Исследование экстракции в статических и динамических условиях макро и микросистем при помощи термооптической спектроскопии тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.02 ВАК РФ

Московский государственный университет им М В Ломоносова Химический факультет

На правах рукописи

Смирнова Аделина Петровна

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭКСТРАКЦИИ В СТАТИЧЕСКИХ И ДИНАМИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ МАКРО И МИКРОСИСТЕМ ПРИ ПОМОЩИ ТЕРМООПТИЧЕСКОЙ СПЕКТРОСКОПИИ

Специальность — 02 00 02 — аналитическая химия

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук

Москва-2007

003061184

Работа выполнена в лаборатории спектральных методов анализа кафедры аналитической химии химического факультета Московского государственного университета им М В Ломоносова

Научный руководитель

кандидат химических наук, Проскурнин Михаил Алексеевич

Официальные оппоненты

доктор химических наук, Зоров Никита Борисович

кандидат химических наук, Сляднев Максим Николаевич

Ведущая организация

Институт общей и неорганической химии имени Н.С Курнакова (ИОНХ) РАН

Защита состоится 30 мая 2007 г в 16 ч 15 мин в аудитории 344 химического факультета на заседании диссертационного совета Д 50100188 по химическим наукам в Московском государственном университете им M В Ломоносова по адресу 119992, Москва, Ленинские горы, МГУ, Химический факультет

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке химического факультета Московского государственного университета им M В Ломоносова

Автореферат разослан 28 апреля 2007 г

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат химических наук

И И Торочешникова

Общая характеристика работы

Актуальность темы

За последние двадцать лет масштаб анализируемых объектов стремительно снижается от сантиметровых и миллиметровых объемов к микро- и нано-пространству Основной мотивацией такого перехода является неослабевающий интерес к химическим и физическим характеристикам микропространства, а также к поиску новых платформ и приложений для их изучения Все это диктует необходимость исследования современных возможностей анализа, возникающих при миниатюризации

Одним из решений в этой области являются микрофлюидные системы (МФС) или химические микрочипы, представляющие собой систему микроканалов, выполненных в пластинах малого размера, в которых проводят различные аналитические операции [смешивание, реакции, экстракционное или хроматографическое разделение, и т п) При переходе к МФС первоопределяющую роль играет выбор подходящего метода детектирования, поскольку малый объем объектов исследования и низкие определяемые концентрации предъявляют определенные требования как к чувствительности, так и к аппаратурным возможностям методов В настоящее время для оптического детектирования в МФС наиболее часто используют лазерно-индуцированную флуоресценцию, однако этот метод может быть применен исключительно к флуоресцирующим молекулам

Методы лазерной термооптической [фототермической) спектроскопии относятся к молекулярной спектроскопии поглощения, что позволяет в качестве объектов исследования брать широкий круг соединений Они основаны на регистрации изменений показателя преломления, вызванных нагревом среды вследствие поглощения электромагнитного излучения и давно применяются в аналитической химии Их высокая чувствительность позволяет исследовать объекты с оптической плотностью до 1(Н и концентрациями до Ю-12 - Ю-10 М Важной характеристикой термооптических эффектов является их локальность они охватывают не весь объем исследуемого объекта, а только микропространство вокруг луча индуцирующего лазера, что позволяет не только проводить определения в малых объемах, но и сканирование исследуемых объектов

Современное состояние термооптической спектроскопии в МФС можно охарактеризовать следующими основными направлениями развития аналитическая химия (иммуноферментные методы, капиллярный электрофорез, проточно-инжекционный анализ, экстракционные процессы, ферментативный катализ), синтетическая химия, исследования биохимии клетки В области инструментальных подходов здесь доминируют спектроскопия фототермического отклонения, термолинзовая микроскопия, а основные достижения связаны с детектированием единичных молекул, исследованиями нанопространства Однако спектроскопия поверхности раздела фаз жидкость-жидкость в микропространстве остается той областью, в которой еще много открытых вопросов Достоинства шкалы микропространства позволяют с успехом переносить жидкость-жидкостную экстракцию в химические микрочипы За счет большой специфической поверхности

границы раздела фаз, а также высокого соотношения площади границы раздела к объему фаз, обеспечивается уменьшение расстояния при диффузионном переносе и сокращение времени диффузии Проведение высокоэффективной жидкостной экстракции в МФС становится возможным без использования дополнительных механических операций

Цель работы

В связи со сказанным выше, цель работы можно сформулировать как расширение возможностей аналитического применения микрофлюидных систем и термооптических методов (термолинзовой спектрометрии и термолинзовой микроскопии) при исследовании двухфазных жидкость-жидкостных систем с термолинзовым детектированием Достижение поставленной цели предусматривало решение следующих задач

1 Оценку аналитических возможностей и аналитических характеристик термолинзовой спектрометрии и термолинзовой микроскопии для изучения двухфазных систем в макро- и в микро-вариантах

2 Поиск условий экстракционно-фотометрического и экстракционно-термолинзового определения различных соединений и их перенесение в микрофлюидные системы

3 Аналитическое применение микрофлюидных систем на примере экстракционного определения пестицидов карбаматного ряда в сочетании с разделением в химическом микрочипе и термолинзовым детектированием

Научная новизна работы

Расширены аналитические возможности микрофлюидных систем и термолинзовой спектрометрии и термолинзовой микроскопии

1 Изучена совокупность факторов (инструментальные настройки, характеристики среды, скорости потоков), которые позволяют исследовать динамику процессов массопереноса при помощи термооптических методов на уровне содержаний Ю-7 - КИ М на расстояниях до границы поверхности раздела фаз от 10"6 до Ю-2 м как в статических условиях кюветы, так и в условиях потока в микрофлюидных системах

2 Предложена простая модель, учитывающая массоперенос через границу раздела фаз жидкость-жидкость в статических условиях вследствие одновременного влияния диффузии и термодиффузии Модель позволяет оценить условия термооптического эксперимента и может быть использована при реализации экстракционного разделения и концентрирования в микрофлюидных системах

3 Предложены условия экстракционного концентрирования в двухфазном микрофлюидном потоке за счет достижения разницы скоростей потоков водной и органической фаз в условиях устойчивой границы раздела жидкость-жидкость Абсолютное концентрирование в зависимости от природы растворителя и геометрии канала составляет от 50 (для толуола) до 5 раз (для 1-бутанола) с пределами обнаружения модельных систем 10~9 - Ю-8 М

-54 Предложен термооптический вариант определения пестицидов карбаматного ряда в микрофлюидных чипах, позволяющий оперативно проводить определение пестицидов на нанограммовом уровне концентраций

Практическая значимость работы

1 Для реализации двухфазных микрофлюидных потоков с устойчивой границей раздела фаз жидкость-жидкость предложена топология химического микрочипа (материал — стекло или кварц) с микроканалом сложного профиля и гидрофобным покрытием части канала октадецилсиланом Для водно-органических систем вода-толуол и вода-1-бутанол определены диапазоны скоростей потоков обеих фаз, в пределах которых возможно протекание экстракционных процессов, а граница раздела фаз остается стабильной (6 и О 04 мкл/мин для системы вода-толуол и 6 и 0 35 мкл/мин для системы вода-1-бутанол]

2 Предложен новый способ инициирования процессов экстракции в химическом микрочипе (в отличие от существующего способа «остановки потоков») путем резкого сброса скорости органической фазы до малой величины при сохранинии скорости водной фазы, позволяющий выполнять экстракцию в потоке при сохранении стабильной границы раздела фаз в течение длительного времени

3 Предложены условия экстракционного концентрирования и селективного определения в химическом микрочипе пестицида карбаматного ряда карбарила в виде продукта его азосочетания с диазотированным триметиланилином, экстрагируемого толуолом, с пределом обнаружения 7 х Ю-8 М при помощи термолинзовой микроскопии

4 Предложены условия экстракционного концентрирования и селективного определения в химическом микрочипе пестицидов карбаматного ряда (карбарила, карбофурана, бендиокарба и пропоксура) по реакции азосочетания с нитробензолдиазонием, экстрагируемого 1-бутанолом с пределами обнаружения (2 - 8) х Ю-8 М при помощи термолинзовой микроскопии

5 Выполнено электрофоретическое разделение пестицидов из потока органической фазы после проведения их экстракционного концентрирования в микрофлюидной системе Продемонстрированы возможности микрофлюидных систем для аналитического электрокинетического разделения с гидродинамическим вводом пробы и определены границы варьирования напряжения и скоростей потока

6 Предложены условия послеэкстракционного разделения продуктов азосочетания пестицидов карбаматного ряда (карбарила, карбофурана, бендиокарба и пропоксура) с нитробензолдиазонием с пределами обнаружения Ю-7 М в химическом микрочипе при помощи мицеллярной электрокинетической хроматографии с детектированием при помощи термолинзовой микроскопии

-6В работе защищаются следующие положения

1 Факторы, влияющие на сигнал термооптических методов — термолинзовой спектрометрии и термолинзовой микроскопии — в потоке и в статических условиях, и способы их учета в микрофлюидных системах

2 Результаты исследования и особенности экстракционного массопереноса трис-(2-нитрозо-1-нафтолата) кобальта(Ш) и бис-диэтилдитиокарбамината меди(И) в системах вода-толуол и вода-хлороформ через границу раздела фаз в статических условиях макропространства кюветы с детектированием при помощи термолинзовой спектрометрии

3 Результаты исследования и особенности экстракционного массопереноса трис-(2-нитрозо-1-нафтолата) кобальта(Ш) в системе вода-толуол через границу раздела фаз в двухфазном микрофлюидном потоке химического микрочипа с детектированием при помощи термолинзовой микроскопии

4 Условия экстракционно-термолинзового определения пестицида карбаматного ряда карбарила в микрофлюидном варианте при последовательном проведении нескольких аналитических стадий (гидролиза, азосочетания, экстракции и детектирования окрашенного продукта в органической фазе), реализованных в химическом микрочипе

5 Условия разделения и определения в химическом микрочипе пестицидов карбаматного ряда (карбарила, карбофурана, бендиокарба и пропоксура) при помощи мицеллярной электрокинетической хроматографии в микрофлюидном варианте с термолинзовым детектированием

Апробация работы

Основные результаты работы представлены на следующих конференциях 33™ Коллоквиум «Colloquium Spectroscopuium Internationale» (CSI 2003) (7-12 сентября 2003, Гранада, Испания), 28™ Международный симпозиум «International Symposium

6 Exhibit on High Performance Liquid Phase Separations & Related Techniques» (HPLC 2004) (12-18 июня 2004, Филадельфия, США), 19™ Международный симпозиум «International Symposium on Microscale Bioseparations» (MSB2005) (31 июля - 4 августа 2005, Кобе, Япония), 20™ Международный симпозиум «International Symposium on Micro-Scale Bioseparations» (MSB2006) (22-26 января 2006, Амстердам, Голландия), 29™ Международный симпозиум «International Symposium on Capillary Chromatography» (ISCC2006) (29 мая - 6 июня 2006, Рива дель Гарда, Италия), Международный конгресс «International Congress on Analytical Sciences» (ICAS2006) (25-30 июня 2006, Москва, Россия), 21™ Международный симпозиум «International Symposium on Micro-Scale Bioseparations» (MSB2007) (14-18 января 2007, Ванкувер, Канада)

Структура и объем работы

Диссертация изложена на 196 страницах машинописного текста и включает 75 рисунков, 25 таблиц и список цитируемой литературы из 219 наименований

Основное содержание работы

Теоретическая часть состоит из двух глав В первой главе описаны системы микроанализа на основе химических микрочипов обсуждены их основные характеристики, способы производства, системы детектирования и особенности реализации аналитических методик в микропространстве Показдно, что детектирование в микрофлюидных системах обладает своей спецификой, основанной на малых размерах пространства и объемах пробы Во второй главе раскрыты особенности термооптических методов анализа — термолинзовой спектрометрии (ТЛС) и термолинзовой микроскопии (ТЛМ) — и представлены потенциальные возможности их сочетания с микрофлюидными технологиями, которые привели к созданию первого серийно выпускаемого термооптического прибора термолинзового микроскопа ГГЬМ-Ю, специально предназначенного для аналитических приложений, связанных с химическими микрочипами Основные результаты и их обсуждение представлены в главах 3-7

В третьей главе описана аппаратура, реагенты и техника эксперимента, представлены особенности производства химических микрочипов в зависимости от требуемого дизайна, подготовка микрочипов к работе, а также рассмотренно обеспечение микропотоков для каждой из систем В табл 1 представлены структурные формулы и некоторые характеристики исследованных соединений комплексов трис-(2-нитрозо-1-нафтолата) кобальта(Ш), /77рис-(1,10-фенантролината) железа(П), бис-диэтилдитиокарбамината меди(Н), красителя закатного желтого и пестицидов карбаматного ряда (карбарила, карбофурана, пропоксура и бендиокарба) Схема формирования сигнала в термолинзовой спектрометрии и микроскопии представлена на рис 1

Фокусирующая линза-►

Индуцирующий*.

луч ^^

Зондирующий-луч

Образец с индуцируемой термолинзой

Светофильтр^^

—■ Диафрагма—к — Детектор—

Хроматическая у аберрация

Объектив микроскопа

Конденсирующая линза

Рис 1 Схема формирования термолинзового сигнала в кювете и химическом микрочипе и распространение лучей в термолинзовой спектрометрии и микроскопии

Таблица 1 Модельные соединения и пестициды карбаматного ряда, изученные в работе

Определяемое соединение Комплекс или структурная формула Я-max, нм (среда) Ехтах х Ю-з

Со трис-[ 2-нитрозо-1-нафтолат) Со(Ш) 530 (толуол) 12 6

Ие трис-(1Д0-фенантролинат) Ре(И) 514 (вода)

Си бис-диэтилдитиокарбаминат меди(Н) 434 (хлороформ) 12 6

Закатный желтый (натриевая соль 1-диазо(4-сульфобензол)-2-нафтол-5-дисульфоновой кислоты) Закатный желтый (собственное поглощение) 480 (вода)

Карбарил (1-нафтил-М-метилкарбамат) ся, О н,с ° \ /к \0/ 0> * азосочетание с ТМА © азосочетание с НБД 531 (толуол) 573 (вода) 612 (бутанол) 111 391 53 4

Карбофуран (2,3-дигидро-2,2-диметил-7-бензофуранил метил карбамат) СН3 ЫН-СО ОлСУ) 1ЦС Ч€Н1 азосочетание с НБД 514 (вода) 540 (бутанол) 219 26 5

Пропоксур (2-изопропокси фенил метилкарбамат) сн, мн-со-о-^^^) О— СН(СН^, о-сщсв,^ азосочетание с НБД 513 (вода) 543 (бутанол) 314 30 8

Бендиокарб (2,3-изопропилен-диоксифенил метилкарбамат) V ^сг^сн, н,с св, азосочетание с НБД 490 (вода) 514 (бутанол) 20 2 18 2

Примечания ТМА — диазотированный 2,4,6-триметиланилин, НБД — нитробензолдиазоний

-9В целом, оптические схемы отличаются незначительно Однако в случае термолинзовой спектрометрии расстояние между фокусами лучей обеспечивается за счет прохождения через разные фокусирующие линзы, в термолинзовой микроскопии разделение лучей происходит за счет хроматической абберации объектива микроскопа (или двулинзовых уширителей, в случае ахроматического объектива) Особенностью микроскопии является большая степень фокусирования, что позволяет исследовать объекты малого размера и требует собирающей линзы после объекта Далее, в обоих методах индуцирующий луч отсекается фильтром, а зондирующий луч проходит через диафрагму и попадает на фотодетектор

Использованы двулучевой двулазерный термолинзовый спектрометр, опытная установка термолинзового микроскопа и серийный настольный термолинзовый микроскоп ТЛМ-10 (Япония) (ДТ-ТЛМ) Характеристики лазеров (ТЕМоо-мода), параметры приборов и основные расчетные формулы представлены в табл 2 Синхронизацию процесса измерений осуществляли при помощи специально разработанного программного обеспечения В рамках работы использовали спектрометры с уже оптимизированными геометрическими параметрами оптических схем, поэтому проводили лишь корректировку положений оптических элементов, добиваясь максимального сигнала стандартных растворов перед каждой серией измерений Для настольного термолинзового микроскопа использовали производственные настройки, не требующие вмешательства извне

Сигнал в обоих методах (относительное изменение интенсивности излучения зондирующего лазера в плоскости детектора, 8, рис 1) связан с оптическим поглощением

9 = 2 303elcE0P€, (1)

где £ — молярный коэффициент поглощения, / — длина оптического пути, с — концентрация светопоглощающего вещества, Ре — мощность излучения, индуцирующего термолинзу, Ео — фактор чувствительности ТЛС для единичной мощности индуцирующего излучения,

E0=(-dn/dT)/Xpk, (2)

Хр — длина волны зондирующего лазера, Ап/йТ — температурный градиент показателя преломления и к — коэффициент теплопроводности В связи с этим необходимо учитывать температурные изменения в образце и конвекционные потоки, возникающие в результате локального нагрева образца

Измерения термолинзового сигнала проводили в кварцевых кюветах (/ = 1 см, ТЛС) и химических микрочипах на стеклянных и кварцевых подложках (IMT, Кавасаки, Япония, ТЛМ, табл 3) Все примененные в работе химические микрочипы не являлись одноразовыми и использованы многократно При работе с водными растворами микрочипы промывали ацетоном и бидистиллированной водой, при работе с двухфазными системами — используемым органическим растворителем За чистотой микрочипа следили по базовому сигналу исследуемой системы Потоки с регулируемой скоростью в химических микрочипах обеспечивали с помощью программируемых микрошприцевых насосов (KD Scientific, модели 200 и 210)

Таблица 2 Сравнение харастеристик термолинзовых спектрометров

Параметр Расчетная формула тле тлм ДТ-ТЛМ

Индуцирующий лазер Лазер (модель, производитель) Аг* (Innova 90-6 Coherent,США) Ar+ (YAG, CrystaLaser, Reno, NV, США) Тверд от п/п (Compass 315M Coherent,США)

Длина волны, Хс, нм 514 5 514 5 532

Фокусное расстояние фокусирующей линзы,/е, мм 300 NA = 0 46 NA = 0 46

Конфокальное расстояние, zce, мкм z к 6400 28 28

Исходящая мощность лазерного излучения, Ре, мВт 80 - 500 15-300 75

Диаметр поперечного сечения луча лазера в перетяжке, 2хшое, мкм (для микроскопов) 64 5 134 1 39

Зондирующий лазер Лазер (модель, производитель) He-Ne (SP-106-1, Spectra Physics, США) He-Ne (Melles Griot, Carlsbad, США) Диодный лазер

Длина волны, Хр, нм 632 8 632 8 670

Фокусное расстояние фокусирующей линзы, fp, мм 185 NA = 0 46 NA = 0 46

Конфокальное расстояние, zcp, мкм * к 900 3 42 3 55

Исходящая мощность лазерного излучения, Рр, мВт 10 15 0 95

Диаметр поперечного сечения луча лазера в перетяжке, 2хшоР, мкм М0 =0 6x-i-NA (для микроскопов) 27 166 174

Таблица 2 (окончание)

Параметр Расчетная формула тле тлм ДТ-ТЛМ

Геометрические параметры Длина оптического пути, /, мм 10 01 01

Расстояние между ячейкой и детектором, гд см 180 33-35 40-41

Расстояние между фокусами лазеров, г«., мкм 3500 2 2

Соотношение площадей поперечного сечения зондирующего и индуцирующего лучей в кювете, т -И1- / > У 2Т / V 1 4—1 у Iм»,) 2 85 2 75 2 92

Относительное расстояние от перетяжки индуцирующего лазера до кюветы, V 2ср ^ С \ 1] гср 3 93 0 58 0 56

Другие параметры Частота прерывателя,ф, Гц 2 1000 1000

Время развития термолинзы, £ь МКС <рср Ак 1820 0 79 0 83

Фактор чувствительности. Ев, мВт-1 йпЫТ Еп =-- ° 0 296 0 296 0 286

Размер термолинзы в ячейке, цл, мкм - Г5" л \ Яф 150 67 67

Примечания- ЫЛ — численная апертура, ш, — радиус поперечного сечения зондирующего лазера в кювете, р — плотность среды (кг/м3), Ср — удельная теплоемкость (Дж/кг К), О — коэффициент термодиффузии (м2/с)

Для спектрофотометрических измерений использовали спектрофотометры КФК-3, СФ-46 и сканирующие спектрофотометры Shimadzu UV1240-mmi и Jasco V-530 с кварцевыми кюветами (/ = 1 см) Электрофоретическое разделение проводили с помощью системы капиллярного электрофореза Agilent 3DCE (Agilent Technologies) Использовали немодифицированные кварцевые капилляры (Polymicro Technologies) с общей (эффективной) длиной 58 см (50 см) и внутренним диаметром 50 мкм Электрофоретическое разделение в химических микрочипах выполняли с использованием источника высокого напряжения (Matsusada Precision Inc) и внешних платиновых электродов, сигнал измеряли с помощью прибора ДТ-ТЛМ Также в главе 3 приведены условия спектрофотометрического и термолинзового определения изучаемых соединений (методики)

В четвертой главе рассмотрено влияние приборных характеристик и инструментальных настроек на термооптические измерения в водно-органических средах Варьирование мощности индуцирующего излучения позволило определить оптимальную величину рабочей мощности для ТЛС и ТЛМ Теоретически доказан и практически обоснован выбор частоты прерывания индуцирующего лазера для ТЛС и ТЛМ Поскольку требуемая частота определяет размер термолинзы, который в свою очередь должен соответствовать масштабу исследуемого образца (табл 2), то для ТЛС рабочей частотой прерывателя явилось значение в 2 Гц, а для ТЛМ — 1000 Гц Выбранные частоты обеспечивают необходимые условия развития термолинзы, высокую чувствительность измерений и стабильность термолинзового сигнала

Исследовано влияние скорости потока на измерения в микропространстве Показано, что поток является фактором, увеличивающим теплопроводность в микропространстве, и в диапазоне скоростей 01 -10 мкл/мин приводит к увеличению чувствительности ТЛМ измерений за счет достижения оптимального режима развития термолинзы в цикле «нагрев-охлаждение»

Оценены размеры термолинзы в макро- и микропространстве, влияние границы раздела фаз на термооптические явления и влияние термодиффузии Показано, что при переходе к измерениям в микропространстве размер образующейся термолинзы сравним с размерами каналов (табл 2 и 3) Предложена простая модель, позволяющая учитывать основные мешающие факторы и выбирать позицию измерения термолинзового сигнала в микроканале без потери в чувствительности и с минимальным влиянием наведенной термодиффузии Это позволило экспериментально оценить размер термолинзы в микроканале, численное значение которого, 50 мкм, совпало с теоретическими расчетами

Расчет чисел Грассхофа (безразмерная величина в кювете — 104, в химических микрочипах — Ю-3) и Рейнольдса (химический микрочип — единицы), описывающих конвекционный массоперенос, показал, что в микропространстве (ТЛМ) конвекционными колебаниями можно пренебречь, а в макропространстве (ТЛС) конвекция вносит значительный вклад в погрешность сигнала Решение проблемы конвекции в ТЛС существенно улучшает чувствительность и воспроизводимость термолинзовых измерений и увеличивает точность измерений, особенно при работе в органических средах и проведении экстракционных исследований

Таблица 3 Характеристики химических микрочипов, использованных в работе

Аналитическая система Модель микрочипа (30 х 70 мм) Топология каналов Поперечно е сечение канала Материал микрочипа ширина, мкм глубина, мкм

ши Шг Гм Гг

Проточная экстракция в микропространстве №1 У-тип Пирекс 100 40

>- ^_У

Экстракционное определение трис- (2-нитрозо-1-нафтолата) кобальта(Ш) Сложной формы Пирекс 165 210 8 75

Г №7

Экстракционное определение карбарила с ТМА (микрочип 1) №1 У-тип Пирекс 100 40

>- V J

Экстракционное определение карбарила с ТМА (микрочип 2) -— №3 Сложной формы Пирекс 185 226 12 90

) (

Экстракционное определение пестицидов карбаматного ряда с НБД '-ь> №4 Сложной формы Пирекс 127 248 23 94

( ;

Электрокинетическое разделение Инжекционный крест Плавленый кварц 67 22

№5

V У

Примечания, ш — ширина микроканала, мкм (шм — мелкого, шг — глубокого), г — глубина микроканала, мкм (г м М6ЛК0Г0, Гг — глубокого)

Показана возможность практически полного снижения конвекционных колебаний термолинзового сигнала за счет предложенной настройки параметров термолинзового спектрометра в асинхронном режиме суммарное время полуцикла нагрева образца (развития термолинзы) не более 500 мс (из них время измерений стационарной термолинзы не более 300 мс) и суммарное время диссипации термолинзы строго 500 мс (полная диссипация, каждый последующий цикл начинается с температуры окружающей среды)

В пятой главе исследованы особенности проточной жидкость-жидкостной экстракции в микропространстве Для различных сред изучено влияние скорости микропотока на сигнал Показано, что при скоростях потока 01 -10 мкл/мин температурный цикл развития термолинзы «нагрев-охлаждение» выходит на оптимальный режим и чувствительность измерений растет, но при более высоких скоростях термооптический элемент в среде начинает размываться и сигнал падает Такое соотношение факторов проявляется в виде максимума на кривых зависимости сигнала от скорости потока обеих фаз Положение этого максимума зависит от частоты прерывания луча индуцирующего лазера и термооптических характеристик среды

Исследовано влияние мощности излучения индуцирующего лазера и скорости потоков фаз на чувствительность термолинзовых измерений Найдено, что для неизменной скорости потока термолинзовый сигнал линейно растет с увеличением мощности, однако при изменении скоростей микропотоков сигнал меняется нелинейно (рис 2)

На высоких скоростях потока происходит диссипация термолинзы, что приводит к снижению сигнала Полученные данные подтверждают, что оптимальным является выбор мощности 60 мВт, позволяющий пренебречь расходимостью результатов в пределах изменения скорости потока 0 1 - 10 мкл/мин

Рис 2 Зависимость сигнала ТЛМ в микрофлюидном потоке от мощности индуцирующего лазера Химический микрочип У-типа (№1, табл 3) С3акж,в = 1 х Ю-4 М, Хе = 532 нм Ре (мВт) а - 15, б - 30, в -60, г-120, а-300

скорость водной фазы, мкл/мин

Перенос вещества через границу раздела фаз и реакции на границе раздела фаз жидкость-жидкость

В шестой главе описаны результаты экспериментов, при проведении которых использовали возможности термооптических методов (высокую чувствительность, локальность и разрешающую способность) для исследования процессов, проходящих в двухфазных системах вблизи границы поверхности раздела фаз жидкость-жидкость

Для исследования процессов комплексообразования и массопереноса в статических условиях и формирования неподвижной поверхности раздела фаз жидкость-жидкость использовали стандартные кварцевые фотометрические кюветы (/ = 1 см) и термолинзовой спектрометр Для формирования поверхности раздела фаз в микропространстве применили химический микрочип со сложным профилем сечения (табл 3), обеспечивающий стабильность границы раздела фаз жидкость-жидкость в потоке и исследовали процессы экстракции в динамических условиях микропотока при помощи термолинзового микроскопа

Перенос вещества в кювете Термолинзовый контроль процессов в кюветах проводили на примере трис-{2-нитрозо-1-нафтолата) кобальта(Ш) в среде вода-толуол и бис-диэтилдитиокарбамината меди(И) в среде вода-хлороформ Определено оптимальное соотношение металл-реагент, необходимое для полной закомплексованности металла Для трцс-(2-нитрозо-1-нафтолата) кобальта(Ш) оно составило 1 10, для бис-диэтилдитиокарбамината меди(И) — 1 60 Показано, что количества реагентов, используемое в реакциях, можно уменьшить по сравнению с известными спектрофотометрическими методиками более, чем в десятки раз благодаря лучшему соответствию приближения к идеальным условиям в термолинзовых экспериментах Экстракционная система в условиях механического перемешивания характеризуется следующими метрологическими характеристиками (табл 4)

Таблица 4 Метрологические характеристики определения Со(Ш) в виде трис-{2-нитрозо-1-нафтолата) в толуоле и Си(И) в виде бис-диэтилдитиокарбамината в хлороформе в спектрофотометрическом и термолинзовом вариантах детектирования, Ъ = 514 5 нм (Со), Хе = 488 0 нм (Си), Ре = 60 мВт (Р = 0 95,п = 3)

Металл Метод Диапазон определяемых содержаний, М Стт, М Яг (для конц, М)

Со Спектрофотометрия 3 х Ю-7 - 6 х Ю-5 1 X 10"7 0 05 (8 х Ю-7)

тле 2 х 10"7 - 1 х Ю-6 1 X Ю-8 0 05 (5 х Ю-7)

Си Спектрофотометрия 2 х 10-« - 5 х Ю-5 6 X 10"7 0 04 (5 х Ю-6)

тле 2 х Ю-7 - 2 х 10-= 2 х ю-7 0 03 (6 х Ю-7)

Пределы обнаружения выбранных модельных соединений снижены на 1-2 порядка по сравнению со спектрофотометрическими измерениями без существенного изменения условий определения, сравнение экспериментальных и теоретических факторов чувствительности Ео (ур-ние (2)) показывает, что они отличаются незначимо

Процессы экстракции и комплексообразования в статических условиях изучены посредством измерения термолинзового сигнала органической фазы на различных расстояниях до поверхности раздела жидкость-жидкость Скорость переноса оценивали по углу наклона термолинзовых кинетических кривых 8 = /[С) Полученные данные представлены на рис 3

Рис 3 Зависимость скорости переноса трис-(2-нитрозо-1-нафто-лата) Со(Ш] (7) в толуоле и бис-диэтилдитиокарбамината Си[П] (2) в хлороформе от расстояния до границы раздела фаз (линии — модель, точки — экспериментальные результаты), Ре = 60 мВт, Хе = 514 5 НМ, Ссов=1х10"6М, ССив=7х10-5М

Для комплекса кобальта лимитирующим фактором оказывается перенос через границу фаз, в то время как для комплекса меди на начальных временах ограничивающим фактором является собственно комплексообразование В целом, на характер скорости переноса образующихся комплексных соединений вглубь органической фазы влияют два процесса диффузия и термодиффузия, вызванная периодическим образованием термолинзы Предложена модель взаимовлияния этих двух процессов, включающая рост и снижение чувствительности термолинзовых измерений вблизи границы раздела фаз вследствие высокой теплопроводности водной фазы, которая достаточно хорошо согласуется с экспериментальными данными (рис 3) Таким образом, показана возможность использования термолинзовой спектрометрии для исследования экстракционных равновесий в статических условиях Предложенная модель позволяет оценить условия эксперимента и может быть использована при реализации экстракционных методик в микрофлюидных системах

Перенос вещества в химическом микрочипе Термолинзовый контроль процессов в химических микрочипах изучен на примере трцс-(2-нитрозо-1-нафтолата) кобальта(Ш) в среде вода-толуол Комплексообразование и перенос через границу раздела фаз жидкость-жидкость проведены в потоке микроканала, формирование устойчивой поверхности раздела фаз выполнено благодаря сложной форме сечения канала (табл 3) и модификации части поверхности гидрофобными группами (октадецилсилан)

00 \ 10 влияние границы фаз на ТЛ сигнал

20 30 40 50

расстояние до поверхности, мм

Выполнена оптимизация экстракционных условий, при которых граница раздела фаз остается стабильной, а экстракционные процессы проходят с максимальной степенью извлечения Определен диапазон стабильности поверхности раздела фаз при различных скоростях водной и органической фаз (оптимальные скорости для системы вода-толуол — 6 0 и 0 04 мкл/мин, соответственно) Предложено использовать прием резкого снижения скорости потока органической фазы с высокой (начальная скорость 5 мкл/мин) до приведенной выше оптимальной при постоянной скорости водной фазы для более эффективной инициации процессов переноса вещества через границу раздела фаз В отличие от широко распространенного способа «остановки потока», в этом случае экстракция происходит в непрерывном потоке, при этом высокая начальная скорость обеспечивает низкий фоновый сигнал За процессами комплексообразования и диффузии следили измеряя термолинзовый сигнал органической фазы (ур-ние (1)) на различных расстояниях до поверхности раздела Скорость переноса оценивали по углу наклона термолинзовых кинетических кривых

е=Ж)

Скорость экстракции падает при удалении от границы раздела фаз и в центре микроканала выходит на постоянное значение, в то время как максимальный ТЛМ сигнал растет и выходит на максимум Сравнивая результаты экстракции в кювете (ТЛС) и микроканале (ТЛМ), предположено, что перенос комплекса в микроканале осуществляется только за счет диффузионного переноса вглубь фазы, а термодиффузия в ТЛМ, в отличие от ТЛС, не вносит вклада в массоперенос вследствие малых температурных изменений в микропространстве Таким образом, центр слоя органической фазы (вдоль оси У) выбран как оптимальная позиция измерений при экстракционных процессах Дальнейшее изучение экстракционного массопереноса вдоль границы раздела фаз показало, что равновесие устанавливается на расстоянии 25 мм от точки слияния каналов водной и органической фаз, что определило положение точки измерений термолинзового сигнала в микроканале (вдоль оси X)

Варьирование скоростей как водной, так и органической фаз и измерения ТЛМ сигнала позволило определить оптимальные условия экстракции Выявлены и рассмотрены факторы, влияющие на термолинзовый сигнал в микропотоке эффективность экстракционных процессов и абсолютное концентрирование Эффективность экстракции определяется временем контакта фаз в микрофлюидном потоке, и снижение скоростей фаз приводит к увеличению времени контакта и увеличению степени извлечения Абсолютное концентрирование в химическом микрочипе определяется соотношением объемных скоростей потоков органической и водной фаз Таким образом, увеличение разницы между скоростями приводит к росту сигнала за счет эффекта концентрирования, но только до тех пор, пока степень извлечения остается высокой Данное предположение отражается в наличии точки перегиба (рис 4)

Для демонстрации аналитического приложения предложенного подхода выполнили экстракционное определение трис-(2-нитрозо-1-нафтолата) кобальта(Ш) в двухфазовом микропотоке

Рис 4 Зависимость сигнала (в органической фазе) кинетической кривой экстракционного массопе-реноса комплекса Со, при установлении равновесия, от скорости водной фазы в системе вода-толуол Химический микро-чип с каналом сложной формы №2

(табл 3)

ссо = 1 X ю-6 М,

У-гол нач — 5 мкл/мин,

Vro.il кон = 0 05 мкл/мин, Хе = 532 нм,

Ре = 75 мВт

02

о

2

4

6

8

10

скорость водной фазы, мкл/мин

Предложенный метод позволяет определять кобальт в химическом микрочипе (№2, табл 3) с пределом обнаружения стщ = 3 х 10~8 М (и диапазоном определяемых концентраций 10~7 - 10"6 М) Степень извлечения за время выхода на плато (3 мин) достигает 4 5% для всех исследованных концентраций Со и затем остается постоянной, что совпадает с величиной, полученной при статических измерениях экстракционных процессов в кювете (ТЛС)

Для экстракционного определения пестицида карбаматного ряда карбарила предложено использовать химический микрочип с каналом сложной формы (табл 3) Экстракционно-фотометрическое определение карбарила состоит из—стадии щелочного гидролиза пестицида до 1-нафтола, азосочетание по реакции с диазотированным 2,4,6-триметиланилином (ТМА), и экстракционное концентрирование продукта азосочетания в толуоле с последующим его определением в органической фазе с ТЛМ детектированием

Метрологические характеристики предварительно синтезированного азопроизводного карбарила с ТМА в толуоле в спектрофотометрическом (кювета) и термолинзовом (химический микрочип) вариантах детектирования представлены в табл 5 Предел обнаружения карбарила 2 * Ю-8 М (4 5 нг/мл), таким образом, ТЛМ определение карбарила на порядок чувствительнее спектрофотометрического Достигнута верхняя граница определяемых содержаний порядка 5 х 10~5 М (10мкг/мл) Диапазон определяемых содержаний в ТЛМ охватывает около трех порядков и перекрывается с диапазоном для спектрофотометрического определения этого пестицида Воспроизводимость измерений термолинзового сигнала не уступает спектрофотометрическим В целом, достигнутые метрологические характеристики показывают, что термолинзовое определение карбарила в толуоле характеризуется высокой чувствительностью

В оптимальных условиях оценены метрологические характеристики экстракционного определения карбарила в химическом микрочипе (объединение чипов №1 и №3, табл 3) с термолинзовым детектированием Сигнал линеен в области концентраций карбарила в водной фазе 34* Ю-7 - 3 5 х Ю"6 М

Определение карбарила

Таблица 5 Метрологические характеристики определения предварительно синтезированного продукта азосочетания карбарила с 2,4,6-триметиланилин-диазонием в толуоле в спектрофотометрическом и термолинзовом вариантах детектирования, Хе = 532 нм, Ре = 50 мВт (Р = 0 95, п = 15)_

Метод Уравнение градуировочной зависимости Диапазон определяемых содержаний, М Стт, М 5г (для конц, М)

Спектро-фотометрия (2 84±0 01)х 104с + (1 5 ± 0 4) х Ю-2 (г =0 997) 3 х Ю-6 - 1 0 х Ю-4 1 X 10"7 0 03 (1 X 10-5)

ТЛМ (2 63 ±0 06) х 106с-(4 7 ± 0 5) х Ю-2 (г =0 999) 6 х Ю-7 - 5 х Ю-5 2 х Ю-8 0 02 (2 X Ю-6)

Зависимость сигнала от концентрации описывается уравнением градуировочного графика с рассчитанным молярным коэффициентом поглощения (2900 ± 100) (п = 8) и коэффициентом корреляции г=0997 Относительное стандартное отклонение, вычисленное для концентрации карбарила 5 х Ю-7 М составило 0 02 (Р = 0 95, п = 3) Предел обнаружения составил 7 х 10"в М (п = 3), что является достаточным для оценки чистоты питьевой воды (стандарт для питьевой воды <01 мг/л или 5 х Ю-7 М) Степень извлечения, рассчитанная из градуировочной зависимости для образцов с известным содержанием продукта азосочетания карбарила в толуоле, составила 86% от теоретической величины (50-кратного абсолютного концентрирования водного раствора карбарила)

Суммарное определение пестицидов карбаматного ряда

Предложено использовать описанные выше условия определения карбарила для определения других представителей пестицидов карбаматного ряда (карбофурана, пропоксура и бендиокарба, табл 1) Поскольку азосочетание с ТМА является селективным для карбарила, подобраны экстракционно-фотометрические условия для определения остальных пестицидов, включающие стадии гидролиза пестицидов, азосочетания по реакции с нитробензолдиазонием (НБД), и экстракционное концентрирование продуктов азосочетания в 1-бутаноле с последующим их определением в органической фазе с применением ТЛМ Выбор органического растворителя объясняется тем, что продукты азосочетания исследуемых пестицидов чувствительны к рН среды, а 1-бутанол, имеющий среднюю полярность и частично растворимый в воде, обеспечивает необходимый баланс рН для неизменности спектра поглощения продуктов экстракции в органической фазе Все стадии выполнены на одном химическом микрочипе, имеющем систему каналов для реакции и экстракции, канал экстракции имел сечение сложной формы и был частично модифицирован гидрофобными группами (табл 3) По аналогии с экспериментами, проведенными для системы вода-толуол при изучении экстракции комплекса Со и продукта азосочетания карбарила, определены диапазон стабильности для системы вода-1-бутанол и оптимальные условия экстракционного определения пестицидов карбаматного ряда в

микропотоке скорость водной фазы 6 мкл/мин, органической — резкое изменение от 4 до 0 34 мкл/мин

В этих условиях выполнено экстракционное определение выбранных пестицидов Метрологические характеристики определения пестицидов приведены в табл 6 ТЛМ сигнал показал хорошую линейность в указанных концентрационных пределах, коэффициент корреляции г имеет величину более 0 996 Рассчитаны относительные стандартные отклонения для выбранных концентраций Метрологические характеристики определения пестицидов карбаматного ряда в системе вода-1-бутанол не уступают полученным характеристикам селективного определения карбарила в системе вода-толуол Пределы обнаружения достаточны для проведения анализов питьевых вод (стандарт на питьевые воды <0 01 мг/мл карбарила или 5 х 10'7 М) Оценено время анализа для детектирования пестицидов на уровне концентраций 10~7 М, которое составило максимум 10 мин, в то время как для концентрирования в воронке и определения фотометрическими методами требуется около 30 мин и более Степень извлечения в условиях абсолютного концентрирования в 6 раз была постоянной и составляла 73%

Таблица 6 Метрологические характеристики экстракционного определения пестицидов в 1-бутаноле в химическом микрочипе №4 (табл 3) ув = 6 мкл/мин, Уо нач = 4 мкл/мин, у0 Кон = 0 34 мкл/мин ТЛМ Хе = 532 нм, Ре = 75 мВт (Р= 0 95, п = 3)

Пестицид е, л/моль см Диапазон определяемых содержаний, М Сш1п, М (мкг/л) 5г (для конц, М)

Карбарил 4460 ± 50 2 3 х Ю"7 - 2 7 х Ю-6 2 х 10-8 (3 0) 0 03 (3 4 х Ю-7)

Карбофуран 5900 ±100 1 7 х Ю-7 - 2 2 х Ю'6 1 х 10-8 (2 5) 0 03 (3 3 х Ю-7)

Пропоксур 1860 ±90 4 3 х Ю"7 - 7 8 х Ю-6 4 х Ю-8 (7 53 0 04 (1 3 х Ю-6)

Бендиокарб 530 ± 40 1 2 х Ю-6 - 1 9 х Ю'5 1 х Ю-7 (30) 0 05 (2 4 х Ю-6)

Таким образом, экстракционно-фотометрическое определение в химическом микрочипе (№4, табл 3) с использованием микроканала сложной формы с частичным модифицированием поверхности октадецилсиланольными группами обеспечило стабильность двухфазового микропотока и позволило реализовать жидкость-жидкостную экстракционную систему с контролируемым соотношением объемных скоростей фаз Интегрирование всех аналитических стадий в одном химическом микрочипе значительно упростило определение и сократило общее время анализа Комбинация с ТЛМ детектированием обеспечила высокую чувствительность определения и снижение пределов обнаружения выбранных пестицидов по сравнению с традиционными методами анализа

Сочетание экстракции в химическом микрочипе с разделением продуктов азосочетания при помощи капиллярного электрофореза и микроскопическим термолинзовым детектированием

В седьмой главе обсуждается возможность электрокинетического разделения смеси пестицидов в химическом микрочипе с термолинзовым детектированием в сочетании с условиями экстракционного концентрирования Предложено использование мицеллярной электрокинетической хроматографии (МЭКХ) как оптимального метода разделения продуктов дериватизации пестицидов карбаматного ряда, поскольку эти продукты не имеют заряда и не могут быть разделены при помощи традиционного капиллярного электрофореза

Изучено влияние НПАВ (додецилсульфат натрия, ДДСН) и органического модификатора (ацетонитрил) на разделение и определен оптимальный состав буферного раствора, использование которого обеспечивает высокую эффективность и селективность электрокинетического разделения продуктов азосочетания (электрофоретическое разделение в капилляре 58 см, эффективная длина 50 см, внутренний диаметр 50 мкм)

Рис 5 Электрофореграмма смеси продуктов азосочетания пестицидов с НБД бендиокарба (1), про-поксура (2), карбофурана (3), карбарила (4) а, смесь, б, карбарил, в, карбофуран, г, бендиокарб, д, пропоксур, е, сигнал фона Капилляр кварцевый, / = 50 см, d = 50 мкм, напряжение +20 кВ, 200 нм, 22°С, время ввода 3 с, Р= 50 мбар, 10 мМ боратный буфер (рН 9 2), 20% ацетонитрила и 20 мМ ДДСН, концентрация пестицидов 25 мг/л

При переходе к проведению электрофореза в химическом микрочипе использовали условия разделения, полученные при помощи капиллярного электрофореза Следующая часть работы посвящена объединению на одном химическом микрочипе процесса пробоподготовки (микрофлюидной экстракции) и процесса электрокинетического разделения с целью создания интегрированной системы анализа для определения пестицидов карбаматного ряда Для проведения электрофоретического разделения использован химический микрочип в виде инжекционного креста (№5, табл 3) Объединение с процессом экстрации, проходящем в непрервном потоке, требует гидродинамического введения пробы, а не электрокинетического, который обычно используют в микрочиповом варианте электрофореза Данное ограничение определило способ ввода пробы методом «направленной инжекции»

Исследование и определение условий гидродинамического ввода пробы осуществлены визуально с помощью флуоресцентного микроскопа на примере модельной системы смеси флуоресцентных красителей родамина Б и сульфородамина Б в 1-бутаноле Найдено, что наилучшие характеристики электрофоретического разделения обеспечивает химический микрочип на основе плавленного кварца

Для стабилизации условий ввода пробы и разделения в химическом микрочипе №5 (кварц, табл 3) и обеспечения необходимого баланса между электроосмотическим и гидродинамическим потоками, выбраны напряжение 3 3 кВ и скорость подачи пробы 0 08 мкл/мин Изучено влияние времени инжектирования (объема вводимой пробы) на разделение и найдено, что времена инжектирования <1 с (1 нл) обеспечивают полное разделение всех компонентов В выбранных условиях проведено разделение смеси продуктов азосочетания исследуемых пестицидов в 1-бутаноле с термолинзовым детектированием Полученная электрофореграмма представлена на рис 6

Определение оптимальных условий ввода пробы (скорость потока, напряжение, время инжектирования) позволило объединить процесс подачи пробы непрерывным потоком с процессом электрокинетического разделения в химическом микрочипе и выполнить определение предварительно синтезированных продуктов азосочетания пестицидов карбаматного ряда со следующими метрологическими характеристиками (табл 7) 25

5 20

Я

- 15

г ю

Р 5 0

1

ю

15

20 25 время, с

30

35

45

50

Рис 6 Электрофореграмма смеси продуктов азосочетания с НБД бендиокарба (I), пропоксура (2), карбофурана (3), и карбарила (4) Кварцевый химический микрочип №5 (табл 3), / = 30 мм, с1 = 21 мкм, напряжение +3 3 кВ ТЛМ X* = 532 нм, Ре = 75 мВт 22°С, время ввода 1 с, поток пробы 0 08 мкл/мин, концентрация пестицидов 3 мг/л

Таблица 7 Метрологические характеристики электрокинетического разделения продуктов азосочетания пестицидов карбаматного ряда в кварцевом химическом микрочипе №5 (табл 3), /=30 мм, <1 = 21 мкм, напряжение +3 3 кВ ТЛМ Хе = 532 нм, Ре = 75 мВт 22°С, время ввода 1 с, поток пробы 0 08 мкл/мин (л = 3, Р = 0 95)

Пестицид Время удерживания, с Диапазон определяемых содержаний, М Сшш, М (мкг/л) Жг (для конц, М)

Карбарил 40 7 2 х Ю-7 - 7 2 х Ю-6 6 х Ю-7 (110) 0 12 (3 2 х Ю-6)

Карбофуран 29 7 5 х Ю-7 - 7 5 х Ю-6 5 х Ю-7 (100) 0 Об (2 3 х Ю-«)

Пропоксур 27 5 7 4 х Ю-' - 7 4 х 10-6 5 х 10-7 (80) 0 05 (2 1 х Ю-6)

Бендиокарб 23 3 1 х Ю-6 - 3 1 х Ю-г 2 х Ю-6 (370) 0 1 (6 7 х Ю-6)

ТЛМ сигнал показал хорошую линейность в указанных концентрационных пределах, коэффициент корреляции г имеет величину более 0 995 Оценено время анализа для разделения продуктов азосочетания пестицидов, которое составило 50 с, в то время как для разделения при помощи капиллярного электрофореза требуется около 15 минут или более

Проведение экстракционного определения пестицидов карбаматного ряда и электрокинетического разделения продуктов (табл 6 и 7) на химических микрочипах, позволило разработать химический микрочип нового дизайна, объединяющий как стадии гидролиза и азосочетания пестицидов, так и экстракции продуктов и их электрокинетического разделения в общем микрофлюидном потоке Схема объединения и дизайн химического микрочипа представлен на рис 7, Оптимальные размеры каналов, выбранные на основании предыдущих экспериментов, представлены в табл 8 Показано, что метрологические характеристики определения пестицидов в такой интегрированной системе оказываются не хуже, чем при определении в последовательных чипах (селективное определение карбарила) и совпадают с представленными в табл 7

проба

НВД

Рис 7 Объединение экстракционного химического микрочипа и микрочипа для электрокинетического разделения пестицидов карбаматного ряда (а) схематическое изображение объединения, (б) дизайн интегрального химического микрочипа

Таблица 8 Размеры каналов микрочипа, объединяющего экстракционное

Пестицид Канал для гидролиза Канал для экстракции Канал для электрофореза

глубокий неглубокий

Ширина/мкм 220 220 140 60

Глубина/мкм 85 85 20 20

В целом, на примере определения пестицидов карбаматного ряда на интегральном химическом микрочипе, объединяющем стадии фотометрической реакции, экстракционного концентрирования и разделения, удалось показать, что метрологические характеристики не ухудшаются, а время анализа существенно снижается

-24-

Выводы

1 Продемонстрированы возможности термооптической спектроскопии при исследовании экстракционных процессов, проходящих на границе раздела фаз жидкость-жидкость Показано, что термооптическая спектроскопия позволяет исследовать динамику процессов массопереноса на уровне содержаний Ю-7 -Ю-4 М на расстояниях до границы поверхности раздела фаз Ю-6 - Ю-2 м

2 На основании расчетов чисел Грассхофа и Рейнольдса показано, что для объемов порядка 01 -1 мл конвекция вносит значительный вклад в погрешность термолинзовых измерений, а в микропространстве (01-1 мкл) конвекционными колебаниями можно пренебречь За счет оптимального выбора параметров термолинзовых измерений возможно обеспечить условия, в которых конвекционные колебания сигнала незначимы, что увеличивает точность измерений и исключает фактор, мешающий исследовать массоперенос через границу раздела фаз в двухфазовых системах жидкость-жидкость

3 На основании расчетов размера индуцируемой термолинзы в системах на уровне концентраций компонентов Ю-8 - Ю-4 М показано, что при выбранных параметрах термолинзового микроскопа (532 нм, мощность индуцирующего лазера 75 мВт, частота прерывания индуцирующего лазера 1 кГц) размер термолинзы составляет 55 ± 3 мкм, что позволяет использовать термолинзовую микроскопию для исследования процессов, проходящих вблизи поверхности раздела фаз жидкость-жидкость

4 Предложено использовать термолинзовый микроскоп и химический микрочип со сложным профилем канала для реализации двухфазового микропотока и исследования процессов комплексообразования и диффузии, проходящих через границу раздела фаз жидкость-жидкость в условиях потока На примере трис-(2-нитрозо-1-нафтолата) кобальта(Ш) предложены условия осуществления экстракции в микропотоке в диапазоне концентраций Ю-7 - 10~6 М с пределом обнаружения кобальта 3 х 10"8 М

5 Предложены условия экстракционного определения пестицида карбаматного ряда карбарила в химическом микрочипе с термолинзовым детектированием в диапазоне концентраций 10~7 - Ю-6 М Перенесение всех стадий анализа (гидролиз, азосочетание, экстракция) в химический микрочип позволило снизить предел обнаружения по сравнению со спектрофотометрическими измерениями до 5 к Ю-8 М и сократить время анализа до 8 мин

6 Предложены условия суммарного экстракционного определения пестицидов карбаматного ряда в химическом микрочипе со следующими пределами обнаружения карбарила (2 х Ю-8 М), карбофурана (1 * Ю-8 М), пропоксура (4 х Ю"8 М) и бендиокарба (1 х ю-7 М)

7 В химическом микрочипе предложены условия гидродинамического ввода пробы и электрокинетического разделения продуктов азосочетания пестицидов карбаматного ряда в 1-бутаноле при помощи мицеллярной электрокинетической хроматографии и термолинзового детектирования со следующими пределами обнаружения карбарил (9 х Ю-7 М), карбофуран

(5 х 10"7 M), пропоксур (5 х Ю-7 М) и бендиокарб (2 х Ю~6 М) Проведение МЭКХ в

химическом микрочипе с использованием термолинзовой микроскопии

позволяет проводить определение пестицидов на уровне концентраций на 2

порядка меньшем, чем в капиллярной МЭКХ

Основные результаты диссертации изложены в следующих работах

По теме диссертации опубликовано 15 печатных работ в виде 8 статей и 7 тезисов докладов

Статьи

1 Proskurnin М A Determination of Stability Constants by Thermal Lens Spectrometry / MA Proskurnin, VV Chernysh, SV Pakhomova, MYu Kononets, AP Smirnova, DA Nedosekin//Anal Sci -2001 -V 17, Supplement Proceedings of IUРАС International Congress on Analytical Sciences (ICAS 2001) - P ill69-11172

2 Проскурнин M А Термолинзовое определение кобальта нитрозо-нафтолами / М А Проскурнин, А П Смирнова, В А Филичкина, В Б Ивлева // Аналитика и контроль - 2003 - Т 7, № 1 - С 54-63

3 Проскурнин М А Определение неокрашенных органических соединений в водных растворах при помощи термолинзовой спектрометрии / М А Проскурнин, А П Смирнова, Н Ю Рагозина // Вестн МГУ Сер 2 Химия - 2003 - Т 44 № 6 - С 404-408

4 Смирнова АП Исследования диэтилдитиокарбаминатов кобальта, никеля и меди при помощи термолинзовой спектрометрии / АП Смирнова, В В Черныш, М А Проскурнин//Журн аналит Химии - 2004 -Т 59, № 5 - С 480-489

5 Смирнова А П Исследование процессов в двухфазных системах при помощи термолинзовой спектрометрии на примере трис-{2-нитрозо-1-нафтолата) кобальта(Ш) / АП Смирнова, РЮ Шимко, МА Проскурнин // Вестн МГУ Сер 2 Химия -2006 - Т 47, № 3 - С 168-173

6 Смирнова А П Исследование процессов в двухфазных системах при помощи термолинзовой спектрометрии экстракционное определение меди в виде диэтилдитиокарбамината /А П Смирнова, М А Проскурнин // Вестн МГУ Сер 2 Химия - 2007 - Т 48, № 1 - С 49-55

7 Smirnova A Micro-multiphase laminar flows and detection of carbaryl derivative / A Smirnova, К Mawatan, A Hibara, MA Proskurnin, T Kitamori//Anal Chim Acta -2006 -V 558 -P 69-74

8 Smirnova A Application of a Micro Multiphase Laminar Flow on a Microchip for Extraction and Determination of Derivatized Carbamate Pesticides / A Smirnova, К Shimura, A Hibara, MA Proskurnin, T Kitamori//Anal Sci -2007 -V 23 -P 103108

Тезисы докладов

9 Smirnova A Investigation of the Two-Phase Equilibria at the Nanogram Level of Reactants Using Thermal Lensmg / A Smirnova and M Proskurnin // 33th Colloquium Spectroscopuium Internationale (CSI 2003), September 7 - 12, 2003, Granada, Spain, Abstract Book - P 72

10 Smirnova A Determination of Carbamate Pesticides using Micro Multiphase Laminar Flows and Thermal Lens Microscope / A Smirnova, К Mawatan, A Hibara, M A Proskurnin and T Kitamon // 28th International Symposium & Exhibit on High Performance Liquid Phase Separations & Related Techniques (HPLC 2004), June 12 - 18, 2004, Philadelphia, USA, Abstract Book - P 54

11 Smirnova A Solvent Extraction Enrichment of Derivatives of Carbamate Pesticides in Micro Multiphase Laminar Flows / A Smirnova, К Mawatan, A Hibara, T Kitamon // 19th International Symposium on Microscale Bioseparations (MSB2005), July 31 - August 4, 2005, Kobe, Japan, Abstract Book - P 38

12 Smirnova A Application of micro multiphase laminar flow for extraction and detection of carbamate pesticides derivatives in microchip / A Smirnova, A Hibara, and T Kitamon // 20th International Symposium on Micro-Scale Bioseparations (MSB2006), January 22-26, 2006, Amsterdam, Netherlands, Abstract Book - P 88

13 Smirnova A Hydrodynamic Injection Method for Interfacing Pressure-Driven Solvent Extraction and Electrophoresis on Microchip / A Smirnova, К Shimura, A Hibara and T Kitamon // 29th International Symposium on Capillary Chromatography (ISCC2006), May 29 - June 2, 2006, Riva del Garda, Italy, Abstract Book -P 93

14 Smirnova A Analysis of carbamate pesticides in microchip with TLM detection / A Smirnova, A Hibara, MA Proskurnin and T Kitamon // International Congress on Analytical Sciences (ICAS2006), June 25-30, 2006, Moscow, Russia, Abstract Book -P 138

15 Smirnova A Hydrodynamic injection method for interfacing extraction and electrophoresis on microchip for pesticides determination / A Smirnova, К Shimura, A Hibara and T Kitamon //21th International Symposium on Micro-Scale Bioseparations (MSB2007), January 14-18, 2007, Vancouver, Canada, Abstract Book -P 113

Смирнова Аделина Петровна

Исследование экстракции в статических и динамических условиях макро и микросистем при помощи термооптической спектроскопии

Автореф дисс на соискание ученой степени кандидата хим наук Подписано в печать 27 апреля 2007 г Заказ № 25 Формат 60*90/16 Уел печ л 1 Тираж 100 экз Копировальный центр ООО "Цифровичок" Москва, 101000, Большой Чудов пер д 5 (495) 797-75-76, (495) 778-22-20, http //wwwcfrru/

ВВЕДЕНИЕ.

Цель работы.

Научная новизна работы:.

Практическая значимость работы:.

В работе защищаются следующие положения:.

Апробация работы.

Основные результаты диссертации изложены в следующих работах:.

Опубликованные статьи:.

Тезисы докладов:.

ОБОЗНАЧЕНИЯ.

Химические соединения.

Аббревиатуры.

Измеряемые параметры.'.

ГЛАВА 1 МИКРОФЛЮИДНЫЕ СИСТЕМЫ, ИЛИ СИСТЕМЫ МИКРОАНАЛИЗА НА ОСНОВЕ ХИМИЧЕСКИХ МИКРОЧИПОВ.

1.1 Производство химических микрочипов.

1.2 Методы реализации.

1.2.1 Смешивание и реакция в потоке.

1.2.2 Массопсренос в системах «жидкость-жидкость».

1.2.3 Электрофоретическое разделение компонентов пробы.

1.3 Системы детектирования аналитического сигнала в химических микрочипах.

1.3.1 Лазерно-индуцируемая флуоресценция.

1.3.2 Хемилюминесценция.

1.3.3 Термолинзовая микроскопия.

1.3.4 Электрохимическое детектирование.

1.3.5 Масс-спектрометрия.

1.3.6 Перспективы развития — интегрированная оптика.

За последние двадцать лет масштаб анализируемых объектов стремительно снижается от сантиметровых и миллиметровых объемов к микро- и нано-пространству. Основной мотивацией такого перехода является неослабевающий интерес к химическим и физическим характеристикам микропространства, а также к поиску новых платформ и приложений для их изучения. Все это диктует необходимость исследования современных возможностей анализа, возникающих при миниатюризации.

Одним из решений в этой области являются микрофлюидные системы (МФС) или химические микрочипы, представляющие собой систему микроканалов, выполненных в пластинах малого размера, в которых проводят различные аналитические операции (смешивание, реакции, экстракционное или хроматографическое разделение, и т. п.). При переходе к МФС первоопределяющую роль играет выбор подходящего метода детектирования, поскольку малый объем объектов исследования и низкие определяемые концентрации предъявляют определенные требования как к чувствительности, так и к аппаратурным возможностям методов. В настоящее время для оптического детектирования в МФС наиболее часто используют лазерно-индуцированную флуоресценцию, однако этот метод может быть применен исключительно к флуоресцирующим молекулам.

Методы лазерной термооптической (фототермической) спектроскопии относятся к молекулярной спектроскопии поглощения, что позволяет в качестве объектов исследования брать широкий круг соединений. Они основаны на регистрации изменений показателя преломления, вызванных нагревом среды вследствие поглощения электромагнитного излучения и давно применяются в аналитической химии. Их высокая чувствительность

8 -12 позволяет исследовать объекты с оптической плотностью до 10 и концентрациями до 10

Ю-10 М. Важной характеристикой термооптических эффектов является их локальность: они охватывают не весь объем исследуемого объекта, а только микропространство вокруг луча индуцирующего лазера, что позволяет не только проводить определения в малых объемах, но и сканирование исследуемых объектов.

Современное состояние термооптической спектроскопии в МФС можно охарактеризовать следующими основными направлениями развития: аналитическая химия (иммуноферментные методы, капиллярный электрофорез, проточно-инжекционный анализ, экстракционные процессы, ферментативный катализ); синтетическая химия, исследования биохимии клетки. В области инструментальных подходов здесь доминируют спектроскопия фототермического отклонения, термолинзовая микроскопия, а основные достижения связаны с детектированием единичных молекул, исследованиями нанопространства. Однако спектроскопия поверхности раздела фаз жидкость-жидкость в микропространстве остается той областью, в которой еще много открытых вопросов. Достоинства шкалы микропространства позволяют с успехом переносить жидкость-жидкостную экстракцию в химические микрочипы. За счет большой специфической поверхности границы раздела фаз, а также высокого соотношения площади границы раздела к объему фаз, обеспечивается уменьшение расстояния при диффузионном переносе и сокращение времени диффузии. Проведение высокоэффективной жидкостной экстракции в МФС становится возможным без использования дополнительных механических операций.

Цель работы

В связи со сказанным выше, цель работы можно сформулировать как расширение возможностей аналитического применения микрофлюидных систем и термооптических методов (термолинзовой спектрометрии и термолинзовой микроскопии) при исследовании двухфазных жидкость-жидкостных систем с термолинзовым детектированием. Достижение поставленной цели предусматривало решение следующих задач:

1. Оценку аналитических возможностей и аналитических характеристик термолинзовой спектрометрии и термолинзовой микроскопии для изучения двухфазных систем в макро-и в микро-вариантах

2. Поиск новых аналитических экстракционно-фотометрических и экстракционно-термолинзовых условий и перенесение их в микрофлюидные системы

3. Аналитическое применение микрофлюидных систем на примере экстракционного определения пестицидов карбаматного ряда в сочетании с разделением в химическом микрочипе и термолинзовым детектированием

Научная новизна работы:

Расширены аналитические возможности микрофлюидных систем (химических микрочипов) и термолинзовой спектрометрии:

1. Изучена совокупность факторов (инструментальные настройки, характеристики среды, скорости потоков), которые позволяют исследовать динамику процессов массопереноса при помощи термооптических методов на уровне содержаний КУ^-КИм на расстояниях до границы поверхности раздела фаз от Ю 6 до 10~2 м как в статических условиях кюветы, так и в условиях потока в микрофлюидных системах.

-72. Предложена простая модель, учитывающая массоперенос через границу раздела фаз жидкость-жидкость в статических условиях вследствие одновременного влияния диффузии и термодиффузии. Модель позволяет оценить условия термооптического эксперимента и может быть использована при реализации экстракционного разделения и концентрирования в микрофлюидных системах.

3. Предложены условия экстракционного концентрирования в двухфазном микрофлюидном потоке за счет достижения разницы скоростей потоков водной и органической фаз в условиях устойчивой границы раздела жидкость-жидкость. Абсолютное концентрирование в зависимости от природы растворителя и геометрии канала составляет от 50 (для толуола) до 5 раз (для 1-бутанола) с пределами обнаружения модельных систем Ю-9- 10"8М.

4. Предложен термооптический вариант определения пестицидов карбаматного ряда в микрофлюидных чипах, позволяющий оперативно проводить определение пестицидов на нанограммовом уровне концентраций.

Практическая значимость работы:

1. Для реализации двухфазных микрофлюидных потоков с устойчивой границей раздела фаз жидкость-жидкость предложена топология химического микрочипа (материал — стекло или кварц) с микроканалом сложного профиля и гидрофобным покрытием части канала октадецилсиланом. Для водно-органических систем вода-толуол и вода-1-бутанол определены диапазоны скоростей потоков обеих фаз, в пределах которых возможно протекание экстракционных процессов, а граница раздела фаз остается стабильной (6 и 0.04 мкл/мин для системы вода-толуол и 6 и 0.35 мкл/мин для системы вода-1-бутанол).

2. Предложен новый способ инициирования процессов экстракции в химическом микрочипе (в отличие от существующего способа «остановки потоков») путем резкого сброса скорости органической фазы до малой величины при сохранении скорости водной фазы, позволяющий выполнять экстракцию в потоке при сохранении стабильной границы раздела фаз в течение длительного времени.

3. Предложены условия экстракционного концентрирования и селективного определения в химическом микрочипе пестицида карбаматного ряда карбарила в виде продукта его азосочетания с диазотированным триметиланилином, экстрагируемого толуолом, с о пределом обнаружения 7x10 М при помощи термолинзовои микроскопии.

-84. Предложены условия экстракционного концентрирования и селективного определения в химическом микрочипе пестицидов карбаматного ряда (карбарила, карбофурана, бендиокарба и пропоксура) по реакции азосочетания с нитробензолдиазонием, экстрагируемого 1-бутанолом с пределами обнаружения (2 8) х КГ8 М при помощи термолинзовой микроскопии.

5. Выполнено электрофоретическое разделение пестицидов из потока органической фазы после проведения их экстракционного концентрирования в микрофлюидной системе. Продемонстрированы возможности микрофлюидных систем для аналитического электрокинетического разделения с гидродинамическим вводом пробы и определены границы варьирования напряжения и скоростей потока.

6. Предложены условия послеэкстракционного разделения продуктов азосочетания пестицидов карбаматного ряда (карбарила, карбофурана, бендиокарба и пропоксура) с п нитробензолдиазонием с пределами обнаружения 10 М в химическом микрочипе при помощи мицеллярной электрокинетической хроматографии с детектированием при помощи термолинзовой микроскопии.

В работе защищаются следующие положения:

1. Факторы, влияющие на сигнал термооптических методов — термолинзовой спектрометрии и термолинзовой микроскопии — в потоке и в статических условиях, и способы их учета в микрофлюидных системах.

2. Результаты исследования и особенности экстракционного массопереноса трис-(2-нитрозо-1-нафтолата) кобальта(Ш) и бис-диэтилдитиокарбамината меди(П) в системах вода-толуол и вода-хлороформ через границу раздела фаз в статических условиях макро-пространства кюветы с детектированием при помощи термолинзовой спектрометрии.

3. Результаты исследования и особенности экстракционного массопереноса трис-(2-нитрозо-1-нафтолата) кобальта(Ш) в системе вода-толуол через границу раздела фаз в двухфазном микрофлюидном потоке химического микрочипа с детектированием при помощи термолинзовой микроскопии.

4. Условия экстракционно-термолинзового определения пестицида карбаматного ряда карбарила в микрофлюидном варианте при последовательном проведении нескольких аналитических стадий (гидролиза, азосочетания, экстракции и детектирования окрашенного продукта в органической фазе), реализованных в химическом микрочипе.

-95. Условия разделения и определения в химическом микрочипе пестицидов карбаматного ряда (карбарила, карбофурана, бендиокарба и пропоксура) при помощи мицеллярной электрокинетической хроматографии в микрофлюидном варианте с термолинзовым детектированием.

Апробация работы

Основные результаты работы представлены на следующих конференциях: 33ш Коллоквиум «Colloquium Spectroscopuium Internationale» (CSI 2003) (7 - 12 сентября 2003, Гранада, Испания); 28— Международный симпозиум «International Symposium & Exhibit on High Performance Liquid Phase Separations & Related Techniques» (HPLC 2004) (12 - 18 июня 2004, Филадельфия, США); 19— Международный симпозиум «International Symposium on Microscale Bioseparations» (MSB2005) (31 июля - 4 августа 2005, Кобе, Япония); 20м Международный симпозиум «International Symposium on Micro-Scale Bioseparations» (MSB2006) (22 - 26 января 2006, Амстердам, Голландия); 29ш Международный симпозиум «International Symposium on Capillary Chromatography» (ISCC2006) (29 мая - 6 июня 2006, Рива дель Гарда, Италия); Международный конгресс «International Congress on Analytical Sciences» (ICAS2006) (25 - 30 июня 2006, Москва, Россия); 21ш Международный симпозиум «International Symposium on Micro-Scale Bioseparations» (MSB2007) (14 - 18 января 2007, Ванкувер, Канада).

Основные результаты диссертации изложены в следующих работах:

По теме диссертации опубликовано 15 печатных работ в виде 8 статей и 7 тезисов докладов.

Опубликованные статьи:

1. Proskurnin М.А. Determination of Stability Constants by Thermal Lens Spectrometry / M.A. Proskurnin, V.V. Chernysh, S.V. Pakhomova, M.Yu. Kononets, A.P. Smirnova, D.A. Nedosekin // Anal. Sci. - 2001. - V. 17, Supplement. Proceedings of IUPAC International Congress on Analytical Sciences (ICAS 2001). - P. ill69-ill72. http://wwwsoc.nii.ac.jp/jsac/analsci/ICAS2001/pdfs/1100/1169p2045.pdf

2. Проскурнин M.A. Термолинзовое определение кобальта нитрозо-нафтолами / М.А. Проскурнин, А.П. Смирнова, В.А. Филичкина, В.Б. Ивлева // Аналитика и контроль. -2003.-Т. 7,№ 1. - С. 54-63.

-103. Проскурнин М.А. Определение неокрашенных органических соединений в водных растворах при помощи термолинзовой спектрометрии / М.А. Проскурнин, А.П. Смирнова, Н.Ю. Рагозина // Вестн. МГУ. Сер. 2. Химия. - 2003. - Т. 44. № 6. - С. 404-408.

4. Смирнова А.П. Исследования диэтилдитиокарбаминатов кобальта, никеля и меди при помощи термолинзовой спектрометрии / А.П. Смирнова, В.В.Черныш, М.А. Проскурнин // Журн. аналит. химии. - 2004. - Т. 59, № 5. - С. 480-489.

5. Смирнова А.П. Исследование процессов в двухфазных системах при помощи термолинзовой спектрометрии на примере трис-{2-нитрозо-1-нафтолата) кобальта(Ш) / А.П. Смирнова, Р.Ю. Шимко, М.А. Проскурнин // Вестн. МГУ. Сер. 2. Химия. - 2006. - Т. 47, №3,-С. 168-173.

6. Смирнова А.П. Исследование процессов в двухфазных системах при помощи термолинзовой спектрометрии: экстракционное определение меди в виде диэтилдитиокарбамината /А.П. Смирнова, М.А. Проскурнин // Вестн. МГУ. Сер. 2. Химия. - 2007. - Т. 48, № 1. - С. 49-55.

7. Smirnova A. Micro-multiphase laminar flows and detection of carbaryl derivative / A. Smirnova, K. Mawatari, A. Hibara, M.A. Proskurnin, T. Kitamori // Anal. Chim. Acta. - 2006. - V. 558. - P. 69-74.

8. Smirnova A. Application of a Micro Multiphase Laminar Flow on a Microchip for Extraction and Determination of Derivatized Carbamate Pesticides / A. Smirnova, K. Shimura, A. Hibara, M.A. Proskurnin, T. Kitamori //Anal. Sci. - 2007. - V. 23. - P. 103-108.

Тезисы докладов:

9. Smirnova A. Investigation of the Two-Phase Equilibria at the Nanogram Level of Reactants Using Thermal Lensing / A. Smirnova and M. Proskurnin // 33th Colloquium Spectroscopuium Internationale (CSI 2003), September 7 - 12, 2003, Granada, Spain, Abstract Book - P. 72.

10. Smirnova A. Determination of Carbamate Pesticides using Micro Multiphase Laminar Flows and Thermal Lens Microscope / A. Smirnova, K. Mawatari, A. Hibara, M. A. Proskurnin and T. Kitamori // 28th International Symposium & Exhibit on High Performance Liquid Phase Separations & Related Techniques (HPLC 2004), June 12 - 18, 2004, Philadelphia, USA, Abstract Book - P. 54.

11. Smirnova A. Solvent Extraction Enrichment of Derivatives of Carbamate Pesticides in Micro Multiphase Laminar Flows / A. Smirnova, K. Mawatari, A. Hibara, T. Kitamori // 19th

International Symposium on Microscale Bioseparations (MSB2005), July 31 - August 4, 2005, Kobe, Japan, Abstract Book - P. 38.

12. Smirnova A. Application of micro multiphase laminar flow for extraction and detection of carbamate pesticides derivatives in microchip / A. Smirnova, A. Hibara, and T. Kitamori // 20th International Symposium on Micro-Scale Bioseparations (MSB2006), January 22 - 26, 2006, Amsterdam, Netherlands, Abstract Book - P. 88.

13. Smirnova A. Hydrodynamic Injection Method for Interfacing Pressure-Driven Solvent Extraction and Electrophoresis on Microchip / A. Smirnova, K. Shimura, A. Hibara and T. Kitamori // 29th International Symposium on Capillary Chromatography (ISCC2006), May 29 - June 2, 2006, Riva del Garda, Italy, Abstract Book - P. 93.

14. Smirnova A. Analysis of carbamate pesticides in microchip with TLM detection / A. Smirnova, A. Hibara, M.A. Proskurnin and T. Kitamori // International Congress on Analytical Sciences (ICAS2006), June 25 - 30, 2006, Moscow, Russia, Abstract Book - P. 138.

15. Smirnova A. Hydrodynamic injection method for interfacing extraction and electrophoresis on microchip for pesticides determination / A. Smirnova, K. Shimura, A. Hibara and T. Kitamori // 21th International Symposium on Micro-Scale Bioseparations (MSB2007), January 14 - 18, 2007, Vancouver, Canada, Abstract Book - P. 113.

ОБОЗНАЧЕНИЯ

Химические соединения

Phen -1,10-фенантролин; пп -2-нитрозо-1-нафтол; ddc -анион диэтилдитиокарбаминовой кислоты;

ОДС -октадецилтрихлоросилан;

ТМА-2,4,6-триметиланилин;

НБД -3-нитробензолдиазоний;

ДДСН - додецилсульфат натрия;

Аббревиатуры

МФС-микрофлюидные системы; TJ1C -термолинзовая спектрометрия; TJ1M -термолинзовая микроскопия; ЭФ -электрофорез; КЭ -капиллярный электрофорез;

МЭКХ- мицеллярная электрокинетическая хроматография; Измеряемые параметры 9 -аппаратный термолинзовый сигнал;

0 -аналитический термолинзовый сигнал (термолинзовый сигнал); © -фотометрический сигнал (оптическая плотность или аналитический сигнал термолинзы);

1Р -интенсивность излучения зондирующего лазера (отн. ед.); К -длина волны индуцирующего лазера (нм);

Ео -фактор чувствительности термолинзовых измерений, нормированный на мощность индуцирующего излучения (Вт-1); Ре -мощность излучения, индуцирующего термолинзу (Вт); А -оптическая плотность образца (среды); £ -кажущийся молярный коэффициент поглощения (л/(моль-см)); / -длина оптического пути (см); dn/dT-температурный градиент показателя преломления (К-1); к -коэффициент теплопроводности (мВт-см^'-К-1); к' -коэффициент усиления синхронного усилителя; Т -абсолютная температура (К); sr -относительное стандартное отклонение; р -плотность среды (кг/м3); Ср -удельная теплоемкость (Дж/кг- К); D -коэффициент диффузии (м2/с); d -внутренний диаметр капилляра (мкм).

Выводы из работы

1. Продемонстрированы возможности термооптической спектроскопии при исследовании экстракционных процессов, проходящих на границе раздела фаз жидкость-жидкость.

Показано, что термооптическая спектроскопия позволяет исследовать динамику процессов массопереноса на уровне содержаний 10~7 - 10"4 М на расстояниях до границы

6 -2 поверхности раздела фаз 10 -10 м.

2. На основании расчетов чисел Грассхофа и Рейнольдса показано, что для объемов порядка 0.1-1 мл конвекция вносит значительный вклад в погрешность термолинзовых измерений, а в микропространстве (0.1-1 мкл) конвекционными колебаниями можно пренебречь. За счет оптимального выбора параметров термолинзовых измерений возможно обеспечить условия, в которых конвекционные колебания сигнала незначимы, что увеличивает точность измерений и исключает фактор, мешающий исследовать массоперенос через границу раздела фаз в двухфазовых системах жидкость-жидкость.

3. На основании расчетов размера индуцируемой термолинзы в системах на уровне концентрации компонентов 10"8- Ю^М показано, что при выбранных параметрах термолинзового микроскопа (532 нм, мощность индуцирующего лазера 75 мВт, частота прерывания луча индуцирующего лазера 1 кГц) размер термолинзы составляет 55 ± 3 мкм, что позволяет использовать термолинзовую микроскопию для исследования процессов, проходящих вблизи поверхности раздела фаз жидкость-жидкость.

4. Предложено использовать термолинзовый микроскоп и химический микрочип со сложным профилем канала для реализации двухфазового микропотока и исследования процессов комплексообразования и диффузии, проходящих через границу раздела фаз жидкость-жидкость в условиях потока. На примере /и/?нс-(2-нитрозо-1-нафтолата) кобальта(Ш) предложены условия осуществления экстракции в микропотоке в диапазоне концентрации с пределом обнаружения кобальта 3 х 10 8 М.

5. Предложены условия экстракционного определения пестицида карбаматного ряда карбарила в химическом микрочипе с термолинзовым детектированием в диапазоне концентраций Ю^-Ю^М. Перенесение всех стадий анализа (гидролиз, азосочетание, экстракция) в химический микрочип позволило снизить предел обнаружения по о сравнению со спектрофотометрическими измерениями до 5 х 10 Ми сократить время анализа до 8 мин.

-1706. Предложены условия суммарного экстракционного определения пестицидов карбаматного ряда в химическом микрочипе со следующими пределами обнаружения: карбарила (2 х Ю-8 М), карбофурана (1 х Ю-8 М), пропоксура (4 х 10"8 М) и бендиокарба (1 х 10"7М).

7. В химическом микрочипе предложены условия гидродинамического ввода пробы и электрокинетического разделения продуктов азосочетания пестицидов карбаматного ряда в 1-бутаноле при помощи мицеллярной электрокинетической хроматографии и термолинзового детектирования со следующими пределами обнаружения: карбарил (9 х Ю"7 М), карбофуран (5 х Ю-7 М), пропоксур (5 х 10"7 М) и бендиокарб (2 х Ю-6 М). Проведение МЭКХ в химическом микрочипе с использованием термолинзовой микроскопии позволяет проводить определение пестицидов на уровне концентраций на 2 порядка меньшем, чем в капиллярной МЭКХ.

Благодарности

В заключение автор выражает свою искреннюю и глубокую благодарность:

Е.К. Ивановой — преподавателю, вдохновившему на выбор аналитической химии, как призвания

Руководителям курсовых и дипломных работ В.В. Кузнецовой и В.В. Чернышу

Студентам Е.В. Леуткиной, М.Ю. Поповой, Д.В. Прозорову, Р.Ю. Шимко за помощь в работе

Проф. Такехико Китамори за предоставление возможности выполнения научной работы в Японии

Проф. Акихиде Хибара, Казуме Маватари и Кёхито Симура за помощь при постановке экспериментов в химических микрочипах и детектировании при помощи термолинзового микроскопа

Проф. Сигеру Терабе за помощь при проведении мицеллярно-электрокинетической хроматографии в капилляре

М.Ю. Кононцу, Н.В. Орловой, С.В. Пахомовой, С.Н. Бендрышевой, Д.А. Недосекину, А.В. Брусничкину за постоянную поддержку

О.Л. Бутковой и Е.В. Хорошевой за опыт и наставления в практической аналитической химии

Моим родителям

Заключение

В целом, задачи и цели, поставленные в работе, выполнены. Расширены возможности аналитического применения микрофлюидных систем и термооптических методов за счет комбинированного подхода при исследовании двухфазных жидкость-жидкостных систем с термолинзовым детектированием. Оценены аналитические возможности и аналитические характеристики термолинзовой спектрометрии и термолинзовой микроскопии для изучения двухфазных систем в макро- и в микро-вариантах. Показано, что термолинзовая микроскопия, как и термолинзовая спектрометрия обладают достаточно широкими возможностями. Несмотря на то, что оба метода относятся к молекулярной термооптической спектроскопии, у каждого из них есть свои особенности, которые определяют область их применения и круг решаемых задач. Так, инструментальные особенности (мощность излучения индуцирующего лазера, частота прерывания луча, размер термолинзы) в термолинзовой спектрометрии и термолинзовой микроскопии определяют масштаб исследуемых образцов (в первом случае — это объемы порядка 0.15 мл, во втором — снижение до 100-500 нл) и минимальное расстояние до границы раздела фаз жидкость-жидкость, на котором возможно исследовать процессы, проходящие на поверхности раздела (TJIC— 100 мкм, ТЛМ — 25 мкм). Поскольку сигнал обоих методов основан на термооптическом эффекте оценено влияние температурных изменений в среде (конвекционных флуктуаций) на термолинзовый сигнал и теоретически доказано, что в микропространстве конвекционными колебаниями можно пренебречь, а при измерениях в кювете конвекция вносит значительный вклад в погрешность термолинзового сигнала термолинзового спектрометра. Мы решили эту проблему за счет подбора специальных настроек спектрометра, которые снижают конвекционные флуктуации до нуля без изменений в чувствительности измерений, что значительно усилило возможности метода, в особенности при работе в органических средах и при исследованиях двухфазных систем. Поскольку поток является динамическим термооптическим фактором при работе в химических микрочипах, изучено влияние скорости потока и природы растворителя на воспроизводимость и чувствительность термолинзовых измерений в микропотоке и показано, что для микро-детектирования поток обеспечивает большую чувствительность термолинзового определения за счет оптимальных режимов теплообмена с окружающей средой. Показано, что термолинзовая спектрометрия обладает рядом преимуществ, позволяющих работать с многофазными системами в статических условиях кюветы, а термолинзовая микроскопия идеально подходит для изучения экстракционных процессов в микропотоках. Это дало возможность исследовать перенос вещества через границу раздела фаз жидкость-жидкость в статических условиях (TJ1C) на уровне концентраций Ю-6 - 10" 4М и условиях микропотока (TJ1M) на уровне концентраций 10 7 - 10~5М. Полученные результаты сумели описать, используя модель полуколичественной оценки массопереноса, в которой учли влияние диффузии и термодиффузии, вызванной периодическим образованием термолинзы.

Для выполнения аналитического определения в микропотоках использовали химические микрочипы, созданные по индивидуальному дизайну, что позволило реализовать не только проточную экстракцию в микрофлюидных системах, но и электрофорез с гидродинамическим вводом пробы. Предложили новый способ проведения экстракции в микрофлюидном потоке. Исследования экстракции в микропотоке, выполненные на модельной системе трис-(2-нитрозо-1-нафтолата) кобальта(Ш) в среде вода-толуол, привели к созданию аналитических методик определения пестицидов карбаматного ряда на химических микрочипах с термолинзовым детектированием. Перенесение всех аналитических стадий определения (гидролиз, азосочетание, экстракция) на один химический микрочип значительно упростило определение и сократило расход реагентов и время анализа, а использование ТЛМ детектирования привело к снижению пределов обнаружения на 2-3 порядка по сравнению со спектрофотометрическим определением. Успешное выполнение микрочипового электрокинетического определения предварительно синтезированных продуктов азосочетания пестицидов карбаматного ряда с хорошими метрологическими характеристиками, позволило разработать химический микрочип, объединяющий стадии гидролиза, азосочетания, экстракции и электрокинетического разделения вместе в общем микрофлюидном потоке.

Таким образом, в этой работе мы ответили на поставленные вопросы: определили достоинства и преимущества, которые дает реализация аналитических экстракционно-фотометрических и экстракционно-термолинзовых методик в микрофлюидных системах (химических микрочипах), показали насколько термолинзовое детектирование отвечает требованиям детектирования в микропространстве, выявили особенности исследования двухфазных систем «жидкость-жидкость» и, благодаря комбинированию экстракционных микрочиповых технологий с термолинзовой микроскопией, предложили новые методики аналитического определения.

1. Yi C.Q. Microfluidics technology for manipulation and analysis of biological cells / C.Q. Yi, C.W. Li, S.L.Ji, M.S. Yang// AnalyticaChimica Acta. 2006. - V. 560(1-2). - P. 1-23.

2. Min J.H. The micro-total analytical system for the detection of bacteria/viruses / J.H. Min, A. Baeumner//Journal of Industrial and Engineering Chemistry. 2003. - V. 9(1). - P. 1-8.

3. Bruin G.J.M. Recent developments in electrokinetically driven analysis on microfabricated devices / G.J.M. Bruin//Electrophoresis. 2000. - V. 21(18). - P. 3931-3951.

4. Maims C. Grating coupled leaky waveguide micro channel sensor chips for optical analysis / C. Maims, J. Hulme, P.R. Fielden, N.J, Goddard // Sensors and Actuators B-Chemical. -2001. V. 77(3). - P. 671-678.

5. Kutter J.P. Current developments in electrophoretic and chromatographic separation methods on microfabricated devices / J.P. Kutter // Trac-Trends in Analytical Chemistry. 2000. - V. 19(6). - P. 352-363.

6. Karlinsey J.M. Pressure injection on a valved microdevice for electrophoretic analysis of submicroliter samples / J.M. Karlinsey, J. Monahan, D.J. Marchiarullo, J.P. Ferrance, J.P. Landers//Analytical Chemistry. 2005. - V. 77(11). - P. 3637-3643.

7. Mogensen K.B. Recent developments in detection for microfluidic systems / K.B. Mogensen, H.Klank, J.P. Kutter//Electrophoresis. 2004. - V. 25(21-22). - P. 3498-3512.

8. Sanders G.H.W. Chip-based microsystems for genomic and proteomic analysis / G.H.W. Sanders, A. Manz // Trac-Trends in Analytical Chemistry. 2000. - V. 19(6). - P. 364378.

9. Lee H.J. Marangoni flow in micro-channels / H.J. Lee, D.J. Fermin, R.M. Corn, H.H. Girault //Electrochemistry Communications. 1999. - V. 1(5). - P. 190-193.

10. S.D. Minteer. Microfluidic techniques : reviews and protocols / edited by Shelley D. Minteer, Totowa, N.J.: Humana Press, 2006.

11. P.C.H. Li. Microfluidic lab-on-a-chip for chemical and biological analysis and discovery, Boca Raton, Fla.: CRC Press, Taylor & Francis Group, 2006.

12. Беленький Б.Г. Микрофлюидные аналитические системы (Часть 1) / Б.Г. Беленький, Н.И. Комяк, В.Е. Курочкин, А.А. Евстрапов, B.JI. Суханов // Научное приборостроение.- 2000. V. 10(2). - Р. 3-13.

13. Беленький Б.Г. Микрофлюидные аналитические системы (Часть 2) / Б.Г. Беленький, Н.И. Комяк, В.Е. Курочкин, А.А. Евстрапов, B.JI. Суханов // Научное приборостроение.- 2000. V. 10(3). - Р. 3-16.

14. Беленький Б.Г. Мультиплексная диагностика на основе биоузнавания: четыре поколения биосовместимых микрофлюидных систем / Б.Г. Беленький // Научное приборостроение. 2004. - V. 14(1). - Р. 3-9.

15. P. Rai-Choudhury. Handbook of microlithography, micromachining and microfabrication, ed 1st. Bellingham, WA, SPIE Press, 1997.

16. M.J. Madou. Fundamentals of microfabrication: The science of miniaturisation, ed 2nd, CRC Press, Boca Raton, 2002.

17. Qin D. Microfabrication, microstructures and microsystems / D. Qin, Y.N. Xia, J.A. Rogers, R.J. Jackman, X.M. Zhao, G.M. Whitesides // Microsystem Technology in Chemistry and Life Science. 1998. - V. 194. - P. 1-20.

18. Fintschenko Y. Silicon microtechnology and microstructures in separation science / Y. Fintschenko, A. van den Berg // Journal of Chromatography A. 1998. - V. 819(1-2). - P. 3-12.

19. Tjerkstra R.W. Etching technology for chromatography microchannels / R.W. Tjerkstra, M. deBeer, E. Berenschot, J.G.E. Gardeniers, A. vandenBerg, M.C. Elwenspoek// Electrochimica Acta. 1997. - V. 42(20-22). - P. 3399-3406.

20. Евстрапов A.A. Микрофлюидные чипы из полиметилметакрилата: метод лазерной абляции и термического связывания / А.А. Евстрапов, Т.А. Лукашенко, С.Г. Горный, К.В. Юдин//Научное приборостроение. 2005. - V. 15(2). - Р. 72-81.

21. Sato К. Microchip-based chemical and biochemical analysis systems / K. Sato, A. Hibara, M. Tokeshi, H. Hisamoto, T. Kitamori//Advanced Drug Delivery Reviews. 2003. - V. 55(3).- P. 379-391.

22. Sato K. Integration of chemical and biochemical analysis systems into a glass microchip / K. Sato, A. Hibara, M. Tokeshi, H. Hisamoto, T. Kitamori//Analytical Sciences. 2003. - V. 19(1). - P. 15-22.

23. Sato K. Integration of flow injection analysis and zeptomole-level detection of the Fe(lI)-o-phenanthroline complex / K. Sato, M. Tokeshi, T. Kitamori, T. Sawada // Analytical Sciences. 1999. - V. 15(7). - P. 641-645.

24. Sorouraddin H.M. Use of a thermal lens microscope in integrated catecholamine determination on a microchip / H.M. Sorouraddin, A. Hibara, T. Kitamori // Fresenius Journal of Analytical Chemistry. 2001. - V. 371(2). - P. 91-96.

25. Yang M.S. Generation of concentration gradient by controlled flow distribution and diffusive mixing in a microfluidic chip / M.S. Yang, J. Yang, C.W. Li, J.L. Zhao // Lab on a Chip. -2002. V. 2(3). - P. 158-163.

26. Lichtenberg J. Sample pretreatment on microfabricated devices / J. Lichtenberg, N.F. de Rooij, E. Verpoorte // Talanta. 2002. - V. 56(2). - P. 233-266.

27. Fletcher P.D.I. Electrokinetic control of a chemical reaction in a lab-on-a-chip micro-reactor: measurement and quantitative modelling / P.D.I. Fletcher, S.J. Haswell, X.L. Zhang // Lab on a Chip. 2002. - V. 2(2). - P. 102-112.

28. Dodge A. Spatiotemporal resonances in a microfluidic system / A. Dodge, A. Hountondji, M.C. Jullien, P. labeling//Physical Review E. 2005. - V. 72(5). - P.-.

29. Wu Z.Y. A flexible sample introduction method for polymer microfluidic chips using a push/pull pressure pump / Z.Y. Wu, H. Jensen, J. Gamby, X.X. Bai, H.H. Girault // Lab on a Chip. 2004. - V. 4(5). - P. 512-515.

30. Hatch A. A ferrofluidic magnetic micropump / A. Hatch, A.E. Kamholz, G. Holman, P. Yager, K.F. Bohringer//Journal of Microelectromechanical Systems. 2001. - V. 10(2). - P. 215-221.

31. Kikutani Y. Micro wet analysis system using multi-phase laminar flows in three-dimensional microchannel network / Y. Kikutani, H. Hisamoto, M. Tokeshi, T. Kitamori // Lab on a Chip.- 2004. V. 4(4). - P. 328-332.

32. Ueno K. Channel shape effects on the solution-flow characteristics and the liquid/liquid extraction efficiency in polymer microchannel chips / K, Ueno, H.B. Kim, N. Kitamura // Analytical Sciences. 2003. - V. 19(3). - P. 391-394.

33. Hisamoto H. On-chip integration of neutral ionophore-based ion pair extraction reaction / H. Hisamoto, T. Horiuchi, M. Tokeshi, A. Hibara, T. Kitamori // Analytical Chemistry. 2001.- V. 73(6). P. 1382-1386.

34. Tokeshi M. Integration of a microextraction system Solvent extraction of a Co-2-nitroso-5-dimethylaminophenol complex on a microchip / M. Tokeshi, T. Minagawa, T. Kitamori // Journal of Chromatography A. - 2000. - V. 894(1-2). - P. 19-23.

35. Hibara A. Integrated multilayer flow system on a microchip / A. Hibara, M. Tokeshi, K. Uchiyama, H. Hisamoto, T. Kitamori//Analytical Sciences. 2001. V. 17(1). - P. 89-93.

36. Hibara A. Spectroscopic analysis of liquid/liquid interfaces in multiphase microflows / A. Hibara, M. Nonaka, M. Tokeshi, T. Kitamori // Journal of the American Chemical Society. -2003. V. 125(49). - P. 14954-14955.

37. Surmeian M. Three-layer flow membrane system on a microchip for investigation of molecular transport / M. Surmeian, M.N. Slyadnev, H. Hisamoto, A. Hibara, K. Uchiyama, T. Kitamori//Analytical Chemistry. 2002. - V. 74(9). - P. 2014-2020.

38. Hibara A. Surface modification method of microchannels for gas-liquid two-phase flow in microchips / A. Hibara, S. Iwayama, S. Matsuoka, M. Ueno, Y. Kikutani, M. Tokeshi, T. Kitamori//Analytical Chemistry. 2005. - V. 77(3). - P. 943-947.

39. Kumemura M. Quantitative extraction using flowing nano-liter droplet in microfluidic system / M. Kumemura, T. Korenaga // Analytica Chimica Acta. 2006. - V. 558(1-2). - P. 7579.

40. Chen H. Microfluidic chip-based liquid-liquid extraction and preconcentration using a subnanoliter-droplet trapping technique / H. Chen, Q. Fang, X.F. Yin, Z.L. Fang // Lab on a Chip. 2005. - V. 5(7). - P. 719-725.

41. Ueno M. Phase-transfer alkylation reactions using microreactors / M. Ueno, H. Hisamoto, T. Kitamori, S. Kobayashi // Chemical Communications. 2003. - V. (8). - P. 936-937.

42. Hisamoto H. Fast and high conversion phase-transfer synthesis exploiting the liquid-liquid interface formed in a microchannel chip / H. Hisamoto, T. Saito, M. Tokeshi, A. Hibara, T. Kitamori//Chemical Communications. 2001. - V. (24). - P. 2662-2663.

43. Manz A. Planar Chips Technology for Miniaturization and Integration of Separation Techniques into Monitoring Systems Capillary Electrophoresis on a Chip / A. Manz, D.J.

44. Harrison, E.M.J. Verpoorte, J.C. Fettinger, A. Paulus, H. Ludi, H.M. Widmer // Journal of Chromatography. 1992. - V. 593(1-2). - P. 253-258.

45. Moore A.W. Microchip Separations of Neutral Species Via Micellar Electrokinetic Capillary Chromatography / A.W. Moore, S.C. Jacobson, J.M. Ramsey // Analytical Chemistry. 1995.- V. 67(22). P. 4184-4189.

46. Беленький Б.Г. Высокоэффективный капиллярный электрофорез и микрофлюидные чип-анализаторы (часть 1) / Б.Г. Беленький // Научное приборостроение. 2003. - V. 12(4). - Р. 42-56.

47. Capillary Electrophoresis and Sample Injection Systems Integrated on a Planar Glass Chip / D.J. Harrison, A. Manz, Z.H. Fan, H. Ludi, H.M. Widmer // Analytical Chemistry. 1992.- V. 64(17). P. 1926-1932.

48. Jacobson S.C. High-Speed Separations on a Microchip / S.C. Jacobson, R. Hergenroder, L.B. Koutny, J.M. Ramsey//Analytical Chemistry. 1994. - V. 66(7). - P. 1114-1118.

49. Jacobson S.C. Microchip structures for submillisecond electrophoresis / S.C. Jacobson, C.T. Culbertson, J.E. Dalcr, J.M. Ramsey // Analytical Chemistry. 1998. - V. 70(16). - P. 3476-3480.

50. Effenhauser C.S. Glass Chips for High-Speed Capillary Electrophoresis Separations with Submicrometer Plate Heights / C.S. Effenhauser, A. Manz, H.M. Widmer // Analytical Chemistry. 1993. - V. 65(19). - P. 2637-2642.

51. Multichannel PCR-CE microdevice for genetic analysis / C.N. Liu, N.M. Toriello, R.A. Mathies//Analytical Chemistry. 2006. - V. 78(15). - P. 5474-5479.

52. Ermakov S.V. Computer simulations of electrokinetic injection techniques in microfluidic devices / S.V. Ermakov, S.C. Jacobson, J.M. Ramsey // Analytical Chemistry. 2000. - V. 72(15). - P. 3512-3517.

53. Paegel B.M. Microfluidic devices for DNA sequencing: sample preparation and electrophoretic analysis / B.M. Paegel, R.G. Blazej, R.A. Mathies // Current Opinion in Biotechnology. 2003. - V. 14(1). - P. 42-50.

54. Grass B. Determination of selenoamino acids by coupling of isotachophoresis/capillary zone electrophoresis on a PMMA microchip / B. Grass, R. Hergenroder, A. Neyer, D. Siepe // Journal of Separation Science. 2002. - V. 25(3). - P. 135-140.

55. Otsuka K. Micellar electrokinetic chromatography / K. Otsuka, S. Terabe // Bulletin of the Chemical Society of Japan. 1998. - V. 71(11). - P. 2465-2481.

56. Roman G. T. Micellar electrokinetic chromatography of fluorescently labeled proteins on poly(dimethylsilokane)-based microchips / G.T. Roman, S. Carroll, K. McDaniel, C.T. Culbertson//Electrophoresis. 2006. - V. 27(14). - P. 2933-2939.

57. Wakida S. On-chip micellar electrokinetic chromatographic separation of phenolic chemicals in waters / S. Wakida, K. Fujimoto, H. Nagai, T. Miyado, Y. Shibutani, S. Takeda // Journal of Chromatography A. 2006. - V. 1109(2). - P. 179-182.

58. Chen L. Miniaturised isotachophoresis analysis / L. Chen, J.E. Prest, P.R. Fielden, N.J. Goddard, A. Manz, P.J.R. Day // Lab on a Chip. 2006. - V. 6(4). - P. 474-487.

59. Quirino J.P. Sweeping: concentration mechanism and applications to high-sensitivity analysis in capillary electrophoresis / J.P. Quirino, J.B. Kim, S. Terabe // Journal of Chromatography A. 2002. - V. 965(1-2). - P. 357-373.

60. Vandaveer W.R. Recent developments in electrochemical detection for microchip capillary electrophoresis / W.R. Vandaveer, S.A. Pasas-Farmer, D.J. Fischer, C.N. Frankenfeld, S.M. Lunte//Electrophoresis. 2004. - V. 25(21-22). - P. 3528-3549.

61. Vandaveer W.R. Recent developments in amperometric detection for microchip capillary electrophoresis / W.R. Vandaveer, S.A. Pasas, R.S. Martin, S.M. Lunte // Electrophoresis. -2002. V. 23(21). - P. 3667-3677.

62. Uchiyama К. Detection method for microchip separations / K. Uchiyama, H. Nakajima, T. Hobo//Analytical and Bioanalytical Chemistry. 2004. - V. 379(3). - P. 375-382.

63. Viskari P.J. Unconventional detection methods for microfluidic devices / P.J. Viskari, J.P. Landers//Electrophoresis. 2006. - V. 27(9). - P. 1797-1810.

64. Johnson M.E. Fundamentals and practice for ultrasensitive laser-induced fluorescence detection in microanalytical systems / M.E. Johnson, J.P. Landers // Electrophoresis. 2004.- V. 25(21-22). P. 3513-3527.

65. Du X.G. Static adsorptive coating of poly(methyl methacrylate) microfluidic chips' for extended usage in DNA separations / X.G. Du, Z.L. Fang // Electrophoresis. 2005. - V. 26(24). - P. 4625-4631.

66. Hellmich W. Single cell manipulation, analytics, and label-free protein detection in microfluidic devices for systems nanobiology / W. Hellmich, C. Pelargus, K. Leffhalm, A. Ros, D. Anselmetti// Electrophoresis. 2005. - V. 26(19). - P. 3689-3696.

67. Моросанова Е.И. Микрофлюидная система для сорбционного концентрирования и разделения / Е.И. Моросанова, В.Н. Зимин, В.В. Амеличев, И.В. Годовицын, К.А. Логинова, А.Г. Борзенко, Ю.А. Золотов // Научное приборостроение. 2005. - V. 15(2). - Р. 21-26.

68. Сляднев М.Н. Микрочиповая мультиреакторная система для биохимического анализа / М.Н. Сляднев, В.А. Казаков, М.В. Лаврова, А.А. Танеев, Л.Н. Москвин // Научное приборостроение. 2005. - V. 15(2). - Р. 41-50.

69. Ros A. Towards single molecule analysis in PDMS microdevices: from the detection of ultra low dye concentrations to single DNA molecule studies / A. Ros, W. Hellmich, T. Duong, D. Anselmetti//Journal of Biotechnology. 2004. - V. 112(1-2). - P. 65-72.

70. Sanders J.C. Acousto-optical deflection-based whole channel scanning for microchip isoelectric focusing with laser-induced fluorescence detection / J.C. Sanders, Z.L. Huang, J.P. Landers // Lab on a Chip. 2001. - V. 1(2). - P. 167-172.

71. Ferrance J. Exploiting sensitive laser-induced fluorescence detection on electrophoretic microchips for executing rapid clinical diagnostics / J. Ferrance, J.P. Landers // Luminescence,- 2001. V. 16(2). - P. 79-88.

72. Chen T. Immunosorbent assay microchip system for analysis of human immunoglobulin G on MagnaBind (TM) carboxyl derivatized beads / T. Chen, J.D. Lei, A.J. Tong // Luminescence.- 2005. V. 20(4-5). - P. 256-260.

73. Liu Y.J. Electrophoretic separation of proteins on a microchip with noncovalent, postcolumn labeling / Y.J. Liu, R.S. Foote, S.C. Jacobson, R.S. Ramsey, J.M. Ramsey // Analytical Chemistry. 2000. - V. 72(19). - P. 4608-4613.

74. Foquet M. Focal volume confinement by submicrometer-sized fluidic channels / M. Foquet, J. Korlach, W.R. Zipfel, W.W. Webb, H.G. Craighead // Analytical Chemistry. 2004. - V. 76(6). - P. 1618-1626.

75. Hashimoto F. Lateral diffusion dynamics for single molecules of fluorescent cyanine dye at the free and surfactant-modifted dodecane-water interface / F. Hashimoto, S. Tsukahara, H. Watarai//Langmuir. 2003. - V. 19(10). - P. 4197-4204.

76. Garcia-Campana A. M. LIF detection of peptides and proteins in CE / A.M. Garcia-Campana, M. Taverna, H. Fabre//Electrophoresis. 2007. - V. 28(1-2). - P. 208-232.

77. J.L. Fu, Q. Fang, T. Zhang, X.H. Jin, Z.L. Fang. Laser-induced fluorescence detection system for microfluidic chips based on an orthogonal optical arrangement. Analytical Chemistry 2006 Jun l;3827-3834.

78. Yakovleva J. Microfluidic enzyme immunosensors with immobilised protein A and G using chemiluminescence detection / J. Yakovleva, R. Davidsson, M. Bengtsson, T. Laurell, J. Emneus//Biosensors & Bioelectronics. 2003. - V. 19(1). - P. 21-34.

79. Yan J.L. Electrogenerated chemiluminescence on microfluidic chips / J.L. Yan, X.R. Yang, E.K. Wang // Analytical and Bioanalytical Chemistry. 2005. - V. 381(1). - P. 48-50.

80. L'Hostis E. Microreactor and electrochemical detectors fabricated using Si and EPON SU-8 / E. L'Hostis, P.E. Michel, G.C. Fiaccabrino, D.J. Strike, N.F. de Rooij, M. Koudelka-Hep // Sensors and Actuators B-Chemical. 2000. - V. 64(1-3). - P. 156-162.

81. Dovichi N.J. Laser-Induced Thermal Lens Effect for Calorimetric Trace Analysis / N.J. Dovichi, J.M.Harris //Analytical Chemistry. 1979. - V. 51(6). - P. 728-731.

82. Tanyanyiwa J. Conductimetric and potentiometric detection in conventional and microchip capillary electrophoresis / J. Tanyanyiwa, S. Leuthardt, P.C. Hauser // Electrophoresis. -2002. V. 23(21). - P. 3659-3666.

83. Wightman R.M. Voltammetry with Microscopic Electrodes in New Domains / R.M. Wightman//Science. 1988. - V. 240(4851). - P. 415-420.

84. Lim Т.К. Microfabricated on-chip-type electrochemical flow immunoassay system for the detection of histamine released in whole blood samples / Т.К. Lim, H. Ohta, T. Matsunaga // Analytical Chemistry. 2003. - V. 75(14). - P. 3316-3321.

85. Garcia C.D. Direct determination of carbohydrates, amino acids, and antibiotics by microchip electrophoresis with pulsed amperometric detection / C.D. Garcia, C.S. Henry // Analytical Chemistry. 2003. - V. 75(18). - P. 4778-4783.

86. Wang J. Capillary electrophoresis microchip with a carbon nanotube-modified electrochemical detector / J. Wang, G. Chen, M.P. Chatrathi, M. Musameh // Analytical Chemistry. 2004. - V. 76(2). - P. 298-302.

87. Vrouwe E.X. Direct measurement of lithium in whole blood using microchip capillary electrophoresis with integrated conductivity detection / E.X. Vrouwe, R. Luttge, A. van den Berg//Electrophoresis. 2004. - V. 25(10-11). - P. 1660-1667.

88. Tanyanyiwa J. Capillary and microchip electrophoresis of basic drugs with contactless conductivity detection/J. Tanyanyiwa, P.C. Hauser//Electrophoresis. 2004. - V. 25(17).- P. 3010-3016.

89. Tantra R. Integrated potentiometric detector for use in chip-based flow cells / R. Tantra, A. Manz//Analytical Chemistry. 2000. - V. 72(13). - P. 2875-2878.

90. Ferrigno R. Potentiometric titrations in a poly(dimethylsiloxane)-based microfluidic device / R. Ferrigno, J.N. Lee, X.Y. Jiang, G.M. Whitesides // Analytical Chemistry. 2004. - V. 76(8). - P. 2273-2280.

91. Monton M.R.N. Recent developments in capillary electrophoresis-mass spectrometry of proteins and peptides / M.R.N. Monton, S. Terabe//Analytical Sciences. 2005. - V. 21(1).- P. 5-13.

92. Duan J.C. Rapid protein identification using monolithic enzymatic microreactor and LC-ESI-MS/MS / J.C. Duan, Z. Liang, C. Yang, J. Zhang, L.H. Zhang, W.B. Zhang, Y.K. Zhang // Proteomics. 2006. - V. 6(2). - P. 412-419.

93. Lazar I.M. Subattomole-sensitivity microchip nanoelectrospray source with time-of-flight mass spectrometry detection / I.M. Lazar, R.S. Ramsey, S. Sundberg, J.M. Ramsey // Analytical Chemistry. 1999. - V. 71(17). - P. 3627-3631.

94. Wen J. Microfabricated isoelectric focusing device for direct electrospray ionization-mass spectrometry / J. Wen, Y.H. Lin, F. Xiang, D.W. Matson, H.R. Udseth, R.D. Smith // Electrophoresis. 2000. - V. 21(1). - P. 191-197.

95. Zhang B.L. A microdevice with integrated liquid junction for facile peptide and protein analysis by capillary electrophoresis/electrospray mass spectrometry / B.L. Zhang, F. Foret, B.L. Karger//Analytical Chemistry. 2000. - V. 72(5). - P. 1015-1022.

96. Tachibana Y. Robust and simple interface for microchip electrophoresis-mass spectrometry / Y. Tachibana, K. Otsuka, S. Terabe, A. Arai, K. Suzuki, S. Nakamura // Journal of Chromatography A. 2003. - V. 1011(1-2). - P. 181-192.

97. Camou S. PDMS 2D optical lens integrated with microfluidic channels: principle and characterization / S. Camou, H. Fujita, T. Fujii// Lab on a Chip. 2003. - V. 3(1). - P. 4045.

98. Edel J.B. Thin-film polymer light emitting diodes as integrated excitation sources for microscale capillary electrophoresis / J.B. Edel, N.P. Beard, O. Hofmann, J.C. DeMello, D.D.C. Bradley, A.J. deMello//Lab on a Chip. 2004. - V. 4(2). - P. 136-140.

99. Chabinyc M.L. An integrated fluorescence detection system in poly(dimethylsiloxane) for microfluidic applications / M.L. Chabinyc, D.T. Chiu, J.C. McDonald, A.D. Stroock, J.F.

100. Christian, A.M. Karger, G.M. Whitesides //Analytical Chemistry. 2001. - V. 73(18). - P. 4491-4498.

101. Chediak J.A. Heterogeneous integration of CdS filters with GaN LEDs for fluorescence detection microsystems / J.A. Chediak, Z.S. Luo, J.G. Seo, N. Cheung, L.P. Lee, T.D. Sands // Sensors and Actuators a-Physical. 2004. - V. 111(1). - P. 1-7.

102. Uchiyama K. Polyester microchannel chip for electrophoresis incorporation of a blue LED as light source / K. Uchiyama, W. Xu, J.M. Qiu, T. Hobo // Fresenius Journal of Analytical Chemistry. - 2001. - V. 371(2). - P. 209-211.

103. Lapos J.A. Dual fluorescence and electrochemical detection on an electrophoresis microchip /J.A. Lapos, D.P. Manica, A.G. Ewing// Analytical Chemistry. 2002. - V. 74(14). - P. 3348-3353.

104. Thrush E. Integrated bio-fluorescence sensor / E. Thrush, O. Levi, W. Ha, K. Wang, S.J. Smith, J.S.Harris//Journal of Chromatography A. 2003. - V. 1013(1-2). - P. 103-110.

105. Que L. Microfluidic electrodischarge devices with integrated dispersion optics for spectral analysis of water impurities / L. Que, C.G. Wilson, Y.B. Gianchandani // Journal of Microelectromechanical Systems. 2005. - V. 14(2). - P. 185-191.

106. Minas G. Biological microsystem for measuring uric acid in biological fluids / G. Minas, J.S. Martins, J.C. Ribeiro, R.F. Wolffenbuttel, J.H. Correia // Sensors and Actuators a-Physical. -2004. V. 110(1-3). - P. 33-38.

107. Zheng J.J. Miniaturized ultrathin slab gel electrophoresis with thermal lens microscope detection and its application to fast genetic diagnosis / J.J. Zheng, T. Odake, T. Kitamori, T. Sawada//Analytical Chemistry. 1999. - V. 71(21). - P. 5003-5008.

108. Uchiyama K. An interface chip connection between capillary electrophoresis and thermal lens microscope / K. Uchiyama, A. Hibara, K. Sato, H. Hisamoto, M. Tokeshi, T. Kitamori // Electrophoresis. 2003. - V. 24(1-2). - P. 179-184.

109. Sato K. Monitoring of intercellular messengers released from neuron networks cultured in a microchip / K. Sato, A. Egami, T. Odake, M. Tokeshi, M. Aihara, T. Kitamori // Journal of Chromatography A. 2006. - V. 1111(2). - P. 228-232.

110. Goto M. Development of a microchip-based bioassay system using cultured cells / M. Goto, K. Sato, A. Murakami, M. Tokeshi, T. Kitamori // Analytical Chemistry. 2005. - V. 77(7). - P.2125-2131.

111. Sato K. Determination of carcinoembryonic antigen in human sera by integrated bead bed immunoasay in a microchip for cancer diagnosis / K. Sato, M. Tokeshi, H. Kimura, T. Kitamori//Analytical Chemistry. 2001. - V. 73(6). - P. 1213-1218.

112. Sato K. Molecular transport between two phases in a microchannel / K. Sato, M. Tokeshi, T. Sawada, T. Kitamori//Analytical Sciences. 2000. - V. 16(5). - P. 455-456.

113. S.E. Bialkowski. Photothermal spectroscopy methods for chemical analysis. New York, A Wiley-Interscience publication, 1996.

114. Dovichi N.J. Time-Resolved Thermal Lens Calorimetry / N.J. Dovichi, J.M. Harris // Analytical Chemistry. 1981. - V. 53(1). - P. 106-109.

115. Leach R.A. Real-Time Thermal Lens Absorption-Measurements with Application to Flow-Injection Systems / R.A. Leach, J.M. Harris // Analytica Chimica Acta. 1984. - V. 164(OCT). - P. 91-101.

116. Proskurnin M.A. A dual-beam thermal lens spectrometer for flow analysis / M.A. Proskurnin, A.G. Abroskin, D. Yu, D.Y. Radushkevich//Journal of Analytical Chemistry. 1999. - V. 54(1). - P. 91-97.

117. Proskurnin M.A. Modern analytical thermooptical spectroscopy / M.A. Proskurnin, M.Y. Kononets // Uspekhi Khimii. 2004. - V. 73(12). - P. 1235-1268.

118. Snook R.D. Thermal Lens Spectrometry a Review / R.D. Snook, R.D. Lowe // Analyst. -1995. - V. 120(8). - P. 2051-2068.

119. Sovremennaya analyticheskaya i thermoopticheskaya spectroscopia / M.A. Proskurnin, M.Y. Kononets//Uspehi Chimii. 2004. - V. 73(12). - P. 1235-1268.

120. Shen J. A Radial Finite-Model of Thermal Lens Spectrometry and the Influence of Sample Radius Upon the Validity of the Radial Infinite-Model / J. Shen, R.D. Snook // Journal of Applied Physics. 1993. - V. 73(10). - P. 5286-5288.

121. Mandelis A. Photothermal Measurements of Internal Quantum and Energy Efficiencies of Semiconductor Photoelectrodes a Review / A. Mandelis//Analytical Sciences. - 1990. -V. 6(4). - P. 491-503.

122. Martin-Biosca Y. Modeling of the low-frequency noise in thermal lens spectrometry / Y. Martin-Biosca, C. Roze, G. Ramis-Ramos // Israel Journal of Chemistry. 1998. - V. 38(3).- P. 169-174.

123. Shen J. Model for Cw Laser-Induced Mode-Mismatched Dual-Beam Thermal Lens Spectrometry Based on Probe Beam Profile Image Detection / J. Shen, A.J. Soroka, R.D. Snook //Journal of Applied Physics. 1995. - V. 78(2). - P. 700-708.

124. Faubel W. Photothermal trace detection in capillary electrophoresis for biomedical diagnostics and toxic materials (invited) / W. Faubel, S. Heissler, U. Pyell, N. Ragozina // Review of Scientific Instruments. 2003. - V. 74(1). - P. 491-494.

125. Rosenzweig Z. Laser-Based Double-Beam Thermal Lens Detector for Microcolumn Liquid-Chromatography / Z. Rosenzweig, E.S. Yeung//Applied Spectroscopy. 1993. - V. 47(8).- P. 1175-1179.

126. Logar J.K. The effects of eluent's optothermal parameters on TLS detection in gradient HPLC / J.K. Logar, M. Franko // Review of Scientific Instruments. 2003. - V. 74(1). - P. 300-302.

127. Uchiyama K. Thermal lens microscope / K. Uchiyama, A. Hibara, H. Kimura, T. Sawada, T. Kitamori // Japanese Journal of Applied Physics Part 1-Regular Papers Short Notes & Review Papers. 2000. - V. 39(9A). - P. 5316-5322.

128. Proskurnin M.A. Optimisation of thermal lens microscopic measurements in a microchip / M.A. Proskurnin, M.N. Slyadnev, M. Tokeshi, T. Kitamori // Analytica Chimica Acta. -2003. V. 480(1). - P. 79-95.

129. Hiki S. UV excitation thermal lens microscope for sensitive and nonlabeled detection of nonfluorescent molecules / S. Hiki, K. Mawatari, A. Hibara, M. Tokeshi, T. Kitamori // Analytical Chemistry. 2006. - V. 78(8). - P. 2859-2863.

130. Uchiyama K. Optimization of an interface chip for coupling capillary electrophoresis with thermal lens microscopic detection / K. Uchiyama, M. Tokeshi, Y. Kikutani, A. Hattori, T. Kitamori//Analytical Sciences. 2005. - V. 21(1). - P. 49-52.

131. Backofen U. A chip-based electrophoresis system with electrochemical detection and hydrodynamic injection / U. Backofen, F.M. Matysik, C.E. Lunte // Analytical Chemistry. -2002. V. 74(16). - P. 4054-4059.

132. British Pharmacopeia. London, HM Stationary Office, 1998.

133. Hachiya H. Micro environmental gas analysis system by using gas-liquid two phase flow. H. Hachiya, T. Matsumoto, M. Tokeshi, Y. Yoshida, T. Kitamori. MicroTAS. Malmo, Sweden, 26-30 Sept., 2004.

134. Smirnova A. Micro-multiphase laminar flows for the extraction and detection of carbaryl derivative / A. Smirnova, K. Mawatari, A. Hibara, M.A. Proskurnin, T. Kitamori // Analytica ChimicaActa. 2006. - V. 558(1-2). - P. 69-74.

135. Tamaki E. Microchannel-assisted thermal-lens spectrometry for microchip analysis / E. Tamaki, A. Hibara, M. Tokeshi, T. Kitamori//Journal of Chromatography A. 2003. - V. 987(1-2). - P. 197-204.

136. Hiki S. Development of a desktop-sized thermal lens microscope / S. Hiki, M. Tokeshi, A. Hibara, T. Kitamori//Bunseki Kagaku. 2003. - V. 52(8). - P. 569-574.

137. Proskurnin M.A. Optimisation of the optical scheme of a dual-beam thermal lens spectrometer using expert estimation / M.A. Proskurnin, V.V. Kuznetsova // Analytica ChimicaActa. 2000. - V. 418(1). - P. 101-111.

138. Proskurnin M.A. Optimization of optical system parameters in dual-beam thermal lens spectrometry / M.A. Proskurnin, A.G. Abroskin // Journal of Analytical Chemistry. 1999. - V. 54(5). - P. 401-408.

139. Abroskin A.G. Thermal Lens Spectrometry in Trace-Metal Analysis / A.G. Abroskin, T.V. Belyaeva, V.A. Filichkina, E.K. Ivanova, M.A. Proscurnin, V.M. Savostina, Y.A. Barbalat // Analyst. 1992. - V. 117(12). - P. 1957-1962.

140. Proskurnin M.A. Optimization of the optical-scheme design for photothermal-lens microscopy in microchips / M.A. Proskurnin, M. Tokeshi, M.N. Slyadnev, T. Kitamori // Analytical Sciences. 2001. - V. 17. - P. S454-S457.

141. B.M. Бырько. Дитиокарбаминаты. M., Наука, 1984.

142. Alfonso E.F.S. Reduction of Convective Low-Frequency Noise in Thermal Lens Spectrometry / E.F.S. Alfonso, M.A.R. Revert, M.C.G. Alvarezcoque, G.R. Ramos // Applied Spectroscopy. 1990. - V. 44(9). - P. 1501-1507.

143. К. Дерффель. Статистика в аналитической химии. М., Мир, 1994.

144. В.М. Пешкова, В.М. Савостина, Е.К. Иванова. Оксимы. М., Наука, 1977.

145. И.В. Пятницкий. Аналитическая химия кобальта. М., Наука, 1965.

146. Р.К. Gessner. Disulfiram and its Metabolite, Diethyldithiocarbamate. Dordrecht, Kluwer Academic Publishers, 1992.

147. C.D. Tom, R.A. Ludwig. The Dithiocarbamates and Related Compaunds. Amsterdam, Elsevier, 1962.

148. Г. Ласлоне. Пестициды. M, Наука, 1976.

149. A.M. Медовар. Пестициды и окружающая среда. М, Наука, 1982.

150. Alvarez-Rodriguez L. Flow-injection spectrophotometric determination of phenolic drugs and carbamate pesticides by coupling with diazotized 2,4,6-trimethylaniline / L. Alvarez

151. Rodriguez, J. Esteve-Romero, I. Escrig-Tena, M.C.G. Alvarez-Coque // Journal of Aoac International. 1999. - V. 82(4). - P. 937-947.

152. В.И. Гришко, В.П. Гришко, И.Г. Юделевич. Лазерная аналитическая термолинзовая спектроскопия. Но в о с и б и р с к , Ин-т неорганической химии СО РАН, 1992.

153. Е.Б. Сендел. Колориметрические методы определения металлов. М., Мир, 1964.

154. Филичкина В.А. Определение ультрамалых количеств кобальта с помощью термолинзовой спектрометрии / В.А. Фили ч к и н а , А.Г. Аброскин, Ю.А. Барбалат, Т.В. Беляева, М.А. Проскурнин // Журн. аналит. химии. 1992. - V. 47(3). - Р. 503506.

155. Смирнова А.П. Исследования диэтилдитиокарбаминатов кобальта, никеля и меди при помощи термолинзовой спектрометрии / А.П. Смир нова, В.В. Черныш, М.А. Проскурнин // Журн. аналит. химии. 2004. - V. 59(5). - Р. 480-489.

156. Scharfe R. R. Stability of metal dithiocarbamate complexes / R.R. Scharfe, V.S. Sastri, C.L. Chakrabarti // Analyt. Chem. 1973. - V. 45(2). - P. 413-415.

157. Lin C.C. Microchip electrophoresis with hydrodynamic injection and waste-removing function for quantitative analysis / C.C. Lin // Journal of Chromatography A. 2004. - V. 1051. - P. 69-74.

158. Solignac D. Pressure pulse injection: a powerful alternative to electrokinetic sample loading in electrophoresis microchips / D. Solignac, M.A.M. Gijs//Analytical Chemistry. 2003. -V. 75(7). - P. 1652-1657.

159. Lee N. Y. Pressure-driven sample injection with quantitative liquid dispensing for on-chip electrophoresis / N.Y. Lee, M. Yamada, M. Seki // Analytical Sciences. 2004. - V. 20(3). - P. 483-487.

160. Buttgenbach S. A capillary electrophoresis chip with hydrodynamic sample injection for measurements from a continuous sample flow / S. Buttgenbach, R. Wilke // Analytical and Bioanalytical Chemistry. 2005. - V. 383(5). - P. 733-737.