Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПИРИДИНА В ВОЗДУХЕ

Область техники

Настоящее изобретение относится к аналитической химии органических соединений и может быть применено для определения содержания пиридина в воздухе и выдохе человека.

Уровень техники

Так как пиридин является токсичным соединением, то проблема его детектирования является актуальной и требует новых разработок. Кроме того, известно, что при определенных заболеваниях в выдохе человека увеличивается концентрация пиридина, и детектирование его следов может быть использовано при диагностике этих заболеваний.

Из существующего уровня техники известны следующие способы определения пиридина в воздухе: по собственной флуоресценции, по изменению поверхностных свойств пластинки при сорбции пиридина, колориметрические методы (CN 101788481 (А) опубл. 07.28.2010, WO 2007114192 (А1) опубл. 11.10.2007, CN 2634469 (Y) опубл. 18.08.2004, US 2006263257 (А1) опубл. 23.11.2006, JP 4216450 (А) опубл. 08.06.1992, US 4513087 (А) опубл 23.04.1985).

Наиболее близким к заявленному техническому решению является способ детектирования пиридина колориметрическим методом (US 2006263257 (А1) опубл. 23.11.2006), который заключается в том, что при воздействии пиридина на силикатную матрицу, на которую адсорбирован краситель Бромкрезоловый синий, матрица меняет свой цвет. Данное изменение можно детектировать и по его величине определять концентрацию пиридина в воздухе. Недостатком данного технического решения является низкая селективность по отношению к другим аминам, что не позволяет регистрировать пиридин на их фоне.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является селективное детектирование пиридина на фоне алифатических аминов и аммиака.

Данная задача решается за счет того, что в способе определения пиридина в воздухе, заключающемся в том, что сенсорный слой, содержащий иммобилизованный флуорофор дибензоилметанат дифторида бора (ДБМВF₂) или его метил- или метокси-производные, освещают светом с максимумом интенсивности в области длин волн 360-380 нм и регистрируют интенсивность флуоресценции сенсорного слоя, по увеличению которой определяют появление паров пиридина.

В зависимости от концентрации ДБМВF₂ он может существовать в двух различных формах - мономерной и димерной, причем эти две формы имеют разные спектры флуоресценции.

При использовании слоя с иммобилизованным флуорофором при концентрации, обеспечивающей его существование в мономерной форме, появление паров пиридина определяют по увеличению интенсивности флуоресценции в диапазоне длин волн 400-500 нм.

При использовании слоя с иммобилизованным флуорофором при концентрации, обеспечивающей наряду с мономерами образование димеров, появление паров пиридина определяют по увеличению интенсивности флуоресценции в диапазоне длин волн 400-500 нм и одновременному уменьшению интенсивности флуоресценции в диапазоне длин волн 500-600 нм.

Воздействие алифатических аминов приводит к уменьшению флуоресценции.

Способ осуществляется с помощью дешевых и обратимых флуоресцентных сенсорных материалов на основе флуорофора ДБМВF₂ и его производных с использованием малогабаритной оптоволоконной техники для анализа флуоресцентного выходного аналитического сигнала.

Химическая формула дибензоилметаната дифторида бора приведена ниже.

Авторами было установлено, что пиридин образует флуоресцирующие эксиплексы с ДБМВF₂, что, в свою очередь, приводит к изменению формы спектра и интенсивности флуоресценции. Также было установлено, что алифатические амины эксиплексов не образуют, а вызывают простое тушение флуоресценции ДБМВF₂. Это позволяет детектировать пиридин на фоне алифатических аминов.

Одной из важных особенностей реакции образования эксиплексов ДБМВF₂/пиридин является ее обратимость. При уменьшении концентрации паров аналитов в окружающем воздухе межмолекулярные комплексы на поверхности распадаются, и система флуорофор/матрица возвращается в исходное состояние. Таким образом, один образец можно использовать многократно для измерений различных аналитов и их концентраций.

Размеры образца, необходимого для измерений, определяются только удобством манипулирования с ним, так как полезная область образца, с которой производится считывание флуоресцентного сигнала, составляет площадь не более 1 мм².

Эксперименты показали, что в качестве полимерных матриц, пригодных для адсорбции ДБМВF₂ в мономерной или димерной форме могут быть использованы матрицы, имеющие в своем составе полярные группы, например ОН-группы. В частности, могут быть использованы пластины для тонкослойной хроматографии (ТСХ-пластины) на основе силикагелей. Поскольку химический синтез ДБМВF₂ является сравнительно простым и дешевым, то очевидно, что сенсорные материалы на основе флуорофоров типа ДБМВF₂ и силикагельных матриц могут иметь настолько низкую цену, что в случае необходимости могут быть использованы для одноразовых измерений.

Небольшое (в пределах минуты) время отклика (время регистрации выходного сигнала) является одним из наиболее важных требований к сенсорам на пиридин. Использование флуоресценции в качестве аналитического сигнала позволяет сравнительно легко получить эти значения. Показано, что тушение флуоресценции мономеров и разгорание флуоресценции эксиплексов в изученных образцах происходит в течение нескольких десятков секунд.

Большим преимуществом предлагаемого способа определения пиридина является возможность измерения аналитического сигнала с помощью малогабаритной оптоволоконной техники. Использование флуоресцентных зондов и оптоволокон делает возможным дистанционные измерения и измерения в труднодоступных местах.

Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, являются малое время отклика сенсорного материала, простота измерений, возможность селективного детектирования пиридина на фоне алифатических аминов, возможность многократного использования материала.

Сущность изобретения поясняется рисунками, на которых изображено:

На фиг.1 - спектральные изменения для образца с флуорофором в мономерной форме в присутствии насыщенных паров бензола.

На фиг.2 - кинетика изменения интенсивности флуоресценции образца с флуорофором в мономерной форме на трех длинах волн (420, 440 и 500 нм) при экспонировании образца в парах бензола. Стрелками обозначены моменты впуска (1) и выпуска (2) паров.

На фиг.3 - спектральные изменения для образца с флуорофором в мономерной форме в присутствии насыщенных паров пиридина.

На фиг.4 - кинетика изменения интенсивности флуоресценции образца с флуорофором в мономерной форме на трех длинах волн (420, 440 и 500 нм) при экспонировании образца в парах пиридина. Стрелками обозначены моменты впуска (1) и выпуска (2) паров.

На фиг.5 - изменение свечения образца №2 под действием насыщенных паров пиридина.

На фиг.6 - спектральные изменения для образца №1 в присутствии в воздухе насыщенных паров триметиламина.

На фиг.7 - кинетика изменения интенсивности флуоресценции образца №1 на трех длинах волн (420, 440 и 500 нм) при экспонировании образца в парах триметиламина. Стрелками обозначены моменты впуска (1) и выпуска (2) паров.

Предложенный способ детектирования пиридина осуществляется следующим образом. ДБМВF₂ или его метил- или метокси- производное адсорбируют или ковалентно прививают на матрице, содержащей полярные группы (например, ОН-группы). В зависимости от концентрации красителя на поверхности матрицы, он может существовать в двух различных формах - мономерной и димерной, причем эти две формы имеют разные спектры флуоресценции.

Сенсорный слой, в котором преобладает флуорофор в мономерной форме, имеет узкий спектр флуоресценции в районе 400-500 нм с двумя максимумами в районе 420-450 нм (см. фиг.3). При воздействии паров пиридина на такой слой происходит увеличение интенсивности флуоресценции на всех длинах волн (см. фиг.3 и фиг.4).

В том случае, когда флуорофор в матрице наряду с мономерной формой присутствует значительная доля димерной формы, спектр флуоресценции расположен в области 400-600 нм, имеет максимум на длине 443 нм и два плеча в районе 430 нм и 450-550 нм. При воздействии пиридина на такой сенсорный слой происходит изменение формы спектра флуоресценции, сопровождающееся увеличением интенсивности в диапазоне длин волн 400-500 нм и уменьшением интенсивности в диапазоне 500-600 нм (см. фиг.5). В случае присутствия димерной формы, изменения флуоресценции в области 440 нм имеют более выраженный характер.

При воздействии алифатических аминов, в частности триметиламина, происходит тушение флуоресценции (см. фиг.6 и фиг.7). Ранее авторами было показано (В.А. Сажников, В.М. Аристархов, А.Г. Мирочник, Е.В. Федоренко, М.В. Алфимов. Тушение флуоресценции дибензоилметаната дифторида бора, адсорбированного на силикагеле, парами полярных растворителей. Доклады АН, 2011, том 437, №2, с.201-204 [1]; В.А. Сажников, В.М. Аристархов, А.А. Сафонов, А.А. Багатурьянц, А.Г. Мирочник, Е.В. Федоренко. М.В. Алфимов. Спектры флуоресценции и структура мономеров и димеров дибензоилметаната дифторида бора, адсорбированного на силикагеле. Химия высоких энергий, 2011, том 45, №4, с.347-351 [2]), что при взаимодействии мономеров ДБМВF₂ и его производных с парами бензола образуется флуоресцирующий эксиплекс, в результате чего происходят изменения флуоресценции (см. фиг.1 и фиг.2). Изменения флуоресценции в случае воздействия бензола и пиридина на мономеры ДБМВF₂ в обоих случаях сходны, что свидетельствует о том, что в случае пиридина также образуется эксиплекс.

При взаимодействии паров пиридина с сенсорным слоем, в котором преобладает димерная форма ДБМВF₂, по-видимому, происходит частичное разрушение димеров с параллельным образованием эксиплексов, что приводит к уменьшению интенсивности флуоресценции в диапазоне 500-600 нм и ее разгоранию в диапазоне 400-500 нм.

При воздействии алифатических аминов эксиплексы не образуются, а происходит тушение флуоресценции, вызванное, по-видимому, фотохимической реакцией ДБМВF₂ с аминами.

Возбуждение флуоресценции и регистрация выходного флуоресцентного сигнала осуществляется с помощью флуоресцентного зонда, присоединенного к малогабаритным источнику света (светодиоду) и оптоволоконному спектрофлуориметру.

Рассмотрим конкретные примеры реализации данного изобретения. Использовалось два образца из микрочастиц силикагеля марки Merck (Silica gel 60 (0.040-0.063 mm) for column chromatography), к поверхности которых был ковалентно привит ДБМВF₂, с разной плотностью прививки (образец №1 с ДБМВF₂ в основном в форме мономера и образец №2, содержащий наряду с мономером ДБМВF₂ значительную долю его димерной формы). Прививку ДБМВF₃ к поверхности силикагеля производили согласно ранее разработанному нами способу (В.А. Сажников, A.M. Музафаров, В.Н. Копысов, В.М. Аристархов, Ю.Н. Кононевич, И.Б. Мешков, Н.В. Воронина, М.В. Алфимов. Кремнеземные нано-частицы с ковалентно привитым флуорофором как супрамолекулярные хеморецепторы с селективным откликом на аналиты. Российские нанотехнологии, 2012, том 7, №1-2, с.24-30 [3]).

Спектры флуоресценции образцов регистрировали с помощью введенного в бокс оптоволоконного флуоресцентного зонда R400-7 UV/VIS, присоединенного к оптоволоконному спектрофлуориметру D-2000 Ocean Optics. В качестве источника света использовали светодиод (λ_макс=375 нм).

Пример 1. На фиг.3 представлена зависимость спектра флуоресценции образца №1. Видно, что в присутствии паров пиридина происходит увеличение интенсивности флуоресценции. На фиг.4 представлены зависимости интенсивности флуоресценции на трех длинах волн - 420, 440 и 500 нм. Стрелками обозначены моменты впуска и выпуска паров пиридина. Из рисунка видно, что появление паров вызывает рост интенсивности флуоресценции на всех трех длинах волн.

Пример 2. На фиг.5 представлена зависимость спектра флуоресценции образца №2. Видно, то в присутствии паров пиридина происходит одновременное увеличение интенсивности флуоресценции в диапазоне 400-500 нм и уменьшение в диапазоне 500-600 нм.

Пример 3. На фиг.6 представлена зависимость спектра флуоресценции образца №1 под влиянием триметиламина. Видно, что в присутствии триметиламина происходит тушение флуоресценции. На фиг.7 представлены зависимости интенсивности флуоресценции на трех длинах волн - 420, 440 и 500 нм, стрелками обозначены моменты впуска и выпуска амина. Видно, что влияние амина вызывает уменьшение интенсивности на всех длинах волн.