Новые варианты использования наночастиц золота в спектрофотометрии и спектроскопии диффузного отражения тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.02 ВАК РФ

На правах рукописи

Архипова Виктория Владиславовна

НОВЫЕ ВАРИАНТЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ НАНОЧАСТИЦ ЗОЛОТА В СПЕКТРОФОТОМЕТРИИ И СПЕКТРОСКОПИИ ДИФФУЗНОГО

ОТРАЖЕНИЯ

02.00.02 — Аналитическая химия

АВТОРЕФЕРАТ

21 ОКТ 2015

диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук

Москва-2015

005563487

005563487

Работа выполнена на кафедре аналитической химии химического факультета ФГБОУ ВО «Московский государственный университет имени М.В.Ломоносова» (МГУ имени М.В.Ломоносова)

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

кандидат химических наук, старший научный сотрудник Апяри Владимир Владимирович

Ермолаева Татьяна Николаевна,

доктор химических наук, профессор ФГБОУ ВО «Липецкий государственный технический университет»

Ведущая организация:

Романовская Галина Ивановна,

доктор химических наук, ведущий научный сотрудник ФГБУН «Институт геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского» РАН

ФГБОУ ВО «Саратовский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского»

Защита состоится 9 декабря 2015 года в 15 ч. 00 мин. в аудитории 446 на заседании диссертационного совета Д 501.001.88 по химическим наукам при Московском государственном университете имени М.В. Ломоносова по адресу: 119991, Москва, Ленинские горы, д. 1, стр. 3, МГУ, химический факультет.

С диссертацией и авторефератом можно ознакомиться в Фундаментальной библиотеке МГУ имени М.В. Ломоносова и на сайте химического факультета (ЫфУ/итуи'.сЬепиши.ги). Текст автореферата размещен на сайте ВАК России (http://vak.ed.gov.ru).

Автореферат разослан «/} » Р&-7 2015 года

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 501.001.88, кандидат химических наук

' Моногарова О.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Одним из приоритетных направлений развития современной аналитической химии является разработка недорогих и доступных аналитических процедур, позволяющих проводить быстрый скрининг большого числа образцов с применением простых методов химического анализа или визуального детектирования аналитического сигнала. С этой точки зрения внимание многих исследователей привлекают наночастицы золота (НЧ). Их уникальные оптические свойства обусловлены явлением поверхностного плазмонного резонанса (ППР), которое проявляется в возникновении интенсивной полосы поглощения в видимой области спектра. Высокие молярные коэффициенты поглощения наночастиц золота, а также изменение положения полосы ППР и ее интенсивности в присутствии веществ, вызывающих агрегацию наночастиц, позволяют рассматривать НЧ как своеобразные хромофорные реагенты в спектрофотометрии и тест-методах анализа.

Отличие наночастиц золота от традиционных спектрофотометрических реагентов состоит в возникновении оптического аналитического эффекта как следствие агрегации НЧ, а не в результате изменения молекулярных орбиталей реагента или определяемого соединения при их взаимодействии. Наиболее целесообразным кажется использование таких реагентов для определения соединений, не имеющих в своем составе хромофорных групп. К таким соединениям можно отнести некоторые насыщенные тиосоединения, полиэлектролиты, а также неорганические ионы.

В настоящее время большие усилия направлены на создание не только новых НЧ, но и нанокомпозитных материалов на их основе. Возможность модифицирования наночастиц различными по своей природе и химическим свойствам модификаторами и отсутствие каких-либо требований к их хромофорным свойствам позволяет синтезировать новые реагенты для определения широкого круга соединений, а варьирование природы матрицы нанокомпозитного материала - выгодно регулировать чувствительность, селективность и другие важные аналитические характеристики разрабатываемых методик.

Несмотря на активное использование НЧ и нанокомпозитных материалов на их основе в спектрофотометрии, систематические исследования в этой сфере носят единичный характер. Не вполне детально проработаны вопросы, касающиеся регулирования метрологических характеристик определения с применением НЧ за счет варьирования условий проведения аналитической процедуры, выбора типа стабилизатора НЧ. формы их существования (в растворе или в матрице нанокомпозитного материала). Некоторые полимерные сорбенты, такие как пенополиуретан (ППУ), не изучены в качестве матрицы для нанокомпозитных материалов. Между тем, химическая устойчивость, механическая прочность, легкость отделения от раствора, невысокая стоимость и доступность этого материала могли бы сыграть важную роль при разработке новых оптических сенсоров и твердых тест-форм на основе НЧ. Работы в указанных направлениях позволили бы выявить основные рычаги регулирования чувствительности и селективности методик определения с применением НЧ, снизить стоимость анализа и расширить сферы использования НЧ золота в аналитической химии.

Цель диссертационной работы состояла в разработке новых вариантов использования наночастиц золота в спектрофотометрии и спектроскопии диффузного отражения для определения некоторых биологически активных веществ и неорганических анионов.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи: • Осуществить синтез и охарактеризовать наночастицы золота различных типов, систематически сравнить их свойства, выявить особенности НЧ как хромогенных реагентов в спектрофотометрии и тест-методах анализа и оценить перспективы их

применения в аналитической химии для разработки новых вариантов определения соединений.

• Изучить особенности агрегации наночастиц золота в водном растворе в присутствии соединений различных классов в зависимости от природы соединения и типа наночастиц. Выявить влияние состава раствора, рН и ряда других факторов на агрегацию НЧ.

• Исследовать возможность синтеза нанокомпозитных материалов на основе НЧ золота и пенополиуретана. Изучить влияние различных факторов на синтез. Охарактеризовать полученные материалы.

• Выявить особенности агрегации наночастиц золота в матрице пенополиуретана в присутствии соединений различных классов. Исследовать влияние на агрегацию НЧ в фазе ППУ различных факторов.

• Применить установленные особенности агрегации НЧ для разработки способов определения биологически активных органических соединений и анионов методами спектрофотометрии и спектроскопии диффузного отражения.

Научная новизна. Предложен способ синтеза наночастиц золота, стабилизированных поликатионом 6,6-ионен. Получены их характеристики и показаны перспективы использования НЧ, стабилизированных 6,6-ионеном, для спекгрофотометрического и тест-определения анионов.

Выявлены особенности агрегации НЧ, стабилизированных цитратом, и НЧ, стабилизированных 6,6-ионеном, в присутствии тиосоединеннй, поликатионов, антибиотиков, а также неорганических анионов. Изучено влияние различных факторов, таких как состав раствора, концентрация соединений и НЧ, рН, время взаимодействия, на агрегацию НЧ.

Показано, что НЧ, стабилизированные цитратом, и НЧ, стабилизированные 6,6-ноненом, сорбируются на пенополиуретане, что можно использовать для получения новых нанокомпозитных материалов на основе НЧ золота. Оптимизированы условия получения этих материалов и охарактеризованы резонансные оптические свойства НЧ в матрице пенополиуретана.

Выявлены особенности взаимодействия новых нанокомпозитных материалов на основе НЧ золота разного типа и пенополиуретана с соединениями различной природы. Установлено, что НЧ в фазе нанокомпозитного материала агрегируют в присутствии тиосоединеннй. Получены новые данные о влиянии различных факторов, таких как состав раствора, концентрация соединений, рН и время взаимодействия, на агрегацию НЧ в фазе сорбента.

Продемонстрирована возможность использования выявленных особенностей агрегации НЧ в практике химического анализа для определения органических соединений и анионов, оценены и сравнены метрологические характеристики методик определения.

Практическая значимость. Разработаны новые хромогенные реагенты (НЧ. стабилизированные 6,6-ионеном, и ППУ, модифицированный НЧ различного типа) для спекгрофотометрического, твердофазно-спектроскопического и тест-определения тиосоединеннй, неомицина, полигексаметиленгуанщдана гидрохлорида (ПГМГ), сульфат-и пирофосфат-ионов.

Разработаны и апробированы способы определения исследуемых соединений в различных объектах, в том числе лекарственных препаратах, объектах пищевой промышленности и биологических жидкостях, с применением спектрофотометрии и спектроскопии диффузного отражения.

Выбраны основные факторы, позволяющие регулировать чувствительность и селективность определения с использованием хромогенных реагентов на основе НЧ, и предложены пути улучшения метрологических характеристик методик определения.

На защиту выносятся:

• Результаты исследования процессов агрегации НЧ золота разного типа в растворе в присутствии различных соединений, выявленные особенности агрегации и данные о влиянии на агрегацию различных факторов.

• Особенности сорбции наночастиц золота на ППУ из водных растворов. Результаты изучения характеристик полученного материала.

• Результаты исследования процессов агрегации наночастиц золота в фазе ППУ, выявленные особенности агрегации в присутствии различных соединений и данные о влиянии на агрегацию различных факторов.

• Разработанные способы определения органических соединений (цистеин, цистеамин, ацетилцистеин, ПГМГ, неомицин) и анионов (сульфата и пирофосфата) и их аналитическое применение для определения указанных веществ в водах, объектах фармацевтической и пищевой промышленности, биологических образцах.

Апробация работы. Основные результаты диссертации доложены на Второй Республиканской научной конференции по аналитической химии с международным участием «Аналитика РБ-2012» (Минск, 2012), 3-ей Научной конференции с международным участием «Химия-2013. Физическая химия. Аналитическая химия. Нанохимия. Теория, эксперимент, практика, преподавание» (Москва. 2013), Международном молодежном научном форуме «Ломоносов-2013» (Москва, 2013), 3-ей Республиканской конференции по аналитической химии с международным участием «Аналитика РБ-2013» (Минск, 2013), Втором съезде аналитиков России (Москва, 2013), V Всероссийской конференции по наноматерналам «Нано 2013» (Звенигород, 2013), IX Всероссийской конференции по анализу объектов окружающей среды «Экоаналитнка-2014» (Светлогорск, 2014), 20-ом Международном симпозиуме по электро- и жидкостным методикам разделения "ITP 2013" (Пуэрто де ла Круз, 2013), 38-ом Международном симпозиуме по аналитической химии окружающей среды "ISEAC 38" (Лозанна, 2014) и XII Международной конференшш по наноструктурированным материалам "NANO 2014" (Москва, 2014).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 17 работ: 7 статей и 10 тезисов докладов.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, двух глав обзора литературы, пяти глав экспериментальной части, выводов и списка литературы (200 наименований). Работа изложена на 156 страницах печатного текста, содержит 56 рисунка и 12 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность исследования, определены цель и основные задачи диссертации. Сформулированы научная новизна, практическая значимость полученных в работе результатов и научные положения, выносимые на защиту.

ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

В первой главе обзора литературы систематизированы опубликованные данные о методах получения наночастиц золота и их оптических свойствах, описаны используемые в синтезах наночастиц стабилизаторы и восстановители, а также варианты модифицирования поверхности наночастиц различными лигандами.

Во второй главе описано применение наночастиц золота для спектрофотометрического и тест-определения ионов металлов, анионов и органических соединений. Примеры и особенности такого использования наночастиц золота систематизированы в таблицах.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Объекты исследования. Объектами исследования служили различные органические соединения и неорганические анионы. В табл. 1 представлены их названия, сокращенные названия, структурные формулы и указана форма их существования в растворе при рН 4 — 6.

Таблица 1. Вещества, нсследованные в работе

Тип Название Формула Форма существования в растворе при рН 4-6 Сокра щение Агрегация НЧ в присутствии 100мкг/'мл соединения*

НЧ/Ц НЧ/ ЦТМА нч/и

Тиососдпнсния Цистеамин НЭ Катион ЦА + - -

Цнстеин соон Цвнттер-ион ЦН - - -

Ацстил-цистеин нз^^-1 у** соон сн3 Анион АЦ - - -

Глутатион соон Анион, содержащий цвиттер-ионный фрагмент Г - - -

Меркапто-этанол он нэ ^^ Незаряженная молекула мэ - - -

Меркапто-пропионовая кислота соон нэ ^^ Аннон мпк - - -

Соединения катионнон природы Полигенса-метнлен-гуанндипа гидрохлорид а" "1 г Поликатион ПГМГ - -

Неомицпн ^ он «А. .. ( / ^ ын, «0- \—' Многозарядный катион н + - -

Анионы Сульфат Двухза-рядньш анион - - +

Пирофос-фат Р2О74' Двухза-рядный анион (дигидро-) - - +

Оксалат С;ОГ Двухза-рядный анион - - +

Другие СГ, Вг\ Г, Г, БО,--, 5,0;--, СЮ,', N0/, N0,", С104", РОЛ сн,соо\ СО,2- Анион - - -

* «-<-» - вызывает агрегацию, «-» - не вызывает агре1яцпю; НЧ/'Ц - НЧ, стабилизированные цитратом, НЧ/ЦТМА - НЧ, стабилизированные бромидом цети.тгриметиламмония, 114/11 - 114, стабилизированные 6.6-ноненом

Исходные растворы соединений (100-1000 мкг/мл) готовили растворением их точных навесок (либо аликвот) в деионизованной воде; ЭДТА растворяли в растворе NaOH в молярном соотношении 1:1. Рабочие растворы соединений готовили разбавлением исходных непосредственно перед использованием. В качестве сорбента применяли пенополиуретан (ППУ) на основе простых эфиров. Таблетки ППУ диаметром 16 мм и массой (20 ± 2) мг выбивали металлическим пробойником из промышленного листа полимера. Для очистки от прпмесей таблетки ППУ помешали в ацетон и встряхивали в течение 10 минут, процедуру повторяли дважды, после чего их высушивали под струей воздуха. Таблетки хранили в защищенном от света месте.

Аппаратура. Измерение оптической плотности растворов проводили на спектрофотометре СФ-103 (Аквилон) в диапазоне длин волн 400 — 800 нм. Диффузное отражение и спектры диффузного отражения в видимой области регистрировали на минн-спектрофотометре Eye-One Pro (X-Rite); заявленная производителем погрешность не более 0,5 %. Значения pH контролировали на ноно.мере «Эксперт 001» (Эконикс). Хроматограммы образцов регистрировали на жидкостном хроматографе «Цвет Яуза» (НПО Химавтоматика) с амперометрическим детектором (Е = 1 В). Использовали хроматографическую колонку «Luna С18» (Phenomenex). В качестве подвижной фазы использовали смесь, состоящую из 35% ацетонитрила и 65% воды. Объем пробы составлял 20 мкл, ввод пробы осуществляли с помощью петли дозатора. Скорость потока составляла 0,4 мл/мин. Электронно-микроскопические исследования проводили на просвечивающем электронном микроскопе LE0912 AB OMEGA (Carl Zeiss) и сканирующем электронном микроскопе Supra 50 VP LEO (Carl Zeiss).

Техника эксперимента. Для спектрофотометрического изучения агрегации наночастнц под воздействием различных соединений в пробирки вносили последовательно исследуемое соединение, вспомогательные реагенты (если нужно), деионизованную воду и раствор НЧ золота. В случае сорбинонного концентрирования НЧ на пенополпуретане применяли различные подходы, включающие в себя изменение в отдельных случаях последовательности внесения ППУ, НЧ и определяемых соединений.

О содержании и степени агрегации наночастнц золота в фазе ППУ судили, измеряя значения коэффициентов диффузного отражения и находя функцию Кубелки-Мунка F:

(1-R)2 2.3 се

F(R) -- = —-

К ' 2-R S

где R — диффузное отражение; е — молярный коэффициент поглощения сорбата, М"1 см"1; с — его концентрация. M; S — коэффициент рассеяния, см"1.

СИНТЕЗ И ХАРАКТЕРИСТИКИ НАНОЧАСТНЦ ЗОЛОТА

Синтез наночастнц золота. С целью изучения влияния природы модификатора НЧ и их заряда на процессы агрегации были синтезированы НЧ четырех типов: отрицательно заряженные НЧ, стабилизированные цитрат-ионами (НЧ/Ц), положительно заряженные НЧ, стабилизированные ЦТМА (НЧ/ЦТМА), положительно заряженные НЧ, стабилизированные полнкатионом 6,6-ионен (НЧ/И), и практически незаряженные НЧ, стабилизированные меркаптоэтанолом (НЧ/МЭ).

Синтез НЧ осуществляли из золотохлористоводородной кислоты. Для синтеза отрицательно заряженных НЧ в качестве стабилизатора и восстановителя использовали цитрат натрия. В остальных случаях восстановителем являлся боргидрид натрия, а стабилизаторами - ЦТМА, 6,6-ионен и меркаптоэтанол соответственно. Методика синтеза НЧ, стабилизированных 6,6-ионеном, разработана нами впервые.

Характеристики наночастнц золота. Как уже упоминалось выше, важной характеристикой НЧ золота является положение и форма полосы ППР. Синтезированные НЧ характеризуются наличием в спектрах поглощения выраженной полосы ППР в

области 510 - 530 нм во всех случаях, кроме НЧ, стабилизированных МЭ. Последние характеризуются плохо выраженной полосой ППР, что свидетельствует о широком распределении по размерам и значительной агрегации НЧ, а также неустойчивостью во времени, в связи с чем в дальнейшем изучении нами не рассматривались. Спектры поглощения синтезированных НЧ приведены на рис. 1.

Электронные микрофотографии и гистограммы распределения НЧ по размерам представлены на рис. 2. В табл. 2 систематизированы характеристики полученных НЧ.

НЧ (за исключением неустойчивых НЧ, стабилизированных МЭ) с исследуемыми веществами разных типов, указанными в табл. 1. Агрегация НЧ сопровождается уменьшением полосы ППР индивидуальных НЧ при 520 нм и появлением полосы поглощения агрегатов в области 650 - 750 нм. По мере протекания агрегативных процессов наблюдается увеличение этой полосы и ее батохромное смещение, что является следствием роста размера агрегатов и их количества. О глубине протекания агрегации судили, сравнивая отношение оптических плотностей при длинах волн, соответствующих поглощению агрегатов и индивидуальных наночастнц Аагр/А52о. Согласно литературным данным, такое отношение чаще всего используют для построения градуировочных графиков при определении ионов металлов и органических соединений.

Изучено взаимодействие

А

0.3 0,25 0.2 0,15 0.1 0,05 0

40О 500 600 700 §00 Рнс. 1. Спеюры поглощения водных расгворов НЧ золота, стабилизированных цитратом натрия (1). цетшггриметиламмоний бромидом (2), 6,6-ионеном (3) и меркаптоэтанолом (4). сНч. = 15 мкг/мл

; 500 пт

2 6 10 14 1822 26 30 34 38 42

Доля, %

1 4 7 1013 16 1922 2528 3134 37

Рис. 2. Электронные микрофотографии и гистограммы распределения по размерам НЧ золота, стабилизированных цитратом натрия (а), бромидом цетилтриметиламмония (б) и 6,6-ионеном (в).

НАНОЧАСТИЦЫ ЗОЛОТА, СТАБИЛИЗИРОВАННЫЕ ЦИТРАТОМ НАТРИЯ

В предварительных экспериментах установлено, что НЧ, стабилизированные цитратом натрия, легко агрегируют в присутствии некоторых тиосоединений (цистеамин) и соединений катнонной природы (ПГМГ, неомицин) (табл. 1). Агрегация сопровождается появлением полосы агрегатов при 660 - 750 нм в зависимости от соединения (рис. 3). Взаимодействие с соединениями данных типов изучено детально.

6

А

0,3

400

500

600

700

Взаимодействие с тносоединениями

В состав тносоединений входит атом серы, способный к образованию прочной связи Б — Аи, что должно обеспечить их сильное взаимодействие с НЧ. В ряду изученных в нашей работе тносоединений только цнстеамин уже при концентрации 0,03 мкг/мл вызывает заметную агрегацию НЧ. Цнстеин, ацетплцистеин. глутатион, меркаптоэтанол и меркаптопропноновая кислота не вызывают агрегацию даже при концентрациях 100 мкг/мл. Мы предполагаем, что это в первую очередь связано с их различным ионным состоянием в растворе. В условиях эксперимента (рН 4,5) органическое основание цистеамин (рКь = 5,0) находится в растворе в виде положительно заряженной протежированной формы, цистеин — в виде цвиттер-иона (рКа=3.4, рКь = 7,6), меркаптоэтанол - в виде нейтральной молекулы, а меркаптопропноновая кислота (рКа = 4,3), ацетилцистеин (рКа = 3,3) и глутатион (рК„| = 2,2, рК^ = 3,4, рКъ = 6,9) - преимущественно в форме отрицательно заряженных частиц. В результате сорбции цистеамина на наночаспшах золота не только уменьшается агрегативная устойчивость НЧ вследствие уменьшения заряда поверхности, но и появляется возможность их связывания за счет электростатического взаимодействия положительно заряженной аммониевой группы цистеамина на поверхности одной частицы с отрицательно заряженной цитратной группой на поверхности другой. Подобные эффекты описаны в литературе, оба они способствуют агрегации наночастиц. Предполагаемая схема агрегации НЧ под воздействием цистеамина представлена на рис. 4. При концентрациях > 0,15 мг/'мл агрегация также становится возможной в присутствии глутатиона, что может быть связано с большим размером молекулы этого соединения и конформационной подвижностью ее функциональных групп, обеспечивающими возможность образования связей-сшивок между наночастицами.

Таблица 2. Характеристики полученных НЧ

,800 А, нм

Рис. 3. Спектры поглощения водных растворов наночастиц золота,

стабилизированных нитратом натрия, в отсутствие (1) и в присутствии 0.05 лист/мл цистеамина (2), 0,05 мкг/мл неомтшна (3) и 0,065 мкг/мл ПГМГ (4). С)[II - 15 мкг/мл, I = 2 мин.

..... ............. Стабилизатор Характеристика — Цитрат натрия МЭ ЦТМА 6.6-ионен

Заряд стабилизатора - 0 + +

С-потенииал. мВ -18.7 -4.2 40.9 7.7

X ППР. нм 525 530 515 520

Молярный коэффициент поглощения, л/(моль Аи-см) 3,6*10' 3,1*10' 3,6*105 3,9*10"'

Гидродинамический диаметр, нм (метод ДРС) 42 99 35 42

Размер (<с1>), нм (метод ПЭМ) 23 - 2,9 16

Форма Сферические - Сферические Сфсричсскис (73 %), пентагональные (14 %), гексагональные (7 %), треугольные (4 %). цилиндрические(2 %)

Сорбция [ДА Агрегация $ г^

I I-------

- цитрат НЭ^^-б} - цистеамин

Рис. 4. Предполагаемая схема агрегации наночастиц золота под воздействием цистеамина

Из литературных данных известно, что агрегацию наночастиц золота, стабилизированных цитрат-ионами, могут вызывать катионы металлов. С целью устранения мешающего влияния катионов металлов нами было предложено вводить в раствор такой хорошо известный маскирующий агент как ЭДТА. Преимущества этого соединения состоят в прочности образующихся хелатов, отсутствии у них окраски и, что особенно важно с точки зрения механизма агрегации НЧ, существовании комплексонатов металлов в виде анионов. Оказалось, что в присутствии ЭДТА наблюдается агрегация НЧ не только под воздействием цистеамина, но также — меркаптоэтанола и цистеина. Этот эффект может являться следствием уменьшения стабильности коллоидной системы вследствие сжатия слоя противоионов вблизи поверхности наночастиц, обусловленного повышением ионной силы при добавлении ЭДТА. Подобные наблюдения описаны в литературе и начинают проявляться при ионной силе 10 — 40 мМ. Мы предполагаем, что наиболее значимую роль в этих процессах играет катион натрия, который, проникая в плотный слой противоионов отрицательно заряженной наночастицы, уменьшает заряд ее поверхности и С-потенциал.

Изучено влияние различных факторов на агрегацию наночастиц золота под воздействием тиосоединений: времени взаимодействия, рН, концентрации наночастиц и тиосоединения. О степени агрегации судили, находя отношение оптических плотностей при длинах волн поглощения агрегатов (Аагр) и индивидуальных НЧ (А520).

Агрегация протекает за 1 - 2 мин, в течение которых окраска раствора меняется с красной на фиолетовую, после чего изменения прекращаются (рис. 5).

Исследована зависимость степени агрегации наночастиц в присутствии тиосоединений от рН раствора. Необходимую кислотность среды создавали при помощи растворов соляной кислоты и гидроксида натрия. Полученные зависимости представлены

на рис. 6. Характер

зависимостей АаГр/А 520 в присутствии тиосоединения и в его отсутствие, а также их разностей от рН указывает на то. что цистеамин и цистеин вызывают агрегацию наночастиц в интервале рН 3 — 8, а глутатион при рН 3 - 5. При рН < 3 наблюдается агрегация наночастиц. вызванная ионами водорода, поэтому вклад соединения в изменение сигнала уменьшается, а при рН > 8 агрегация уменьшается за счет частичной диссоциации протонированных аминогрупп соединения, а также за счет увеличения степени диссоциации цитрат-ионов на поверхности наночастиц, что увеличивает поверхностный заряд и стабильность системы. Смещение правой границы интервала оптимальных рН в кислую область для глутатиона объясняется переходом его в форму аниона при рН > 4. В

Рис. 5. Зависимость соотношения А^;/А<:п от времени взаимодействия НЧ с 0,0? мкг/мл цистеамина (1). 0,3 мкг/мл цистеина в 0,01 М ЭДТА (2) и 0,35 мт/мл глугатиона (3), снч = 15 мкг/мл.

A^p/Asjo

1.2 1 0.8 0.6 0,4 0.2 0

1.2 1

0,8 0,6 0,4 0.2 О

■ен

Рис. 6. Зависимость отношения Л^./Л*,,, от pH раствора в отсутствие (1) и п присутствии 0.03 мкг/мл цистеамина (2), 0,3 мкг/мл нистенпа и 0,01 М ЭДТЛ (3) и 0,35 мг/мл глутатиона (4) (а) и соответствующая разность сигналов (б). сНч = 15 мкг/мл; t = 2 mihi.

дальнейших экспериментах pH раствора поддерживали равным 7-8 для ЦН и ЦА и 4 - 5 для глутатиона.

Изучено влияние концентрации соединения и НЧ на агрегацию. На рис. 7 (а) на примере цистеамина показаны изменения в спектрах поглощения водных растворов НЧ при введении различных концентраций соединения, вызывающего агрегацию. Как видно из представленных данных, с ростом концентрации ЦА наблюдается уменьшение полосы поверхностного плазмонного резонанса индивидуальных НЧ при 520 нм, появляется и увеличивается полоса поглощения в области 700 — 750 нм, соответствующая агрегатам НЧ. На рис. 7 (б) приведена зависимость отношения А75о/А;2о от концентрации цистеамина, из которой видно, что цистеадан вызывает агрегацию при концентрациях больших 0,01 мкг/мл; отношение A75o/A<2o практически линейно связано с концентрацией цистеамина в интервале 0,025 - 0,1 мкг/мл. При концентрации цистеамина больше 0,1 мкг/мл наблюдается максимально достижимая в данных условиях агрегация наночастиц. Наличие горизонтального участка в области малых концентраций, по-видимому, связано с необходимостью достижения определенной концентрации соединения, достаточной для снижения поверхностного заряда и дзета-потенциала НЧ. Для остальных тиосоединений наблюдается схожее поведение системы.

A7W'A<20

А, нм

400 S00 600 700 800

0.15

Рис. 7. Спектры поглощения волных растворов наночаетнц золота в присутствии различных концентрации цистеамина (а) п зависимость отношения от конпептрашш цистеамина (б).

Сич =40 мкг/мл; 1= 2 мин; с-,д1д = 0,005 М; рИ 7,5; сцд. мкг/мл: 0 (1); 0.02 (2); 0,03 (3), 0.05 (4); 0,07 (5); 0,1.

На примере цистеамина показано влияние концентрации НЧ на форму зависимости Аагг/А52о от концентрации соединения. Установлено, что при увеличении концентрации НЧ наблюдается уширение нижнего горизонтального участка и уменьшение углового коэффициента наклонного участка, то есть система становится «менее чувствительной» к

присутствию соединения, вызывающего агрегацию (рис. 8). Данный факт объясняется тем, что отношение Аагр/А$^о связано со степенью агрегации, то есть с долей НЧ, образовавших агрегаты, адас их абсолютным количеством. Для достижения той же степени агрегации большего количества НЧ требуется большее количество соединения.

Взаимодействие с соединениями катионной природы

В отличие от тиосоединений, соединения катионной природы, не имеющие в своем составе тиольных групп, не способны образовывать прочную концентрации цистеамина для связь с атомами золота. Поэтому взаимодействие их с различных концентраций наночаетиц ^ 6ыть обусловлено электростатическими

золота. Сэдтл = О.ООэ М, I = 2 мин. рН „ 1 г

7 5'Снч мкг/м-т 15 (1) 40 (2)-100(3) взаимодействиями с цитрат-ионами на поверхности

НЧ. Предполагаемая схема агрегации НЧ под

Рис. 9. Предполагаемая схема агрегашш папочаетиц золота под воздействием неомтщииа.

Изучено влияние различных факторов на агрегацию наночаетиц золота под воздействием соединений катионной природы. С целью устранения влияния катионов металлов, а также для повышения чувствительности НЧ к соединениям в систему добавляли ЭДТА. Как и для тиосоединений, агрегация протекает быстро — за 1,5 — 2 мин (рис. 10а). Максимальная агрегация наблюдается в диапазоне рН 3 - 8 для неомицина и 3 - 7 для ПГМГ (рис. 106). Более широкий интервал рН, благоприятствующих агрегации, для неомицина может быть объяснен высокой локализацией положительного заряда на его молекулах, что обеспечивает высокое агрегирующее действие. В дальнейших экспериментах рН раствора поддерживали равным 7 — 8. На рис. 10в в качестве примера приведены спектры поглощения водных растворов НЧ при различных концентрациях неомицина. Неомицин вызывает агрегацию при концентрациях больше 0,03 мкг/мл; спектр поглощения раствора значительно меняется в интервале 0,03 - 0,045 мкг/мл. При концентрации неомшша больше 0,05 мкг/мл наблюдается максимально достижимая в данных условиях агрегация наночаетиц. На рис. Юг приведены зависимости отношения Аагр/А52о от концентрации неомицина при различных концентрациях наночаетиц. В отличие от тиосоединений, при взаимодействии НЧ с соединениями катионной природы наличие зависимости отношення Аагр/А;;о от концентрации соединения наблюдается в более узком диапазоне.

НАНОЧАСТИЦЫ ЗОЛОТА, СТАБИЛИЗИРОВАННЫЕ 6,6-ИОНЕНОМ

Наночастицы золота, стабилизированные 6,6-ионеном, устойчивы к воздействию тиосоединений и соединений катионной природы, а также в присутствии однозарядных анионов.

Агрегация таких НЧ происходит лишь при взаимодействии с многозарядными анионами. В предварительных экспериментах установлено, что НЧ агрегируют в присутствии 1 мг/мл сульфата, пирофосфата и оксалата, которые присутствуют в условиях эксперимента в значительной степени в виде многозарядных частиц.

1.4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0.2 0

А^/Амо

ДА1п,/А52о

1 0.8 0.6 0,4 0.2 О

0.3 0.25 0.2 0,15 0,1 0,05

Ай7о/А52С|

700 л'нм

Рис. 10. Зависимость отношения Ащ/А^о от временн (а) и рН (б) для взаимодействия №1 с 0,06 мкг/мл

ППМГ (I) и 0,035 мкг/мл неомнцина (2); спектры поглощения водных растворов наночастиц золота в

присутствии различных концентраций неомицина (в) и зависимость А^гуА-г, от его концентрации в

растворе, содержащем 15 (1), 40 (2) и 100 мкг/мл (3) НЧ (г). сэдтл = 0,005 М; рН 7,5; 1 = 2 мин.

а-в: сНч = 15 мкг/мл; I = 2 мин; озятл = 0.005 М; рН 7,5;

в: ен, мкг/мл:0 (1); 0,03 (2); 0,033 (3): 0.035 (4): 0,04 (5) и 0.045 (6).

.©■Л/фх

+ АП"

Рис. 11. Предполагаемая схема агрегации НЧ/И под воздействием многозаря.чных анионов.

Взаимодействия НЧ с такими анионами как карбонат и фосфат при той же концентрации отмечено не было, поскольку эти анноны протонируются и переходят в однозарядные частицы.

Предполагаемая схема агрегации НЧ'И под воздействием анионов представлена на рис. 11. Связывание НЧ происходит за счет электростатического взаимодействия многозарядного аниона с положительно заряженными четвертичными аммониевыми группами на поверхности НЧ.

Как и в случае цитратных наночастиц. агрегация НЧ/И протекает полностью менее чем за 2 мин. Зависимость Аа1р/А52о от рН в отсутствие многозарядных анионов (рис. 12а, кривая 1). в отличие от НЧ, стабилизированных цитратом, которые агрегируют в кислой среде (рис. 6а. кривая 1). характеризуется резким подъемом в области рН > 10, что говорит о неустойчивости НЧ/И в щелочной среде. Агрегация НЧ под воздействием пирофосфата происходит в более узком диапазоне рН, чем для сульфата (6 — 10 и 4 — 10

соответственно), что, по-видимому, связано с протонированием пирофосфата в кислых средах и переходом его из трехзарядного (гидропирофосфат) в двухзарядный (дипиропирофосфат, рКа 6,70) анион (рис.126).

1,6 1,4 1,2 1

0,8 0,6 0,4 0,2 0

Аир/А,;;,

АА1ф/А!:

8 10 12 РН

2 4 6 8 10 12 РН

отсутствие (1) и в присутствии 0,1 мг/мл

Рис. 12. Зависимость отношепия А„р./А!;о от рН раствора

сульфата (2), и 0,07 мг/мл пирофосфата (3) (а) и соответствующая разность сигналов (б), снч = 25 мкг/мл;! = 2 мин.

ОСОБЕННОСТИ АГРЕГАЦИИ НАНОЧАСТИЦ ЗОЛОТА РАЗЛИЧНЫХ ТИПОВ В ФАЗЕ ПЕНОПОЛИУРЕТАНА

Иммобилизация реагентов на твердых носителях - распространенный прием, позволяющий выгодно регулировать характеристики методик и упрощать процедуру анализа. В качестве такого носителя для НЧ мы предложили пенополиуретан (ППУ). Этот сорбент отличает ряд преимуществ. Среди них отсутствие собственной окраски, что важно для последующего измерения сигнала непосредственно в фазе ППУ методом спектроскопии диффузного отражения, химическая и механическая устойчивость, простота в использовашш, доступность и невысокая стоимость.

Процедура получения ППУ, модифицированного НЧ золота, достаточно проста и включает сорбцию НЧ из водного раствора в статическом режиме при встряхивании на механическом шейкере.

Сорбция как способ получения пенополиуретана, модифицированного наночастицамн золота

Изучена сорбция наночастиц золота, стабилизированных цитратом натрия и 6,6-ионеном, на ППУ в зависимости от времени контакта фаз и концентрации НЧ. Контроль осуществляли, измеряя оптическую плотность равновесной водной фазы и/или диффузное отражение таблеток ППУ. Установлено, что сорбция наночастиц золота на ППУ сопровождается изменением окраски таблеток полимера из белой в красно-фиолетовую и

Рис. 13. Влияние времени контакта фаз (а) и концентрации 114 (б) на сорбцию НЧ/Ц (1) и НЧ/И (2) на ППУ. V = 5 мл, Шппу = 0.02 г, рН 5 (1) ирН2 (2); а: Снч = 15 мкг/мл; б: 1 = 20 мин.

появлением в спектрах диффузного отражения полосы ППР при 530 нм. Сорбиионное равновесие устанавливается в течение 15 — 20 мин (рис. 13, а), при этом НЧ сорбируются на ППУ на 95 - 100%. Содержание НЧ в матрице ППУ увеличивается с ростом их концентрации в водном растворе до 35 - 40 мкг/мл (рис. 13, б). Емкость ППУ по отношению к НЧ составляет 8-9 мг/г сорбента.

Характеристики пенополиуретана, модифицированного наночастицами

золота

Микроструктура. Получены микрофотографии образцов пенополиуретана, модифицированного НЧ/Ц и НЧ/И. Они представлены на рис. 14 (3. 4). По сравнению с образцом исходного ППУ (1, 2), на микрофотографиях образцов модифицированного ППУ видны наночастицы размером 15-25 нм, которые распределены по поверхности сорбента.

1 2

Рис. 14. Микрофотографии образцов исходного ППУ (1, 2) и ППУ, модифицированного НЧ/Ц (3) и НЧ/Т1 (4). сич = 27 мкг/мл, V = 5 мл.

Спектральные характеристики. Изучены спектральные характеристики ППУ, модифицированного наночастицами золота. На рис. 15а представлены спектры диффузного отражения ППУ, модифицированного НЧ/Ц и НЧ/И. Видно, что материалы близки по своим спектральным характеристикам. На рис. 156 на примере НЧ/Ц проведено сравнение нормированных спектров диффузного отражения и поглощения исходного водного раствора НЧ. Из рисунка видно, что при сорбции форма полосы поглощения НЧ в целом сохраняется, что свидетельствует об отсутствии принципиального изменения их состояния. Наблюдаемое небольшое батохромное смещение полосы ППР в фазе полимера (с 520 нм для водных растворов до 530 нм для модифицированного ППУ), скорее всего, связано с влиянием матрицы полимера, а уширение ее длинноволновой части при увеличении концентрации НЧ — с проявлением наноразмерных эффектов межчастичного взаимодействия, обусловленных более тесным расположением частиц на поверхности по сравнению с раствором.

Рис. 15. Спектры диффузного отражения ППУ. модифицированного 11Ч/Ц (1) ц 1ГЧ/И (2) (а), п нормированные спектры поглощения водных растворов НЧ/Ц (1 - 3) и диффузного отражения ППУ, модифицированного различным количеством НЧ/Ц (4 - 6) (б), а: ат= 5 мг/г; б: сНч, мкг/мл: 9 (1,4); 27 (2,5); 36 (3,6); V = 5 мл, 1=30 мил.

Особенности агрегации наночастиц золота в фазе пенополиуретана

Изучено взаимодействие ППУ, модифицированного НЧ/Ц и НЧ/И, с соединениями различных типов, указанными в табл. 1. Обнаружено, что образцы изменяют окраску с красно-фиолетовой на фиолетовую (свидетельство агрегации НЧ в фазе ППУ) лишь в присутствии тносоединений (за исключением глутатиона). Эта картина принципиально отличается от поведения тех же 114 в растворе. Особенно сильное отличие заметно в отношении соединений катионной природы и анионов, которые вызывали агрегацию соответственно НЧ/Ц и НЧ/И в растворе и не вызывают в фазе ППУ. Меняется также селективность НЧ по отношению к тиосоединениям - установлено, что НЧ в фазе пенополиуретана способны легко агрегировать под воздействием тносоединений, в том числе тех, которые не вызывали агрегацию этих НЧ в растворе. Агрегация протекает в нейтральной среде без добавления каких-либо дополнительных реагентов, например, ЭДТА.

Подобные наблюдения могут быть объяснены особенностями состояния наночастиц в фазе ППУ по сравнению с раствором, связанными с их более тесным расположением («предорганизованностью» к агрегации) и отсутствием избыточного количества стабилизатора, но в то же время меньшей мобильностью; кроме того, немаловажную роль в регулировании селективности агрегации могут играть сорбционные свойства ППУ, не способного сорбировать сильно заряженные соединения. Особенности агрегации НЧ/Ц и НЧ/И в фазе ППУ изучены наш! детально.

На рис. 16а в качестве примера показано, как меняются спектры диффузного отражения ППУ, модифицированного НЧ/Ц при увеличении концентрации цистеина: интенсивность полосы поглощения при длине волны 530 нм снижается, а в области 630 -650 нм образуется «плечо», соответствующее агрегатам НЧ. Для завершения агрегативных процессов необходимо 15-20 мни контакта фаз. Эффект проявляется в широком диапазоне рН: 3-9.

Зависимость отношения Рб5(/Р530, аналогичного отношению оптических плотностей для случая НЧ в растворе, от концентрации цистеина имеет вид э-образной кривой, причем концентрация НЧ в ППУ не влияет на ее характер (рис. 166). Сильное влияние на форму кривой оказывает объем раствора, что подтверждает важную роль стадии концентрирования соединения на ППУ (рис. 17).

Гг./гЛ'м

0.8 0.7 0.6 0,5 0.4 -0,3

0

1-3

0.1

0.2

0.3

0.4

Рис. 16. Спектры диффузного отражения ППУ. модифицированного НЧ/Ц в присутствии различных концентраций цистеина (а) и зависимость Р65с/Р530 от концентрации цистеина {б). сцн. мкг/мл: 0 (1); 0,1 (2); 0,2 (3), 0,3 (4), 0,4 (5): 0,5 (6), V = 10 мл, I = 30 мин; а: а^, = 3,4 мг/г, б: ат = 3,4 (1), 6,8 (2) и 9 (3) мг/г.

Как мы видели на примере НЧ в водном растворе, чувствительность их к присутствию веществ, вызывающих агрегацию, можно повысить за счет увеличения ионной силы раствора или введения веществ, уменьшающих С-потенциал. Мы проверили данный прием для случая НЧ/Ц в матрице ППУ в отношении соединений катионной природы. В качестве вещества, снижающего стабильность НЧ, использовали 5М НС1 — благодаря своей летучести и высокой протонирующей способности, это соединение эффективно преодолевает межфазную границу и снижает стабильность НЧ, в результате чего в присутствии 5М НС1 становится возможной агрегация НЧ в присутствии ПГМГ.

Селективность НЧ/И в фазе ППУ также снижается по сравнению с раствором. Наночастицы, стабилизированные 6,6-ионено.м, в фазе пенополиуретана

О 0.1 0.2 0,3 Рис. 17. Зависимость отношения Рб5о/??зо ППУ, модифицированного НЧ/Ц, от концентрации цистеина; V = 10 (1) и 50 мл (2), анч = 3,4 мг/г, I = 30 мин.

агрегируют под воздействием всех изученных тиосоединений, кроме глутатиона (рис. 18). однако агрегации в присутствии многозарядных анионов, как уже было сказано выше, не наблюдается.

1

0.7 0,6 0,5 0,4 0.3

0.1

0.2

0,4

Рис. 18. Зависимость отношения Г^мЛч-,,, ППУ. модифицированного НЧ/И, от концентрации МПК (1), ацетилцистеина (2), цистеина (3) и цистеамина (4) (а) и от рН (б). V = 10 мл, анч = 3.4 мг/г, I = 30 мин; б: Стпососа. — 0.1 мкг/мл.

Рб50-|/1Т530 а

мкг/мл

0,9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3

АНАЛИТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ НАНОЧАСТИЦ ЗОЛОТА И ПЕНОПОЛИУРЕТАНА, МОДИФИЦИРОВАННОГО НАНОЧАСТИЦАМИ ЗОЛОТА, ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СОЕДИНЕНИЙ МЕТОДАМИ СПЕКТРОФОТОМЕТРИИ И СПЕКТРОСКОПИИ ДИФФУЗНОГО ОТРАЖЕНИЯ

Проведенное исследование показало наличие зависимости между отношением оптических плотностей Aajp/Asio раствора НЧ либо значений функции Кубелки-Мунка Forl/F530 ППУ, модифицированного НЧ, и концентрацией исследуемых веществ в растворе, что положено в основу способов их определения методами спектрофотометрни и спектроскопии диффузного отражения. В табл. 3 — 5 приведены метрологические характеристики определения тиосоединений, соединений катионной природы и анионов с указанием метода определения и типа используемых НЧ.

В случае определения соединений в растворе метрологические характеристики можно варьировать, изменяя концентрацию наночастиц, — при ее снижении происходит увеличение чувствительности определения (предел обнаружения уменьшается), но диапазон определяемых содержаний становится уже. Еще одним способом повышения чувствительности определения является введение в раствор реагента, снижающего устойчивость коллоидной системы, в качестве которою, как было сказано ранее, можно использовать ЭДТА. Кроме того, на примере определения цистеина показано, что в роли такого реагента может выступать цистеамин, при увеличении концентрации которого предел обнаружения цистеина снижается. В некоторых случаях концентрирование НЧ и их агрегатов на ППУ после проведения взаимодействия в растворе позволяет повысить чувствительность определения.

В целом, пределы обнаружения при использовании НЧ в растворе и в матрице ППУ оказываются сопоставимы, однако в качестве преимущества использования ППУ, модифицированного НЧ, можно отметить отсутствие необходимости введения дополнительного реагента для маскирования катионов металлов и повышения чувствительности системы.

Оценена селективность определения. Установлено, что при использовании маскирующего агента ЭДТА определению тиосоединений и соединений катионной природы не мешают многократные избытки катионов металлов.

Проведено определение исследуемых соединений в реальных объектах. Полученные результаты, представленные в табл. 6-8, говорят о правильности и хорошей воспроизводимости разработанных способов определения.

На основании анализа полученных данных можно рекомендовать НЧ/Ц для спектрофотометрического определения тиосоединений, существующих в растворе при рН 3 - 8 в виде катиона или цвиттер-иона, и соединений катионной природы с пределами обнаружения 0,01 - 0,07 мкг/мл; при этом в систему вводится ЭДТА. При необходимости пределы обнаружения могут быть снижены, если осуществлять концентрирование продуктов взаимодействия на ППУ и последующую регистрацию сигнала методом СДО. Наночастицы, стабилизированные 6,6-ионеном, в растворе можно рекомендовать для спектрофотометрического или быстрого полуколичественного определения многозарядных анионов, при содержаниях их в растворе 30 - 150 мкг/мл. Пенополиуретан, модифицированный НЧЦ и НЧ/И, может быть использован для определения методом спектроскопии диффузного отражения тиосоединений в присутствии соединений катионной природы и ионов металлов с пределами обнаружения 0,02 - 0,05 мкг/мл.

Таблица 3. Метрологические характеристики определения тиососдннеиий (п = 3, Р = 0,95)

Метод определения, тип 114 Определяемое соелн нс-нпе Условия определения ДОС, мкг/мл Cniin, мкг/мл Sr Соотношение посторонних компонентов, не мешающих определению

СФ, НЧ/Ц ЦЛ С||Ч = 15 мкг/мл, С:)Д|Д = 0,005 M 0,02 - 0,05 0,01 0,05 N3*, К* - 2000; Са2', Мп*', Ре3', Си, Ъп' - 100, 11СО , БО , С1 - 1000, сопоставимые количества глшшиа, .1 4 аланина, триптофана, нзолепшша, фепнлаланина, валнна, ссрина, тирозина, ацетилцистеипа

Спч = 40 мкг/мл, С')ДГД = 0,005 M 0,03-0,10 0,02 0,05

С|||( = 100 мкг/мл, С )ДГА = 0.005 M 0,05 - 0,2 0,03 0,03

Г спч = 15 мкг/мл 150-400 100 0,03 Мешают многие катионы в сопоставимых количествах

И" Спч = 15 мкг/мл, Сэдтл ~ 0,01 M 0,06 - 0,5 0,05 0,05 К' - 200; Са2', Мв2', Мп2', Ре", Си2', У.п2' - 100,1 КО,, С1- -100, сопоспвиммс количества амнпокнело! (см. ЦЛ)

С||Ч = 15 МКГ/МЛ, Сцд = 0,005 мкг/мл 0,20- 1,0 0,1 0,05 Мешают многие катионы и сопоставимых количествах

С 1)4 = 15 мкг/мл, Сцд = 0,01 мкг/мл 0,06 - 0,5 0,04 0,04

сдо, НЧ/Ц ЦЛ* С||Ч = 1 5 мкг/мл, С')ДТД = 0,005 M,V= 10 мл 0,02 - 0,04 0,01 0,06 N3*, к' - 2000; Са\ Мё\ Мп'\ Гс'\ Си'\ 7.п* 10(1, ПСО , ЯО , С1 - 1000, сопоставимые количества аминокислот 3 4 (см. ЦА)

С|1Ч = 3 мкг/мл, С')Д|Л = 0,005 M,V = 50 мл 0,003 - 0,008 0,002 0,05

ЦП аМч = 3,7 мг/г, V= К) мл 0,05 - 0,3 0,04 0,04 (N.14 Ю) - 100; Са:*- 10, НСО,' - 60, СГ - 140, сопоставимые количества аминокислот (см. ЦЛ)

амч = 3,7 мг/г, V = 50 мл 0,02-0,15 0,01 0,05

СДО, пч/и ЦП aun ~ 3,7 мг/г, V ~ 10 мл 0,03-0,10 0,02 0,03 парацетамол - 40, маппитол - 150, (№'+ К') - 2, Са2'- 1, С'Г - 1, БО^, ПСО/ - 4, сопоставимые количества аминокислот (см. ЦЛ)

лц амч - 3,7 мг/г, V = 10 мл 0,04 - 0,2 0,03 0,05 Лимонная кислота - 6, ПСО/ - 60, 80/, СГ. ЫаЛ1Р04 - 1

ЦЛ ацч = 3,7 мг/г, V = 10 мл 0,04-0,10 0,03 0,04

MIIK ацч = 3,7 мг/г, V = К) мл 0,04 - 0,2 0,05 0,03

* Вшпюлеисгвис с НЧ в растворе с последующей сорбцией продуктов на ППУ

Таблица 4. Метрологические характеристики определения соединений катпошюп природы (п = 3, Р = 0,95)

Метод определения, тип НЧ Определяемое соединение Условия определения ДОС, миг/мл Сцш|, мкг/мл «г Соотношение посторонних компонентов, не мешающих определению

СФ, нч/ц 11ГМГ сич = 15 мкг/мл, сэдгл = 0,005 М 0,04 - 0,08 0,03 0,05 Ыа\ К* 10000; Са2+ 600; Мё2< 900; 3042" 7000; СГ 15000; НСОз' 7000.

Смч = 30 мкг/мл, с->лтл = 0,005 М 0,05 - 0,12 0,04 0,06

Сич = 60 мкг/мл, с-^пл = 0,005 М 0,06-0,13 0,05 0,06

11 сич = 15 мкг/мл, с-)дта = 0,005 М 0,03 - 0,05 0,02 0,05 Ыа\ К\ Мё2' - 500; Са2', Мп2', Ре", Си2', г»2', С1- 100; 5042" - 200; НСОз'- 400

Сич = 40 мкг/мл, с_)дга = 0,005 М 0,06-0,10 0,05 0,05

сич = 100 мкг/мл, С')д!а = 0,005 М 0,07 - 0,20 0,06 0,03

сдо, II ч/ц пгмг ацч = 3,7 мг/г, С][с| = 5 М 0,1 -0,5 0,05 0,1

пгмг* Сич = 15 мкг/мл, Сэдгл = 0,01 М 0,05-0,10 0,02 0,07 Са", Мц2' - 100, С Л Ре", Си2', 7м" - 20, анионы С1\ БОЛм},"-100

* Итаимодсистис с 114 врастюрс с последующей сорбцией иролукнт иа И11У

Таблица 5. Метрологические характеристики определения аимонон (и = 3, Р = 0,95)

Метод определения, тип НЧ Определяемое соединение Условия определения ДОС, мкг/мл СпИя, мкг/мл вг Соотношение посторонних компонентов, не мешающих определению

СФ, 11Ч/И Сульфат сцч = 25 мкг/мл 70-150 60 0,05 СГ, НСОз", Н2Р04" -1, N0', К', Са2*, Мв2' -2, гп2', Не", А13\ Си2' -30

Пнрофосфат сцч = 12 мкг/мл 30-50 20 0,04 С1-2,С11,СОО-, НСОз' - 1

Сцч = 25 мкг/мл 50-70 45 0.04

Сцч = 50 мкг/мл 80-100 70 0,05

Таблица 6. Определение тиосоедипсний п объектах (п = 3, Р = 0,95)

Определяемое соединение Метод определения, тип НЧ Объект анализа Состав объекта анализа Найдено Sr

ЦЛ СФ, НЧ/Ц Средство для биозавивки полос «Cutrin» ноли, цистсамнн, этаноламин, Olclli 20 (no'in tTincitrnпколf. одеиловын "v|mp), аммония Гшкарбо!iar, отдушка, подпшн[пдппрродндо|| и днпи.тенгрнаминнептаацегат шорня. 10,7* 1,5% Содержание по данным ГОЖХ -II,9 ±0,8% 0,06

Модельные растворы, нрш отопленные на оспонс мочи Впс.тсш) 11 мкг/м.т цистсамниа 0,10 ±0,02 мкг/мл 0.04

Введено 0,07 мкг/мл ШК1 сами ил 0,17 ±0.03 мкг/мл 0,05

11..С н иц 0,13 чkl Лп 1кис1са\т1|||я 0,26 ±0,03 мкг/мл 0.05

Ниедено 0,20 ч |,| мл шнл ta ч и иа 0.27 ± 0,03 мкг/мл 0,06

ЦП СФ, 11Ч/Ц «Нерфалгап» (pací пор для инфушП, UPSA) 10 мг/мл плрапеншола ЗЯ.5 MI/MJI млITIIиIсигл 0,25 м|/м.| Ц11С1СНИЦ ■ нлроялирплл монш и фа | а 0,13 мг'мд ншрия гидрифосфата дш нлрша 0,23 ±0,04 мг/мл 0,08

Пивные дрожжи (ООО Экко Плюс) IIa 1 laöamy; КЧ мг 1.-мепюшша, 45 mi 1 ,-iuiciClin», 0.34 Mi ишамина III, 0,15 mi шпамнна B2, 0,2 mi [inuiMiiiia Hit, 1.5 Mi мианипа. 27 \n фо.тнепин кислоты. Pciu'moiaie.ii.Hbie компонент - микрокристаллическая целлюлот, cieapar кальция 43 :1: 10 мг 0,1

СДО, НЧ/Ц «Перфалгап» См. ныше 0.27 ± 0.03 мг/мл 0,08

Пивные дрожжи См. ныше 47 ± 11 мг 0,09

«NAC complcx» (Nillnny Pharmaceuticals, Inc.) IIa 1 капсулу препарата: N-апстил циаеии 20 mi, L-uiicieini 200 mi-, витамин НЗ 20 мт, магния xe.'iai 200 Ml. цинка пиколннаг 2 мг. 220 ±20 MI' 0,04

Искусственная моча мочевина 22 mi/mji, креатннин 1,5 мг/мл, натрия хлорид 5,2 мг/мл. лвуводнын натрия дш идрофосфат 1.08 м1/мл, одповодныи мафия i идрофоефат 0,97 мг/мд, натрия ашд 1 мг/мл, тетра лш 10 мкг/мл. Введено 0,1 мкт/мл цистснни 0,08 ± 0,02 мкг/мл 0,06

СДО, НЧ/11 «Перфалгап» См. ныше 0.24 ± 0,04 мг/мл 0,06

ли СДО, МЧ/И «АЦЦ Лонг» (Салюгас Фарма) 1 la 1 laCcici ку: aut'i ii.iinicmiii i>00 mi, лимонная кислоiа 625 мг; нафня гидрокпрбопат — 327 мг; натрия карбонат— 104 мг; манннтол — 72,8 мг; лактоза — 70 мг; аскорбиновая кисло га — 75 мг; иа|рпя ппклама г — 30,75 мг; шприя сачаримага дш плраг — 5 мг; натрия цифата дш ндраг — 0,45 мг; ежсвпчпыП ароманпаюр «В» __40мг 630 ± 60 мг 0,05

Таблица 7. Определение соединений катноппой природы в объектах (п = 3, Р = 0,95)

Определяемое соединение Метод определения, тип II1! Объект анализа Состав объекта анализа Найдено sr

11 СФ, 11 Ч/Ц «Полндекса» (ушные капли) пеоымципя сульфат 1(1 ш/мд, иолнмиксина К су.и.фаг 10 lue. ГД'''-'.'i, дексаметазона натрия метилсульфобеюоат 1 мь мл. 9 ± 2 мг/мл. Содержание по данным ВЭЖХ-11±1 мг/мл 0,08

«Анауран» (ушные капли) полнмикспна В сульфат 10 тыс. ЕД/мд. псоммшша сульфлг 5 мг/м.1. лидоканма гидрохлорид 40 мг/мл. 5,0 ±0,9 мг/мл. Содержание по данным ЮЖХ-6.1 ±0,8 мг/мл 0,07

«Максш рол» (глазные капли) дсксаметаюи 1,0 мг/мл, неомншша еу.п.фш 4,7 mi /мл. полимикеппа ii сульфат 6 1 ыс. КД;М-1. 5 ± 1 мг/мл. Содержание по данным ВЭЖХ - 5.8 ± 0,7 мг/мл 0,09

ПГМГ СФ, II Ч/Ц Минеральная вода «Кармадоп» Na'. К1 - 700 - 1300; Са2' < 10»: Mg2', S042'< 25. M«)," - 400 - 800; (T -1000 _ 1800, ll,BOj-80 200 мкг/мл. »велено 0,05 мм/мл ПГМГ 0,049 ± 0,002 мкг/мл 0,02

Минеральная вода «31с1та5» Na", К* - 700 - 950; Са2*, Mg2' -250 - 450, НСО," - 550 - 750; S(l42' - 24(10 -3400; CI'.....100 - 500 мг/л. »велено (1,05 мкг/мл ПГМГ 0,051 ± 0,004 мкг/мл 0,06

Солевой состав сточных вод Na1 - 179; Са2' - 56; Mg21 - 24; 1 ICO," - 348; СГ, S042" - 71 ; N II,1 - 14; К,0 -14; N - 78; PjOj- 7 мкг/мл. »«едено 11,(16 мкг/м;| ПГМГ 0.062 ± 0,002 мкг/мл 0,02

СДО, НЧ/Ц (5 M I1CI) Водопроводная пода Введено 0,4 мкг/мл ПГМГ 0,38 ± 0,02 мкг/мл 0,05

Минеральная вода «§1с1та$» См. пыше Введено 0,4 мкт/мл ПГМГ 0,41 ± 0,03 мкг/мл 0,06

СДО, НЧ/Ц Дезинфицирующее средство «Биор-1» 2(1% ПГМГ. 20 ± 2 %. Содержание по данным ВЭЖХ - 19.7 ± 0.5 % 0,07

Водопроводная вода Введено 0,1 мкт/мл ПГМГ 0,10 ±0,02 мкг/мл 0,07

Вода из бассейна Введено 0,1 мкг/мл ПГМГ 0,08 ± 0,02 мкг/мл 0,09

Минеральная вода Введено 0,1 мкг/мл ПГМГ 0,10 ±0,02 мкг/мл 0,08

Таблица 8. Определение анионов в объектах (п = 3, Р = 0,95)

Определяемое соединение Метод определения, ТИП НЧ Объект анализа Состав объекта анализа Найдено Sr

Сульфат СФ, НЧ/И Минеральная вода «Стелмас» См. тай.1. 7. 2500 ± 300 мг/мл. Содержание по данным ионной хроматографии — 2200 ± 200 мг/л 0,05

Минеральная вода «Новотерская» Гидрокарбонат: 10002000: сульфат: 900 -1700; хлорид: 300500; кальций: 300 -400; магшш < 100; натрин+калин: 700 -1200; кремниевая кислота: 30 - 90 мг/л. 1400 ± 200 мг/л. Содержание по данным ионной хроматографии — 1200 ± 100 мг/л 0,05

Пирофосфат СФ, НЧ/И Разрыхлитель теста «Бс Ойкег» Пирофосфат натрия кислый, бикарбонат натрия, кукурузный крахмал 34,3 ± 1,4 %. Содержание по данным атомно-эмпссионнон спектроскопии -35.33 ± 0.07 % 0,02

Раствор для меднения Пирофосфат натрия 280 мг/мл, сульфат меди пятттводный 70 мг мл. нитрат аммония 10 мг7'\о 270 = 30 мг/мл 0,04

ВЫВОДЫ

1. На примере НЧ золота, стабилизированных цитратом натрия, ЦТМА, меркаптоэтанолом, и впервые синтезированных НЧ, стабилизированных 6,6-ионеном, проведено систематическое сравнение физико-химических и химических свойств НЧ различных типов. Установлено, что НЧ/Ц и НЧ/И достаточно стабильны в растворе и в то же время способны агрегировать в присутствии некоторых органических соединений и анионов, что приводит к существенному изменению их оптических свойств.

2. Показано, что НЧ/Ц и НЧ/И взаимодействуют в растворах сами по себе либо в присутствии веществ, снижающих стабильность НЧ, с тиосоединениями: цистеамином, цистеином, ацетилцистеином, глутагионом, меркаптоэтанолом и меркаитопропионовой кислотой; соединениями катнонной природы - ПГМГ и неомицнном, а также многозарядными неорганическими аннонами. Выявлено влияние различных факторов на агрегацию НЧ под воздействием соединений разных типов и предложены схемы агрегативных процессов. Агрегация протекает быстро - в течение 1 - 2 мин при 3<рН<5-8 (НЧ/Ц) или 4-6<рН<10 (НЧ/И). Даны объяснения особенностям агрегации в зависимости от природы соединения и типа наночастиц. Предложены пути изменения селективности агрегации.

3. Изучена сорбция наночастиц золота, стабилизированных цитратом натрия и 6,6-ионеном, на пенополиуретане. Показано, что количественная (95 - 100 %) сорбция наночастиц достигается через 20 мин контакта фаз из растворов, содержащих не более 35

- 40 мкг/мл НЧ. Предложен сорбционный способ получения нанокомпозитного материала

- ППУ, модифицированного НЧ. Изучены физико-химические и химические особенности этого материала. Показано, что наночастицы в фазе ППУ сохраняют способность к

поверхностному плазмонному резонансу и агрегации под воздействием некоторых соединений. Выявлены особенности агрегации НЧ в фазе ППУ под воздействием соединений разных типов и изменение селективности агрегации по сравнению с НЧ в растворе.

4. Показано, что отношение оптических плотностей илн значений функции Кубелкн-Мунка в максимумах поглощения агрегатов и индивидуальных наночастиц связано с концентрацией исследуемого соединения в растворе, что может быть использовано для определения методами спектрофотометрии и спектроскопии диффузного отражения. Рассчитаны метрологические характеристики определения соединений различных классов с использованием НЧ. Пределы обнаружения составляют 0,01 - 100 мкг/мл для спектрофотометрии и 0,002 - 0,05 мкг/мл для спектроскопии диффузного отражения в зависимости от природы определяемого соединения и условий определения. Показана эффективность ЭДТА в качестве маскирующего агента для устранения мешающего влияния ионов металлов и для повышения чувствительности НЧ.

5. Разработаны и применены к анализу реальных объектов способы определения цистеамина, цистеина, ацетилцистеина, неомицина, ПГМГ, сульфат- и пирофостфат-нонов с помощью НЧ золота. Способы апробированы при анализе фармацевтических препаратов, биологических объектов, биологически активных добавок, объектов пищевой промышленности н вод разного типа.

Основное содержание диссертации изложено в следующих работах:

1. Апяри В.В., Архипова В В., Дмнтриенко С.Г., Золотов Ю.А. Применение наночастиц золота в спектрофотометрии. // Журн. аналит. химии. 2014. Т. 69. К« 1. С. 4 - 15. (J. Anal. Chem. 2014. V. 69. N. l.P. 1-11.)

2. Apyari V.V.. Dmitrienko S.G., Arkhipova V.V.. Aínagulov AG.. Zolotov Yu.A. Determination of cystcamine using labcl-frcc gold nanoparticles. // Anal. Methods. 2012. V. 4. N 10. P. 3193 - 3199.

3. Vladimir V. Apyari, Stanislava G. Dmitrienko, Viktoriya V. Arkhipova, Aydar G. Atnagulov. Manya V. Gorbunova, Yury A. Zolotov. Label-free gold nanoparticles for the determination of neomycin, it Spectrochim. Acta. A. 2013. V. 115. P. 416-420.

4. Arkhipova V.V., Apyari V.V., Dmitrienko S.G. A colorimetric probe based on desensitized ionene-stabilized gold nanoparticles for sinde-step lest for sulfate ions, it Spectrochim. Acta A. 2015. V. 139. P. 335 -341.

5. Apyari V.V., Ioutsi A.N., Arkhipova V.V., Dmitrienko S.G., Shapovalova E.N. 6,6-Ionene-stabilized gold nanoparticles: synthesis, characterization and prospects of use. // Adv. Nat. Sei.: Nanosci. Nanoteclmoi. 2015. V.6. N 2. 025002. P. I - 8.

6. Архипова В.В., Апяри В.В., Дмитриенко С.Г. Определение полигексаметиленгуанидина гидрохлорида с использованием наночастиц золота и пенополиуретана. // Вестн. Моск. Унта. Сер. 2. Химия. 2015. Т. 56. № 1 С. 34-40. (Moscow Univ. Chem. Bull. 2015. V. 70. N 1. P. 28-33.)

7. Марагаева M.H., Волков П.А., Архипова В.В., Апяри В.В. Синтез пенополиуретана, модифицированного наночастицами золота, и его использование для определения аскорбиновой кислоты. // Материалы Всероссийской научной школы по аналитической химии, Краснодар, 2-8 октября 2011, С. 187 - 193.

8. Апяри В.В., Архипова В.В., Атнагулов А.Г., Горбунова М.В., Мухаринова А.И., Дмнтриенко С.Г., Золотов Ю.А. Наночастицы золота в спектрофотометрии: синтез, свойства и определение органических соединений. / Тезисы докладов на Второй Республиканской научной конференции по аналитической химии с международным участием «Аналитика РБ-2012», Минск, Беларусь, 14 - 15 мая 2012, С. 59.

9. Архипова В.В., Апяри В.В., Дмитриенко С.Г. Сорбция наночастиц золота пенополиуретаном: изучение, спектральные характеристики наночастиц в матрице пенополиуретана, перспективы аналитического использования. /' Тезисы докладов на 3-ей Научной конференции с международным участием «Химия-2013. Физическая химия. Аналитическая химия. Нанохимия. Теория, эксперимент, практика, преподавание», Москва, 14-16 марта 2013 г, С. 8 - 10.

10. Архнпова В.В., Мухаринова А.И., Апяри В.В. Спектрофотомстрнческос определение цистенна с применением наночастиц золота. / Тезисы докладов на Международном молодежном научном форуме «Ломоносов-2013», Секция «Химия», Москва, 8-13 апреля 2013 г, Электронный pecvpc - М.: МАКС Пресс, 2013. - 1 электрон, опт. диск (DVD-ROM), ISBN 978-5-317-04429-9.'

11. Апяри В.В., Архнпова В.В., Кочук Е.В., Удхтова А.Ю., Дмнтриенко С.Г. Использование мини-спектрофотометра - калибратора мониторов Eye-One Pro для регистрации поверхностного плазменного резонанса наночастиц серсбра и золота в твердых матрицах. / Тезисы докладов на 3-ей Республиканской конференции по аналитической химии с международным участием «Аналитика РБ-2013». Минск, Беларусь, 17 - 18 мая 2013 г, С. 31.

12. Апяри В.В., Архнпова В.В., Горбунова М.В., Дмитрненко С.Г., Золотов Ю.А. Агрсгативныс процессы с участием наночастиц золота в растворе и в матрице пенополиуретана: возможности и псрспскпгвы аналитического использования. / Тезисы докладов на Втором съезде аналитиков России, Москва, 23 - 27 сентября 2013 г, С. 65.

13. Архнпова В.В., Апяри В.В., Удхтова А.Ю., Кочук Е.В., Толмачева В.В., Дмнтриенко С.Г. Применение композитного материала на основе пенополиуретана и наночастиц золота для определения тиососдинсний методом спектроскопии диффузного отражения. / Тезисы докладов на V Всероссийской конференции по наноматерналам «Нано 2013», Звенигород, 23 - 27 сентября 2013 г, С. 341 - 342.

14. Апяри В.В., Архипова В.В., Тсрснтьсва Е.А., Дмитрненко С.Г., Золотов Ю.А. Использование наночастиц золота и серебра, стабилизированных 6,6-ионсном. для спскгрофотометричсского определения сульфат ионов. / Тезисы докладов на IX Всеросагаской конференции по анализу объектов окружающей среды «Экоаналитнка-2014», Светлогорск, 22 - 28 нюня 2014, С. 7.

15. Arkhipova V.V., Apyari V.V., Dmitrienko S.G. Ioncnc-stabilized gold nanopariiclcs: preparation, characterization and prospects of the analytical application. / Theses of XII International conference on nanostructured materials "NANO 2014", Moscow. Russia, 13 - 18 July 2014, P. 187.

16. Apyari V., Arkhipova V., Dmitrienko S., Zolotov Y. Polyurelhane foam modified with gold nanopartielcs as an analytical reagent in the diffuse reflectance spectroscopy. / Theses of 20Ih International symposium on elcctro- and liquid phase-separation techniques "1TP 2013", Puerto de la Cruz, Tcncrife, Canary islands, Spain, 6 - 9 October 2013, P. 250.

17. Arkhipova V.V., Gorbunova M.V., Dmitrienko S.G., Apyari V.V. Synthesis of polyurethanc foam modified with ioncne-stabilizcd gold nanoparticles and prospects of its application for the determination of thiocompounds. / Theses of 3841 International symposium on environmental analytical chemistry "ISEAC 38", Lausanne, Switzerland, 17-20 June 2014, P. 115.

Автор выражает искреннюю благодарность С.Г. Дмитрненко за постоянное внимание к работе и помошь в обсуждешш результатов, А.В. Кнотько и С.С. Абрамчуку за помощь в проведении электронно-микроскопических исследовании, Е.Н. Шаповаловой и А.Н. Иоутси за любезно предоставленный 6,6-ионен, М.А. Проскурннну и Т.О. Самариной за помощь в проведении ДРС-анализа, А.Ф. Прохоровой за помощь в проведении ионной хроматографии и капиллярного электрофореза, П.А. Волкову за помощь в проведении атомно-эмнссионного анализа. Работа выполнена с использованием оборудования, приобретенного за счет средств Программы развития Московского университета.

Подписано в печать 07.10.2015г.

Усл.п.л. — 1.5 Заказ № 29676 Тираж: 110 экз.

Кошщентр «ЧЕРТЕЖ.ру» ИНН 7701723201 107023, Москва, ул.Б.Семеновская 11, стр.12 (495)542-7389 \vww.chertez.m