінив забарвлення. ВикоФіг.тання носія з розвинутою і однорідною поверхнею (зокрема, високовпорядкованого молекулярного сита) може дозволити досягти більш однорідного розподілу радикалу, а введення внутрішнього стандарту (за умови викоФіг.тання проб активного елементу однакової маси) може повністю усунути залежність відгуку від однорідності заповнення речовини сенсору (індикаторної трубки). Даний коФіг.на модель полягає у розробці способу отримання активних елементів сенсорів на окисники, відновники чи кислоти (в залежності від класу радикалу) на основі стабільних органічних радикалів, введених в на інертні носії, що містять стабільний внутрішній стандарт. Головною перевагою таких активних елементів для сенсорів є наявність внутрішнього стандарту, що повністю усуває залежність визначуваних концентрацій аналіту від способів приготування сенсору та умов проведення вимірювання. Поставлена мета по розробці способу одержання чутливих елементів сенсорів досягається шляхом приготування подвійного композиту (інертний носій-внутрішній стандарт) з подальшою іммобілізацією активної речовини (стабільного органічного радикал) на його поверхні (у випадку поФіг.тих носіїв термін „поверхня" включає внутрішню поверхню пор). Введення внутрішнього стандарту дозволяє усун ути залежність вимірюваних концентрацій аналітів від способу приготування сенсорів, умов вимірювання, як це спостерігається для прототипу. В якості внутрішнього стандарту викоФіг.товується стійка сполука парамагнітного іону металу, що дає сигнал в спектрі ЕПР, який не змінюється при взаємодії з субстратом. До таких сполук відносяться, наприклад, солі чи оксиди марганцю (II), міді (II), хрому (III), то що. Введення внутрішнього стандарту в інертній носій досягається шляхом отримання частинок оксиду парамагнітного іону металу (розміром від декількох атомів і більше) при розкладі солі даного металу, інкорпорованої в носій, при нагріванні; або шляхом обробки інертного носія розчином солі парамагнітного іону металу в інертному розчиннику і подальшим осадженням парамагнітного іону металу у вигляді нерозчинної сполуки. Виготовлений таким чином подвійний композит може містити до 10 % по масі внутрішнього стандарту. Вміст стандарту визначається можливістю детектування його чіткого сигналу в спектрі ЕПР. При вмісті стандарту, що перевищує вказану границю, можливе уширення ліній в спектрі ЕПР за рахунок обмінної взаємодії між різними молекулами стандарту, що є небажаним, оскільки уширення ліній в спектрі ЕПР стандарту може призвести до перекривання цими лініями сигналу ЕПР активної речовини (органічного радикалу). Введення внутрішнього стандарту в інертний носій було реалізовано на двох прикладах - отриманні композитів на основі мезопоФіг.того молекулярного сита МСМ-41 та оксиду марганцю (II) чи оксалату марганцю (II) в якості внутрішнього стандарту. Перший композит було одержано шляхом розкладу при 300°С ацетату марганцю (II), введеного в на МСМ41, на повітрі. Оскільки у даному випадку можливе утворення як оксиду марганцю (II), так і оксидів марганцю у більш високих ступенях окиснення (Мn3О4 , МnО 3), о триманий матеріал було відновлено воднем при 400°С подальшим ре-окисненням на повітрі за кімнатної температури протягом 2 діб з метою забезпечення переведення усіхсполук марганцю в МnО. В спектрі ЕПР отриманого композиту (Фіг.. 1) пФіг.утні 6 ліній, що виникають за рахунок взаємодії неспареного електрону з ядром Мn2+, магнітний момент якого дорівнює 5/2. Композит на основі оксалату марганцю (II) було одержано осадженням солі шляхом обробки МСМ-41, просоченого розчином хлориду марганцю (II) в воді, розчином оксалату натрію в воді. Через 20 хвилин осад відфільтровували, промивали водою для повного виведення хлориду натрію та висушували. В спектрі ЕПР даного композиту спостерігається 6 ліній, характерних для сполук марганцю (II) (Фіг.. 2). Введення активної речовини (радикалу) в інертний носій, що містить внутрішній стандарт, відбувається шляхом просочування такого подвійного композиту розчином радикалу певної концентрації та подальшим висушуванням. Вибір органічного радикалу, як активної речовини чутливого елементу сенсору, обумовлюється наступними чинниками: даний радикал має бути стабільним, не взаємодіяти з внутрішнім стандартом і давати чіткий вузький сигнал в спектрі ЕПР, що не змінюється з часом. Варіювання класу радикалу дає можливість отримати сенсори для різних сфер застосування, що визначається хімічними властивостями такого радикалу: у випадку, коли необхідно детектувати лише окисники, можна викоФіг.товува ти нітроксильні радикали, якщо ж необхідно визначати як відновники, так і окисники та кислоти, у якості активної речовини пропонується вердазильний радикал. Вміст радикалу в такому потрійному композиті визначається інтервалом значень концентрацій аналітів, які необхідно визначати. Отримання потрійного композиту було реалізоване на прикладі 4-піридивердазильного радикалу, введеного в МСМ-41, що містив оксалат марганцю (II). Вміст 4-піридилвердазилу, розрахований по даним CHN-аналізу, дорівнює 3,2 %. Спектр ЕПР даного композиту наведено на Фіг.. 3. В даному спектрі ЕПР спостерігається суперпозиція двох сигналів: сигналу іону Мn2+ та вузького сигналу 4-піридилвердазилу. При обробці такого потрійного композиту розчином сульфату міді (II) в воді відбувається зменшення інтенсивності сигналу ЕПР радикалу, в той час як інтенсивність сигналів стандарту не змінюється (Фіг.. 4). Крім методу ЕПР, можна викоФіг.товувати і інші методи, наприклад, спектрофотометричний, для детектування та визначення кількості аналітів сенсорами на основі описаних тут активних елементів. У випадку спектрофотометричного методу, визначення кількості субстрату буде проводитись на основі зменшення інтенсивності смуги (смуг) поглинання радикалу по відношенню до незмінної інтенсивності смуги (смуг) поглинання внутрішнього стандарту. При такому методі детектування необхідно підбирати внутрішній стандарт таким чином, щоб його смуги поглинання не перекривались зі смугами поглинання органічного радикалу чи продуктів його взаємодії з субстратами. Сенсори на основі описаних тут активних елементів можна також викоФіг.товувати для визначення речовин, що вступають в хімічні реакції з субстратами. Принцип детектування у такому випадку полягає у визначенні кількості субстрату, що залишилась в досліджуваному середовищі після його взаємодії з речовиною, що аналізується. Різниця між відомою початковою кількістю субстрату та кількістю, визначеною за допомогою сенсорів на основі активних елементів, що патентуються, буде дорівнювати кількості речовини, яка визначається. Перелік фігур та креслень: На Фіг.. 1 зображено спектр ЕПР подвійного композиту на основі МСМ-41 та Мn О. На Фіг.. 2 зображено спектр ЕПР подвійного композиту на основі МСМ-41 та МnС2 О4. На Фіг.. 3 зображено спектр ЕПР потрійного композиту на основі МСМ-41, 4-піридилвердазилу та МnС2О4. На Фіг.. 4 зображено спектр ЕПР потрійного композиту на основі МС М-41, 4-піридил-вердазилу та МnС2О4, обробленого розчином сульфату міді (II). Даний коФіг.на модель підтверджується, але не обмежується наведеними нижче прикладами. Кремнеземне мезопоФіг.те високовпорядковане молекулярне сито МСМ-41 синтезоване за методикою, наведеною в [8]. Для приготування внутрішнього стандарту викоФіг.товувались ацетат марганцю (II), хлорид марганцю (II) та оксалат натрію марки "х.ч." та "чда". 4-піридилвердазил було одержано за методикою, наведеною в [9]. Вміст органічного радикалу в композиті визначався методом CHN-аналізу. Наступні приклади ілюструють одержання подвійного композиту на основі МС М-41, що містить оксалат марганцю (II) як внутрішній стандарт (приклад 1), метод одержання подвійного композиту на основі МСМ-41, що містить оксид марганцю (II) як внутрішній стандарт (приклад 2), метод одержання потрійного композиту на основі МСМ-41, що містить оксалат марганцю (II), та 4-піридилвердазилу (приклад 3), зменшення інтенсивності сигналу ЕПР при взаємодії одержаного активного елементу з розчином сульфату міді(ІІ) (приклад 4), зменшення інтенсивності сигналу ЕПР при взаємодії одержаного активного елементу з розчином оцтової кислоти (приклад 5). Приклад 1. 160 мг МСМ-41 обробляють розчином 14 мг МnСl2×6Н2О, після чого додають 8 мг Na2C2O4- Через 2 години осад відфільтровують, висушують на повітрі. 70 мг висушеного осаду обробляють розчином 10 мг 4піридилвердазилу в 4 мл толуолу. На наступний день композит відфільтровують, промивають толуолом та висушують на повітрі. Приклад 2. 1 г МС М-41 просочують розчином 2 мг ацетату марганцю (II) в мінімальній кількості метанолу, висушують на повітрі. Через 1 день отриманий матеріал нагрівають протягом 5 годин при 300°С, після чого зразок відновлюють воднем при 400°С та ре-окиснюють на повітрі протягом 2 діб. Приклад 3. 390 мг МСМ-41, що містить оксалат марганцю II, просочують розчином 33 мг 4-піридилвердазильного радикалу в 4 мл толуолу. На наступний день осад відфільтровують, промивають толуолом та висушують на повітрі. Приклад 4. 10 мг потрійного композиту на основі МСМ-41, що містить оксалат марганцю (II), та 4-піридилвердазилу обробляється 5 мл розчину сульфату міді (II) у воді, концентрацію іонів міді в якому треба визначити (від 0 до 2×10-4 М). Через 1 хвилину реєструється спектр ЕПР отриманої суміші. Приклад 5. 10 мг потрійного композиту на основі МСМ-41, що містить оксалат марганцю (II), та 4-піридилвердазилу обробляється 5 мл розчину оцтової кислоти у воді, концентрацію якого треба визначити (від 0 до 2×10-4 М). Через 1 хвилину реєструється спектр ЕПР отриманої суміші. Література [1]. Н.К. Зенков, Е.Б. Меньшиков, В.П. Реутов // Вестник Рос. АМН. -2000. - № 4. - С. 30. [2]. Swartz Н. М., Clarkson R. В. // Ph ys. Med. Biol. - 1998 - V. 43 - P. 1957. [3]. В. Gallez, С. Baydelet, В. F. Jordan // N MR Biomed. - 2004 - V. 17 - P. 240. [4]. H. Utsumi, H. Sano, M. Naruse, T. Igarashi, T. Oi // US Patent 6,239,145 (2001). [5]. P.C. Morais, A. Alonso, O. Silva, N. Buske // J. Magn. Magn. Materials -2002-V. 252-P.53. [6]. Э.А. Пономарева, П.В. Тарасенко, А.И. Василькевич, Я.Б. Козликовский, В.М. Матыцин, Ф.И. Скалозуб, СП. Лейтар, Г.Ф. Дворко, И.Н. Новиков, М.Ю. Кучинко, И.Ф. Брюхин, Авторское свидетельство SU 1673959 А1, 1991. [7]. Химия вердазильных радикалов, О.М. Полумбрик. К. Наукова думка: 1984, 250 с. [8]. J.S. Beck, J.C. Vartuli, W.J. Roth, M. E. Leonovicz, СТ. Kresge, K.D. Schmitt, CT.-W. Chu, D.H. Olson, E.W. Sheppard, J.B. McCullen, J.B. Higgins, J.L. Schienker // J. Am. Chem. Soc. - 1992 - V. 114 - P. 10834. [9]. K. Mucai, M. Matsubara, H. Hisaton, Y. Hosokoshi, K. Inoue, N. Azuma // J. Phys. Chem. В - 2002 - V. 106 P. 8632.