УДК 543.42; 543.062

СИНТЕЗ ПЕНОПОЛИУРЕТАНА, МОДИФИЦИРОВАННОГО НАНОЧАСТИЦАМИ ЗОЛОТА, И ЕГО ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ АСКОРБИНОВОЙ КИСЛОТЫ

© 2010 г. М.Н. Марагаева, П.А. Волков, В.В. Архипова, В.В. Апяри

Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова,
химический факультет

119991 Москва, ГСП-2, Ленинские горы, 1, стр.3

Изучена возможность синтеза пенополиуретана, модифицированного наночастицами золота путем сорбции золотохлористоводородной кислоты и ее последующего восстановления в фазе пенополиуретана аскорбиновой кислотой. Изучено влияние различных факторов на сорбцию золотохлористоводородной кислоты и ее восстановление в пенополиуретане. Модифицированный наночастицами золота пенополиуретан использован в роли аналитической формы в спектроскопии диффузного отражения для определения аскорбиновой кислоты с пределом обнаружения 0,05 мкг/мл. Диапазон линейности составил 0,15 – 1 мкг/мл. Способ применен для определения аскорбиновой кислоты в витамине «Ревит».

Ключевые слова: пенополиуретан, наночастицы золота, спектроскопия диффузного отражения, определение аскорбиновой кислоты

Наночастицы, то есть частицы с размерами от единиц до сотен нанометров, привлекают в последнее время большое внимание в различных областях химии, физики, медицине и фотонике [1]. Среди наночастиц и наноструктур, особое место занимают наночастицы (НЧ) золота, которые благодаря своим уникальным физическим и химическим свойствам и относительной простоте получения широко используют в биохимии и медицине, иммунохимии, катализе, химическом анализе и других отраслях науки [2 – 4].

Направления использования наночастиц золота в химическом анализе разнообразны. Их применяют в электрохимическом и биоэлектрохимическом анализе [5, 6], в хроматографических и электрофоретических методах [7, 8], для усиления сигнала пьезокварцевых сенсоров, в химических и иммуносенсорах [9 – 11]. Кроме того, в последние 10 лет появились работы, указывающие на то, что НЧ золота можно использовать в качестве спектрофотометрических реагентов и в спектрофотометрии и тест-методах анализа.

Стратегия применения наночастиц золота в спектрофотометрическом анализе в большинстве случаев сводится к следующему: к раствору определяемого компонента добавляют определенное количество предварительно синтезированных НЧ золота и регистрируют изменения оптических характеристик анализируемых растворов спектрофотометрически или визуально. В биохимии наночастицы золота часто используются в индикаторных тест-полосках. Основными их преимуществами являются стабильность, легкость визуального детектирования и экспрессность аналитической процедуры.

Уникальные оптические свойства наночастиц золота обусловлены явлением поверхностного плазмонного резонанса (ППР), которое проявляется в возникновении интенсивной полосы поглощения в видимой области спектра и резкой зависимости ее положения от степени агрегации наночастиц [12 – 14]. Этот эффект используют для разработки спектрофотометрических методик определения ионов металлов, анионов и органических соединений, каким-либо образом изменяющим интенсивность полосы ППР или приводящим к ее смещению. К недостаткам описанного подхода можно отнести зачастую узкий диапазон линейности градуировочных зависимостей, малое изменение оптической плотности, невозможность работы в мутных и окрашенных средах. Проблему можно было бы решить в рамках сорбционно-спектроскопических методов анализа. В настоящей работы для этой цели предложено использовать пенополиуретан. Этот полимерный материал обладает рядом существенных достоинств, необходимых для разработки сорбционно-спектроскопических методов, таких как отсутствие собственной окраски, химическая устойчивость, механическая прочность в сочетании с эластичностью, легкость отделения от раствора, дешевизна и доступность.

Цель настоящей работы состояла в изучении возможности синтеза пенополиуретана, модифицированного наночастицами золота, и использования его в роли аналитической формы для определения аскорбиновой кислоты с помощью спектроскопии диффузного отражения.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Реагенты, аппаратура и техника эксперимента. В качестве сорбента применяли пенополиуретан (ППУ) 5-30 на основе простых полиэфиров. Сорбент использовали в виде таблеток (высота 5 мм, диаметр – 16 мм, масса ~0,02 г), которые выбивали металлическим пробойником из промышленного листа полимера. Для очистки от примесей таблетки ППУ встряхивали с ацетоном, после чего высушивали до воздушно-сухого состояния. Таблетки хранили в защищенном от света месте.

В работе использовали золотохлористоводородную кислоту (х.ч.), аскорбиновую кислоту (ч.д.а.), серную кислоту (х.ч.), гидроксид натрия (ч.). Исходные водные растворы золотохлористоводородной и аскорбиновой кислот готовили растворением их точных навесок в дистиллированной воде.

Спектры диффузного отражения в видимой области и диффузное отражение регистрировали с помощью мини-спектрофотометра-калибратора мониторов Eye-One Pro (GretagMacbeth, Швейцария)

О содержании наночастиц золота в фазе ППУ судили, измеряя значения функции Кубелки-Мунка F при длине волны, соответствующей максимуму поглощения (l_max):

где R — диффузное отражение; e — молярный коэффициент поглощения сорбата, М^-1 см^-1; c — его концентрация, М; S — коэффициент рассеивания, см^-1.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

В настоящей работе изучена возможность получения композитного материала на основе ППУ и наночастиц золота. Предложен способ получения такого материала. Способ основан на сорбции золота в виде HAuCl₄ пенополиуретаном из водного раствора и последующем восстановлении тетрахлораурат-ионов непосредственно в фазе ППУ. В качестве восстановителя использовали аскорбиновую кислоту, выбор которой в этом качестве был обусловлен актуальностью поиска подходов к ее определению, а также как модельное соединение – представителя класса органических соединений-восстановителей.

Важным с точки зрения аналитической химии является то, что в фазе ППУ наночастицы золота сохраняют способность к поверхностному плазмонному резонансу (ППР), который проявляется в поглощении светового излучения в области 520 – 540 нм. Образцы ППУ, содержащего наночастицы золота, окрашены в красно-фиолетовый цвет и могут быть использованы в качестве удобной аналитической формы в спектроскопии диффузного отражения и тест-методах при определении восстановителей. Поэтому изучение особенностей образования наночастиц золота в матрице ППУ и влияния на него различных факторов представляет интерес.

Сорбция золотохлористоводородной кислоты пенополиуретаном. Сорбцию HAuCl₄ на ППУ проводили в статическом режиме. Для этого таблетки ППУ помещали в 5 мл раствора HAuCl₄, прожимали их стеклянной палочкой для удаления пузырьков воздуха из пор и встряхивали на механическом шейкере в течение 40 мин. Таблетки вынимали, высушивали фильтровальной бумагой и измеряли диффузное отражение.

Установлено, что из водных растворов HAuCl₄ сорбируется на ППУ на 98 – 100%, при этом таблетки ППУ приобретают интенсивно желтый цвет. В спектрах диффузного отражения сорбатов (рис. 1а) наблюдается полоса с максимумом при 400 – 410 нм, значение функции Кубелки-Мунка в максимуме увеличивается с ростом концентрации HAuCl₄ в водном растворе. Уширение спектров по мере увеличения содержания HAuCl₄ в матрице ППУ вероятно обусловлено взаимодействием HAuCl₄ с матрицей пенополиуретана. На рис. 1б представлена зависимость F₄₁₀ от концентрации исходного раствора HAuCl₄. Из рисунка можно сделать вывод о том, что функция Кубелки-Мунка линейно зависит от концентрации исходного раствора до 50 – 60 мкг/мл по золоту, после чего достигается предельная сорбция. Таким образом, предельная сорбция HAuCl₄ на ППУ составляет 310 мкг/табл. ППУ в пересчете на золото, или 15,5 мг/г сорбента (79 мкмоль/г сорбента).

Сорбция HAuCl₄ не зависит от кислотности раствора в интервале рН 1 – 4,5; при дальнейшем увеличении рН сорбция уменьшается.

Влияние различных факторов на формирование наночастиц золота в матрице пенополиуретана. Для изучения возможности синтеза НЧ в полимере таблетки ППУ, модифицированного HAuCl₄, помещали в раствор аскорбиновой кислоты, встряхивали на механическом шейкере в течение определенного времени, вынимали, просушивали между листами фильтровальной бумаги и измеряли спектры диффузного отражения. Было установлено, что пенополиуретан, модифицированный HAuCl₄, реагирует с водными растворами аскорбиновой кислоты с образованием в его фазе наночастиц золота. Это сопровождается изменением окраски сорбента и появлением в спектре диффузного отражения полосы при 540 нм.

Изучено влияние различных факторов на восстановление HAuCl₄ в фазе ППУ: содержания HAuCl₄ в фазе сорбента, кислотности среды, присутствия катионного ПАВ (ЦТМА), а также концентрации аскорбиновой кислоты. Рассмотрим влияние этих факторов последовательно.

Влияние содержания HAuCl₄. В работе изучено влияние содержания HAuCl₄ в ППУ на выход наночастиц в твердой фазе при восстановлении аскорбиновой кислотой.

Таблетки ППУ, содержащие 3,75; 7,5 и 15 мг (Au)/г сорбента вносили в 10 мл раствора аскорбиновой кислоты с концентрацией 20 мкг/мл. Спектры диффузного отражения регистрировали 2 раза – до реакции с аскорбиновой кислотой и после. Зависимость изменения функции Кубелки-Мунка при 540 нм от содержания золота в матрице ППУ приведена на рис. 2. Из представленных данных видно, что сигнал, связанный с формированием наночастиц в ППУ максимален при содержании золота в ППУ 7,5 – 15 мг/г, что соответствует концентрации золота в растворе для модифицирования 30 – 60 мкг/мл.

Влияние кислотности. Изучено влияние кислотности раствора на образование наночастиц золота в фазе ППУ. Восстановление проводили в 0,1 М H₂SO₄, при рН 5 и в 0,1 М NaOH. Результаты в виде гистограммы представлены на рис. 3, из которого видно, что кислотность среды практически не сказывается на процессе восстановления HAuCl₄ аскорбиновой кислотой. Во всех дальнейших экспериментах восстановление проводили при рН 5.

Влияние ЦТМА. На примере бромида цетилтриметиламмония (ЦТМА) изучено влияние КПАВ на процесс восстановления золота до наночастиц в фазе ППУ. Восстановление проводили в присутствии добавки бромида цетилтриметиламмония, которую вводили в раствор аскорбиновой кислоты, и без нее.

Из сравнения спектров диффузного отражения, представленных на рис. 4 видно, что в отсутствие ЦТМА в фазе ППУ образуются агрегаты наночастиц, в спектре наблюдается широкая полоса в области 600 – 700 нм. В присутствии ЦТМА процесс восстановления протекает с образованием индивидуальных наночастиц, в спектре возникает полоса при 540 нм. По аналогии с литературными данными можно предположить, что ЦТМА выступает в качестве стабилизатора наночастиц. Кроме того, наличие в водном растворе катиона ПАВ облегчает транспорт аскорбиновой кислоты через межфазную границу вода – ППУ.

Изучено влияние концентрации ЦТМА на выход наночастиц в ППУ. Зависимость F при 540 нм от концентрации ЦТМА приведена на рис. 5. Из рисунка видно, что значение функции Кубелки-Мунка при 540 нм возрастает при увеличении концентрации ЦТМА до 10 мкг/мл, после чего зависимость выходит на плато. В дальнейших исследованиях использовали концентрацию ЦТМА 20 мкг/мл.

Влияние концентрации аскорбиновой кислоты на выход наночастиц золота в фазе ППУ изучено в интервале 0 – 20 мкг/мл. Восстановление проводили с добавкой ЦТМА (20 мкг/мл) в течение 30 мин. Установлено, что зависимость функции Кубелки-Мунка при 540 нм от концентрации аскорбиновой кислоты линейна до 2 мкг/мл (рис. 6).

Аналитическое использование процессов формирования наночастиц золота в матрице пенополиуретана для определения аскорбиновой кислоты. Функция Кубелки-Мунка в максимуме полосы ППР наночастиц золота в матрице пенополиуретана линейно связана с концентрацией аскорбиновой кислоты в водном растворе, что указывает на принципиальную возможность использования процессов их формирования для определения аскорбиновой кислоты с применением спектроскопии диффузного отражения.

Для построения градуировочного графика в сосуды с притертыми пробками вводили от 0 до 10 мкг аскорбиновой кислоты, добавляли по 200 мкг ЦТМА и воду до общего объема 10 мл. В растворы помещали таблетки ППУ, предварительно модифицированного HAuCl₄ из 5 мл раствора с концентрацией золота 30 мкг/мл. Таблетки прожимали стеклянной палочкой для удаления пузырьков воздуха и встряхивали на механическом шейкере в течение 30 мин. Образцы вынимали, высушивали фильтровальной бумагой и измеряли их диффузное отражение при 540 нм. Градуировочный график строили в координатах F₅₄₀ – c, где с – концентрация аскорбиновой кислоты в растворе.

Градуировочная зависимость линейна в интервале концентраций аскорбиновой кислоты 0,15 – 1,0 мкг/мл. Предел обнаружения, рассчитанный по 3S-критерию, составляет 0,05 мкг/мл. Правильность методики подтверждена методом «введено-найдено» при анализе модельного раствора, приготовленного на дистиллированной воде. При определении 0,50 мкг/мл аскорбиновой кислоты найдено 0,53 ± 0,05 мкг/мл (s_r=0,04, n = 3, Р = 0,95).

Проведено определение аскорбиновой кислоты в образце витамина «Ревит», содержащего по данным производителя 35 мг аскорбиновой кислоты на 1 драже. Кроме аскорбиновой кислоты препарат содержал ретинола пальмитат (1,38 мг), тиамина гидрохлорид (1 мг), рибофлавин (1 мг) и сахарозу.

Для проведения определения одно драже препарата измельчали в ступке и растворяли в небольшом количестве воды. Не растворившиеся в воде компоненты отфильтровывали, а растворы доводили водой до 100 мл. Аликвоту 1 мл полученного раствора переносили в мерную колбу на 50 мл и доводили водой до метки. Далее поступали, как описано выше при построении градуировочного графика, вводя в сосуды по 1 мл полученного раствора. Рассчитанное на основании экспериментальных данных содержание аскорбиновой кислоты в препарате составляет 36 ± 6 мг, что хорошо согласуется с данными, заявленными производителем. Относительное стандартное отклонение не превышает 0,06.

Таким образом, осуществлен синтез наночастиц золота непосредственно в матрице пенополиуретана путем восстановления сорбированной на ППУ золотохлористоводородной кислоты аскорбиновой кислотой. Изучено влияние на выход наночастиц кислотности раствора, времени контакта фаз, концентрации аскорбиновой кислоты и бромида цетилтриметиламмония. Показано, что функция Кубелки-Мунка в максимуме полосы ППР наночастиц в матрице ППУ линейно связана с концентрацией аскорбиновой кислоты в растворе, что может быть использовано для ее определения с помощью спектроскопии диффузного отражения с пределом обнаружения 0,05 мкг/мл. Проведено определение аскорбиновой кислоты в витаминном препарате «Ревит».

Рис. 1. Спектры диффузного отражения ППУ, модифицированного HAuCl₄, в зависимости от ее концентрации в растворе (а) и зависимость функции Кубелки-Мунка при 410 нм образцов ППУ, модифицированных HAuCl₄, от концентрации золота в растворе (б).

V = 5 мл, t = 40 мин. а)а_Au мкг/мл: 15 (1), 30 (2), 60 (3), 100 (4).

Рис. 2. Спектры диффузного отражения ППУ, модифицированного HAuCl₄, до реакции с аскорбиновой кислотой (1) и после нее (2).

с_Au = 15 мг/г, с_аск. = 20 мкг/мл, с(H₂SO₄) = 0,05 М, V = 10 мл, t = 30 мин.

Рис. 3. Зависимость изменения функции Кубелки-Мунка при 540 нм от содержания золота в матрице ППУ.

с_АК = 20 мкг/мл, с(H₂SO₄) = 0,05 М, V = 10 мл, t = 30 мин.

Рис. 4. Значения функции Кубелки-Мунка при 540 нм, для образцов ППУ – НЧ золота, полученных восстановлением аскорбиновой кислотой, в зависимости от кислотности среды.

а_Au = 7,5 мг/г, с_аск. = 20 мкг/мл, V = 10 мл, t = 30 мин.

Рис. 5. Спектры диффузного отражения ППУ, модифицированного наночастицами золота, в отсутствие (1) и в присутствии ЦТМА (2).

а_Au=7,5 мг/г, с_АК=20 мкг/мл, с_ЦТМА=10 мкг/мл, V=10 мл, t=30 мин.

Рис. 6. Зависимость функции Кубелки-Мунка при 540 нм для ППУ, модифицированного наночастицами серебра, от концентрации ЦТМА.

а_Au = 7,5 мг/г, с_АК = 20 мкг/мл, V = 10 мл, t = 30 мин.

Рис. 7. Зависимость функции Кубелки-Мунка при 540 нм для образцов ППУ, модифицированного наночастицами золота, от концентрации аскорбиновой кислоты.

а_Au = 7,5 мг/г, с_ЦТМА = 20 мкг/мл, V = 10 мл, t = 30 мин

                      а                                                                   б

Рис. 1.

Рис. 2.

F540

Рис. 3.

Рис. 4.

Рис. 5.

сАК, мкг/мл

∆F

Рис. 6.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Белая книга по нанотехнологиям. Исследования в области наночастиц, наноструктур и нанокомпозитов в Российской Федерации. Издательство: ЛКИ, 2008 г. 344 с.
2. Daniel M-C., Astruc D. // Chem. Rev. 2004. V. 104. P. 293 – 346.
3. Ghosh P., Han G., De M., Kim C.K., Rotello V.M. // Adv. Drug Deliver. Rev. 2008. V. 60. P. 1307 – 1315.
4. Patra C.R., Bhattacharya R., Mukhopadhyay D., Mukherjee P. // Adv. Drug Deliver. Rev. 2010. V. 62. P. 346 – 361.
5. Guo S. J., Wang E. K. // Anal. Chim. Acta. 2007. V. 598. P. 181–192.
6. Welch C.M., Compton R.G. // Anal. Bioanal. Chem. 2006. V. 384. P. 601 – 619.
7. Nilsson, C., Nilsson, S. // Electrophoresis. 2006. V. 27. P. 76 – 83.
8. Nilsson, C.; Birnbaum, S.; Nilsson, S. // J. Chromatogr. A. 2007. V. 1168. P. 212 – 224.
9. Штыков С. Н., Русанова Т. Ю. // Рос. хим. ж. (Ж. Рос. хим. об-ва им. Д.И. Менделеева). 2008. Т. LII. № 2. С. 92 – 101.
10. Haick H. // J. Phys. D: Appl. Phys. 2007. V. 40. P. 7173 – 7186.
11. Seydack M. // Biosens. Bioelectron. 2005. V. 20. P. 2454 – 2469.
12. Ghosh S.K., Pal T. // Chem. Rev. 2007. V. 107. P. 4797 – 4862.
13. Saarinen J.J., Vartiainen E.M., Peiponen K.-E. // Sensor. Actuat. B. 2009. V. 138. P. 383 – 395.
14. Uechi I., Yamada S. // Anal. Bioanal. Chem. 2008. V. 391. P. 2411 – 2421.