Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ВОЛЬТАМПЕРОМЕТРИЧЕСКОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ НАНОЧАСТИЦ FeO НА УГОЛЬНО-ПАСТОВОМ ЭЛЕКТРОДЕ

Изобретение относится к электрохимическим методам анализа, а именно к вольтамперометрическому способу определения твердофазных наночастиц Fe₂O₃ на угольно-пастовом электроде.

Известен метод мессбауэровской спектроскопии изучения физико- химических свойств железосодержащих наночастиц, основанный на изучении резонансного поглощения без отдачи монохроматического Y-излучения, испускаемого радиоактивным источником [Шипилин А.М. Мессбауэровская спектроскопии наночастиц железосодержащих окислов. Автореферат дис. доктора физико-математических наук. Ярославль, 2000, 37 с.].

Исследовано изменение характера агрегированности наночастиц в магнитных жидкостях при изменении концентрации. Изучен один из возможных механизмов биоминерализации железа бактериями. Обнаружены магнитноупорядоченные вещества в составе различных органов растений.

Проведенные исследования позволили получать информацию о свойствах наночастиц: перестройке структуры при изменении размера и температуры; магнитном состоянии; поведении ансамбля частиц в жидкости. Полученные результаты могут быть использованы при диагностике железосодержащих частиц бактериального, почвенного происхождения, а также магнитноупорядоченных соединений тканей растений. Предложенный способ не позволяет проводить оценку количественного содержания наночастиц состава Fe₂O_3.

Известен способ идентификации и количественного определения твердофазных веществ методом вольтамперометрии с использованием угольного пастового электрода, например высокотемпературных керамических сверхпроводников на основе Y-Ba-Cu-O [Каплин А.А., Свищенко Н.М., Дубова Н.М., Слепченко Г.Б., Карбаинов Ю.А., Иванов Г.Ф. Идентификация сверхпроводящих свойств YBa2Cu3O6.5+Х методом вольтамперометрии твердых фаз. Ж. аналит. химии, 1991, т.46, В.5, с.976-980.2]. Указанный способ идентификации сверхпроводящих свойств основан на определении аналитических сигналов катодных токов и их соотношений на вольтамперных кривых сверхпроводников из угольного пастового электрода в дифференциальном режиме на фоне 0,5М НСl. Однако данных по определению наночастиц Fe₂O₃ указанным способом нет_.

Известен способ количественного определения в растворе железа (III) по величине анодного пика окисления трилонатного комплекса железа (II) на золотографитовом электроде с использованием метода вольтамперометрии. Условия определения железа (III) в этой работе рекомендованы следующие: постояннотоковый режим регистрации вольтамперограмм (1-я производная), поляризующее напряжение для электронакопления Е_э=-1.0 В; скорость линейного изменения потенциала, 80 мВ/с; время электролиза 30 с; потенциал аналитического сигнала (пика), Е_п=-0.12 В; фоновый электролит 0,01 моль/дм³ трилон Б. Указанный способ не позволяет определять непосредственно твердофазные наночастицы Fe₂O₃ [Слепченко Г.Б., Гиндуллина Т.М, Черемпей Е.Г, Хлусов И.А., Щукина Т.И., Федущак Т.А. Разработка вольтамперометрического определения железа и серебра для оценки степени деградации наночастиц на их основе. Известия Томского политехнического университета, 2011, т.318, №3, стр.46].

Задачей заявленного изобретения является разработка вольтамперометрического способа определения твердофазных наночастиц Fe₂O₃ и методик их определения в различных, в том числе биологических, объектах.

Поставленная задача достигается тем, что вольтамперометрический способ определения наночастиц Fe₂O₃ включает электрохимическое превращение наночастиц Fe₂O₃ на угольно-пастовом электроде в фоновом электролите - 0,02 моль/дм³ раствор трилон Б (рН 3 - 4) при потенциале электролиза Е_э, равном (-0,12±0,01)В, относительно хлоридсеребряного электрода, с последующей регистрацией анодного пика в постояннотоковом режиме регистрации вольтамперограмм при скорости развертки потенциала 80 - 90 мВ/с, концентрацию Fe₂O₃ определяют по высоте анодного пика в диапазоне потенциалов (-0,12±0,01)В.

Вольтамперные кривые электрохимических превращений наночастиц Fe₂O₃ регистрировались в постоянно токовом (1-я производная) режиме с изменением потенциала со скоростью 80 - 90 мВ/с от -1,2 до+1,0 В (анодная развертка) или от+1,0 до -1,2 В (катодная развертка). Аналитическим сигналом является величина анодного пика при потенциале (-0,12±0,01) В, который регистрировался в анодном режиме после катодной поляризации электрода. В качестве электрода сравнения использован хлоридсеребряный электрод (ХСЭ), а в качестве фонового электролита - 0,02 моль/дм³ трилон Б (рН 3 - 4). Для изготовления УПЭ порошок спектрального графита марки С-4 с размером частиц 100-200 мкм смешивали с силиконовым маслом (1 г порошка и 0,5 мл масла) и вводили в тефлоновую трубку диаметром 5 мм. Токоподвод осуществлялся через стандартный графитовый электрод.

Величина анодного пика наночастиц Fe₂O₃ линейно возрастала с увеличением массовой доли их в УПЭ. Массовая доля наночастиц Fe₂O₃ в УПЭ варьировалась в диапазоне (0,5- 10) %, взвешивание наночастиц и графита проводилось на аналитических весах с точностью до 0,0002 г (Фиг.1).

Предлагаемый вольтамперометрический способ позволил проводить идентификацию и количественное определение наночастиц Fe₂O₃ и разработать методику их количественного определения в различных, в том числе биологических, объектах.

Измерения проводили на компьютеризованных вольтамперометрических анализаторах СТА и СТА - элемент (ООО «ИТМ», г. Томск).

На фиг.1 изображена зависимость величины анодного пика наночастиц Fe₂O₃ от массовой доли их из УПЭ. Условия: Фон - (0,02М Трилон Б+0,01M HCl).

На фиг.2 изображена дифференциальная анодная вольтамперограмма наночастиц Fe₂O₃ из УПЭ. Условия: Фон - (0,02М Трилон Б+0,01M HCl); (1- фоновый электролит; 2- с добавками наночастиц Fe₂O₃.)

На фиг.3 изображена дифференциальная анодная вольтамперограмма модельного анализируемого вещества

Условия: Фон - (0,02М Трилон Б+0,01M HCl); 1 - фоновый электролит; 2 - модельное анализируемое вещество; 3 - модельное анализируемое вещество с наночастицами Fe₂O₃, m=2,0 мг.

Пример. Определение содержания наночастиц на УПЭ методом вольтамперометрии с использованием градуировочного графика. Взвешивали наночастицы Fe₂O₃ массой 0,0015-0,0108 г, переносили в агатовую ступку, проводили тщательное растирание, смешивали с заранее растертым порошком спектрального графита марки С-4 с размером частиц 100-200 мкм, смешивали с силиконовым маслом (0,1 г порошка и 0,05 мл масла) и вводили в тефлоновую трубку диаметром 5 мм. Массовая доля наночастиц Fe₂O₃ в приготовленной пасте варьировалась в диапазоне (0,5- 10) %. Регистрировали анодный пик в фоновом электролите - 0,02 моль/дм³ раствор трилон Б (рН 3 - 4) при потенциале (-0,12±0,01)В после анодной поляризации электрода в постояннотоковом режиме (1-я производная), скорость развертки потенциала 80 - 90 мВ/с (Фиг.3). Далее по градуировочному графику (Фиг.1) определяли содержание наночастиц Fe₂O₃ в модельном образце. Результаты определения приведены в таблице (см. ниже).

Предложенный способ прост, не требует большого количества реактивов и трудозатрат и может быть приемлем в любой химической лаборатории, особенно в настоящее время, когда налажен выпуск отечественной и зарубежной электроаппаратуры с контрольным управлением и обработкой данных (анализаторы типа СТА, ТА и др.). Предложенный способ может быть использован в фармацевтических исследованиях, в технологическом контроле при производстве наноматериалов.