Спосіб одержання підкладок на основі мезопористих золь-гель плівок діоксиду титану для мас-спектрометричних досліджень методом лазерної десорбції/іонізації

Реферат: Спосіб одержання підкладок на основі мезопористих золь-гель плівок діоксиду титану для масспектрометричних досліджень методом лазерної десорбції/іонізації. До розчину тетраізопропілортотитанату у суміші концентрованої соляної кислоти та ізопропанолу при перемішуванні та охолодженні додають розчин три-блок-співполімеру поліетиленоксидполіпропіленоксиду у ізопропанолі, перемішують протягом 2 год. при кімнатній температурі, отриманий золь наносять на скло методом "dip-coating", витримують 2 години при кімнатних умовах, а потім відпалюють у програмованій шафі при температурі 500 °C. UA 105150 U (12) UA 105150 U UA 105150 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до мас-спектрометрії, а саме до способів одержання та характеризації матеріалів, які можуть використовуватись як підкладки при лазерній десорбції/іонізації (ЛДІ) у приладах, обладнаних лазером, що працює в УФ-діапазоні. Відомі приклади одержання підкладок на основі мезопористих титан-вольфрамових оксидів [Preparation of highly ordered mesoporous WO 3-TiO2 as matrix in matrix-assisted laser desorption/ionization mass spectrometry / Minjia Yuan, Zhe Shan, Bozhi Tian [et al.] // Microporous and Mesoporous Materials. - 2005. - V.78, № 1. - P. 37-41]. Імпульсне лазерне нанесення використовували для модифікації стандартної підкладки плівкою наноструктурованого ТіО2 завтовшки приблизно 200 нм [Titanium dioxide coated MALDI plate for on target analysis of phosphopeptides / F. Torta, M. Fusi, С S. Casari [et al.] // J.Proteome Res. - 2009. - V. 8, № 4. - P. 1932-1942]. Функціоналізоване покриття наносили на сталеву мішень або на скляні слайди, що мали шар оксидів індію та олова. Оксидний шар давав змогу здійснювати преконцентрацію і визначення фосфорильованих пептидів безпосередньо на мішені. Описана спроба використання як підкладки гібридного матеріалу на основі золь-гель плівок, що просочені органічною кислотою (матрицею), агентом, що абсорбує енергію УФ-випромінення [Glass-chip-based sample preparation and on-chip trypic digestion for matrix-assisted laser desorption/ionization mass spectrometric analysis using a sol-gel/2,5-dihydroxybenzoic acid hybrid // matrix / Ya-Shiuan Lin, Chin-Hsiung Yang and Yu-Chie Chen* Rapid Commun. Mass Spectrom. 2004, V. 18, Issue 3, p. 313-318]. Кожний з наведених способів одержання підкладок для лазерної/десорбції іонізації мають свої переваги та недоліки. У багатьох випадках конкретний вид підкладки може ефективно використовуватись для аналізу лише окремих видів сполук. В разі використання у процесі синтезу підкладок будь-яких органічних речовин достатньо важко уникнути наявності у масспектрах шумових піків їх фрагментів або асоціатів з аналізованими молекулами, що особливо негативно позначається на роботі зі сполуками з молекулярною масою, меншою за 500 а.о.м. Не завжди вдається досягти достатніх величин питомої поверхні для концентрування зразка на підкладці та одержання інтенсивних якісних мас-спектрів. Найбільш близький за технічним результатом та сукупністю суттєвих ознак і, вибраний нами як прототип, спосіб одержання підкладки [див. статтю Cheng-Tai Chen, Yu-Chie Chen "Desorption/ionization mass spectrometry on nanocrystalline titania sol-gel-deposited films", Rapid communication in mass Spectrometry, 18 (2004), 1956-1964], яка являє собою ТіО2 золь-гель плівку товщиною 390 нм та кутом змочування - 10,7°, нанесену на алюмінієву основу та просочену розчином цитратного буферу як потенційного джерела протонів. Сукупними суттєвими ознаками відомого та заявленого способу є приготування золю на основі органічних сполук титану, нанесення шару суміші на поверхню твердої основи, відпал підкладки при 500 °C Причиною, що перешкоджає одержанню технічного результату заявленого способу, є те, що при дії УФ-лазерного опромінення поверхня такої підкладки стає джерелом десорбції значної кількості супутніх іонів, що призводить до присутності у мас-спектрах досліджуваних речовин + фонових піків іонів Аl2О , калієвих аддуктів цитронової кислоти та ін. Такі шуми перешкоджають аналізу сполук, молекулярна маса яких нижча за 500 а.о.м. Крім того, відсутність оптичної прозорості підкладки унеможливлює одночасне вивчення процесів адсорбції та фотокаталізу аналізованої речовини методом УФ-спектроскопії. В основу корисної моделі поставлено задачу розробити спосіб одержання підкладок на основі мезопористих золь-гель плівок діоксиду титану для мас-спектрометричних досліджень методом лазерної десорбції/іонізації, які б за своїми технічними характеристиками (хімічною чистотою, механічною та термічною стійкістю, абсорбуючою здатністю та ін.) забезпечували одержання якісних мас-спектрометричних даних, надавали можливість десорбції/іонізації молекул аналіта без участі додаткових хімічних реагентів (матриць), одночасного застосування методів ЛДІ та УФ-спектроскопії щодо досліджуваних зразків. Поставленазадача вирішується тим, що у способі одержання підкладок на основі мезопористих золь-гель плівок діоксиду титану для мас-спектрометричних досліджень методом лазерної десорбції/іонізації, згідно з корисною моделлю, до розчину тетраізопропілортотитанату у суміші концентрованої соляної кислоти та ізопропанолу при перемішуванні та охолодженні додають розчин три-блок-співполімеру поліетиленоксид-поліпропіленоксиду у ізопропанолі, перемішують протягом 2 год. при кімнатній температурі, отриманий золь наносять на скло методом "dip-coating", витримують 2 години при кімнатних умовах, а потім відпалюють у програмованій шафі при температурі 500 °C. 1 UA 105150 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Тонкі оптично прозорі золь-гель плівки наносять на скляну основу. Подальший відпал підкладок при температурі 450-500 °C надає плівці очікуваних структурних характеристик, механічної стійкості та хімічної чистоти. Зменшення кількості кислотних центрів на поверхні підкладки, що відбувається внаслідок відпалу, компенсується за рахунок подальшої взаємодії поверхні плівки з водним розчином зразка під час адсорбції. Лазерна десорбція/іонізація аналізованої речовини потребує ефективного поглинання енергії лазера та її переносу на молекули аналіта. При поглинанні кванта світла напівпровідником генеруються вільний електрон і електронна вакансія, які рекомбінують в об'ємі або на поверхні з переносом теплової енергії на аналіт, мігрують, частково локалізуючись на структурних дефектних центрах, молекулах адсорбату, які можуть слугувати як пастками, так і центрами рекомбінації носіїв заряду. У випадку мезопористих плівок ТіО 2, які відпалені при температурах близьких до 500 °C та містять включення кристалічного анатазу, процес генерації зарядів є ефективним, якщо енергія опромінюючих фотонів більше 3,2 eV - значення енергії ширини забороненої зони матеріалу. Отже для мас-спектрометричних приладів, обладнаних лазером з довжиною хвилі 337 нм (енергія 3,6 eV), такі матеріали є прийнятними. Унікальні фотокаталітичні, адсорбційні, сенсорні властивості діоксиду титану, його хімічна та механічна стійкість, гарна змочуваність, низька токсичність підвищує здатність ТіО 2 слугувати основою для конструювання ефективних у мас-спектрометричних методах поверхонь. Для одержання підкладок на основі тонких оптично прозорих мезопористих золь-гель плівок діоксиду титану використовували наступні реагенти: - тетраізопропілортотитанат 99 % (Ті(ОС3Н7)4, Aldrich) - ТІПТ; - темплат - Pluronic P123 – НО(CН2СН2О)20(СН2СH(СН3)O)70(СН2СНО)20Н - три-блокспівполімер поліетиленоксид-поліпропіленоксид, що позначається ЕО20РО70ЕО20 (BASF); - ацетилацетон (Aldrich); - концентрована соляна кислота аналітичної чистоти; - ізопропіловий спирт (Fluka) та вода подвійної дистиляції. Підкладки одержували наступним чином. ТІПТ розчиняли при інтенсивному перемішуванні та охолодженні (0 °C) в суміші концентрованої соляної кислоти та ізопропанолу. Після 1 год. перемішування до прекурсора додавали розчин Pluronic P123 у ізопропанолі. Одержаний розчин старів при кімнатній температурі при перемішуванні 2 год. Нанесення плівки на скляний слайд здійснювали за методикою "dip-coating". Після нанесення, гелювання і дозрівання гелю плівки висушували за кімнатної температури протягом 2 годин. Відпал проводився при 500 °C. Вага плівки на -3 -2 субстраті становила приблизно 2-10 г або 10 г-м , товщина - 100 нм. Одержані плівки мають впорядковану гексагональну пористу структуру та, за даними рентгеноструктурного аналізу, містять наночастинки анатазу з середнім розміром 10-15 нм. Питома площа поверхні плівок, розрахована з ізотерм адсорбції-десорбції пари гексану, близька 2 -1 до 600-700 м -г Середній розмір пор у плівках, розрахований із малокутового розсіювання рентгенівських променів, становить 8-20 нм. На фіг. наведений спектр поглинання мезопористої ТІО 2 плівки, нанесеної на кварцеву основу. Смуга поглинання мезопористої плівки ТіО2 зсунута в синю область порівняно з монолітним діоксидом титану (ширина забороненої зони Е = 3,2 еВ), що можна віднести до присутності в об'ємі його менших кристалітів (Е = 3,5 еВ). Залежно від структури поверхні плівки діоксиду титану, кут змочування водою може змінюватись від 72° до 15°. Така різниця експериментальних даних обумовлена високим ступенем дефектності поверхні ТіО2-плівки, що є результатом відпалу і видалення органічних компонентів. Змочуваність поверхні ТіО2 може збільшуватись внаслідок її опромінення. Після 10-хвилинної УФ-експозиції під дією ртутної лампи мезопористі ТіО 2 плівки демонструють фотоіндуковану супергідрофільність з контактним кутом 0°. Для характеристики одержаних підкладок використовували ряд тестових органічних сполук: тіазиновий барвник метиленовий блакитний, акридинові барвники, сульфофталеінові барвники та ін. Адсорбцію барвників на плівках проводили з водних розчинів, встановлення рівноваги контролювали за електронними спектрами поглинання. По закінченню процесу величина -4 -4 -1 адсорбції барвника складала 0,9-10 -2-10 моль-г . Експерименти проводили на повітряносухих зразках, тобто після діставання з водного розчину барвника плівки висушували при кімнатних умовах. Тестування проводили за допомогою мас-спектрометра Autoflex II (Bruker Daltonics Inc, Німеччина), обладнаного азотним лазером (λ=337 нм) та часопрольотним аналізатором (Time of Flight-ToF). Іонізацію зразків проводили імпульсами тривалістю 3 не з частотою 20 Гц. Прискорююча напруга - 20 кВ. Спектри позитивних іонів реєстрували з використанням 2 UA 105150 U 5 10 15 20 25 рефлектронного режиму з часовою затримкою екстракції іонів у 10 нc при потужності лазера 27 мкДж/імпульс. Скляні слайди закріплювали на спеціально виготовленому та відрегульованому за висотою утримувачі оригінальної конструкції. Суть корисної моделі пояснюється конкретними прикладами виконання. Приклад 1. Для приготування розчину 1 до 5,1 мл ізопропанолу додавали 0,32 мл 12 н соляної кислоти. Після охолодження на льоду та перемішування протягом 3-5 хв. додавали 3 мл ТІПТ та по краплям 0,54 мл ацетилацетону. Суміш залишали на магнітній мішалці на 1 год. Розчин 2 отримували шляхом перемішування 1,25 г Pluronic P123 та 17,82 мл ізопропанолу до повного розчинення (приблизно протягом 1 год.). Суміш розчинів 1 та 2 перемішували 2 год. при кімнатній температурі. Після цього розчин наносили на скляну основу методом "dip-coating". Одержані плівки витримували 2 години при кімнатних умовах а потім відпалювали у програмованій шафі. Температура відпалу 500 °C. Приклад 2. Виконували згідно з прикладом 1, за винятком того, що температура відпалу становила 350 °C. Приклад 3. Виконували згідно з прикладом 1, за винятком того, що температура відпалу становила 400 °C. Приклад 4. Виконували згідно з прикладом 1, за винятком того, що температура відпалу становила 450 °C. Приклад 5 - прототип. Золь готували шляхом перемішування 3,4 мл бутоксиду титану (ІV) з 1,6 мл етанолу протягом 30 хв. при кімнатній температурі. Утворений розчин переносили на льодяну баню. Повільно додавали суміш 1,6 мл етанолу, 0,18 мл води та 75 мкл 60 % азотної кислоти при постійному перемішуванні протягом 10 хв., потім - 15 г поліетиленгліколю (Mr 600) протягом 30 хв. на водяній бані при 40 °C та перемішуванні. Алюмінієву основу (2 см х 2 см х 0.2 мм) вимочували у ацетоні, потім у метанолі протягом 5 хв. в ультразвуковій ванні. Золь наносили на поверхню металу методом "spin-coating", підкладку витримували 20 хв. при кімнатній температурі після чого відпалювали 1 годину при 500 °C. Для отримання мас-спектрів підкладку додатково просочували розчином цитратного буфера. В таблиці наведені дані за прикладами 1-5. Таблиця Температура Приклади відпалу підкладки, °C Приклад 1 Приклад 2 Приклад 3 Приклад 4 500 °C 350 °C 400 °C 450 °C Приклад 5 (прототип) 500 °C Значення Ширина Кут питомої заборонезмочуваСупутні піки поверхні, ної зони, ння, град. 2 SБЕТ, м /г Eg + 390 3,37еВ 10 39 [К] + 490 3,46 еВ 23 39 [К] , 57, 69, 72, 88, 122 + 540 3,43 еВ 17 39 [К] + 460 3,40 еВ 13 39 [К] + + 39 [К] , 70[Аl2О] , + 231 [С6Н8О7+К] , + 269 [С6Н8О7-Н+2К] Іонний вихід, відносні одиниці 1,00 0,25 0,47 0,92 1,00 30 35 40 45 Як видно із таблиці, питома поверхня, а отже і адсорбційна здатність плівок ТіO 2, змінюється нелінійно, в залежності від температури відпалювання (400>350>450>500). Температура 350 °C є недостатньою для повного видалення органічних складових гелю. Збільшення питомої поверхні при переході від 350 °C до 400 °C є наслідком більш глибокого вигоряння органічних складових прекурсору. Подальший підйом температури понад 500 °C є недоцільний, оскільки призводить до спікання пористої структури, більш того, в цих умовах відбувається часткове розм'якшення скляної основи і вона потребує спеціального поводження. Підняття температури відпалу підкладок покращує гідрофільні властивості покриття, що позитивно впливає на розподіл нанесеного зразка по поверхні підкладки. Активною компонентою плівки, що впливає на іонізацію досліджуваної речовини, є нанорозмірні частинки анатазу, що поглинають світло в УФ-діапазоні. Плівки ТіО2, синтезовані при 350 °C, є аморфними із включеннями первинних кристалічних зародків. Підвищення температури відпалювання золь-гель плівок з одного боку веде до подальшої кристалізації і збільшення розміру частинок анатазу (зменшення значення ширини забороненої зони, а отже і покращення абсорбційних властивостей підкладки), але з іншого боку, внаслідок температурного впливу, відбувається зниження питомої площі поверхні плівок та часткове руйнування пористої структури. Розвинена ж поверхня мезопористих плівок обумовлює 3 UA 105150 U 5 10 15 20 достатню величину ємності підкладки по зразку та рівномірний розподіл речовини по площині плями, що опромінюється в експерименті. Описані зміни у структурі золь-гель плівок за своїм впливом на ефективність процесів десорбції/іонізації є протилежними. Експерименти показують, що оптимальне співвідношення таких параметрів, як пористість, адсорбційна здатність, абсорбційні властивості спостерігаються для підкладок, відпалених при 500 °C. Заявлена корисна модель дозволяє одержувати прозорі мезопористі ТіO 2 підкладки, які можуть використовуватись для паралельних досліджень методами лазерної десорбції/іонізації та електронної спектроскопії органічних речовин невеликої маси. Термічна та механічна стійкість, хімічна чистота відпалених золь-гель плівок забезпечують відсутність фонових ліній у мас-спектрах навіть при максимальній, для використовуваного приладу, потужності лазера. Поєднання методів УФ-спектроскопії та ЛДІ дає змогу вивчати динаміку процесів фоторозкладу адсорбованих сполук, проводити постадійне визначення інтермедіатів хімічних реакцій, що відбуваються на поверхні підкладок. Використання комплексного підходу значно підвищує інформативність наукових досліджень. ТіО2-підкладки надають можливість моделювання як відновних, так і окиснювальних реакцій безпосередньо у мас-спектрометричному експерименті. Одержані у такий спосіб підкладки можуть бути основою для створення ряду модифікацій нових ефективних підкладок для безматричної ЛДІ. Таким чином, наведені приклади підтверджують досягнення технічного результату при здійсненні заявленого способу. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 25 30 Спосіб одержання підкладок на основі мезопористих золь-гель плівок діоксиду титану для масспектрометричних досліджень методом лазерної десорбції/іонізації, який відрізняється тим, що до розчину тетраізопропілортотитанату у суміші концентрованої соляної кислоти та ізопропанолу при перемішуванні та охолодженні додають розчин три-блок-співполімеру поліетиленоксид-поліпропіленоксиду у ізопропанолі, перемішують протягом 2 год. при кімнатній температурі, отриманий золь наносять на скло методом "dip-coating", витримують 2 години при кімнатних умовах, а потім відпалюють у програмованій шафі при температурі 500 °C. Комп’ютерна верстка М. Мацело Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4