«ОТЧЕТ О НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОЙ РАБОТЕ ПО ГОСУДАРСТВЕННОМУ КОНТРАКТУ № 14.740.11.0365 в рамках федеральной целевой программы Научные и научнопедагогические кадры инновационной России по теме Разработка ...»

Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова

ХИМИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ МОСКОВСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО

УНИВЕРСИТЕТА имени М.В. Ломоносова

УДК 543

№ госрегистрации 01201064162

Инв.№ 0365-1

УТВЕРЖДАЮ

Зам. декана по научной работе

А.В.Анисимов «24» ноября 2010 г.

ОТЧЕТ

О НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОЙ РАБОТЕ

ПО ГОСУДАРСТВЕННОМУ КОНТРАКТУ № 14.740.11.0365 в рамках федеральной целевой программы «Научные и научнопедагогические кадры инновационной России» по теме «Разработка высокочувствительных методов определения содержания органических веществ в объектах окружающей среды, медицины и материаловедения»

(промежуточный, за этап № 1) Наименование этапа: Разработка методов выделения и определения биологически активных, в том числе особо токсичных, веществ в объектах окружающей среды.

Создание новых приемов химического анализа пищевых продуктов, некоторых продуктов переработки нефти и полимерных пленок.

Руководитель темы заведующий кафедрой аналитической химии академик РАН Ю.А.Золотов Москва Список исполнителей по государственному контракту № 14.740.11. в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России»:

Руководитель темы, Золотов Юрий Введение, докт. хим. наук, Александрович, зав. заключение академик РАН кафедрой Исполнители: Дмитриенко (разделы Станислава 1.1.1, 1.1.4, Григорьевна, проф. 2.2, 2.4) Моросанова Елена разделы _ Игоревна, проф. (1.1.1. и 2.2) Цизин Григорий (разделы _ Ильич, в.н.с. 1.1.6. и 2.7) Тихомирова (разделы Татьяна Ивановна, 1.1.6. и 2.7) с.н.с.

Плетнев Игорь разделы Владимирович, (1.1.6. и 2.7) в.н.с.

Ревельский Игорь (разделы Александрович, 1.1.8. и 2.9) в.н.с.

Ревельский (разделы Александр 1.1.8. и 2.9) Игоревич, в.н.с.

Карякин Аркадий (разделы Аркадьевич, проф. 1.1.2. и 2.4) Беклемишев (разделы Михаил 1.1.4. и 2.5) Константинович, в.н.с.

Алов Николай (разделы Викторович, в.н.с. 1.1.4. и 2.5) Шпигун Олег (разделы Алексеевич, проф. 1.1.7. и 2.8) Иванов Александр (разделы Вадимович, доц. 1.1.2. и 2.3) Ананьева Ирина (разделы _ Алексеевна, с.н.с. 1.1.7. и 2.8) Пирогов Андрей (разделы Владимирович, 1.1.7. и 2.8) _ в.н.с.

Смоленков (разделы Александр 1.1.7. и 2.8) _ Дмитриевич, в.н.с.

Кудринская Вера (разделы Александровна, асп. 1.1.1, 2.2) Андреева Елена (разделы Юрьевна, асп. 1.1.1, 2.2) Матюшина Таисия разделы Александровна, (1.1.1. и 2.2) м.н.с.

Статкус Михаил (разделы Александрович, 1.1.6. и 2.7) _ с.н.с.

Кубышев Сергей (разделы _ Сергеевич, м.н.с. 1.1.6. и 2.7) Джигайло Дмитрий разделы _ Иванович, м.н.с. (1.1.6. и 2.7) Бурмыкин Дмитрий (разделы Александрович, 1.1.8. и 2.9) _ асп.

Апяри Владимир (разделы Владимирович, н.с. 1.1.1. и 2.2) _ Геннадьевич, асп. 1.1.2. и 2.4) _ асп.

_ Владимировна, асп. 1.1.2. и 2.4) _ Ивановна, м.н.с. 1.1.2. и 2.4) _ Иванович, асп. 1.1.4. и 2.5) _ Александрович, н.с. 1.1.7. и 2.8) Юрьевна, асс. 1.1.6. и 2.7) _ Витальевич, асп.

Борисовна, асп. 1.1.7. и 2.8) Федоровна, асп.

Игоревна, м.н.с. (1.1.2. и 2. Сергеевна, асп.

Николаевна, студ. 1.1.6. и 2.7) студ.

студ.

Газинурович, студ. и 2.4) студ.

студ.

Сергеевна, студ. 1.1.4. и 2.5) Анатольевна, студ. 1.1.2. и 2.3) Игоревна, студ 1.1.2. и 2.3) Николаевна, студ. 1.1.2. и 2.3) доц, номоконтролер

РЕФЕРАТ

Отчет 133 с., 14 рис., 22 табл., 114 источников.

Разработка высокочувствительных методов определения содержания органических веществ в объектах окружающей среды, медицины и материаловедения.

Этап № 1. Разработка методов выделения и определения биологически активных, в том числе особо токсичных, веществ в объектах окружающей среды. Создание новых приемов химического анализа пищевых продуктов, некоторых продуктов переработки нефти и полимерных пленок.

наноструктурированные полимерные сорбенты для концентрирования пестицидов из растворов, новые сорбенты на основе кремнеземов для разделения биологически важных биполярных соединений, методики определения веществ, в том числе особо токсичных, в разнообразных объектах.

наноструктурированных, для высокоселективного извлечения и разделения биологически активных и токсичных соединений, их мониторинга; разработка современных методов анализа объектов окружающей среды, пищевых продуктов, некоторых продуктов переработки нефти и полимерных пленок.

В результате исследований разработаны новые материалы, обеспечивающие разработку эффективных методов анализа важнейших объектов.

Разработанные наноструктурированные сорбенты обеспечивают селективное извлечение извлечение пестицидов из растворов на 95-100%.

Синтезированные сорбенты для градиентного разделения биологически важных биполярных соединений (плазминогенов) характеризуются плотностью прививки олигоэтиленаминов 1,1 – 1,4 молекулы/ нм2, размеры частиц составляют от 7,5 до 100 мкм.

С использованием этих сорбентов, а также других материалов и устройств, предложенных авторским коллективом ранее, разработаны методики определения пестицидов и полициклических ароматических углеводородов в водах, токсичных веществ в почвах, глюкозы в соках и напитках, анилина в объектах окружающей среды и биологических жидкостях, углерода, фтора и кислорода в тонких полимерных пленках, суммарного содержания галоид-, серо- и фосфорорганических соединений в продуктах переработки нефти и в органических растворах (экстрактах). Разработана методика полупрепаративного отделения биологически важной активной формы Lys-плазиногена от неактивной формы Gluплазминогена и от плазминогена.

Степень внедрения – методики определения токсичных веществ в почвах прошли метрологическую аттестацию и в настоящее время внедряются на предприятиях Роскосмоса. Остальные разработанные методики проходят метрологическую аттестацию с целью последующего внедрения.

В рамках выполнения работ по этапу защищено 7 кандидатских диссертаций, опубликована 31 статья в высокорейтинговых журналах, разработан новый лекционный курс «Тест-методы анализа смесей органических соединений», программы дисциплин «Современные методы химического анализа» (для магистров) и «Аналитическая химия» (для бакалавров и специалистов).

СОДЕРЖАНИЕ

1. ВВЕДЕНИЕ 1.1. Оценка современного состояния решаемой проблемы (Разработка методов выделения и определения биологически активных, в том числе особо токсичных, веществ в объектах окружающей среды. Создание новых приемов химического анализа пищевых продуктов, некоторых продуктов переработки нефти и полимерных пленок) наноструктурированных сорбентов для концентрирования пестицидов. Проведение исследований по концентрированию ПАУ анионообменных сорбентов на основе кремнеземов для градиентного разделения биологически важных биполярных соединений (плазминогенов) 1.1.3. Разработка методик сорбционноспектрофотометрического и сорбционно-жидкостнохроматографического определения органических токсикантов в водах 1.1.4. Разработка методики определения глюкозы методом ТСХ в соках и напитках, а также методики определения анилина в объектах окружающей среды и биологических жидкостях, методики качественного и количественного рентгеноэлектронного определения углерода, фтора и кислорода в тонких полимерных пленках, осажденных на поверхности кремния 1.1.5. Разработка методики полупрепаративного отделения биологически важной активной формы Lysплазиногена от неактивной формы Glu-плазминогена и от плазминогена при суммарном содержании форм на уровне мг/мл 1.1.6. Разработка автоматизированного метода определения полициклических ароматических углеводородов в водах 1.1.7. Разработка методик определения токсичных соединений в почвах 1.1.8. Разработка методик определения суммарного содержания галоид-, серо- и фосфорорганических соединений в продуктах переработки нефти и в органических растворах (экстрактах) 2. ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ 2.1. Выбор направления исследований, методы решения задач 2.2. Разработка путей синтеза наноструктурированных сорбентов для концентрирования пестицидов. Проведение исследований по концентрированию ПАУ 2.3. Разработка лабораторных образцов анионообменных сорбентов на основе кремнеземов для градиентного разделения биологически важных биполярных соединений (плазминогенов) спектрофотометрического и сорбционно-жидкостнохроматографического определения органических токсикантов в водах 2.5. Разработка методики определения глюкозы методом ТСХ в соках и напитках, а также методики определения анилина в объектах окружающей среды и биологических жидкостях, методики качественного и количественного рентгеноэлектронного определения углерода, фтора и кислорода в тонких полимерных пленках, осажденных на поверхности кремния 2.6. Разработка методики полупрепаративного отделения биологически важной активной формы Lys-плазиногена от неактивной формы Glu-плазминогена и от плазминогена при суммарном содержании форм на уровне 1 мг/мл 2.7. Разработка автоматизированного метода определения полициклических ароматических углеводородов в водах 2.8. Разработка методик определения токсичных соединений в почвах 2.9. Разработка методик определения суммарного содержания галоид-, серо- и фосфорорганических соединений в продуктах переработки нефти и в органических растворах (экстрактах)

3. СТАТИСТИЧЕСКИЕ И ФАКТОГРАФИЧЕСКИЕ

СВЕДЕНИЯ О НАУКОМЕТРИЧЕСКИХ РЕЗУЛЬТАТАХ

ВЫПОЛНЕНИЯ ГОСУДАРСТВЕННОГО КОНТРАКТА

3.1. Статьи, опубликованные по результатам выполнения государственного контракта 3.2. Разработанные учебные курсы и программы 3.3. Изданные учебники и методические пособия 3.4. Кандидатские диссертации, защищенные по результатам выполнения государственного контракта 3.5. Список молодых специалистов, принимавших участие в выполнении государственного контракта 3.6. Сравнение полученных результатов с техническими характеристиками, заявленными в Техническом задании государственного контракта

4. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА

РЫНОЧНОГО ПОТЕНЦИАЛА РЕЗУЛЬТАТОВ,

ПОЛУЧЕННЫХ ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ НИР

5. ЗАКЛЮЧЕНИЕ 6. ЛИТЕРАТУРА 7. ПРИЛОЖЕНИЯ 7.1. Акты изготовления лабораторных образцов и методик 7.2. Акты внедрения результатов НИР в учебный процесс Разработка новых материалов важна не только для развития эффективных промышленных технологий, но и для разработки принципиально новых, экспрессных и высокочувствительных методов химического анализа. Создание новых прорывных технологий, наноматериалов, способов диагностики и лечения заболеваний, развитие других важнейших отраслей науки и промышленности фактически невозможно без соответствующих методов и средств химического анализа. Настоящий проект направлен на разработку новых материалов, в том числе наноструктурированных, для создания комплекса современных методов и средств химического анализа большого числа важнейших объектов.

1.1. Оценка современного состояния решаемой проблемы 1.1.1. Разработка путей синтеза наноструктурированных сорбентов для концентрирования пестицидов. Проведение исследований по концентрированию ПАУ.

Полимеры с молекулярными отпечатками относят к относительно новому поколению наноструктурированных сорбентов [1], которые получают путем полимеризации функционального и сшивающего мономеров в присутствии специально введенных молекул-шаблонов (темплатов или импринт-молекул), с которых предполагают «снять отпечатки» [2 – 4]. Схема синтеза молекулярно импринтированных полимеров включает образование предполимеризационного комплекса между молекулами функционального мономера и темплата в выбранном растворителе, сополимеризацию этого раствора в присутствии больших количеств сшивающего агента и последующее удаление темплата из измельченного полимера. После удаления темплата в ПМО остаются высокоспецифические центры связывания (сайты молекулярного распознавания), комплементарные по размеру, форме, структуре и физико-химическим свойствам молекуле-темплату. Наиболее важным свойством этих материалов является способность селективно связывать те органические молекулы, в присутствии которых был осуществлен их синтез [5 – 7].

Чаще всего для синтеза молекулярно импринтированных полимеров используют метод радикальной полимеризации в массе (bulk polymerization) [2, 6].

Полимеризацию инициируют нагреванием реакционной смеси до 50–60 оС или ультрафиолетовым облучением. В последнем случае синтез ПМО проводят при пониженных температурах (от 15 до – 200С). В связи с тем, что кислород ингибирует процесс полимеризации, импринтингу обычно предшествует его удаление пропусканием инертного газа или ультразвуковой обработкой. ПМО можно приготовить в виде примерно одинаковых по размеру сферических частиц с помощью суспензионной, эмульсионной или преципитационной полимеризации [2, 8 – 12].

Несмотря на интенсивные исследования в области молекулярного импринтинга, многие вопросы, определяющие селективность этих материалов пока не решены. Сорбционные свойства ПМО и селективность процессов с их участием зависят от большого числа факторов, варьируемых на стадии синтеза этих материалов: природы функционального мономера и молекулы-темплата, их соотношения в реакционной смеси, природы и количества растворителя [2]. Повидимому, влияние на способность нековалентно импринтированных ПМО к повторному связыванию молекул-темплатов должен оказывать и способ получения ПМО [11, 12], однако систематических исследований в этом направлении, как следует из обширного обзора [2] (1495 ссылок), выполнено немного.

Чтобы изучить влияние способа получения ПМО на их удельную поверхность и сорбционные свойства, в настоящей работе использованы методы термической полимеризации с воздействием и без воздействия ультразвука, фотополимеризации и суспензионной полимеризации. Разными способами на основе акриламида синтезированы новые материалы – полимеры с молекулярными отпечатками 2,4-дихлорфеноксиуксусной кислоты. При синтезе ПМО поддерживали постоянным состав реакционной смеси и отношение акриламид:2,4Д. Ранее на примере ПМО с отпечатками различных органических соединений нами было показано, что лучшими распознавательными способностями обладают ПМО, синтезированные с соотношением функциональный мономер:темплат=1: [13 – 17].

Полициклические ароматические углеводороды – вещества, состоящие из конденсированных бензольных колец, атомы углерода и водорода которых расположены в одной плоскости [18]. Растворимость ПАУ в воде низкая и уменьшается с возрастанием молекулярной массы. Из-за гидрофобности молекул (logKow=3-8) концентрация ПАУ в воде очень низкая [19, 20]. Физические и химические свойства этих соединений, нормируемых американским агентством по охране окружающей среды (US EPA) [18].

ПАУ попадают в окружающую среду в первую очередь за счет природных и антропогенных процессов горения. Наиболее крупными источниками ПАУ считают извержения вулканов и пожары степей. Важными антропогенными источниками ПАУ являются горение природного топлива, сжигание отходов, производство асфальта, кокса, алюминия и многие другие отрасли производства.

Несмотря на то, что наибольшее количество выбросов ПАУ происходит в городах и местах производств, эти соединения накапливаются и в сельских местностях изза способности перемещаться на длинные расстояния в виде газов и аэрозолей [18].

Для извлечения ПАУ из водных образцов применяют разные методы.

Наиболее часто используют жидкостную экстракцию и сорбцию, применяют также: твердофазную микроэкстракцию, извлечение соединений с использованием иммуносорбентов, мицелярную экстракцию и методы обратного осмоса.

Сорбция в отличие от жидкостной экстракции не требует больших объемов органических растворителей, время анализа может быть значительно уменьшено.

Особенно перспективен динамический вариант сорбции, не требующий разделения фаз после завершения концентрирования и поэтому имеется возможность использовать автоматизированные «on-line» процедуры. Еще одно преимущество состоит в широком диапазоне сорбционных условий, которые можно варьировать для достижения оптимальных условий концентрирования [21]. В процессе сорбции образец проходит через неподвижную твердую фазу, и соединения, входящие в его состав, сорбируются или не сорбируются в зависимости от их свойств. Для сорбционного концентрирования ПАУ широко используют полимерные сорбенты и кремнеземы, химически модифицированные различными радикалами, например, октадецилсиликагели Symmetry и Zorbax ODS1 [22, 23]. Полимерные сорбенты представляют собой сополимеры стирола и дивинилбензола (Amberlite XAD-2 и XAD-4, PRP-l (5 - 10 мкм) [24]), полиметилметакрилаты (Amberlite XAD-7 и XADпенополиуретаны, поли-2,6-дифенилфениленоксид (Тенакс), сверхсшитые полистиролы (Styrosorb MN-200). Их сорбционная емкость выше, чем у ХМК. Это связано с развитой пространственной и пористой структурой полимеров и обусловленной этим большой площадью поверхности.

Еще один метод, который успешно применяли для извлечения ПАУ из водных образцов – твердофазная микроэкстракция [25]. При ТФМЭ соединения равновесно распределяются между неподвижной фазой (волокна сорбента) и водной фазой.

Ультразвуковая обработка может быть использована для уменьшения времени, необходимого для установления равновесия. Соединения десорбировали непосредственно в инжекторе газового хроматографа с масс-спектрометрическим детектором (с ионной ловушкой).

1.1.2. Разработка лабораторных образцов анионообменных сорбентов на основе биполярных соединений (плазминогенов).

В настоящий момент ряд зарубежных фирм ("Pharmacia", "Amersham Biosciences"), производящих сорбенты для ионообменной хроматографии, выпускают полибуфер-ионообменники PBE-94, РВЕ-118 и др. для градиентного разделения биологически важных биполярных соединений [26]. Сорбенты РВЕ основаны на полисахаридной матрице с дополнительной поперечной сшивкой полимерных цепей; размер частиц 45 – 165 мкм. На поверхности сорбентов привиты такие олигоэтиленамины, как триэтилентетрамин (TETA, Trien), тетраэтиленпентамин (TEPA, Tetren) и пентаэтиленгексамин (PEHA, Penten) [26], ковалентно связанные с моносахаридными звеньями матрицы. Привитые первичные и вторичные аминогруппы с различными значениями lgKp, равномерно распределенными в широком интервале рН (4 – 9), позволяют создать линейный хроматографическую колонку буферного элюента с рН в слабокислой области.

Анионообменная емкость РВЕ (32 мкмоль/ед.рН/мл) постоянна в широком интервале рН. Сорбент устойчива в диапазоне рН от 2 – 3 до 10 – 11, при высоких концентрациях солей, во многих органических растворителях, однако он обладает низкой механической прочностью, особенно при повышенных давлениях, что не позволяет применять его в системах с высоким рабочим давлением. Также сорбенты РВЕ постепенно подвергаются биодеградации под действием микроорганизмов из-за полисахаридной матрицы.

1.1.3. Разработка методик сорбционно-спектрофотометрического и сорбционно-жидкостно-хроматографического определения органических токсикантов в водах.

2,4-Дихлорфеноксиуксусная кислота (2,4-Д) относится к гормональным гербицидам системного действия и широко используется в мире для борьбы с сорняками [27]. На практике 2,4-Д применяют в виде растворимых в воде солей с алифатическими аминами (препараты аминка, дикамин-Д и др.), концентратов эмульсий ее эфиров с различными спиртами (препараты элант премиум, октапон, чисталан и др.), которые сравнительно нестойки и быстро разлагаются в воде до свободной 2,4-дихлорфеноксиуксусной кислоты. В открытые водоемы 2,4-Д поступает за счет вымывания из почвы, со стоками химических и родственных производств, а также в процессе разложения других гербицидов из класса хлорфеноксикарбоновых кислот [28, 29].

Из-за токсичности этого пестицида (ПДК для питьевой и речной воды составляет 0,03 и 1 мг/л соответственно) актуальна проблема определения микроколичеств 2,4-Д в объектах окружающей среды. Сведения о методах определения 2,4-Д и других хлорфеноксикарбоновых кислот систематизированы в обзорах [30 – 34]. В большинстве случаев 2,4-Д определяют хроматографическими методами после предварительного концентрирования, чаще всего твердофазной экстракции, прокачивая относительно большой объем анализируемой пробы через сорбционный патрон, заполненный небольшим количеством сорбента. Это требует сконцентрированного соединения и в большинстве случаев устраняет необходимость упаривания [32]. Для концентрирования используют силикагели с привитыми октадецильными группами, активные угли и различные полимерные сорбенты, которые являются сорбентами группового действия и наряду с 2,4-Д извлекают из растворов и другие органические соединения. Кроме того, при использовании некоторых сорбентов, например активных углей, десорбция неколичественная. Поэтому для селективного сорбционного выделения 2,4-Д в нескольких работах предложено использовать полимеры с молекулярными отпечатками (ПМО) 2,4-Д на основе 4-винилпиридина [35 – 38] и метакриловой кислоты [39].

1.1.4. Разработка методики определения глюкозы методом ТСХ в соках и напитках, а также методики определения анилина в объектах окружающей среды и биологических жидкостях, методики качественного и количественного рентгеноэлектронного определения углерода, фтора и кислорода в тонких полимерных пленках, осажденных на поверхности кремния.

Несмотря на все большее распространение современных аппаратурных методов анализа, существует потребность в экспрессных и простых методах, основанных на "мокрой химии". Среди таких методов благодаря своей простоте и чувствительности выделяются кинетические. Однако если определение неорганических аналитов кинетическими методами – хорошо разработанная область, то число органических соединений, определяемых этими методами, относительно невелико. Наибольшее число работ посвящено определению катализирующих индикаторную реакцию [40]. Собственное каталитическое действие известно лишь для отдельных классов соединений, например, серосодержащих [41, 42] и фосфорорганических [43]. Потенциал кинетических методов анализа, основанных на собственном действии аналитов, раскрыт далеко не полностью. Большинство индикаторных реакций – окислительновосстановительные, протекающие по радикальному механизму, поэтому собственное влияние следовых количеств веществ в таких реакциях связано прежде всего с их взаимодействием с активными центрами цепного процесса. Если природа таких промежуточных частиц в индикаторной реакции известна, то можно определить и круг потенциальных аналитов как соединений, взаимодействующих с этими активными центрами. Информацию о том, какие классы органических соединений взаимодействуют с определенными радикалами, можно найти в литературе. Владение такой информацией позволяет проводить целенаправленный выбор систем: индикаторная реакция (с известным активным центром) – аналит (тип соединений). Дальнейший скрининг можно проводить уже в рамках выбранных систем. Ценность такого подхода – в возможности создавать методики определения соединений, которые ранее не определяли кинетическими методами (что особенно актуально в случае веществ, для определения которых существует мало удобных химических методов).

Для развития данного направления в качестве индикаторных следует использовать цепные реакции с известным механизмом и известными активными центрами. Это могут быть и реакции, которые ранее не использовали в качестве индикаторных в химическом анализе, например, реакция Фентона:

Известны условия (слабощелочная среда, присутствие комплексонов), в которых гидроксильный радикал по реакции Фентона генерируется селективно (т. е.

образуется мало других активных форм кислорода) [44]. Гидроксильный радикал далее быстро реагирует с восстановителем индикаторной реакции Red, что может быть зафиксировано, например, по появлению окраски его окисленной формы Ox:

На скорость реакции (2) будут влиять перехватчики гидроксильных радикалов – алифатические спирты, некоторые карбоновые кислоты (муравьиная, бензойная), полиолы, тионные и тиольные соединения, некоторые амины, а также сахара, в том числе глюкоза [45].

Наиболее распространены методы определения глюкозы, основанные на реакции ее превращения в глюконовую кислоту под действием глюкозооксидазы [46, 47] с детектированием образующегося пероксида водорода по анодному току [48] либо в присутствии пероксидазы или катионов переходных металлов [49]. К недостаткам многих методик определения глюкозы относятся их многостадийость, длительность, необходимость термостатирования, а также мешающее влияние других соединений, в том числе полиолов и альдегидов.

Сахара, в частности глюкоза, не относятся к числу соединений, типичных для определения кинетическими методами. Есть единичные примеры таких методик [50-52].

Для обнаружения глюкозы в планарной хроматографии используют неспецифические реактивы или обугливание зон [53], что малоэффективно при анализе сложных объектов, образующих большое число перекрывающихся пятен.

Известны селективные реактивы для детектирования восстанавливающих сахаров, однако недостаток соответствующих методик проявления – использование агрессивных реактивов, необходимость нагревания, УФ-облучения или работы в вытяжном шкафу.

Еще одна проблема кинетических методов анализа – их ограниченная селективность. Для преодоления этого недостатка необходимо сочетать кинетические методы с методами разделения и концентрирования. В качестве такого метода можно было бы применять ранее не использовавшийся прием – диффузию аналитов через полиэлектролитные мультислои.

Полиэлектролитные мультислои (ПЭМ) – это результат последовательного (послойного) нанесения полиэлектролитов противоположного заряда на твердые подложки. Этот прием, предложенный Дечером в 1990-х гг. [54], позволяет формировать тонкие пленки заданной толщины (от нм до мкм) на самых разных поверхностях. Получаемые структуры отличаются высокой регулярностью и воспроизводимостью. В химическом анализе полиэлектролитные мультислои использовали для модифицирования стенок капилляров в электрофорезе и капиллярной электрохроматографии для управления электроосмотическим потоком [55]. Наибольшее число публикаций по аналитическому применению ПЭМ связано с получением биосенсоров [56] и чувствительных слоев газовых сенсоров [57]. ПЭМ (а также слои из единственного полиэлектролита) применяли для модификации поверхности электродов, например, для разделения Н2О2, и более крупных заряженных частиц – аскорбата, уреата и др. [58]. Мембраны, модифицированные ПЭМ, позволяют разделять вещества, различающиеся по молекулярным массам (например, моно- и дисахариды) [59], однако это разделение проводят методом не диффузии, а фильтрации.

Прямых данных о диффузии веществ через ПЭМ (с определением их концентрации в принимающем растворе) немного, большая часть сведений о проницаемости полиэлектролитных мембран получена путем измерения электропроводности или амперометрическим методом.

Подложкой для ПЭМ могут служить различные мембраны, неорганические или органические [60]. Из-за своей регулярной структуры привлекают внимание трековые мембраны, которые представляют собой пористые полимерные пленки, поры в которых образованы осколками деления или ускоренными тяжелыми ионами и последующим травлением облученного материала с целью расширения образовавшихся латентных треков. В химическом анализе трековые мембраны не применяли; в последние годы их начали использовать для фракционирования частиц и макромолекул [61].

Одним из перспективных направлений современной плазмохимии, позволяющих успешно решать важные задачи микро- и наноэлектроники, микросистемной техники является формирование тонких полимерных пленок на поверхности кремния в неравновесной химически активной плазме [62, 63]. Плазму высокочастотного индукционного разряда перфторциклобутана в его смеси с гексафторидом серы С4F8+SF6 при ионной бомбардировке поверхности используют для осаждения тонких фторуглеродных пленок на поверхности кремнии [64, 65].

Такой процесс осуществляется в две стадии. На первой стадии пассивации, происходящей в плазме С4F8, осуществляется осаждение фторуглеродной полимерной пленки на дно и боковые стенки канавок травления. На второй стадии травления, которая происходит преимущественно в плазме SF6, осуществляется травление фторуглеродной полимерной пленки и кремния только со дна канавки.

Травление боковой стенки при этом должно быть минимальным. В таком процессе стадия пассивации или осаждения фторуглеродной полимерной пленки является основной, поскольку осаждение необходимо провести таким образом, чтобы образование фторуглеродной полимерной пленки происходило преимущественно на стенке, а не на дне канавки. Потоки заряженных частиц на них различны, следовательно, разной будет скорость образования на стенке и дне канавок фторуглеродной полимерной пленки, поскольку скорость плазменной полимеризации зависит от плотности потока ионов и электронов [66]. Скорость образования фторуглеродной полимерной пленки зависит также от состава плазмы.

Для оперативного управления качеством полимерных пленок и изучения достоверные сведения о химическом и вещественном составе пленок. В связи с спектроскопического определения химического и вещественного состава тонких полимерных пленок на поверхности кремния.

биологически важной активной формы Lys-плазиногена от неактивной формы Gluплазминогена и от плазминогена при суммарном содержании форм на уровне мг/мл.

Плазмин (фибринолизин) - гликопротеин, фермент класса гидролаз, (профибринолизина). Фибринолизин является физиологическим компонентом естественной противосвертывающей системы организма, он катализирует разрушение (растворение) нити фибрина и тем самым препятствует образованию тромбов в кровеносных сосудах [67, 68]. На основе плазмина в НИИ медицинской экологии (МНИИМЭ) разрабатывает отечественный лекарственный препарат для лечения тромбофлебита, тромбоза коронарных сосудов и сосудов мозга, подобных заболеваний, сопровождающихся внутрисосудистым выпадением сгустков кровоизлияниях в переднюю камеру глаза или тромбозе центральной вены сетчатки и т.д. [67].

плазминогена, имеющего две изоформы – Glu- и Lys- (профибринолизин), отличающиеся молекулярной массой (90000 и 83000, соотвественно). Концевая цепь менее плотной, активной конформации содержит лизин, а у неактивной изоформы – глутамин; изоэлектрические точки активной и неактивной изоформ лежат в узком интервале рН (5,82 и 5,66, соответственно) [68], и их практически невозможно разделить методом ионообменной хроматографии при изократическом элюировании [69, 70]. Элюирование со градиентом ионной силы (увеличение ионной силы элюента на основе цитратных или фосфатных буферных растворах до 0,1-0,2) приводит к денатурированию плазминогенов [70], что неприемлемо при выделении активного Lys-плазминогена (профибринолизина) для лекарственных препаратов. Таким образом, задача отделения активной формы плазминогена от неактивной, особенно при содержаниях изоформ на уровне мг/мл, актуальна для биохимиков, медиков и фармацевтов.

полициклических ароматических углеводородов в водах.

Определение малых количеств органических соединений, особенно токсичных, в водах и растворах необходимо при анализе объектов окружающей среды, а также для контроля многих технологических и биохимических процессов. Эту задачу часто трудно решать даже с использованием современных инструментальных методов. Разделение и концентрирование органических компонентов улучшает метрологические характеристики этих методов, расширяет круг определяемых соединений и анализируемых объектов. Целесообразна разработка автоматизированных проточных методов анализа, включающих последовательно осуществляемые в едином цикле анализа стадии концентрирования и определения.

Для концентрирования органических соединений из водных растворов используют жидкостную экстракцию, сорбцию («твердофазную экстракцию»), хроматомембранные, электрохимические и другие методы. Одним из наиболее технологичных и поддающихся автоматизации методов концентрирования является сорбция соединений в динамических условиях, не требующая сложной аппаратуры, обеспечивающая достижение высоких коэффициентов концентрирования за минимальное время.

Высокоэффективная жидкостная хроматография (ВЭЖХ) является одним из наиболее универсальных методов определения большого числа органических соединений. Однако чувствительность этого метода часто недостаточна для определения предельно допустимых количеств токсичных веществ, таких как полициклические ароматические углеводороды (ПАУ), пестициды различной природы и др., в водах. Перед определением микрокомпонентов в биологических жидкостях и других сложных по составу растворах требуется также отделение использованием проточных сорбционно-хроматографических методов анализа.

Для сорбционно-ВЭЖХ определения гидрофобных органических соединений, органических и неорганических ионов предложены специализированные комплексы оборудования и приставки к жидкостным хроматографам, которые выпускаются несколькими фирмами – PROSPEKT (Spark Holland, Netherlands), OSP-2 (Merck, Germany), ASPEC (Gilson, USA) [71]. В зависимости от решаемых задач (необходимости концентрирования микрокомпонентов, очистки от макрокомпонентов) комплексы включают 2-4 хроматографических насоса высокого давления и 1-3 управляемых инжекционных крана. Предложенные с использованием таких комплексов методы характеризуются высокой чувствительностью, за счет введения всего концентрата в хроматографическую колонку пределы обнаружения соединений снижены на два порядка и более по сравнению с прямым ВЭЖХ определением [71].

Проточное сорбционно-ВЭЖХ определение органических соединений в растворах, как и проточное сорбционно-спектроскопическое определение элементов [72], возможно лишь при соблюдении ряда требований к жидкостной системе и используемым сорбентам. Необходимо быстрое и количественное извлечение определяемых соединений на стадии концентрирования, а также отделение их от сопутствующих макрокомпонентов. Размеры колонки для концентрирования должны быть минимальными, иначе объем зоны концентрата в потоке после десорбции будет большим, что приведет к дополнительному уширению хроматографических пиков. При этом емкость таких миниколонок должна быть достаточна для извлечения определяемых соединений из растворов.

Емкость колонок не должна меняться и после многократных циклов сорбциидесорбции. Объемы вводимой пробы и десорбирующего раствора должны быть строго дозированы и воспроизводимы, жидкостные линии герметичны.

Сочетание концентрирования и ВЭЖХ определения в “on-line” варианте может быть реализовано несколькими способами. Наиболее распространенный – десорбция соединений из колонки для концентрирования и перенос концентрата без остановки потока непосредственно в хроматографическую колонку подвижной фазой, оптимальной по составу для разделения и детектирования определяемых соединений. Именно этот способ реализован в коммерческих комплексах оборудования [73, 74]. Очевидно, что в таких системах для концентрирования и разделения соединений можно использовать лишь идентичные или близкие по удерживающей способности сорбенты, так как в противном случае состав десорбирующего раствора и элюента будут различаться и параметры разделения соединений существенно ухудшатся. Существенным недостатком такого сочетания концентрирования и ВЭЖХ определения является введение в хроматографическую колонку некоторого количества исходного водного раствора пробы, занимающего свободный объем миниколонки и часть жидкостных магистралей после завершения концентрирования. Эти остатки водного раствора при десорбции вносятся потоком элюента в хроматографическую колонку, что приводит к появлению на хроматограмме больших инжекционных пиков и изменению времен удерживания соединений по сравнению с обычным хроматографическим определением этих соединений [75, 76].

Более совершенным, на наш взгляд, является сочетание сорбционного концентрирования и ВЭЖХ разделения и определения, предполагающий «вычленение» зоны концентрата из потока десорбирующего раствора в петле хроматографа. Прием «вычленения» части раствора из потока после предколонки известен (в зарубежной литературе - «heart-cutting»), он был реализован в ряде работ для очистки от матричных компонентов [77, 78], для отбора части раствора в предколоночный реактор перед хроматографическим определением, например, при определении витаминов D2, D3, K1, K3 и некоторых продуктов разложения витамина D3 в плазме крови [79]. «Heart-cutting» применяли также для «вычленения» части зоны концентрата из потока десорбирующего раствора после сорбционного концентрирования [79].

1.1.7. Разработка методик определения токсичных соединений в почвах.

Несимметричный диметилгидразин (НДМГ) относится к категории опасных экотоксикантов (1 класс опасности). Для НДМГ установлен достаточно жесткий гигиенический норматив, ограничивающий его ориентировочно допустимый уровень в почвах до 0,1 мг/кг [80]. Основным источником поступления НДМГ в окружающую среду является эксплуатация ракетно-космической техники, где он используется в качестве основного компонента высокоэффективного топлива.

Неизбежность проливов ракетного топлива при пусках привела к необходимости создания особых районов падения отделяющихся частей ракет, содержащих остатки неотработанного топлива. Проблема загрязнения почв в районах падения в результате эксплуатации ракетной техники вызывает серьезное беспокойство на региональном и глобальном уровнях, требует пристального внимания, поскольку негативные последствия могут выйти за разумные рамки и приобрести катастрофический характер [81].

Опасность применения НДМГ связана не только с его токсичностью, но и широким спектром продуктов разложения. Однако исследования по изучению превращения НДМГ в почвах в настоящее время находятся только на стадии идентификации образующихся продуктов окисления НДМГ и не идут далее, хотя для экологического мониторинга важной задачей является определение не только НДМГ, но и продуктов его трансформации.

Интерес к идентификации продуктов связан с расширением возможности современной приборной базы, поскольку в распоряжении исследователей появились мощные хромато-масс-спектрометры, позволяющие решать задачи идентификации сложных смесей продуктов. Исследования по достоверной идентификации продуктов окисления НДМГ кислородом в органических растворителях начаты в 1981 году [82]. Исследованию подвергали растворы НДМГ в диэтиловом эфире и циклогексане с концентрацией 4 г/л. Идентификация образовавшихся соединений проводили методами ГХ, ГХ-МС и спектроскопии ПМР. Однако в этой работе идентифицированы не все соединения в смеси и таких соединений как 1-метил-1-H-1,2,4-триазол (МТ), N,N-диметилгидразид муравьиной кислоты (ДМГМК), диметиламин (ДМА) и N,N-диметилгуанидин не было найдено.

Впервые МТ был идентифицирован в работе Тулупова и сотрудников [83], где изучали медленное окисление паров НДМГ кислородно-гелиевой смесью при комнатной температуре и атмосферном давлении в закрытых реакторах методом газовой хроматографии с масс-спектрометрическим детектированием. Структуры обнаруживаемых веществ идентифицировали путем интерпретации масс-спектров с использованием общих закономерностей фрагментации органических молекул в условиях электронного удара. В данной работе подтверждено образование тетраметилтетразена, диметиламина, диметилгидразонов формальдегида и ацетальдегида и нитрозодиметиламина. В дальнейшем МТ был идентифицирован в почвах методом ГХ-МС по библиотеке масс-спектров NIST [84, 85].

В последнее время в Республике Казахстан проводятся интенсивные исследования, направленные на идентификацию продуктов трансформации.

Проведена [86]и дентификация 27 соединений, образующихся при трансформации НДМГ в почвах, с применением высокотехнологичного оборудования. Накопление веществ проводили на волокне в условиях парофазного анализа с последующей десорбцией и уносом десорбированных веществ в газовый хроматограф. Для идентификации веществ применяли метод ГХ-МС, сравнивая совпадение спектров в библиотеке NIST. окружающей среде проводились либо с применением устаревшей методической и аппаратурной базы, либо оказывались недостоверными из-за отсутствия подтверждения предложенных структур с использованием синтезированных стандартов.

Достоверная идентификация продуктов трансформации НДМГ в водных растворах и водно-почвенных суспензиях проведена методами ВЭЖХ-МС, ГХ-МС и ЯМР. Применение метода ВЭЖХ-МС позволило выявить новые продукты трансформации, такие как ДМГМК и ДМГу [87]. Далее проведен поиск идентифицированных продуктов в почвах, загрязненных НДМГ, и показано, что в них в значительных количествах ДМГМК, МТ, ДМГу и ДМА [88]. Необходимость изучения воздействия этих веществ на окружающую среду обуславливает задачу разработки надежных и удобных методик их определения.

Для определения МТ в почвах предложено использовать метод ГХ-МС после экстракционного извлечения хлористым метиленом [89], однако в работе отсутствуют данные, характеризующие степень извлечения и правильность определения МТ.

1.1.8. Разработка методик определения суммарного содержания галоид-, серо- и фосфорорганических соединений в продуктах переработки нефти и в органических растворах (экстрактах).

Контроль за суммарным содержанием F-, Cl-, Br- и S-содержащих органических соединений в сырой нефти и соответствующих продуктах нефтепереработки необходим, т.к. эти соединения (вернее соответствующие неорганические соединения – продукты превращения) отравляют дорогие катализаторы, используемые в процессах нефтепереработки. Кроме того, существуют серьезные проблемы с коррозией как при нефтепереработке, так и различных химических процессах, связанные с присутствием этих соединений.

Определение суммарного содержания рассматриваемых соединений необходимо для характеристики качества бензинов, дизельного топлива, газового конденсата, растворителей, мономеров, полимеров и резин.

В большинстве случаев суммарное содержание Cl-органических соединений в продуктах нефтепереработки (жидких или газовом конденсате) – n 10-5–10–4%, для S-органических – 10-4–10-3% и для F-органических – 10-5 %. В связи с возрастающими требованиями EPA и Европейского Сообщества существует необходимость в снижении суммарного содержания сероорганических соединений в дизельном топливе и бензине.

Стандартные методы (такие как ASTM) определения суммарного содержания Cl- и S-органических соединений в продуктах нефтепереработки применяются для последовательного, но не одновременного определения этих соединений.

Селективное и одновременное определение суммарного содержания Cl и Br сегодня невозможно (результаты определения, рассчитываемые как суммарный Cl, некорректны). Пределы обнаружения (по элементу) при использовании этих методов по Cl и S составляют 5 10-5–10-4% (в зависимости от элемента и метода определения) [90 – 92]. Методы ASTM, предназначенные для определения суммарного содержания хлора (хлорорганических соединений) основаны на высокотемпературной окислительной конверсии и микрокулонометрическом титровании образующегося HCl; ограничения этого метода хорошо известны в промышленности [92].

Методы ASTM, наиболее часто применяемые для определения суммарной серы (сероорганических соединений), основаны на высокотемпературной окислительной конверсии и микрокулонометрическом титровании образующегося SO2; эти методы еще более сложны, по сравнению с соответствующими методами, применяемыми для определения суммарного Cl [93, 94]. Дополнительные трудности связаны с одновременным образованием SO2 и SO3; последний не регистрируется. Соотношение содержаний этих продуктов конверсии непостоянно и зависит от состава и вида матрицы пробы, условий конверсии и скорости подачи пробы в реактор.

Точность ASTM метода для определения суммарного содержания S, основанного на рентгеновской флуоресценции [95], не высока. Это связано с тем, что сигнал S сильно зависит от состава смеси; предел обнаружения этого метода – не менее 10-3 %.

Предел обнаружения по суммарной сере при использовании метода ASTM 5453-05 [96] составляет около 5 10-6 %, (SO2 регистрируется методом ультрафиолетовой флюоресцентной спектроскопии). Однако систематическая ошибка, связанная с образованием SO3 и его нерегистрацией, не исключена. Нет метода ASTM для определения суммарного содержания F-органики в продуктах нефтепереработки, однако потребность в таком методе существует.

Компании Mitsubishi Co. и Dionex Corporation предложили метод [97] одновременного определения суммарного содержания F-, Cl-, Br- и S-органических соединений, основанный на высокотемпературной конверсии пробы в потоке смеси воздуха, кислорода, аргона и паров воды, абсорбции продуктов конверсии вместе с водой, и анализе малой части абсорбата (2–5%) при использовании ионной хроматографии с градиентным элюированием. Предел обнаружения соответствующих элементов в продуктах нефтепереработки составляет около 10– % (при объеме пробы 80–240 мкл). Однако степень конверсии и погрешность определения этого метода для различных F-, Cl-, Br- и S- органических соединений не была показана.

Фирма Antek Instruments (Inc) предложила метод определения суммарного содержания фтора, основанный на высокотемпературной окислительной конверсии в потоке кислорода и селективном определении образующегося HF с помощью ион-селективного электрода [98]. В этом случае степень конверсии различных Fорганических соединений и связанная с ней погрешность определения также не были указаны. Предел обнаружения – 10-4–10-3%. В то же время определение суммарного содержания F на уровне 10-5 % актуально в конденсате, пропане и бутане, а на уровне 10–4% – в бензоле, ксилоле, бензине, продуктах переработки дизельного топлива, отработанных смазочных маслах, этилене, пропилене, соответствующих полимерах и др.

В ряде случаев необходимо определять и общий фосфор в продуктах нефтепереработки, так как фосфор входит в состав многих присадок к нефтепродуктам, например, к смазочным маслам. Дитиофосфат цинка – одна из форм фосфора, добавляемая к нефтепродуктам. Контроль его концентрации и других форм фосфора важен в контроле качества конечных продуктов и в связи с вредным влиянием фосфора на окружающую среду.

В настоящее время аналитический контроль воздуха, вод, почв (и других твердых матриц), сельскохозяйственных растений, продуктов питания осуществляется чаще всего на содержание ограниченного числа нормируемых органических соединений, в то время, как общее число опасных ненормируемых соединений многократно превосходит число нормируемых (для которых установлены ПДК). Необходимо отметить также, что число соединений, для которых установлены ПДК в случае почв, химических отходов, продуктов питания и др. существенно меньше, чем для вод и воздуха. Наиболее опасными являются галоген- (фтор-, хлор-, бром-), фосфор- и серосодержащие среднелетучие органические соединения.

На сегодняшний день в мире используется около 500 тысяч соединений, из которых большую часть составляют органические. Более 40 тысяч из них являются опасными, а около 12 тысяч - токсичными [99]. Образование этих соединений возможно в результате трансформации безопасных соединений в окружающей среде, либо в результате водоподготовки, применяемой при получении питьевой физиологические свойства которых известны не полностью. Постоянно синтезируются все новые и новые органические соединения, влияние которых на окружающую среду и человека практически не изучено [100]. Определение общего содержания этих соединений может обеспечить быстрый скрининг вод на содержание нормируемых и ненормируемых опасных соединений и осуществлять благодаря этому действенный контроль за загрязнением окружающей среды и продуктов питания. Таким образом, актуальной проблемой является разработка новых и совершенствование уже известных методов, позволяющих определять общее содержание галоген-, серо- и фосфорсодержащих органических соединений, особенно среднелетучих, входящих в число наиболее опасных экотоксикантов.

Общепринятый подход к определению содержания примесей нормируемых среднелетучих органических соединений на следовом уровне в рассматриваемых объектах основан в большинстве случаев на жидкостной экстракции, предварительной очистке экстракта, концентрировании экстракта за счет упаривания (до объема 0.5 – 1мл) и анализе малой (0.001 – 0.01) части концентрата методом капиллярной хроматографии с различными высокочувствительными и селективными детекторами (ЭЗД, ТИД, ПДФ) либо хромато-масс-спектрометрии [101 – 104]. Характерным является большое число стандартизованных методик анализа, особенно в случае определения различных пестицидов в почвах, растениях и продуктах питания [101, 102]. В то же время в пробах содержатся ненормируемые соединения, многие из которых являются опасными, но они не подлежат определению при использовании стандартизованных методик анализа, предназначенных для определения ограниченного числа заданных соединений.

Число только известных пестицидов намного больше числа подлежащих определению в соответствии с нормативными документами, и ПДК для наиболее опасных их них составляют около 10-8% (в большинстве случаев – 10-4-10-5%).

Анализ подлежащих определению соединений требует больших затрат времени, связанных с пробоподготовкой, газохроматографическим разделением, градуировкой прибора. Кроме того, он требует наличия стандартных образцов определяемых соединений.

В результате реальный действенный контроль объектов окружающий среды, продуктов питания и др. при существующем подходе неосуществим и невозможен.

Актуальным является быстрый скрининг соответствующих проб на содержание всех наиболее опасных соединений – нормируемых и ненормируемых.

1.1.9. Выводы к обзору литературы Рассмотрено современное состояние вопросов синтеза высокоэффективных концентрирования веществ, методов определения токсичных и биогенных веществ в водах, почвах, технологических продуктах. Обсуждены области применения этих методов, их основные недостатки. Показана актуальность и перспективность разработки новых сорбентов и методик определения конкретных соединений.

2.1. Выбор направления исследований, методы решения задач Направлениями исследований первого этапа работ были разработка методов выделения и определения биологически активных, в том числе особо токсичных, веществ в объектах окружающей среды, а также создание новых приемов химического анализа пищевых продуктов, некоторых продуктов переработки нефти и полимерных пленок Цель работы по направлению 1.1. состояла в разработке и синтезе новых наноструктурированных сорбентов – материалов с молекулярными отпечатками 2,4-Д, а также двух других пестицидов –3,6-дихлор-2-метоксибензойной кислоты (дикамба, 3,6-ДМБ) и (RS)-1-п-хлорфенил-4,4-диметил-3-(1Н-1,2,4-триазол-1илметил)пентан-3-ола (RS); исследовании и сопоставлении свойств сорбентов, синтезированных с применением различных способов; оценке возможности применения этих материалов для сорбционного концентрирования 2,4-Д.

Достижение поставленной цели предусматривало решение следующих задач:

• оптимизацию методик синтеза нековалентно импринтинтированных ПМО на полимеризации с использованием и без использования ультразвука;

фотополимеризации и суспензионной полимеризации;

• оценку удельной поверхности синтезированных ПМО и соответствующих полимеров сравнения (ПС);

• изучение особенностей сорбции 2,4-Д и некоторых структурно родственных соединений на полимерах с отпечатками этих соединений в зависимости от факторов, варьируемых как на стадии синтеза новых материалов, так и на этапе сорбции;

• оценку селективности и сравнение сорбционных свойств новых материалов, синтезированных с использованием различных подходов.

По направлению 1.2. в качестве матрицы анионообменных сорбентов, используемых в системах ВЭЖХ для градиентного разделения, следует предложить кремнеземы - Силохром С-120 (размер частиц 100 - 160 мкм, удельная поверхность 120 м2/г) и Силасорб Si-600 (размер частиц 7,5 мкм, удельная поверхность более 580 м2/г). Из литературы известны способы модифицирования поверхности кремнеземов группами этилендиамина, диэтилентриамина и тетраэтиленпентамина после предварительного хлорирования поверхности [2, 3].

Более перспективным представляется модифицирование поверхности кремнезема по кислородсодержащим группам (эпоксигруппам) после эпоксилирования поверхности. Присутствие эпоксигрупп позволит расширить диапазон буферной емкости анионообменных сорбентов и в результате – создавать градиенты рН для разделения более мложных, многокомпонентных смесей биологически важных биполярных соединений.

По направлению 1.3. целью была разработка методик сорбционноспектрофотометрического и сорбционно-жидкостно-хроматографического определения 2,4-Д и некоторых других органических соединений после сорбционного концентрирования 2,4-Д на полимере с молекулярными отпечатками.

Цель работы по направлению 1.4. – селективное определение органических соединений кинетическим методом с использованием концентрирования на примерах разработки методик определения глюкозы и анилина. Селективность определения глюкозы в объектах сложного состава предполагалось обеспечить за счет проведения тонкослойной хроматографии с последующим определением аналита непосредственно на пластине кинетическим методом. В качестве восстановителя в индикаторной реакции Фентона может выступать любой хромогенный восстановитель, окисляющийся под действием гидроксильных радикалов. Удобно использовать легко окисляющиеся ароматические диамины, в частности 3,3’,5,5’-тетраметилбензидин (ТМБ), не окрашенный в свободном состоянии и образующий сине-зеленый продукт окисления (мерихинон). Реакцию окисления ТМБ пероксидом водорода ранее не применяли для определения органических соединений. Для разработки методики определения глюкозы предварительно требовалось выбрать условия проведения индикаторной реакции на пластинах для ТСХ.

использованием той же индикаторной реакции планировали обеспечить за счет мембранной дифузии через трековую мембрану, модифицированную полиэлектролитными мультислоями.

Для исследования полимерных пленок чаще всего используют методы оптической и электронной спектроскопии. Однако при этом определению подлежит в основном химический состав пленок. В то же время большое значение при создании новых микро- и наноматериалов имеет вещественный состав пленок, который в значительной степени определяет их физико-химические свойства. В настоящей работе будет разработана методика качественного и количественного определения химического и вещественного состава тонких полимерных пленок, осажденных на поверхности кремния во фторсодержащей плазме, с помощью рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии. Предполагается определять углерод, фтор и кислород в тонких полимерных пленках с пределом обнаружения 0,1 ат.% и воспроизводимостью не хуже 7,0 %. Вещественный состав пленок (химические связи C-F3, C-F2, C-F, C-CFn и C-C) будет определен с помощью математической обработки спектров рентгеновской фотоэмиссии уровня C 1s не только качественно, но и количественно. При этом точность определения составит 1,0 %.

По направлению 1.5. возможным решением проблемы отделения изоформ с близкими значениями изоэлектрических точек может быть рН-градиентное элюирование. Наиболее перспективным представляется использование внутренних градиентов рН, формируемых в области рН 7-4 в анионообменных колонках, т.е. с помощью техники хроматофокусирования. Внутриколоночные градиенты рН отличаются широким интервалом линейности (более 3, а иногда - до 4-5 ед. рН) и достаточно высокой воспроизводимостью (стандартное отклонение не более 0,05ед. рН). При их формировании на хроматограммах не возникает ложных пиков, затрудняющих интерпретацию полученных результатов и снижающих селективность метода, что часто характерно для элюирования с внешним градиентом рН. Для формирования внутренних градиентов рН в технике хроматофокусирования пригодно стандартное хроматографическое оборудование с изократическим насосом.

сегодняшний день в общепринятой практике для создания градиентов рН используют высокомолекулярные полиамфолитные элюенты, обладающие высоким оптической плотностью в УФ-области, что осложняет детектирование разделяемых компонентов в полупрепаративном варианте и существенно снижает чувствительность определения в аналитическом варианте хроматофокусирования.

Следовательно, для повышения чувствительности метода необходимо предложить простые элюенты, заменяющие полиамфолиты.

количественного препаративного отделения активной изоформы Lys-плазминогена (профибринолизин) от неавтивной формы и от плазминогена в условиях градиентного элюирования с использованием простых элюентов.

концентрирования гидрофобных соединений на фторопластовых сорбентах, принципов и методологии сочетания сорбционного концентрирования и жидкостной хроматографии в едином автоматизированном цикле анализа, в том числе, с использованием методов математического моделирования.

Конкретные задачи исследования были следующими:

- изучение сорбционных свойств фторопластовых порошкообразных сорбентов и фторопластовых капилляров;

- выбор оптимальных условий концентрирования бифенила и некоторых ПАУ из водных растворов;

- разработка оптимальной схемы сочетания сорбционного концентрирования и хроматографического определения;

- разработка проточных сорбционно-хроматографических методов определения гидрофобных соединений в водах различных типов.

В направлении 1.7. с появлением современных методов исследования, таких как ВЭЖХ-МС, хорошо подходящих для исследования полярных и нестойких молекул, появилась возможность провести идентификацию продуктов трансформации НДМГ и разработать селективные методики для их определения в объектах окружающей среды. Решение этих задач позволит в дальнейшем провести полномасштабное изучение процессов, происходящих в окружающей среде с участием НДМГ и оценить реальную опасность его воздействия.

Хроматографические методы обладают значительными преимуществами благодаря сочетанию в одном аналитическом цикле разделения и определения компонентов пробы. Однако стоит отметить, что для соединений относящихся к разным классам существует необходимость применения существенно различающихся подходов в силу значительных отличий в физико-химических свойствах. Например, определение аминов и гидразинов часто подразумевает применение дериватизации для превращениях их в форму удобную для определения. Использование методов хромато-масс-спектрометрии позволяет улучшить характеристики определения, однако метод ГХ-МС не является достаточно универсальным для определения всех возможных продуктов трансформации НДМГ, поскольку обладает существенными ограничениями по летучести и термостабильности определяемых веществ. Указанных недостатков лишен метод ВЭЖХ-МС, однако, применение этого метода для определения малых азотсодержащих молекул упоминается в литературе весьма редко, что можно объяснить, в частности тем, что метод достаточно недавно стал доступен для широкого круга исследователей.

Применение масс-спектрометрического детектора позволяет заметно упростить схему анализа и добиться приемлемых характеристик определения.

Универсальность данного типа детектирования позволяет отказаться от использования процедуры дериватизации. Высокая чувствительность и высочайшая селективность метода также способствуют упрощению анализа реальных объектов благодаря существенному упрощению процедуры пробоподготовки.

Таким образом, разработка подходов к определению продуктов разложения НДМГ является актуальной и крайне важной задачей. Использование метода ВЭЖХ-МС позволит проводить прямое одновременное экспрессное определение продуктов разложения НДМГ в почвах, характеризующихся сложностью матрицы, с высокой чувствительностью и высочайшей достоверностью.

высокоэффективной жидкостной хромато-масс-спектрометрии для разработки методик определения продуктов трансформации НДМГ в почвах.

Целью работы в направлении 1.8. являлась разработка методики быстрого и одновременного высокочувствительного и селективного определения общего содержания фтор-, хлор-, бром-, фосфор- и серосодержащих среднелетучих органических соединений в органических растворах (экстрактах) на уровне 10-7% и ниже, основанной на извлечении этих соединений из раствора, окислительной конверсии, поглощении продуктов конверсии и анализе абсорбата методом ионной хроматографии.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

• разработать методику прямого высокочувствительного определения общего содержания фтор-, хлор-, бром-, серо- и фосфорсодержащих органических соединений в водных и органических растворах, основанную на окислительной конверсии, поглощении продуктов конверсии и анализе абсорбата на содержание образовавшихся анионов методом ионной хроматографии (ИХ);

• разработать методику одновременного и высокочувствительного определения общего содержания фтор-, хлор-, бром-, серо- и фосфорсодержащих органических соединений в органических растворах, основанную на выделении этих соединений из органического раствора, окислительной конверсии концентрата определяемых соединений, поглощении продуктов конверсии и анализе всего абсорбата на содержание образовавшихся анионов, соответствующих определяемым элементам, методом ИХ.

Целью работы в этом направлении являлась также разработка методики для одновременного определения суммарного содержания F-, Cl-, Br-, P- и Sорганических соединений в жидких продуктах нефтепереработки, основанной на кислорода, абсорбции продуктов конверсии и ионно-хроматографическом анализе всего абсорбата в изократических условиях.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

– разработать способ ионно-хроматографического анализа больших проб водных растворов анионов на уровне следов для обеспечения возможности анализа всего абсорбата продуктов конверсии;

– разработать условия количественной конверсии различных F-, Cl-, Br-, Sорганических соединений в органических растворах (особенно углеводородных) до определяемых анионов;

– провести анализ ряда образцов авиационных керосинов и бензинов на суммарное содержание определяемых элементов с использованием разработанных условий рассматриваемых нефтепродуктах.

концентрирования пестицидов. Проведение исследований по концентрированию ПАУ.

Синтез наноструктурированных сорбентов. Полимеры с молекулярными отпечатками 2,4-Д синтезировали методом нековалентного импринтинга. Синтез осуществляли по механизму радикальной блочной полимеризации. В качестве сшивающего агента этиленгликольдиметакрилат (ЭГДМА). Инициатором реакции полимеризации служил 2,2’-азобисизобутиронитрил (АИБН). Полимеризацию инициировали нагреванием реакционной смеси до 63 оС в ультразвуковой ванне (термическая полимеризация под воздействием ультразвука – ТП-УЗ), нагреванием ультрафиолетовым облучением при низких температурах (фотополимеризация – ФП). Кроме того, был синтезирован ПМО с отпечатками 2,4-Д методом исключали, проводя синтез в инертной атмосфере аргона. В реакционной смеси поддерживали постоянным отношение АА:2,4-Д=1:1. Синтез осуществляли в смеси метанола с водой (4:1) и силиконовом масле (полиметилсилоксановой жидкости – ПМС 400). Одновременно с ПМО, но в отсутствие 2,4-Д получали полимеры сравнения (ПС). Для оценки влияния природы молекулы-темплата были синтезированы сорбенты с отпечатками двух других хлорсодержащих пестицидов – дикамбы и (RS)-1-п-хлорфенил-4,4-диметил-3-(1Н-1,2,4-триазол-1илметил)пентан-3-ола. Выбор пар ФМ-Т обусловлен принципиальной возможностью образования в реакционной смеси ассоциатов между этими компонентами преимущественно за счет межмолекулярных водородных связей.

Условия синтеза полимеров были оптимизированы путем варьирования соотношения ФМ:Т и природы растворителя в реакционной смеси. Ниже приведены методики синтеза ПМО.

1. Синтез методом ТП-УЗ. В бюкс помещали 2,35 ммоль 2,4-Д и растворяли ее в 3,2 мл смеси метанол-вода (4:1). К раствору прибавляли 2,35 ммоль (0,168 г) акриламида и помещали в холодильник на 1 час. Затем в раствор добавляли 15,7 ммоль (2,96 мл) ЭГДМА и 0,24 ммоль (0,04 г) АИБН. Смесь продували аргоном в течение 15 мин. Полимеризацию проводили в ультразвуковой ванне B 1510-DTH «Branson» (США) при температуре 63 С в течение 16 часов.

2. Синтез методом ТП. Поступали как в методике 1, но после продувки аргоном полимеризацию проводили в термостате при постоянной температуре С в течение 16 часов.

3. Синтез методом ФП. Поступали как в методике 1, но после продувки аргоном полимеризацию проводили в течение 16 часов при температуре 0 оС при облучении светом с длиной волны 365 нм (ультрафиолетовая лампа Vilber Lourmat, мощность 6W).

4. Синтез методом СП. Вместо бюкса использовали колбу. Поступали как в методике 1, но после продувки аргоном к смеси приливали 50 мл силиконового масла (полиметилсилоксановой жидкости – ПМС 400) и диспергировали содержимое колбы на механическом вибросмесителе в течение 15 мин.

Полимеризацию проводили в термостате при постоянной температуре 63 оС в течение 16 часов под воздействием ультразвука.

Подготовка сорбентов к работе. Полимеры, полученные методом блочной полимеризации, растирали в агатовой ступке, просеивали на лабораторных ситах и отбирали фракцию с размером частиц 250 – 400 мкм. Измельченные сорбенты промывали смесью метанол:уксусная кислота (9:1) до полного удаления темплата в промывной жидкости, контроль осуществляли спектрофотометрически. Затем полимеры промывали смесью метанол: вода (3:1) для удаления уксусной кислоты и высушивали на воздухе. Непосредственно перед сорбцией навеску сорбента промывали 1·10-3 М HCl. Частицы сорбента, синтезированного методом суспензионной полимеризации, отфильтровывалы на бумажном фильтре, отмывали от силиконового масла толуолом и удаляли темплат по методике, описанной выше.

В табл. 1 перечислены все синтезированные ПМО и соответствующие ПС, масса которых составляла 3 г.

Оценка удельной поверхности синтезированных сорбентов. Удельную поверхность полимеров определяли из низкотемпературной адсорбции азота методом тепловой десорбции. Анализ экспериментальных данных, представленных в табл. 1, показал, что в большинстве случаев полимеры с отпечатками 2,4-Д и двух других соединений имеют более развитую поверхность по сравнению с соответствующими ПС.

Таблица 1. Синтезированные ПМО и соответствующие ПС Дикамба (3,6-Дихлор-2-метоксибензойная кислота) (RS)-1-п-Хлорфенил-4,4-диметил-3-(1Н-1,2,4-триазол-1-илметил) пентан-3-ол На примере полимеров, при синтезе которых использовали одинаковое соотношение АА:2,4-Д=1:1, установлено, что удельная поверхность ПМО (указана в скобках, м2/г) зависит от их способа получения (указан в скобках) и уменьшается при переходе от ПМО3, (342, ТП-УЗ) к ПМО8, (128, ТП), к ПМО10 (37,5, СП) и далее к ПМО9 (33, ФП). Способ получения полимеров оказывает влияние и на удельную поверхность ПС, которая изменяется следующим образом: ТП-УЗ (ПС3, 8,6), ТП (ПС8, 68), СП (31,8) и ФП (ПС9, 32).

На примере полимеров с отпечатками 2,4-Д, синтезированных методом ТП-УЗ, показано, что величина удельной поверхности (указана в скобках, м2/г) возрастает при увеличении соотношения АА:2,4-Д в реакционной смеси от 1:0,25 (45) до 1:0, (315), и далее до 1:1 (342) и не изменяется при дальнейшем увеличении соотношения до 1:2 (343).

По-видимому, введенная в реакционную смесь 2,4-Д, наряду с растворителем, выступает в качестве порообразователя. Это предположение подтверждают данные, полученные при сравнении трех пар полимеров, синтезированных с одинаковым соотношением АА:2,4-Д: 1:0,5 (ПМО2, ПМО6), 1:1 (ПМО3, ПМО5) и 1:2 (ПМО4, ПМО7), но с разным количеством метанола в реакционной смеси. При меньшем содержании 2,4-Д в реакционной смеси удельная поверхность в большей степени зависит от содержания метанола и возрастает с увеличением его количества при переходе от ПМО6 (14) к ПМО2 (315). Напротив, при большем содержании 2,4-Д в реакционной смеси различия в удельной поверхности ПМО, синтезированных в присутствии разных количеств метанола становятся менее заметными (м2/г): 342 для ПМО3 и 324 для ПМО5; 343 для ПМО4 и 301 для ПМО7.На величину удельной поверхности влияет природа молекулы-темплата, что видно на примере пар полимеров, при синтезе которых использовали одинаковый состав реакционной смеси, а варьировали только молекулу-темплат. Удельная поверхность полимеров с отпечатками 2,4-Д, 3,6-ДМБ и RS, синтезированных с соотношением АА:Т=1:1, оказалась равной соответственно 342, 126 и 55 м2/г.

Исследование сорбционных свойств материалов с молекулярными отпечатками пестицидов. Исследование сорбционных свойств новых материалов проводили с привлечением результатов изучения распределения веществ в системе твердое тело – жидкость и построения изотерм сорбции (при варьировании состава растворов). Поскольку важными ожидаемыми свойствами полимеров с молекулярными отпечатками являются эффективность извлечения и способность распознавать молекулу-темплат, при оценке их сорбционных свойств сравнивали не только степени извлечения (коэффициенты распределения), но и значения импринтинг-факторов (IF). Импринтинг-факторы рассчитывали на линейных участках изотерм сорбции как отношение коэффициента распределения сорбируемого соединения при использовании ПМО к коэффициенту распределения этого соединения в случае ПС.

Из сравнения степеней извлечения, коэффициентов распределения и значений импринтинг-факторов 2,4-Д и двух других хлорсодержащих пестицидов на ПМО и соответствующих ПС (табл. 2) видно, что все синтезированные ПМО в той или иной степени обладают способностью к повторному связыванию 2,4-Д, 3,6-ДМБ и RS. Изучено влияние на селективность и эффективность ПМО различных факторов, варьируемых на стадии их синтеза: способа получения ПМО, соотношения ФМ:Т в реакционной смеси, природы целевой молекулы-темплата.

Таблица 2. Степени извлечения (R, %), коэффициенты распределения (D) и значения импринтинг-факторов на полимерах с молекулярными отпечатками и соответствующих им полимерах сравнения.

С = 1·10-4 М, СHCl = 0,01 M, V = 5 мл, mS = 0,040± 0,001 г, t = 60 мин, n=3, P=0, (RS)-1-п-Хлорфенил-4,4-диметил-3-(1Н-1,2,4-триазол-1-илметил) пентан-3-ол Влияние способа получения на сорбционные свойства ПМО изучено на примере четырех пар полимеров, при синтезе которых поддерживали постоянным отношение АА:2,4-Д=1:1 (ПМО3/ПС3, ПМО8/ПС8, ПМО9/ПС9, ПМО10/ПС10).

Установлено, что способ получения ПМО оказывает значительное влияние не только на эффективность сорбентов (табл. 2), но и на способность к повторному связыванию 2,4-Д (рис. 1).

Рис. 1. Значения импринтинг-факторов для полимеров, синтезированных с помощью различных способов.

СHCl =0,01 М, V=5 мл, mS= 0,040±0,001 г, t = 60 мин.

Для полимеров, синтезированных методом блочной полимеризации, значения IF изменяются от 34,5 (ПМО3, ТП-УЗ) до 6,4 (ПМО9, ФП) и далее до 2 (ПМО8, ТП);

ПМО10, синтезированный методом суспензионной полимеризации, по своим сорбционным свойствам уступает ПМО3 (R=98%, IF=19).

Влияние соотношения функциональный мономер:темплат в реакционной смеси на сорбционные свойства ПМО изучено на примере четырех пар полимеров (ПМО1 – ПМО4 и ПС1 – ПС4). Как видно из табл. 2 значения импринтинг-факторов возрастают при изменении соотношения ФМ:Т от 1:0,25 до 1:0,5 и далее к 1:1, и уменьшаются при увеличении соотношения до 1:2.

Влияние природы целевой молекулы-темплата на сорбционные свойства ПМО изучено на примере пар полимеров с отпечатками 2,4-Д (ПМО3 и ПС3), дикамбы (ПМО11 и ПС11) и (RS)-1-п-хлорфенил-4,4-диметил-3-(1Н-1,2,4-триазол-1илметил)пентан-3-ола (ПМО12 и ПС12). При синтезе этих пар полимеров поддерживали постоянным отношение АА:Т=1:1 и состав компонентов в реакционной смеси. Из сравнения изотерм сорбции (рис. 2) видно, что лучшей способностью к повторному связыванию целевой молекулы-темплата обладает полимер с отпечатком 2,4-Д. По-видимому, водородная связь между стерически доступной карбоксильной группой 2,4-Д и амидной – мономера (акриламида) играет важную роль в получении "качественных ПМО.

a, мкмоль/г Рис. 2. Изотермы сорбции 2,4-Д, (RS)-1-п-хлорфенил-4,4-диметил-3-(1Н-1,2,4триазол-1-илметил)пентан-3-ола и дикамбы на полимерах с отпечатками этих соединений (13) и соответствующих полимерах сравнения (13).

СHCl = 0,01 М, V = 5 мл, mS = 0,040±0,001 г, t = 60 мин. Сорбенты: ПМО3, ПС3 (1, 1); ПМО11, ПС11 (3, 3);ПМО12, ПС12 (2, 2).

Оценка селективности материалов с отпечатками 2,4-Д, синтезированных с помощью различных подходов. Для оценки селективности синтезированных нами сорбентов с отпечатками 2,4-Д мы изучили сорбцию на них структурно синтезированные методом термической полимеризации с использованием ультразвука (ПМО3, ПС3) и без использования ультразвука (ПМО8, ПС8), пары полимеров, синтезированные методами фотополимеризации (ПМО9, ПС9), и суспензионной полимеризации (ПМО10, ПС10), На этих сорбентах в статическом режиме изучена сорбция 2,4-Д и некоторых структурно родственных соединений:

3,4-дихлорфеноксиуксусной кислоты (3,4-Д), 2,4-дихлорфенола, 2- 3- и 4хлорфенола, дикамбы и 4-гидроксибензойной кислоты (4-ГБК). Показано, что все изученные сорбенты лучше всего сорбируют 2,4-Д. Ниже приведены ряды селективности, построенные в соответствии с уменьшением значения IF (указаны в скобках):

ПМО3: 2,4-Д (34,5) > 3,4-Д (15,4) > 4-хлорфенол (3,1) > 4-ГБК (2,2) > дикамба (1,9) > 3-хлорфенол (1,8) > 2,4-дихлорфенол (1,6), 2-хлорфенол (1,6).

ПМО8: 2,4-Д (2,0) > 3,4-Д (1,6) > 2,4-дихлорфенол (1,5), 4-хлорфенол (1,5), 3хлорфенол (1,5), 4-ГБК (1,5) > дикамба (1,4), 2-хлорфенол (1,4).

ПМО9: 2,4-Д (6,4) > 3,4-Д (1,8) > 2,4-дихлорфенол (1,5) > 4-ГБК (1,4) > 4хлорфенол (1,2), 3-хлорфенол (1,2) > 2-хлорфенол (1,0), дикамба (1,0).

ПМО10: 2,4-Д (19) > 3,4-Д (11) > дикамба (2,7) > 4-хлорфенол (2,3) > 3хлорфенол (2,0) > 2-хлорфенол (1,5) > 2,4-дихлорфенол (1,2), 4-ГБК (1,2).

Таким образом, в соответствии с ТЗ, синтезирована серия из 13-ти лабораторных образцов новых наноструктурированных сорбентов массой 3 г каждого на основе акриламида с отпечатками 2,4-дихлорфеноксиуксусной кислоты (2,4-Д), дикамбы и (RS)-1-п-хлорфенил-4,4-диметил-3-(1Н-1,2,4-триазол-1илметил) пентан-3-ола для концентрирования пестицидов. Эти сорбенты обеспечивают извлечение целевых компонентов из растворов на 95-100%.

Проведение исследований по концентрированию ПАУ. Сорбция в статических условиях. Для выбора наиболее эффективных сорбентов применяли математическое моделирование динамики сорбции. Для использования так называемых «линейных» моделей необходимо установление области линейности изотермы сорбции, поэтому исследовали сорбцию в статических условиях.

Эксперименты, проводимые в статических условиях, позволяют определить такие важные характеристики сорбционной системы, как коэффициент распределения и время установления сорбционного равновесия.

Непосредственно перед проведением статического эксперимента сорбенты кондиционировали (смачивали сорбент смешивающимся с водой растворителем) ацетонитрилом.

Для установления времени достижения равновесия в сорбционных системах получены зависимости степени извлечения нафталина от времени встряхивания.

Показано, что время установления сорбционного равновесия не превышало 30 мин.

Получены изотермы сорбции нафталина и бифенила на фторопластовых сорбентах. Коэффициенты распределения нафталина и диапазоны линейности приведены в табл. 3. Изотермы сорбции соединения на сорбентах Ф-2М и Ф-40П при содержании ацетонитрила в растворе 5% представлены на рис. 3. Область линейности 210-5 – 610-5М. При повышении концентрации нафталина более чем 110-4М, изотерма выходит на плато, что свидетельствует о плотном заполнении монослоя.

Таблица 3. Характеристики сорбции гидрофобных соединений на фторопластовых полимерах в статических условиях.

Сорбент Извлекаемое Kd, мл/г R, % Диапазон линейности * нет данных Емкость монослоя аm (значение удельной сорбции при плотном заполнении мономолекулярного сорбционного слоя) позволяет оценить удельную поверхность сорбента Sуд=аm·m·NA, где NA – число Авогадро, в том случае если известна площадь m, занимаемая молекулой сорбата в плотном монослое. Так, при емкости монослоя, равной 1.510-5 мМ/г, и площади молекулы нафталина, приблизительно равной 1 нм2, расчетные значения удельной поверхности сорбентов Ф-40П и Ф-2М составили 9.0 и 8.3 м2/г. Величины поверхности этих сорбентов, определенные методом тепловой десорбции азота, равны 9.07 и 8.37 м2/г, соответственно. Близкие значения величин, полученных двумя способами, свидетельствуют в пользу гипотезы о мономолекулярном заполнении поверхности фторопластов нафталином. В связи с тем, что при сорбции веществ на фторопластовых сорбентах обычно реализуются только неспецифические взаимодействия, эффективность сорбции зависит в основном от величины поверхности полимеров. Действительно, коэффициенты распределения нафталина, рассчитанные в области линейности изотермы сорбции, при использовании Ф-40П и Ф-2М равны соответственно 200 и 100 см3/г, а при сорбции на Ф-4ПН20 (3.2 м2/г) – менее 5 см3/г (табл. 3).

а•105, моль/г Рис. 3. Изотермы сорбции нафталина на фторопластовых сорбентах. Использовали сорбенты Ф-40П (1) и Ф-2М (2). Содержание ацетонитрила в растворе составляло 5%.

Также были получены изотермы сорбции бифенила и аценафтена на сорбентах Ф-2М и Ф-40П. Сорбция исследуемых веществ на этих сорбентах характеризуется коэффициентами распределения от 100 до 565.

Как видно из табл. 3, бифенил и аценафтен извлекаются на сорбенте Ф-2М лучше, чем нафталин, это является следствием большей гидрофобности этих соединений, logKow для нафталина, бифенила и аценафтена равен 3.36, 3.98 и 4. соответственно.

Таким образом, использование линейных моделей динамики сорбции для описания сорбции на всех перечисленных сорбентах правомочно при концентрации микрокомпонента в растворе, поступающем в колонку с сорбентом, не превышающей 310-5 М для нафталина, 210-5 М для бифенила и 310-6 М для аценафтена.

концентрирования и выбора эффективных сорбентов с использованием линейной модели динамики сорбции в настоящей работе были определены кинетические и термодинамические параметры сорбции. Для этого получены динамические выходные кривые сорбции нафталина на сорбентах Ф-4ТГ, Ф-42Л, Ф-4ПН, Ф-4АН, Ф-4М, Ф-4МБ, Ф-40Ш и Ф-40П, а также бифенила и аценафтена на сорбенте Ф-2М.

Получить динамические выходные кривые антрацена и пирена не удалось, т.к.

вследствие их низкой растворимости приготовить раствор с концентрацией 110- М в 5% ацетонитриле невозможно, а получать динамическую выходную кривую для раствора с меньшей концентрацией пришлось бы в течении очень длительного времени. Поэтому мы исходили из предположения, что условия извлечения менее гидрофобных соединений подходят и для более гидрофобных, если нет принципиальных отличий в их структуре и механизме извлечения.

Доказывали возможность применения линейной модели динамики сорбции для описания сорбции гидрофобных органических соединений на фторопластовых сорбентах, сравнивали остаточную дисперсию модели и дисперсию воспроизводимости экспериментальных данных. Нашли, что остаточная дисперсия модели на два порядка меньше дисперсии воспроизводимости результатов эксперимента, а это означает, что линейные модели внешнедиффузионной динамики сорбции удовлетворительно описывают динамические выходные кривые нафталина, бифенила и аценафтена на исследуемых сорбентах (рис. 4).

Основываясь на данных о механизме массопереноса, рассчитывали физикохимические характеристики для перечисленных сорбционных систем (табл. 4). При внешнедиффузионной кинетике массопереноса этими характеристиками являются распределения Кd.

Коэффициент массопереноса учитывает вклад конвекции, молекулярной и микрокомпонента, эффективной поверхностью раздела фаз, гидродинамикой потока.

C/C Рис. 4. Динамические выходные кривые сорбции нафталина на фторопластовых сорбентах.

Нафталин извлекали на сорбентах Ф-2М (1), Ф-40П (2) и Ф-4АН (3).

Экспериментальные данные - точки, расчетные кривые – сплошные линии.

Концентрация нафталина 510-5 М, содержание ацетонитрила 5%, скорость пропускания раствора 1.5 мл/мин, объем колонки с сорбентом 0.5 (1, 2), 4 (3) мл.

Таблица 4. Кинетические и термодинамические характеристики сорбции нафталина, бифенила и аценафтена на фторопластовых сорбентах.

Коэффициент распределения Кd отражает термодинамику сорбции и определяется силой взаимодействия сорбента и сорбируемого соединения.

Коэффициент распределения зависит от величины удельной поверхности сорбента.

Так, из табл. 4. видно, что сорбенты Ф-2М и Ф-40П заметно лучше сорбируют нафталин по сравнению с другими сорбентами, площадь поверхности которых меньше. Также октадецилсиликагель, имеющий намного большую поверхность по сравнению с фторопластами, лучше извлекает нафталин.

Для сравнения эффективности сорбентов были рассчитаны значения максимально достижимой эффективности концентрирования CEmax для каждой сорбционной системы, а затем, на основании полученных значений, были выбраны сорбенты, обеспечивающие наибольшую эффективность концентрирования. Для расчета CEmax необходимо задать значение коэффициента концентрирования Кконц и степени извлечения R. Рассчитанные значения CEmax и соответствующие времена сорбции при концентрировании аценафтена, бифенила и нафталина приведены в табл. 5. Расчеты проводили для степеней извлечения 95% и 90%, и коэффициента концентрирования 10, 50 и 100.

Таблица 5. Расчетные значения максимально достижимой эффективности концентрирования CEmax и соответствующего ей времени сорбции t при концентрировании нафталина, бифенила и аценафтена.

Сорбенты Соединения Кconc Таким образом, например, для достижения степени извлечения бифенила на колонке с сорбентом Ф-2М R=95% и коэффициента концентрирования Кконц= можно пропускать раствор с заданной концентрацией со скоростью 7.5 объемов колонки в минуту, для этого потребуется 34 минут. Наилучшие результаты для нафталина (наибольшая CEmax концентрирования) достигаются в случае использования Ф-40П (табл. 5.). Однако, этот сорбент не такой механически стабильный и не выдерживает нескольких циклов концентрирования в отличие от сорбента Ф-2М.

Для сорбента Ф-2М проведен расчет оптимальных условий концентрирования (размеры колонки, скорость прокачивания пробы, время концентрирования). При расчете использовали динамические выходные кривые нафталина на Ф-2М, полученные при разных скоростях потока. Расчеты приведены для извлечения нафталина, так как он является самым гидрофильным и, как следствие, менее удерживаемым, чем другие соединения; поэтому условия извлечения нафталина подходят и для более гидрофобных соединений.

Расчеты показали, что для достижения степени извлечения нафталина на сорбенте Ф-2М, равной 95%, при скорости пропускания 1.5 мл/мин, мы должны использовать колонку объемом 0.066 мл. В таком случае, время концентрирования займет 18 минут.

Для дальнейших экспериментов выбрали колонку объемом 0.06 мл и скорость пропускания 1 мл/мин. При увеличении скорости пропускания раствора через колонку с этим сорбентом противодавление резко возрастало. Гидрофобность антрацена и пирена выше, чем указанных соединений, поэтому мы предполагали, что в выбранных условиях они также должны извлекаться количественно.

2.3. Разработка лабораторных образцов анионообменных сорбентов на основе кремнеземов для градиентного разделения биологически важных биполярных соединений (плазминогенов).

Материалы и реагенты: кремнеземы - Силохром С-120 (размер частиц 100 мкм, удельная поверхность 120 м2/г) и Силасорб Si-600 (размер частиц 7,5 мкм, удельная поверхность более 580 м2/г). В качестве модификаторов поверхности использовали этилендиамин, диэтилентриамин, тетраэтиленпентамин (ч.д.а.) Сорбенты синтезировали по следующей схеме:

Методика синтеза. Готовили смесь (200 мл диоксана, 800 мл воды и 49,6 г K2CO3). В трехгорлую колбу с мешалкой помещали 70 мл полученной смеси, добавляли 22,5 мл ЭС-1 (3-глицидоксипропилтриэтоксисилана) и 20 мл этилендиамина (диэтилентриамина и тетраэтиленпентамина, соответственно) и нагревали 2 ч при перемешивании. Получался прочный гель, постепенно растворяющийся при добавлении 30 мл этанола и дальнейшем нагревании.

Добавляли еще 20 мл диоксана и 30 мл исходной смеси и перемешивали 1 ч на магнитной мешалке. В трехгорлую колбу с мешалкой и обратным холодильником помещали 200 г кремнезема Силохром С-120 или Силасорб Si-600 и 600 мл ацетатного буферного раствора (рН 5,45), смесь кипятили на водяной бане при перемешивании. Приливали реакционную смесь и нагревали 2,5 ч. Полученный дистиллированной воды.

Обсуждение результатов. Сорбенты охарактеризовали на основе данных элементного анализа, потенциометрического кислотно-основного титрования (плотность прививки олигоэтиленаминов, буферная емкость сорбентов), по реакции с нингидрином и сорбции ионов меди(II). Полученные данные представлены в табл. 6. Прививка олигоэтиленаминов по эпоксигруппам позволяет достичь высокой плотности закрепленных функциональных групп – до 1,1 – 1, молекулы/нм2; это увеличивает ионообменную емкость сорбентов и позволяет использовать их для препаративного и полупрепаративного разделения. Все сорбенты синтезировали в количестве двух-трех лабораторных партий, свойства воспроизводились во всех партиях.

Таблица 6. Синтезированные анионообменные сорбенты.

прививки, молекул/нм (мкм) стабильности матрицы емкость, ммоль/г содержание первичных аминогрупп от общего числа аминогрупп*, % постоянной буферной емкостью По диапазону рН, в котором буферная емкость постоянна, по величине буферной емкости и кислотно-основным характеристикам оптимальным представляется сорбент с привитыми группами тетраэтиленпентамина. Кривые потенциометрического кислотно-основного титрования для сорбента Tetren-SiO наиболее плавные, что говорит о перспективности формирования на нем градиентов рН для разделения биологически важных биполярных веществ.

полифункиональным (т.к. содержит первичные и вторичные аминогруппы, а также эпоксигруппы) и проявляет полиэлектролитные свойства, что способствует созданию плавного градиента в более широком диапазоне рН и позволяет использовать его для градиентного разделения сложных смесей веществ. Для градиентного разделения в варианте ВЭЖХ по аналогичной методике синтезировали сорбент на основе кремнезема Силасорб Si-600 с привитыми группами тетраэтиленпентамина. Полученный сорбент охарактеризован, результаты представлены в таблице.

Сорбент Tetren-SiO2 на основе Силасорба Si-600 использовали для полупрепаративного отделения изоформ плазминогенов.

Таким образом, в соответствии с ТЗ, синтезирована серия из 4-х лабораторных образцов анионообменных сорбентов массой 200 г каждого на основе кремнеземов для градиентного разделения биологически важных биполярных соединений (плазминогенов). Эти сорбенты характеризуются плотностью прививки олигоэтиленаминов 1,1 – 1,4 молекулы/ нм2, размер частиц составляют от 7,5 до 100 мкм.

2.4. Разработка методик сорбционно-спектрофотометрического и сорбционно-жидкостно-хроматографического определения органических токсикантов в водах.

Методика концентрирования 2,4-дихлорфеноксиуксусной кислоты ( 2,4-Д ) с помощью высокоселективного наноструктурированного сорбента – полимера на основе акриламида с отпечатками 2,4-Д. Концентрирование 2,4-Д проводили в динамическом режиме на микроколонке (l=15 мм, d=2,7 мм), заполненной ПМО3 с отпечатками 2,4-Д с размером частиц менее 250 мкм. Перед использованием колонку промывали метанолом, затем дистиллированной водой, и непосредственно перед сорбцией 0,01 М раствором HCl. Скорость пропускания раствора через колонку поддерживали постоянной и равной 0,7 мл/мин. Размеры колонки были подобраны таким образом, чтобы, с одной стороны, обеспечить количественное извлечение 2,4-Д, а с другой – провести его десорбцию минимальным объемом элюента.

Экспериментально установлено, что при пропускании через микроколонку 25 и 100 мл водного раствора 2,4-Д с концентрацией 1·10-5М в присутствии 0,01 М HCl она сорбируется на 95 ± 3% и 90 ± 4% соответственно (n = 3, Р = 0,95).

2,4-Д элюировали метанолом в противоточном режиме. Перед элюированием колонку промывали 1 мл дистиллированной воды. Установлено, что при пропускании через колонку 1 мл метанола 2,4-Д десорбируется на 95%, а увеличение объема элюента до 2 мл позволяет десорбировать это соединение на Правильность и воспроизводимость результатов определения 2,4-Д на микроколонке с размером частиц 250 – 400 мкм подтверждена методом «введено – найдено» в модельном растворе на основе водопроводной воды. Полученные результаты приведены в табл. 7.

Таблица 7. Проверка правильности методики динамического сорбционного концентрирования 2,4-дихлорфеноксиуксусной кислоты методом «введенонайдено» на микроколонке заполненной ПМО на основе акриламида с отпечатками 2,4-Д. V = 25 мл, = 0,7 мл/мин, n = 3, P = 0, Методика концентрирования 2,4-дихлорфеноксиуксусной кислоты и ее последующего определения в элюате спектрофотометрическим методом.

Спектрофотометрическое определение 2,4-Д в элюате проводили с использованием хромотроповой кислоты. Известно, что в среде концентрированной серной кислоты 2,4-Д разлагается до формальдегида, который вступает во взаимодействие с хромотроповой кислотой с образованием окрашенного в вино-красный цвет продукта (570 нм). При оптимизации условий проведения спектрофотометрической реакции варьировали температуру, время нагревания раствора и концентрацию реагента. Установлено, что максимальный выход продукта наблюдается при 135 – 140oC, при этом время нагревания реакционной смеси не должно превышать 70 с.

При меньшем времени нагревания продукт не успевает образоваться, а при увеличении времени нагревания и температуры в системе начинают протекать конкурирующие процессы, связанные, по-видимому, с окислительной деструкцией хромотроповой кислоты. При варьировании концентрации хромотроповой кислоты установлено, что для образования окрашенного продукта ее необходимо вводить в реакционную смесь в большом избытке.

Метрологические характеристики методики спектрофотометрического определения 2,4-Д после сорбционного концентрирования на ПМО приведены в табл. 8.

концентрирование на ПМО позволяет снизить предел обнаружения 2,4 Д до мкг/л, что ниже ПДК для природной и питьевой воды в 200 и 6 раз соответственно.

Правильность методики подтверждена методом «введено-найдено» при анализе модельного раствора, приготовленного на речной воде (р. Москва). При определении 90 мкг/л 2,4-Д найдено 88±2 мкг/л (sr=0,02, n = 3, Р = 0,95).

спектрофотометрическим методом по реакции с хромотроповой кислотой Концентрирование на заполненной ПМО Таким образом, в соответствии с ТЗ, разработана методика сорбционноспектрофотометрического определения 2,4-дихлорфеноксиуксусной кислоты в питьевой и природных водах, обеспечивающая определение целевого вещества с пределом обнаружения на уровне 0,16 ПДК для питьевых вод и 0,005 ПДК для природных вод.

Методика концентрирования 2,4-дихлорфеноксиуксусной кислоты дикамбы, 2-хлорфенола и 2,4-дихлорфенола и ее последующего определения в элюате методом ВЭЖХ. С целью разработки хроматографической методики определения 2,4-Д была изучена сорбция в динамических условиях 2,4-Д, дикамбы, 2-хлорфенола и 2,4-дихлорфенола из 25 и 100 мл раствора. Эти соединения присутствовали в модельной смеси одновременно, причем концентрация каждого соединения была равна 1 мкг /мл при сорбции из 25 мл и 0,25 мкг /мл при сорбции из 100 мл. Контроль за сорбцией осуществляли хроматографически. Полученные результаты приведены в табл. 9. Установлено, что сорбированные соединения количественно десорбируются с микроколонки 1 мл метанола.

Оптимизированы условия хроматографического определения и разделения соединений: неподвижная фаза – Mightysil RP-18, подвижная фаза – ацетонитрил (35%):вода(64,9%):H3PO4(0,1%), скорость потока подвижной фазы – 1мл/мин, = 225 нм. На рис. 5 приведена хроматограмма модельной смеси после концентрирования из 25 мл. Характеристики методик определения соединений приведены в табл. 10.

Таблица 9. Степени извлечения 2,4-Д, 2-хлорфенола, дикамбы и 2,4-дихлофенола на полимере с молекулярными отпечатками в динамических условиях СHCl =0,01 М, V=25 мл, 100 мл v=0,7 мл/мин, n=3, P=0, Рис. 5. Хроматограмма разделения модельной смеси, полученной после концентрирования соединений из 25 мл. 1 – 2-хлорфенол; 2 – дикамба; 3– 2,4-Д; 4 – 2,4-дихлорфенол. Концентрация каждого компонента в исходном растворе составляла 2 мкг/мл.

Таблица 10. Характеристики методик определения 2-хлорфенола, дикамбы, 2,4-Д концентрированием на микроколонке, заполненной ПМО, из 25 (II) и 100 (III) мл водного раствора

I II III I II III

Методика применена для анализа модельного раствора, приготовленного на основе речной воды (табл. 5).

Таблица 11. Результаты определения 2-хлорфенола, дикамбы, 2,4-Д и 2,4дихлорфенола в модельном растворе, приготовленном на основе речной воды Таким образом, в соответствии с ТЗ, разработана методика сорбционножидкостно-хроматографического определения 2,4-дихлорфеноксиуксусной кислоты, дикамбы, 2,4-дихлорфенола и 2-хлорфенола в питьевой и природных водах, обеспечивающая определение целевых веществ с пределом обнаружения на уровне ПДК.

2.5. Разработка методики определения глюкозы методом ТСХ в соках и напитках, а также методики определения анилина в объектах окружающей среды и биологических жидкостях, методики качественного и количественного рентгеноэлектронного определения углерода, фтора и кислорода в тонких полимерных пленках, осажденных на поверхности кремния.