Физико-химические особенности фотопротолитических реакций производных 2-нафтола и акридина в растворах полиэлектролитов и в иммобилизованных слоях тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Наумова Алина Олеговна

• Наумова Алина Олеговна
• кандидат наук
• 2022

Оглавление диссертации кандидат наук Наумова Алина Олеговна

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

1.1. Фотоперенос протона

1.1.1. Подходы к изучению явления фотопереноса протона

1.1.2. Фотоперенос протона в протонных растворителях

1.1.3. Фотоперенос протона в апротонныхрастворителях

1.1.4. Внутримолекулярный фотоперенос протона

1.1.5. Фотоперенос протона в твёрдых веществах

1.2. Физико-химические основы измерения кислотности среды

1.2.1. Электрохимические методы

1.2.2. Оптические методы

1.2.3. Сравнение методов определения рН

1.3. Иммобилизация индикаторов

1.3.1. Физическая иммобилизация

1.3.2. Химическая иммобилизация

1.3.3. Импрегнирование

1.3.4. Другие методы

1.3.5. Выбор матрицы для иммобилизации индикаторов

1.4. Выводы к главе

ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

2.1. Реактивы и вспомогательное оборудование

2.1.1. Реактивы

2.1.2. Оборудование

2.2. Методика иммобилизации индикаторов

2.3. Стенд для определения рК

2.4. Параметры регистрации спектров поглощения, спектров флуоресценции и кинетических кривых

2.5. Методики обработки данных

2.5.1. Обработка ЯСЕ-изображений

2.5.2. Обработка спектров

2.6. Выводы к главе

ГЛАВА 3. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ИММОБИЛИЗАЦИИ ИНДИКАТОРОВ НА ТВЕРДУЮ ПОДЛОЖКУ С ПРИМЕНЕНИЕМ КАТИОННОГО ПОЛИЭЛЕКТРОЛИТА НА ПРИМЕРЕ КИСЛОТНО-ОСНОВНОГО ИНДИКАТОРА КОНГО КРАСНОГО

3.1. Влияние катионного полиэлектролита на оптические свойства индикатора

3.2. Измерение рКа иммобилизованного на подложке индикатора

3.3. Влияние ионной силы растворов на равновесия в протолитических системах, связанных и несвязанных с полиэлектролитом

3.4. Выводы к главе

ГЛАВА 4. ФОТОПРОТОЛИТИЧЕСКИЕ РЕАКЦИИ 2-НАФТОЛА И ЕГО СУЛЬФОПРОИЗВОДНЫХ В ГОМОГЕННЫХ ВОДНЫХ РАСТВОРАХ И В РАСТВОРАХ ПОЛИЭЛЕКТРОЛИТОВ

4.1. Фотопротолитическая диссоциация 2-нафтола и его сульфопроизводных в гомогенных водных растворах

4.2. Фотопротолитическая диссоциация 2-нафтола и его сульфопроизводных в водных растворах катионного полиэлектролита

4.3. Определение констант связывания сульфопроизводных 2-нафтола молекулами полидиаллилдиметиламмония хлорида

4.4. Кинетические исследования процесса фотопереноса протона в присутствии катионного полиэлектролита

4.5. Фотопротолитическая диссоциация сульфопроизводных 2-нафтола в условиях иммобилизации индикатора на твёрдой подложке

4.6. Выводы к главе

ГЛАВА 5. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ РЕАКЦИЙ ФОТОХИМИЧЕСКОГО ЗАХВАТА ПРОТОНА НА ПРИМЕРЕ РЕАКЦИИ ЭЛЕКТРОННО-ВОЗБУЖДЕННОГО АКРИДИНА

5.1. Реакции фотохимического захвата протона от растворителя на примере реакций электронно-возбужденного акридина

5.2. Влияние анионных поверхностно-активных веществ

5.3. Влияние неионогенных поверхностно-активных веществ

5.4. Влияние катионных поверхностно-активных веществ

5.5. Влияние ПАВ на pKa акридина

5.6. Влияние ПАВ на pKa* акридина

5.7. Иммобилизация акридина

5.8. Обобщённые результаты для системы акридин-ПАВ

5.9. Выводы к главе

ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

АПАВ Анионные поверхностно активные вещества

ДСН Децилсульфат натрия

ДТАБ Децилтриметиламмония бромид

ДДСН Додецилсульфат натрия

ККМ Критическая концентрация мицеллообразования

КПАВ Катионные поверхностно активные вещества

КК 4,4'-бис-(1-амино-4-сульфо-2-нафтилазо) бифенил (Конго Красный)

НПАВ Неионогенные поверхностно активные вещества

НО 2-нафтол

Н1 2-нафтол-6-сульфокислоты натриевая соль

Н2 2-нафтол-3,6-дисульфокислоты динатриевая соль

Н3 2-нафтол-3,6,8-трисульфокислоты динатриевая соль

ПАВ Поверхностно активные вещества

ПГМГ Полигексаметиленгуанидин гидрохлорид

ПДДА Полидиаллилдиметиламмония хлорид

ТДСН Тетрадецилсульфат натрия

ТТАБ Тетрадецилтриметиламмония бромид

ТХ100 Тритон Х-100

ТХ305 Тритон Х-305

ТХ405 Тритон Х-405

ЦТАБ Цетилтриметиламмония бромид

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Физико-химические особенности фотопротолитических реакций производных 2-нафтола и акридина в растворах полиэлектролитов и в иммобилизованных слоях»

ВВЕДЕНИЕ

Исследование фотохимических реакций в микрогетерогенных средах и в иммобилизованных системах вызывает устойчивый интерес в связи с разработкой новых сенсоров и систем преобразования информации. Некоторые вещества при фотовозбуждении в нижнее синглетно-возбужденное электронное состояние резко изменяют свои кислотно-основные свойства и способны за время жизни возбужденного состояния вступать в процессы передачи или приема протона, которые практически не протекают в основном электронном состоянии. Это проявляется в спектрах фотолюминесценции как появление полос испускания диссоциированных или, наоборот, протонированных форм, которые отсутствуют в спектрах поглощения. Такие процессы имеют значение в биологии, так как на фотопереносе протона основано действие родопсина - белка, ответственного за черно-белое зрение человека и высших животных, и бактериородопсина, ответственного за некоторые виды бактериального фотосинтеза. В биологических системах фотопротолитические реакции происходят в иммобилизованном состоянии - в мембранах. Фотопротолитические процессы находят определенное применение в технике: для фотостабилизации полимеров, оптического отбеливания, расширения диапазона перестройки лазеров. Процессы фотопереноса протона интересны в качестве модельных для исследования влияния микрогетерогенности на термодинамические и кинетические особенности протекания быстрых реакций в конденсированной фазе в синтетических системах и в биологических мембранах.

Иммобилизация индикаторов с фотопереносом протона на твердых носителях также представляет интерес в связи с необходимостью создания новой группы проточных датчиков, пригодных для непрерывного мониторинга состава жидких и газообразных сред. Флуоресцентные датчики кислотности среды, использующие фотоперенос протона, дают уникальные возможности локальных измерений, так как свет поглощается всегда одной формой вещества, а отклик получается как отношение интенсивностей двух полос флуоресценции. Они

обеспечивают малое время отклика, недоступное для электрохимических сенсоров, так как процессы фотопереноса протона протекают в наносекундной области. Такие датчики и визуализирующие агенты могут найти применение в биологии, физиологии, фармакологии и науках об окружающей среде. Фотопротолитические сенсоры характеризуются расширенным диапазоном определяемого показателя кислотности рН, в котором возможна индикация, поскольку кислотно-основные переходы в разных электронных состояниях происходят при существенно разных значениях рН, и отчетливо различимы, так как переходы в основном состоянии отражаются в спектрах поглощения, спектрах возбуждения и спектрах люминесценции, а в электронно-возбужденном - только в спектрах люминесценции. Фотоперенос протона в нижнем синглетно-возбужденном электронном состоянии наблюдается у целого ряда ароматических и линейно -сопряженных систем, однако типичными объектами являются фотокислоты - а- и Р-нафтол и их производные, и фотооснования, такие, как акридин. Помимо применения для создания сенсоров, данные фотокислоты и фотооснования являются удачными объектами для моделирования переноса протона в возбужденном состоянии в биологических системах, в частности, при фоторецепции и некоторых видах бактериального фотосинтеза.

Свойства протолитических и фотопротолитических систем в гомогенных водных растворах хорошо изучены, однако процесс иммобилизации может существенно изменить термодинамические и кинетические закономерности фотопротолитического процесса, поэтому исследование физико-химических особенностей типичных фотопротолитических систем в микрогетерогенных системах представляется актуальным.

Степень разработанности тематики

Со времени основополагающих работ Веллера и Эйгена механизм кислотно-основных реакций в возбуждённом состоянии привлекал внимание как экспериментаторов, так и теоретиков. Известны два больших класса соединений -фотокислоты и фотооснования. Их свойства в растворах изучены достаточно

подробно, включая влияние ионной силы и наличие поверхностно-активных веществ.

Фотохимические процессы хорошо изучены в мицеллах и липосомах, но систематических исследований такого рода в полиэлектролитах не проводилось. Ведущие учёные предполагали, что в полиэлектролитах процесс идет также, как и в растворах поверхностно-активных веществ. Однако полиэлектролит имеет другое распределение поверхностного заряда, отличное от мицелл линейных ПАВ (например, ДДСН, ТТАБ), которые при ККМ 1-2 имеют сферическую форму, и заряд распределяется по поверхности сферы. Строение полиэлектролитов представлено в виде Гауссова клубка, где заряженные группы распределены вдоль образующих цепей. Поэтому стоит ожидать, что различное пространственное распределение заряда приведет и к отличающемуся влиянию даже в условиях одной и той же фотопротолитической реакции. И такие отличия могут быть особенно явно видны на примере классических модельных систем типа производных 2-нафтола и акридина. Однако, до сегодняшнего времени такого рода сравнительные исследования в литературе не представлены.

Между тем, полиэлектролиты могут использоваться для иммобилизации протолитических или фотопротолитических систем на твердых поверхностях, позволяя, например, разработать проточные системы контроля состава жидкости или создания микроскопических твердотельных зондов с нанесенным индикатором.

Целью работы было изучение изучение спектрально-люминесцентных, термодинамических и кинетических характеристик протолитических и фотопротолитических систем в растворе полиэлектролита и при их иммобилизации на подложке с применением заряженных полимеров.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

1. Изучение влияния катионного полиэлектролита на свойства оптических кислотно-основных и люминесцентных индикаторов в растворе.

2. Изучение влияния ПАВ на свойства люминесцентных индикаторов в растворе.

3. Разработка способа иммобилизации кислотно-основных и люминесцентных индикаторов на твёрдой подложке и установление закономерностей сдвига их спектральных и кислотно-основных характеристик.

4. Создание специализированного настраиваемого стенда с системой регистрации и обработки сигнала для сравнительного изучения фотопротолитических реакций в растворах и в иммобилизованном состоянии.

Объекты исследования. В роли кислотно-основного реагента, который демонстрирует переход в электронном спектре поглощения, то есть в основном электронном состоянии, использовали 4,4'-бис-(1-амино-4-сульфо-2-нафтилазо) бифенил (Конго Красный) (КК) (как краситель, который сохраняет анионный заряд во всем доступном диапазоне значений рН). Для исследования реакций фотопереноса протона выбрали класс соединений, которые являются фотокислотами: 2-нафтол (НО), 2-нафтол-6-сульфокислоты натриевая соль (Н1), 2 нафтол-3,6-дисульфокислоты динатриевая соль (Н2) и 2-нафтол-3,6,8-трисульфокислоты динатриевая соль (Н3).

В структуре данных молекул содержатся отрицательно заряженные сульфогруппы, и поэтому для их связывания с микрофазой использовали катионные полиэлектролиты - полидиаллилдиметиламмония хлорид (ПДДА) и полигексаметиленгунидин (ПГМГ), которые в свою очередь хорошо адсорбируются на поверхности стекла за счет наличия на поверхности стекла анионных групп.

Для изучения фотопротолитических реакций, связанных с протонированием реагента в электронно-возбужденном состоянии за счет возрастания основных свойств при фотовозбуждении в качестве модельного было выбрано ароматическое фотооснование - акридин, который исследовался в системах с ПАВ различного строения.

Иммобилизацию проводили на силикагеле, поскольку он обладает гораздо более развитой поверхностью по сравнению, например, с кварцевым волокном и стеклянными микросферами. Фиксацию частиц силикагеля проводили с

использованием фторированного полимера (фторопласт 42), допускающего удобное изготовление образцов, вследствие хорошей растворимости в ацетоне.

Кислотность среды задавали с помощью фосфатных и аммонийных буферных растворов и контролировали иономером со стеклянным комбинированным электродом, отградуированным по 5 стандартным буферным растворам. Ионную силу растворов регулировали, используя хлорид натрия и хлорид калия.

Таким образом провели сравнительные исследования протолитических реакций с модельными растворами фотокислот на примере 2-нафтола и его сульфопроизводных, которые также содержат в своей структуре отрицательно заряженные сульфогруппы, и фотооснований на примере акридина с ПАВ различного строения: АПАВ, НПАВ, КПАВ.

Научная новизна. Научная новизна работы состоит в изучении влияния катионных полиэлектролитов на процесс переноса протона в основном и в нижнем синглетном электронно-возбужденном состоянии в растворах, а также в иммобилизованных слоях в фотопротолитических реакциях. В работе впервые:

1. На примере модельных систем фотокислот и фотооснований изучено влияние катионных полиэлектролитов на процесс переноса протона в основном и в нижнем синглетном электронно-возбужденном состоянии. Определены значения и р^а* и количественно охарактеризованы их наблюдаемые сдвиги.

2. Исследованы термодинамические и кинетические закономерности данных процессов, полученные результаты сравниваются с влиянием на протолитические и фотопротолитические системы катионных поверхностно-активных веществ.

3. Осуществлен процесс иммобилизации фотопротолитических систем на поверхности диоксида кремния и в композитной матрице на основе диоксида кремния в полимерной матрице с применением катионных полиэлектролитов.

4. Исследованы реакции фотопротонирования акридина в мицеллярных растворах серий анионных, катионных и неионогенных поверхностно-активных веществ. Установлено, что определяющим фактором, влияющим на фотореакцию, является электростатический потенциал микрофазы.

Практическая значимость работы. В работе установлены особенности поведения типичных протолитических и фотопротолитических реакций, иммобилизованных на твердой подложке с помощью полимерного связующего. Результаты работы представляют собою физико-химические основы создания новых систем преобразования информации, в частности, проточных датчиков показателя кислотности на основе новых флуоресцентных индикаторных материалов, пригодных для непрерывного мониторинга состава жидких и газообразных сред, а также измерения показателя кислотности в микрообъеме или даже внутри живой клетки, а также в условиях, когда затруднено применение электрохимических методов определения рН, например, в системах под высоким давлением - в тепловой и атомной энергетике или в геологических скважинных зондах, опускаемых на большую глубину. Фотопротолитические системы, исследованные в работе, могут быть также использованы для создания датчиков кислотности с коротким временем отклика (для импульсных измерений), где быстродействие электрохимических датчиков недостаточно.

Методы исследования. При выполнении работы использовали инструментальные оптические методы: флуоресцентная, абсорбционная, время-разрешённая и оптическая спектроскопия, титриметрический метод анализа, рН-метрия, а также RGB метод.

Положения, выносимые на защиту.

1. Количественно изучено влияние катионного полиэлектролита -полидиаллилдиметиламмония хлорида (ПДДА) на свойства анионных кислотно -основных люминесцентных индикаторов в растворе в основном и нижнем синглетном электронно-возбужденном состоянии.

2. Разработан и апробирован способ иммобилизации протолитических и фотопротолитических систем на твёрдой подложке с помощью полиэлектролита. Продемонстрирован фотоперенос протона в иммобилизованных слоях такого типа.

3. Разработан и апробирован компьютеризованный стенд с системой регистрации и обработки люминесцентного сигнала или интенсивности отраженного света от иммобилизованных сенсорных систем с адаптивной геометрией.

Степень достоверности и апробация работы. Достоверность результатов проведённого исследования обеспечивалась посредством использования современного оборудования и поверенных средств измерений. Лабораторное оборудование и средства измерений своевременно обслуживались в соответствии с инструкциями по их эксплуатации.

Основные результаты диссертационной работы доложены и обсуждены на Международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых учёных «Ломоносов-2018» (Москва, 2018) [1], на Международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых учёных «Ломоносов-2019» (Москва, 2019) [2], на международной конференции «Chemistry of Organoelement Compounds and Polymers 2019» (Москва, 2019) [3] на XXI Международном семинаре «Физико-математическое моделирование систем» (Воронеж, 2020) [4], на Международном молодежном научном форуме «Л0М0Н0С0В-2020» (Москва, 2020) [5], на Международной научно-технической молодежной конференции «Перспективные материалы конструкционного и функционального назначения» (Томск, 2020) [6, 7], на Международном молодежном научном форуме «ЛОМОНОСОВ-2021» (Москва, 2021) [8], на Российской научно-технической конференции с международным участием «Инновационные технологии в электронике и приборостроении» (Москва, 2021) [9].

Публикации. Основные результаты настоящей диссертации опубликованы в виде 4 статей в журналах, включенных Высшей Аттестационной Комиссией в перечень рецензируемых научных изданий, рекомендованных к публикациям основных научных результатов диссертаций на соискание ученой степени

кандидата наук (International Journal of Engineering Transactions B: Applications, Тонкие химические технологии, Вестник Московского Университета. Серия 2: Химия, Mendeleev Communications) [10-13], а также в 9 тезисах докладов на всероссийских и международных конференциях. Тезисы опубликованы в сборниках [1-9].

Личный вклад автора. Диссертантом в период с 2016 по 2021 гг. непосредственно выполнен основной объем научного исследования. Личный вклад автора состоял в поиске и анализе научной литературы, в постановке задач исследования, планировании и проведении экспериментов, в обработке и интерпретации результатов, формировании выводов, подготовке и проведении докладов на конференциях и написании научных публикаций.

Работа выполнена при поддержке гранта Госзадания РФ (тематика № 0706-2020-0020).

Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, выводов, списка цитируемой литературы (212 наименований). Работа изложена на 149 страницах машинописного текста, содержит 48 рисунков, 10 таблиц.

Благодарности. Автор считает своим долгом выразить благодарность д.х.н., профессору Н.К. Зайцеву, консультировавшему и поддерживавшему на протяжении всего срока выполнения данной работы, фирме «Эконикс-Эксперт», центру коллективного пользования "Инструментальный химический анализ и комплексное исследование веществ и материалов" РТУ МИРЭА, центру коллективного пользования Института биохимической физики им. Н.М. Эмануэля Российской академии наук (ИБХФ РАН) и лично д.х.н., профессору В.А Кузьмину.

Работа выполнена при поддержке гранта Госзадания РФ (тематика № 07062020-0020).

ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

1.1. Фотоперенос протона

Перенос протонов является одним из самых фундаментальных процессов в химии и биологии. А фотокислоты и фотооснования представляют хорошую платформу для определения механизма переноса протона в основном и в возбужденном состоянии и позволяют точно контролировать светочувствительность и другие соответствующие функции, такие как флуоресценция. Фотовозбуждение приводит к существенному изменению электронной структуры и реакционной способности молекул. Среди реакций, связанных с возбуждением молекул, наибольший интерес представляют кислотно -основные реакции, в которых происходит присоединение или отщепление протона. Фотоперенос протона является простейшим примером гетеролитической реакции и чрезвычайно удобен для исследования общих закономерностей реакций электронно-возбужденных молекул. Фотоперенос протона используется в квантовых генераторах, фотохромных материалах [14, 15].

Существует два типа реакций переноса протона [16]:

1. Перенос протона по системе водородных связей. Он происходит между двумя гетероатомами, протекает в основном и в возбужденном электронном состоянии практически без энергии активации с очень высокими константами скорости 1010-1011 л/мольтек.

2. Перенос протона при отсутствии водородной связи. В этом случае один из реагентов должен быть СН-кислотой или С-основанием. Энергия активации для таких реакций значительна, а величина констант скорости менее 107 л/мольтек

В возбужденном электронном состоянии фотоперенос протона по первому типу протекает адиабатически (в формулировке Поляни, то есть не сопровождается электронным переходом и электронное возбуждение сохраняется). А для СН-кислот и С-оснований в реакциях фотопереноса протона обычно происходит потеря электронного возбуждения.

В литературе наибольшее внимание уделяется изучению кислотности органических соединений в возбужденном состоянии, работы по исследованию кислотности неорганических соединений появились сравнительно недавно. Когда молекула органического соединения поглощает свет и переходит в возбуждённое состояние, то у неё происходит перераспределение электронной плотности. Например, у молекул, которые содержат гетероатом N ОН-группы, О или S происходит повышение или понижение плотности неподеленной пары электронов, вследствие чего изменяются кислотно-основные свойства органической молекул. Известен также фотоперенос протона с участием атома углерода.

Изменение кислотно-основных свойств молекул при фотовозбуждении, обнаружено в первой половине ХХ века. В 1931 году на примере 1-нафтиламин-4-сульфоната К. Вебер обнаружил, что при изменении кислотности раствора изменяется и спектр флуоресценции, в то время как спектр поглощения вещества остаётся неизменным [17]. Т. Фёрстер соотнёс это явление с тем, что в возбужденном состоянии изменяются кислотно-основные свойства молекул [18]. Более подробно вопрос о фотопереносе протона и кислотно-основных свойствах молекул в электронно-возбуждённом состоянии был исследован А. Веллером [19, 193, 194, 195]. Теренин и Карякин в 1947 году наблюдали фотоперенос протона в твердых слоях [20].

1.1.1. Подходы к изучению явления фотопереноса протона

Поскольку при возбуждении молекул вместе с изменением донорно-акцепторных свойств изменяются и их кислотно-основные свойства, то вследствие этого меняется кислотность и основность возбужденных молекул по сравнению с их основным состоянием. Кислотно-основные свойства соединений в возбужденном состоянии легче всего исследовать с помощью абсорбционной или эмиссионной спектроскопии. Для изучения и определения величины рК возбужденных состояний молекул существует несколько подходов.

1.1.1.1. Цикл Фёрстера: анализ термодинамики фотопереноса протона по смещению спектров поглощения и испускания при протонировании/депротонировании

Фёрстер предложил термодинамический цикл [21], который связывает свободные энергии переноса протона в основном и возбужденном состояниях с энергиями перехода исходных и депротонированных форм. Этот метод основан исключительно на термодинамических принципах. Установление протолитического равновесия в возбужденном состоянии не является здесь необходимым условием, достаточно знать только спектральные характеристики начальных и конечных продуктов фотопротолитической диссоциации.

Метод основан на измерении энергии 0-0 переходов изучаемого соединения и сопряженной с ним кислоты или основания. На диаграмме (рисунок 1) показан цикл Фёрстера для кислотно-основного уравнения:

ан ^ а- + н +

АН

А"*

ан*

АН

ля а"

Л£АН ______!_А"

ан

I_____Г

Рисунок 1. Диаграмма энергетических уровней и связи между изменениями энтальпии и электронными переходами для кислотно-основной реакции в основном и в возбуждённом состоянии

На диаграмме АН и АН* - это изменения энтальпии при диссоциации в основном и возбужденном состояниях соответственно, а АЕан и АЕа- - разница в энергиях между двумя состояниями для исходной и депротонированной форм соответственно. Предполагается, что исходное соединение АН поглощает при более высокой энергии, чем депротонированное. Исходя из этого, запишем уравнение:

АН - АН = АЕАН - АЕА-, (1)

Предположим, что изменения энтропии в ходе протолитической диссоциации в основном и возбужденном состояниях равны и получим уравнение:

к * аеан -аел -

1п = —ан-а- , (2)

Ка кт к >

АрК = рКа -рКа = Еан -Еаа~ , (3)

а г а г а 1п(10)кт

где Ка и Ка константы равновесия протолитической диссоциации в основном и возбужденном состояниях соответственно. Если выразить разницу энергий через разность волновых чисел (уан и уа-, см-1) и подставить численное значение R, то для комнатной температуры (Т=298 К)

рКа = рКа* + 2,Ы0-3-(уш - ^в-), (4)

а изменение энтальпии будет

АН - АН* = ЫА-И-€(УАН - ^д-), (5)

где Ыа - число Авогадро, И - постоянная Планка, с - скорость света.

Для получения надежных значений рК необходима точная оценка энергии 00 перехода. Даже небольшие ошибки в значениях энергии перехода приводят к большим ошибкам в полученных значениях рК. Например, при 300 нм ошибка энергии перехода в 4 нм приводит к ошибке значения рК в 1 единицу [22].

Разность волновых чисел определяется экспериментально. Следует отметить, что уравнение 5 применимо только, если изменения энтропии в ходе протолитической диссоциации в основном и возбужденных состояниях равны, а Ау является чисто электронным переходам между нулевыми колебательными подуровнями соответствующих электронных уровней (0-0 переход). Для соединений в растворах частоту и сдвиг 0-0 перехода определить трудно, поскольку присутствует эффект сольватации, поэтому обычно измеряют сдвиг максимумов в спектрах поглощения или флуоресценции исходной и депротонированной формы [23]. Часто используют среднее значение сдвига в спектрах поглощения и флуоресценции. Такой подход можно применять также для определения рК триплетных состояний. В этом случае экспериментально измеряют сдвиг коротковолнового максимума в спектре фосфоресценции, принимая его за

сдвиг частоты 0-0-перехода [24, 25]. Таким образом цикл Фёрстера следует рассматривать как руководство с ограниченной количественной применимостью. 1.1.1.2. Метод Веллера: анализ кинетических и термодинамических особенностей фотопереноса протона по соотношению интенсивностей полос испускания при протонировании/депротонировании в электронно-

возбужденном состоянии Данный метод основан на измерении интенсивности или квантовых выходов флуоресценции в стационарных условиях [133, 19]. Для реакции

ан ^ а~ + н+

схема фотопротолитической диссоциации кислоты выглядит следующим образом:

*1 .

АН*

Ьу

к-Л

(А")*+Н

Ьу'

АН

1

А"+Н+

V

Используя метод стационарных концентраций, можно получить следующие выражения:

р = 1 + к-. То[н+] (ро 1 + к-1 -то[н+]+к -то

р-ро

1 . + к-1 -Т

о [н + ],

(6) (7)

р - ро к1 - То к1 - То

где ф - квантовый выход флуоресценции недиссоциированной формы при некоторых значениях рН, ф' - квантовый выход флуоресценции диссоциированной формы при том же значении рН; ф0 - квантовый выход флуоресценции недиссоциированной формы в отсутствие протолитической реакции, ф0 -квантовый выход флуоресценции диссоциированной формы; к1 и к-1 - константы скорости прямой и обратной реакции; к?и Ы - константы скорости флуоресценции недиссоциированной и диссоциированной формы; к& и к& — константы скорости безызлучательной дезактивации недиссоциированной и диссоциированной формы;

ть=1/(к0+к^ и т0=У(к{+к&)—времена затухания флуоресценции недиссоциированной и диссоциированной формы соответственно.

Если построить зависимость отношения квантовых выходов из уравнения (7) от концентрации кислоты, то можно найти константы скорости прямой и обратной реакции к1 и к-1, а также константу равновесия фотопротолитической диссоциации:

к * = к-, (8)

к-г

Данный метод можно применять при хотя бы частичном установлении кислотно-основного равновесия в возбужденном состоянии. В некоторых случаях необходимо учитывать вклад нестационарности в кинетику фотопротолитической диссоциации. Тогда уравнение (7) приобретает вид:

Ж ^ - (1 - Ж) = -±- + ^ И, (9)

<Р ■ к1 'Т0 к1 ■ то

где (1-Ж) - это доля молекул, которые реагируют сразу после возбуждения, до установления состояния стационарности. Значение Ж можно найти из данных по изменению относительных квантовых выходов флуоресценции в зависимости от рН раствора при помощи метода последовательных приближений [26]. При этом нужно знать соответствующие коэффициенты диффузии.

1.1.1.3. Метод точки перегиба Существует также метод, по которому значение р^ считают равным значению рН раствора, которое соответствует точке перегиба на кривой зависимости относительного квантового выхода флуоресценции от рН раствора. Значение рН точки перегиба находится согласно уравнению в координатах

ф/фо=ДрН):

рНш = , (10)

1 + к ^о

В точке перегиба (рН1/2) ф/ф0 равно полусумме относительных квантовых выходов флуоресценции АН в кислой и основной среде. При кгто>>1 уравнение (10) принимает вид:

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Наумова Алина Олеговна, 2022 год

исток

сток

канал

Рисунок 3. Схематическое изображение ISFET. Исток и сток — это два электрода, используемые в системе FET. Поток электронов происходит в канале между стоком и истоком. Потенциал затвора управляет потоком тока между двумя

электродами.

Аналогично потенциометрическому методу измерения со стеклянным электродом, для работы ISFET тоже требуется электрод сравнения [79]. Как правило, это классические электроды второго рода, использующие труднорастворимые соли металлов, например, AgQ или ^202, и обратимые относительно аниона. Соответственно, такие системы имеют те же ограничения,

что и обычные рН-электроды (диффузионный потенциал, утечка KCl и утечка глицерина в случае гелевого электрода). А электрод сравнения такой системы достаточно громоздкий и хрупкий. Слишком большой объем, ограниченный классическим электродом сравнения, также препятствует миниатюризации электрода ISFET. Выход из строя электрода сравнения может создать проблему во время оперативных измерений, например, в фармацевтической или пищевой промышленности, если очень ценные продукты будут загрязнены материалами электрода или токсичными химическими соединениями.

Для преодоления указанного недостатка уже более 20 лет усилия исследователей направлены на создание встраиваемых миниатюрных полевых транзисторов сравнения (REFET). Принцип их функционирования или режим работы может варьироваться в зависимости от производителя и часто защищены патентами. Полупроводниковые модифицированные поверхности, которые обязательны для REFET, также не постоянно находятся в термодинамическом равновесии с анализируемым веществом и не редко бывают чувствительны к агрессивным или мешающим растворенным веществам. Также они проявляют эффект старения, приводящий к постепенному смещению потенциала электрода, и это может быть серьезной проблемой, если электрод должен оставаться погруженным в поток в течение длительного периода времени или недоступен для перекалибровки из-за особых ограничений, связанных с характером самих измерений (геохимические измерения в суровых условиях при повышенном давлении или в бескислородных или восстановительных условиях, легко нарушаемых поступлением атмосферного кислорода или изменениями давления).

Таким образом, решающим фактором для электродов ISFET, как и для обычных стеклянных электродов, остается стабильность электрода сравнения, т.к. большинство проблем как правило связано именно с его неисправностью.

Также для ISFET вреден низкочастотный шум, поскольку он может перекрываться с частотами биологических сигналов в исследуемых системах [80]. Шум имеет в основном три источника. Источники шума за пределами самого ISFET называются внешними шумами, такими как помехи окружающей среды и

шумы измерительных приборов. Внутренний шум возникает в твердой части ISFET и вызван в основном вызван захватом и удалением носителей на границе раздела оксид^г Наружный шум, как правило, связан с границей раздела жидкость/оксид, и вызывается ионным обменом на ней. Разработано много методов подавления шумов ISFET. Например, чтобы подавить наружный шум, можно интегрировать биполярный переходной транзистор и ISFET, чтобы реализовать внутреннее усиление тока стока [81]. Для подавления внутреннего шума можно заменить шумный интерфейс оксид/кремний затвором с переходом Шоттки [82].

1.2.2. Оптические методы

Действие оптических сенсоров основывается на следующих принципах: поглощение света (абсорбция), отражение первичного (падающего) светового потока, люминесценция, влияние концентрации определяемых веществ на оптические свойства среды.

По сравнению со стеклянным электродом оптические сенсоры охватывают небольшой диапазон измерения рН, примерно 3 единицы рН, в том случае, если не используется более одного индикатора или индикатор с более чем одним переходом рН. Другие чувствительные к рН материалы, к примеру, набухающие полимеры или органические проводящие полимеры, в большинстве случаев не проявляют такого поведения [83, 84]. Они охватывают широкий диапазон определения рН [85]. С другой стороны, оптические датчики, в отличие от стеклянных электродов, могут измерять очень высокие значения рН: щелочные значения от 12 до 14 или кислотность по Гаммету от -1 и даже ниже.

Выделяют три основных типа оптических датчиков рН:

1. Плоский. Обычно это своего рода фольга или мембрана со специальным покрытием. Цвет или флуоресценция этого покрытия реагируют на изменения значения рН растворов, с которыми контактирует фольга или мембрана [86, 87].

2. Волоконно-оптический тип датчиков. Конструкция такого датчика предполагает, что в оптический волновод помещается химический состав, который реагирует на рН [88, 89].

3. Наноразмерные частицы. Такой вид сенсоров в последние годы привлекает большое внимание, потому что они позволяют определять значения рН (обычно с помощью микроскопии) в микромасштабе, например, в клетках и тканях [90, 91].

Существует ряд особенностей, которыми обладают оптические сенсоры рН. К примеру, планарные или плоские датчики (т.е. сенсорные пленки) могут быть помещены внутри различных сосудов, биореакторов, планшетов для микротитрования или микрофлюидных систем, а затем опрашиваться извне без прямого контакта. Такие датчики также можно использовать для измерения значений рН в определенных областях. Планарные датчики с лёгкостью выпускаются серийно низкими затратными методами, и поэтому зачастую бывают одноразового типа.

Волоконно-оптические датчики имеют диаметр наконечника от 1 мм до <50 мкм, что значительно меньше размера стеклянных электродов. Дополнительное их преимущество заключается в том, что они гибкие. Это дает возможность для инвазивного анализа всех видов тканей. Такие датчики более сложные в производстве, однако они также могут изготавливаться по разумным ценам без ущерба для точности анализа. Следовательно, они также могут быть одноразового типа, что важно при использовании в медицине. Еще одна особенность волоконно-оптических датчиков заключается в том, что оптический сигнал может быть передан на большие расстояния. Это очень выгодно в случае, когда измеряемый образец находится на расстоянии сотен метров. Оптоволоконные сенсоры на основе кварца [92], германатных [93], фторидных [94], халькогенидных [95] стекол, кристаллов галогенидов таллия, серебра или цезия и полимерных материалов позволяют работать в ИК, видимом и УФ-диапазонах спектра. В настоящее время созданы оптические сенсоры для определения рН в растворах ионов К+ и №+, СО2, О2, глюкозы и других веществ [96-102].

Сенсоры на основе наноразмерных частиц вызывают особый интерес, поскольку они позволяют определять значения рН внутри клеток, что невозможно при использовании даже самых маленьких известных рН-электродов. Данный тип сенсоров часто сочетают с флуоресцентной визуализацией. Индикаторный

краситель, который включается в наноматериал, практически не подвергается влиянию белков и других биологических молекул. Таким образом, определение значений рН на основе наноразмерных частиц потенциально более надежно, чем использование молекулярных зондов, которые часто связываются с белками, что в свою очередь может влиять на изменение значения рКа.

Важно отметить, при использовании оптических сенсоров в водных средах ни краситель, ни иммобилизующая его матрица не должны оказывать токсического воздействия на анализируемую среду, а также химически изменять её. При этом красители, которые иммобилизованы в матрицу, должны быть стабильными, не подвергаться фотодеградации в течение некоторого времени, а сами частицы не должны агрегировать. Поверхность используемых частиц можно модифицировать, к примеру, осаждать на них инертный материал в качестве оболочки [103] или функциональные полярные группы [104, 105]. На использование оптических сенсоров влияет сильная переменчивость параметров окружающей среды, таких, как температура, соленость вод, давление и солнечное излучение, поток воды, мутность [106].

Работа наиболее известных оптических датчиков или сенсоров рН основана на использовании индикаторных красителей, которые каким-либо способом включены в твердую основу или матрицу. Индикаторы делятся на несколько видов: те, которые имеют переход в видимой области в основном состоянии, и люминесцентные. Рассмотрим их действие подробнее.

1.2.2.1. Кислотно-основные индикаторы

Кислотно-основные индикаторы - это индикаторы, которые реагируют на изменение рН раствора [107]. К ним относятся, например, метиловый оранжевый, фенолфталеин, бромкрезоловый зелёный, тимоловый синий и другие.

В давние времена было признано, что некоторые растворы имеют кислый вкус (латинское: acidus), в то время как другие обладают жгучим вкусом или оказывают агрессивное действие на определенные камни (например, карбонаты) и металлы. Чтобы определить такие жидкости, их пробовали на вкус, что

подразумевает определенный риск для тех, кто занимался такими тестами. Однако примерно в 1300 году впервые было обнаружено, что лакмус (ферментированный экстракт лишайников, таких как Rocella tinctoria) реагирует на кислотность, давая изменение цвета с синего на красный. Такой эффект обусловлен кислотно-основным химическим составом гидроксиоксазинового красителя, называемого cudbear или orcein, и полностью обратим.

Чтобы предотвратить добавление экстракта к образцу, были разработаны тест-полоски pH: полоски бумаги или хлопка замачивали в спиртовом растворе лакмуса с последующей их осторожной сушкой [108]. Эти устройства (известные уже около 400 лет) были первыми оптическими тестами для определения значений pH. Очевидно, что красители не были иммобилизованы ковалентно (а скорее электростатически) и, следовательно, легко выщелачивались. Такие тесты позже были названы химическими составами сухих реагентов [109] или оптическими датчиками.

Существует несколько теорий кислотно-основных индикаторов. Основные из них: ионная теория, хромофорная теория, ионно-хромофорная теория.

Ионная теория кислотно-основных индикаторов

Эта наиболее ранняя теория была предложена В. Оствальдом в 1894 году на основании теории электролитической диссоциации С. Аррениуса. В рамках данной теории говорится, что кислотно-основные индикаторы представляют собой слабые органические кислоты, основания и амфотерные соединения, которые подвергаются ионизации в водных растворах. Причем нейтральная и ионизированная формы индикатора имеют различную окраску. Кислотные индикаторы диссоциируют по уравнению:

HInd + H2O о H2O ++ OH~ (14)

Например, если индикатором является фенолфталеин, то его недиссоциированная молекула имеет бесцветную окраску, а диссоциированная -малиново-красную.

Индикаторы-основания диссоциируют по уравнению:

¡пйОН о ¡пй+ + ОН - (15)

По современным представлениям изменение окраски индикаторов нельзя объяснить только ионной реакцией, поскольку ионные реакции являются мгновенными, а изменение окраски индикатора протекает сравнительно медленно [110]. В связи с этим допускают, что изменение окраски индикатора связано с изменением его структуры [111].

Хромофорная теория кислотно-основных индикаторов

Недостаточная полнота теории Оствальда явилась толчком для создания в 1878 году хромофорной теории. Её автор - немецкий учёный Отто Николаус Витт. Эта теория впервые позволила предсказать цвет веществ на основе ароматических систем. Первым большим триумфом этой теории стал целенаправленный синтез азокрасителя хризоидина, основанный на теоретических соображениях Витта [112].

Согласно Витту, цвет красителя зависит от наличия хромофора, на естественный цвет которого могут влиять ауксохромы.

Хромофоры содержат кратные связи (рисунок 4) и обеспечивают поглощение видимого света из-за сравнительно легкого возбуждения электронов п-связи.

Хиноидная Карбонильная Нитрозо- Азо-

структура группа соединения соединения

Рисунок 4. Хромофорные группы

Ауксохромы сами по себе не придают окраску молекуле органического соединения, но влияют на свойства хромофоров (усиливают или ослабляют интенсивность окраски). Ауксохромные группы (гидрокси-, амино-, метоксигруппы и другие) влияют на распределение электронной плотности в молекуле, что приводит к изменению оттенка или интенсивность окраски. Кроме

того, ауксохромы Витта обеспечивают связывание молекулы красителя с материалом носителя во время окрашивания.

Индикаторы в растворе могут присутствовать в виде разных таутомерных форм, находящихся в равновесии. В кислой среде доминирует одна таутомерная форма индикатора с какой-то хромофорной группой, а в щелочной - другая таутомерная форма индикатора с иной хромофорной группой. Разные хромофорные группы придают неодинаковую окраску таутомерным формам индикатора. Для фенолфталеина, например, существует равновесие между хиноидной и бензольной структурами. Хиноидная структура представляет собой хромофор - «носитель цвета». В концентрированных растворах щёлочи фенолфталеин присоединяет ОН--ионы, что в дальнейшем приводит к повторному обесцвечиванию. Такое изменение окраски происходит согласно следуюшей реакции:

!пё2- !пё3-

Форма 1пё2-, имеющая хиноидное кольцо вместо бензольного, имеет характерную окраску. А форма 1пё3- не имеет окраски, поскольку бензольное кольцо не является хромофором.

Изменение окраски двухцветных индикаторов происходит за счет превращения одних хромофоров в другие. Например, при рН >3,1 индикатор метиловый оранжевый приобретает красную окраску, тогда как в водном растворе он оранжевого цвета, а при рН >4,4 - жёлтую окраску [113]. Изменение цвета индикатора происходит за счет того, что азот азогруппы способен присоединять катион Н+ кислоты:

(Н3С)2Ы

(

>

(

>

803" +Н

+

жёлтый (основная форма)

(НзСЬЫ

>

Н

N—N

<

>

SOз

красный (кислотная форма)

Итак, добавление кислоты приводит к изменению окраски метилового оранжевого с оранжевой на красную. А добавление основания способствует обратному переходу окраски. Иначе говоря, кислотно-основные индикаторы могут существовать в двух взаимопереходящих (таутомерных) формах, имеющих различную окраску.

Хромофорная теория подходит только для применения к ароматическим или вообще органическим, конъюгированным красителям. В частности, для неорганических цветных пигментов необходимо использовать другие теории, такие как теория поля лигандов. Она не объясняет, почему таутомерные превращения и изменение окраски индикатора происходят при изменении рН раствора, не дает количественной оценки процессу изменения окраски. Также во многих случаях изменение окраски индикатора происходит мгновенно, что не укладывается в рамки хромофорной теории.

Таким образом ионная и хромофорная теории дополняют друг друга, так как в растворах кислотно-основных индикаторов присутствуют равновесия с диссоциацией молекул, и равновесия, которые обусловливаются внутримолекулярными перестроениями одних форм индикатора в другие, которые различаются по своему строению.

Ионно-хромофорная теория кислотно-основных индикаторов В 20-х годах XX века американский химик-аналитик Исаак Мориц Кольтгоф создал теорию, которая объединила представления ионной и хромофорной теорий [114]. В соответствии с этой теорией изменение цвета кислотно-основного реагента

происходит за счёт того, что молекулы органических веществ последовательно присоединяют или отнимают ионы водорода под воздействием кислот или щелочей соответственно, и связано с одновременным смещением ионных равновесий индикаторов и изменением их структуры [115].

В рамках ионно-хромофорной теории говорится, что кислотно-основные индикаторы представляют собой слабые кислоты и основания, причем нейтральная молекула индикатора и её ионизированная форма содержат разные хромофорные группы. Молекулы индикатора в водном растворе способны либо отдавать ионы водорода - тогда индикатор является слабой кислотой, либо принимать их -индикатор является слабым основанием. При этом все молекулы индикатора подвергаются таутомерным превращениям.

Если индикатор - это слабая одноосновная кислота HInd, то в водном растворе устанавливается равновесие:

HInd ^ H + + Ind B ^ HIndB ^ H + + IndB , (16)

где HInd - кислая форма (I) индикатора, которая представляет собой нейтральную молекулу слабой кислоты в какой-то таутомерной форме, Ind - анион кислой формы I индикатора. Основная форма (II) IndB' - анион кислотной формы HIndB', которая является сильной кислотой в другой таутомерной форме, отличающейся от таутомерной формы слабой кислоты HInd. Так как HIndB является сильной кислотой, то концентрация её недиссоциированной формы в растворе ничтожно мала. Таутомерная форма аниона IndB' соответствует таутомерной форме HIndB, то есть также отличается от таутомерной формы HInd. Хромофорные группы таутомерных форм HInd и IndB неодинаковы, поэтому и окраска этих двух форм различна.

В кислой среде (рН <7) равновесие смещается влево, в сторону кислой формы I (HInd), раствор принимает окраску молекул HInd.

В щелочной среде (рН >7) равновесие смещается вправо, в сторону основной формы II (IndB-) и в щелочной среде раствор принимает окраску анионов (IndB-).

Изменение окраски кислотно-основных индикаторов происходит не мгновенно, так как переход индикатора из одной таутомерной формы в другую требует времени. Диапазон величин, в котором изменение окраски индикатора становится видимым, обозначают как интервал перехода индикатора (когда в растворе существуют обе формы I и II), а наиболее оптимальное значение рН титруемого раствора, при котором наблюдается самое резкое изменение окраски индикатора, говорит о завершении титрования. Такое значение называют показателем титрования индикатора и обозначают символом рТ.

Таким образом появление или насыщение окраски у бесцветных или слабоокрашенных соединений связано с тем, что в их молекулы вводятся хромофоры и ауксохромы, а также увеличивается число сопряжённых связей, происходит образование комплексов внутри соединений, ассоциация или диссоциация их молекул.

1.2.2.2. Флуоресцентные индикаторы

Такие индикаторы при взаимодействии с окружающей средой претерпевают изменения, влияющие на их флуоресцентные свойства. Они удобны для определения рН растворов или точки эквивалентности при кислотно-основном титровании мутных или окрашенных растворов [116]. При использовании флуоресцентных индикаторов достигается более высокая чувствительность, поскольку пределы обнаружения флуоресценции в 102-104 раз ниже, чем пределы обнаружения колориметрического поглощения света [117]. Если добавление индикаторов приводит к изменению флуоресценции в интервале низких величин рН, то такие индикаторы можно использовать для титрования слабых оснований сильными кислотами, а при высоких значениях величины рН - наоборот. Титрование многоосновных кислот проводят с введением в систему индикаторов, которые способны менять флуоресценцию при двух различных значениях рН.

Флуоресцентные индикаторы используются в реакциях нейтрализации, проводимых в неводной среде. Например, нафтиламиносульфамиды применяют для титрования хлорной кислоты в среде безводной уксусной кислоты [118].

Некоторые флуоресцентные кислотно-основные индикаторы и, такие, как феноловый красный [119], тимоловый синий [120] и ализариновый красный [121], изменяют флуоресценцию приблизительно в той же области значений рН, в которой изменяется их окраска, поэтому их можно для титрования сильно окрашенных или мутных растворов [122]. Для работы в этих условиях с обычными индикаторами приходится значительно разбавлять раствор, тогда как применение подходящих флуоресцентных индикаторов позволяет в большинстве случаев легко титровать эти жидкости при УФ-облучении. Сама титруемая жидкость не должна сильно флуоресцировать. В присутствии флуоресцентных индикаторов с успехом можно титровать вина [123], пиво, синтетические смолы, эфирные масла, воски, поверхностно-активные вещества, растительные экстракты и экстракты почв. Индикатор используется в очень малой концентрации, и это является преимуществом большинства титрований. Кроме того, в отличие от многих индикаторов в титриметрии флуоресцентные индикаторы действуют косвенно и не участвуют в самой реакции.

При применении волоконной оптики в кислотно-основном титровании вместо потенциометрической индикации можно использовать такие флуоресцентные индикаторы, как соль 8-гидрокси-1,3,6-пирентрисульфокислоты, [124, 125]. Кислотно-основные флуоресцирующие индикаторы также можно использовать в роли адсорбционных (метод осаждения) [126, 127].

Органические молекулы, которые флуоресцируют, такие как полициклические ароматические соединения, имеют тенденцию быть плоскими, жесткими и ненасыщенными, и часто сопряженными. Когда такие молекулы имеют соседние группы, способные координироваться с металлическими центрами, то они образуют комплексы. Подобные изменения структуры или свойств могут также происходить, когда молекула реагирует с ионами гидроксония (Н+), ионами гидроксида (ОН-) или подвергается реакции восстановления/окисления. Образование таких комплексов может приводить к усилению флуоресценции при хелатировании или к тушению при усилении хелатирования. Например, 8-гидроксихинолин [128] и его производное, 8-гидроксихинолинсульфат, 18-

флуоресцеин и его производные фенилфлуорон [129], морин [130] и люмогаллион [131] используются в качестве флуоресцентных индикаторов коррозии.

Принцип действия флуоресцентных индикаторов

Люминесценцией является излучение энергии вещества, которое появляется в результате электронного перехода в этих частицах при их возвращении из возбужденного состояния в основное. Существует два вида люминесценции: флуоресценция и фосфоресценция. В общем случае флуоресценция - это разрешённый по спину излучательный переход между двумя состояниями одинаковой мультиплетности: 5^50 (синглетными уровнями) или Т1^Т0 (триплетными уровнями). На практике происходит следующее: при нормальных условиях все молекулы вещества находятся в основном состоянии 50. При облучении вещества происходит поглощение света, и молекулы переходят на колебательные подуровни возбуждённого состояния 51. При возбуждении на высшие электронные и колебательные уровни избыток энергии быстро расходуется, и молекулы переходят на нижний колебательный подуровень состояния 51. Затем они могут либо безызлучательно перейти в основное состояние, либо с излучением. Такой излучательный процесс и называется флуоресценцией. Время жизни возбуждённого состояния при флуоресценции составляет порядка 10-9-10-12 с [132, 133].

Фосфоресценция - это запрещённый по спину излучательный переход между двумя состояниями разной мультиплетности. К примеру, переход из возбуждённого триплетного состояния Т1 в основное состояние 50 является запрещённым. Время жизни возбуждённого состояния, в отличие от флуоресценции, составляет около 10-3-10-2 с, поскольку синглет-триплетные переходы имеют квантовомеханический запрет. Фосфоресценция не такое частое явление как флуоресценция. Вещества, которые фосфоресцируют, используют, например, для определения молекулярного кислорода [134] Все эти процессы хорошо иллюстрирует диаграмма Яблонского-Теренина (рисунок 5). В процессе титрования в зависимости от изменения рН раствора флуоресценция либо

появляется или исчезает, либо изменяется её цвет. Например, флуоресцеин в щелочной среде жёлто-зелёный, в нейтральной почти бесцветен, в кислой флуоресценция индикатора становится сине-зелёной [135, 136].

ЕА

Рисунок 5. Диаграмма Яблонского-Теренина. Схематическое изображение процессов поглощения и испускания света

Хинин в нейтральной среде (рН 5,9-6,1) меняет цвет с голубого на фиолетовый, а при рН 9,5-10,0 фиолетовая флуоресценция исчезает [137]. Изменение флуоресценции наблюдается вследствие диссоциации молекул на ионы или из-за таутомеризации молекул.

Факторы, влияющие на флуоресценцию

Кислотность среды

В процессе ионизации сложных органических молекул положения электронных уровней их основного и возбужденного состояний изменяются, вследствие чего энергия возбуждения молекул и их ионов становится разной. Если при изменении рН среды меняется степень ионизации вещества, то изменяются спектры поглощения и флуоресценции их растворов. Например, при изменении рН от 7 до 4 граница поглощения раствора слабого основания акридина смещается в более длинноволновую область спектра на 35 нм. Такое же смещение наблюдается и для максимума флуоресценции. Поэтому раствор недиссоциированного акридина флуоресцирует фиолетовым светом (максимум около 425 нм), а его ионы — сине-зелёным (максимум около 475 нм) [138]. В растворах хинина недиссоциированное основание совсем не флуоресцирует, у его одноосновного катиона свечение фиолетовое, у двухосновного— голубое. Также цвет флуоресценции меняется и

при ионизации слабых кислот: анион флуоресцеина светится ярко зелёным лишь в щелочной среде [135]. Изменение цвета флуоресценции при ионизации находит практическое применение при использовании флуоресцентных индикаторов (таблица 3).

Таблица 3. Флуоресцентные индикаторы

Индикаторы рН перехода Изменение цвета флуоресценции

4-этоксиакридон 1,4-3,2 Зелёный-синий

1,5-нафтиламинсульфамид 2,0-4,0 Нарастание жёлто-оранжевой флуоресценции

2-нафтиламин 2,8-4,4 Нарастание фиолетовой флуоресценции

Диметилнафтейродин 3,2-3,8 Лиловый-оранжевый

1-нафтиламин 3,4-4,8 Нарастание синей флуоресценции

Акридин 4,8-6,6 Зелёный-синий

Р-метилумбеллиферон 5,8-7,6 Нарастание синей флуоресценции

3,6-диокифталемид 6,0-8,0 Зелёный-жёлто-зеленый

2,3-дициангидрохинон 6,8-8,8 Синий-зелёный

Г-соль 7,4-9,0 Нарастание синей флуоресценции

Р-соль 8,0-10,6 Нарастание синей флуоресценции

Эухризин 8,4-10,4 Оранжевый-зелёный

1,5-нафтиламинсульфамид 9,5-13,0 Жёлто-оранжевый-зелёный

СС-кислота 10,0-12,0 Фиолетовый-зелёный

Флуоресцентное определение веществ, обладающих кислотно-основными свойствами, необходимо выполнять при заданном постоянном значении рН среды из-за связи с влиянием диссоциации на интенсивность флуоресценции.

Природа растворителя

На флуоресценцию растворенного вещества может влиять и растворитель. Такое влияние проявляется во взаимодействии молекул растворителя с

растворённым веществом, а также и в изменении степени диссоциации или ассоциации последнего. При этом могут изменяться и цвет, и яркость флуоресценции [139]. Изменение цвета флуоресценции (смещение максимума в спектре излучения), связывают с различием величины диэлектрической постоянной растворителей или показателей их преломления. Например, значительно меняется цвет флуоресценции индикатора диметилнафтэйродина в растворителях с различной диэлектрической постоянной (таблица 4). Однако обычно влияние растворителя на цвет флуоресценции невелико [140].

Таблица 4. Зависимость цвета флуоресценции индикатора диметилнафтэйродина от природы растворителя

Растворитель Диэлектрическая постоянная Цвет флуоресценции

Лигроин 1,86 Зелёный

Бензин 2,30 Зеленовато-жёлтый

Диэтиловый эфир 4,36 Зеленовато-жёлтый

Хлороформ 4,95 Жёлтый

Этилбензоат 6,04 -

Этилоксалат 8,08 -

Бензилцианид 15,0 Оранжевый

Этанол 21,7 -

Метанол 32,5 Красно-оранжевый

Яркость флуоресценции во многих случаях очень сильно зависит от природы растворителя и от способности его молекул воспринимать энергию возбужденного вещества. К примеру, при растворении в воде квантовый выход флуоресценции эритрозина равен 0,05, а в ацетоне 1,0 [141].

Возможность влияния растворителя всегда необходимо учитывать при проведении количественных флуоресцентных определений, а именно при экстракции органическими растворителями. При экстракционных процессах,

кроме непосредственного влияния растворителя на спектр и выход флуоресценции извлеченного им вещества, следует учитывать и степень экстракции последнего из водной фазы. К примеру, бывает, что при меньшем выходе флуоресценции определяемого вещества в некотором растворителе из-за большей степени его извлечения общее свечение экстракта будет ярче, чем в другом экстрагенте, в котором квантовый выход флуоресценции имеет большую величину. Также возможно образование комплексов между растворителем и определяемым веществом, в результате чего может меняться как спектр, так и квантовый выход флуоресценции [142, 143].

Концентрация флуоресцирующих веществ

В отсутствие посторонних примесей пропорциональность между яркостью свечения раствора и количеством находящегося в нем флуоресцирующего вещества соблюдается лишь в ограниченных пределах его низких содержаний (до так называемой «пороговой концентрации»). При повышении содержания выше некоторого предела нарастание яркости свечения сначала постепенно замедляется, а затем (в некоторой области концентраций) совсем прекращается. Дальнейшее повышение содержания вещества в растворе приводит к уменьшению яркости его флуоресценции (в отличие от оптической плотности при измерении пропускания раствора). В общем случае это явление складывается из нескольких эффектов: экранирования, реабсорбции и концентрационного тушения [144, 145].

При увеличении концентрации флуорофора в растворе возрастает поглощение им возбуждающего света, и флуорофор начинает служить своеобразным «экраном» (светофильтром), который ослабляет излучение по мере углубления в толщу раствора. Если концентрация флуоресцирующего вещества велика, то полное поглощение возбуждающего потока происходит во внешнем слое раствора, и свечение становится как бы «прижимается» к стенке сосуда со стороны облучения. Из-за этого весь объём жидкости светится слабо или совсем не флуоресцирует. Поэтому при количественном флуориметрировании необходимо работать при таких разбавлениях, чтобы весь объём раствора светился равномерно.

Помимо ослабления возбуждающего потока, возможна и реабсорбция (самопоглощение) - вторичное поглощение раствором излучения флуоресценции. Чем больше взаимное перекрывание спектров поглощения и испускания, тем сильнее она проявляется. В области наложения спектров происходит ослабление полосы флуоресценции (преимущественно с коротковолновой стороны). Из-за этого уменьшается яркость флуоресценции раствора, и меняется цвет, потому что видимый максимум в спектре смещается в длинноволновую область. При реабсорбции, как и при экранировании, общий выход флуоресценции может и не меняться.

При концентрационном тушении происходит достижение пороговой концентрации. Дальнейшее её увеличение сопровождается постепенным уменьшением квантового выхода флуоресценции. Основная причина этого явления — это уменьшение среднего расстояния между молекулами, благодаря которому повышается число межмолекулярных взаимодействий. При этом возрастает передача энергии от возбужденных молекул вещества к невозбужденным. Часть этих переходов не сопровождается излучением и ведет к снижению выхода и тушению флуоресценции раствора. В некоторых растворах к этому явлению добавляется возможность изменения степени диссоциации определяемого вещества и образования слабо или совсем не флуоресцирующих ассоциированных молекул — димеров и других агрегатов, благодаря чему уменьшается число флуоресцирующих мономеров, а их взаимодействия с ассоциированными димерами также увеличивают безызлучательный обмен энергии возбуждения. При разбавлении растворов до концентрации ниже пороговой первоначальна флуоресценция восстанавливается.

Посторонние примеси

Сильное влияние на флуоресценцию определяемого вещества может оказывать наличие посторонних примесей. Обычно они приводят к тушению флуоресценции. В основе ослабления флуоресценции примесями могут лежать как химические, так и физические явления. Происходит безызлучательная передача энергии от возбужденной молекулы к молекуле тушителя.

Химические взаимодействия между флуорофором и посторонними веществами приводят к образованию устойчивых или неустойчивых ассоциатов или химических соединений, у которых свечение молекул уже отличается от исходного.

Среди физических явлений, которые сопровождаются тушением флуоресценции, выделяют те, что приводят к нерезонансному (обычному) и к резонансному тушению. Обычное тушение осуществляется веществами, прозрачными в области флуоресценции данного раствора и вызывается соударениями возбужденных молекул флуоресцирующего вещества с молекулами тушителя. Это приводят к безызлучательной передаче энергии от возбужденной молекулы к молекуле тушителя. Заметное уменьшение выхода флуоресценции наблюдается при концентрации тушителя порядка 0,1 моль/дм3.

При резонансном тушении происходит передача энергии от возбужденной частицы к молекуле тушителя без соударения (на расстоянии порядка 3-5 нм, что много меньше длины волны света). Главным образом резонансное тушение зависит от степени взаимного перекрывания спектра флуоресценции раствора со спектром поглощения тушителя и проявляется при концентрации последнего порядка 10-3 -10-4 моль/дм3 [146, 147].

Тушение бывает первого и второго рода. К первому относятся процессы, в которых выход флуоресценции уменьшается за счёт химических или физико-химических воздействий на молекулы в основном состоянии. Ко второму роду относятся процессы, в которых выход флуоресценции уменьшается за счёт воздействия на молекулы в возбуждённом состоянии. При тушении первого рода влияние на среднюю длительность возбужденного состояния молекул не оказывается, при тушении второго рода она уменьшается. Почти все виды тушения относятся ко второму роду.

Тушение обоих видов вызывается ионами переменной валентности (окислителями и восстановителями), ионами металлов переходной группы (железом, никелем, кобальтом), большинством органических вещества, кислородом воздуха, инертными солями. Например, при действии кислорода

флуоресценция водно-спиртового раствора комплекса бора с бензоином ослабевает, но после продувки раствора чистым азотом флуоресценция восстанавливается [148].

Влияние температуры

С повышением температуры выход флуоресценции уменьшается, усиливаются внутримолекулярные колебания, которые приводят к безызлучательному рассеянию энергии возбуждения, и возрастает число межмолекулярных соударений [149]. Есть случаи, когда свечение ассоциированных молекул (димеров) слабее, чем у мономеров, и тогда при повышении температуры увеличивается диссоциация и тем самым число флуоресцирующих мономеров. Такая картина наблюдается, к примеру, при увеличении температуры раствора родамина 60 [150].

Уменьшение температуры (до температуры некоторых сжиженных газов) способствует увеличению выхода флуоресценции. Это происходит за счёт резкого снижения внутримолекулярных колебаний и практического прекращения теплового передвижения молекул. Многократно возрастает свечение, например, металлокомплексов с органическими реагентами [151]. Замораживание растворов придает жесткость молекулам веществ, которые не флуоресцируюют при комнатной температуре и придаёт им способность светиться.

1.2.3. Сравнение методов определения рН

Преимущества электрохимических методов:

• Низкая стоимость;

• Масштабируемость. Возможно создание систем контроля с несколькими точками;

• Возможно определение рН в мутных и окрашенных средах

Недостатки электрохимических методов:

• Нельзя проводить локальные измерения;

• Низкое быстродействие (время установления равновесия может занимать несколько минут, в то время как индикаторный переход в оптических датчиках происходит за время жизни возбужденного состояния, т = 10-9 с);

• Плохо работают в нейтральной среде - долго устанавливается равновесие, т.к. там мало ионов, происходит дрейф показаний (а именно в этой области необходимо измерение рН в биологических объектах);

Технические недостатки:

• Не работают без электрода сравнения;

• Утечка электролита в измеряемый раствор;

• Засорение мембраны;

• Необходимость периодической калибровки электрода;

• Стеклянные электроды чувствительны к агрессивным средам (например, НБ) и мешающим растворенным веществам;

• рН-электрод не работает при высоком давлении - не выдерживает стекло;

• При отрицательных температурах нельзя транспортировать электроды, поскольку они имеют жидкостное заполнение.

Оптические сенсоры рН предлагают совершенно новые возможности по сравнению с рН-электродами из-за их иного принципа работы, но в то же время они имеют и некоторые ограничения, которые не встречаются у рН-электродов.

Технические преимущества:

• Небольшие габариты;

• Гальваническая развязка;

• Химическая инертность и коррозионная стойкость

В связи с такими техническими характеристиками оптические сенсоры в настоящее время уверенно приходят на смену электрохимическим, поскольку:

1. Определение рН может проводиться в замкнутой системе;

2. Оптические сенсоры могут быть применены при измерении в широком диапазоне рН;

3. Анализ можно проводить дистанционно (через прозрачную стенку);

4. Возможно проведение анализа как в газовой, так и в водной средах;

5. Возможно использование в агрессивных средах.

В своей работе Janata [152] продемонстрировал допущения, которые необходимо учитывать в случае оптических измерений pH:

1. Несоответствие между активностью и концентрацией протонов;

2. Локальные значения pH в сенсорных слоях могут отличаться от значений pH пробы.

Дальнейшими ограничениями являются фотообесцвечивание (расход индикатора на анализ), выщелачивание и воздействие окружающего света. Индикаторные красители рН представляют собой слабые кислоты, которые могут действовать как буферы, что ставит под угрозу точное определение значений pH слабо или совсем небуферизованных растворов.

Большое количество недостатков потенциометрического метода приводит к тому, что за последнее десятилетие всё более заметной становится тенденция замещения потенциометрических сенсоров, и всё большее распространение получают оптические сенсоры.

1.3. Иммобилизация индикаторов

Работа большинства оптических химических сенсоров основана на проведении реакций определяемых веществ с оптически чувствительным элементом, который представляет из себя твердый (неорганический или полимерный) носитель с иммобилизованным хромофорным реагентом [153]. Изучение влияния иммобилизации на химико-аналитические свойства индикаторов является очень актуальной темой, поскольку она в большинстве случаев может существенно изменить характеристики кислотно-основной реакции, в частности, величину р^а [154, 155]. Для иммобилизации индикаторов

существуют три основных метода: физическая, химическая иммобилизация и импрегнирование [156].

1.3.1. Физическая иммобилизация

Физическая иммобилизация основывается на нековалентном взаимодействии индикатора и подложки методом сорбции, с помощью возникновения водородных связей или электростатического взаимодействия [157]. В данном случае реагент удерживается в матрице за счёт слабого межмолекулярного взаимодействия и таким образом не происходит вымывания индикатора в раствор.

Индикаторы иммобилизуют либо в статическом, либо в динамическом режимах. В первом случае матрица выдерживается несколько минут в водном или водно-органическом растворе реагента, далее её промывают водой [158]. В динамическом режиме раствор индикатора наносят каплями или прокачивают через матрицу при помощи специального насоса.

Главным недостатком физической иммобилизации является относительно ненадежное закрепление реагентов на матрице и их вымывание при контакте с раствором. Преимуществом этого метода является то, что нековалентно-пришитые к подложке вещества достигают высоких локальных концентраций в объеме или на поверхности, за счет чего формируются комплексы, имеющие интенсивную окраску [159].

1.3.2. Химическая иммобилизация

В ходе химической иммобилизации - или ковалентной пришивки-закрепление индикаторов происходит за счёт образования химической связи между иммобилизуемым реагентом и носителем через активные функциональные группы, такие, как МН2-, -СООН, ^О3Н и другие [160, 161]. После проведения химической иммобилизации образуются ковалентные связи между реагентом и матрицей [162].

Химическая иммобилизация позволяет получить стабильные, прочные и механически стойкие системы. Такие системы повторно и многократно используют при деструкции образующегося при определении комплекса, например, промывкой

водой или кислотой [163]. Недостатком данного метода можно назвать сложность, трудоемкость и многостадийность проведения синтеза, а также токсичность применяемых реактивов и их коммерческая недоступность.

1.3.3. Импрегнирование

При импрегнировании иммобилизация индикатора на подложке происходит за счёт физической адсорбции, хемосорбции или электростатических сил взаимодействия. Происходит пропитка матрицы раствором индикатора. Этот процесс может быть одностадийным и многостадийным.

Многостадийный процесс используют, когда возникает необходимость в создании защитного слоя или иммобилизация второго реагента. В этом случае после высушивания матрицу повторно замачивают, например, в растворе поливинилового спирта, желатина или других пленкообразующих веществ, высушивают и снова замачивают в растворе другого реагента. В результате реагенты на матрице оказываются отделенными друг от друга пленкой полимерного слоя. Такой способ позволяет разделить несколько реагентов, между которыми возможно химическое взаимодействие, и провести реакцию с определяемым веществом в несколько стадий. При контакте такого иммобилизованного «многослойного» реагента с исследуемым раствором определяемое вещество реагирует с «внешним» реагентом, проходит через полимерный слой и реагирует с «внутренним» реагентом с образованием окрашенных продуктов реакции.

Применяется также последовательная двухстадийная пропитка растворами исходных реактивов с целью синтеза аналитического хромогенного реагента на самом носителе. В этом случае для нанесения на матрицу композиции, состоящей из реагента, закрепителя, маскирующих, буферных и смачивающих веществ, пропитку сначала ведут водными растворами неорганических веществ, сушат, а после сушки пропитывают носитель растворами индикатора в органическом растворителе.

Недостатками такого способа иммобилизации являются низкая стабильность полученных сорбентов и плохая воспроизводимость аналитических результатов [159].

1.3.4. Другие методы

Существует еще несколько методов иммобилизации индикаторов. Одним из них является физическое внедрение. Таким способом изготавливают полимерные пластифицированные плёнки. Он заключается во внедрении и фиксации индикатора в так называемую ловушку или другую структуру, напоминающую "клетку". Таким методом очень часто иммобилизуют комплексы рутения [164, 165]. Свойства сенсоров, изготовленных по данной методике, зависят от стабильности и фотостойкости индикаторов, а также от того, насколько гидрофобной является матрица.

Другим примером иммобилизации является ковалентная сополимеризация индикатора. Такой способ заключается в пришивке к индикатору опредлённой группы, которая является родственной по химическому составу матрице. Данный метод часто используется для того, чтобы придать изготавливаемым сенсорам гидрофобные свойства [166]. В работе [167] авторы, к примеру, изготовили ферментативный электрод для определения глюкозы за счёт сополимеризации 3-метилтиофена и тиофен-3-уксусной кислоты на полимерную плёнку.

При любом способе иммобилизации индикатор должен оставаться стерически доступным и способным к взаимодействию с определяемым веществом или соединением. Однако, решающую роль в выборе способа иммобилизации играет природа сорбента.

1.3.5. Выбор матрицы для иммобилизации индикаторов

Полимерные материалы

В качестве матриц для оптических датчиков чаще всего используют полимерные материалы [168]. Индикатор иммобилизуется на оптическое волокно, после чего происходит контакт с раствором исследуемого вещества. Для того,

чтобы произошло взаимодействие с анализируемым веществом, к индикаторному красителю добавляют растворитель. Однако, из-за затрудненной диффузии весь объём кристаллического индикатора не будет реагировать на поверхности. Благодаря этому, индикатор, который растворён в полимере, позволяет свободно диффундировать анализируемому веществу от молекулы индикатора.

Чтобы оптический датчик хорошо работал, полимер, используемый в качестве матрицы, должен соответствовать различным требованиям. Прежде всего окрашенный индикатор должен растворяться в полимере и не должен вымываться из матрицы. Вещество, которое определяется, должно свободно проходить внутрь полимера (должно быть растворимым в этом полимере). Также полимер должен быть химически, физически и термостабильным, что очень важно для практического применения (увеличивается срок эксплуатации), быть нетоксичным и биологически совместимым Помимо этого, не должна происходить кристаллизация, миграция и переориентирование химического индикатора в полимере. [169].

В оптических сенсорах используют липофильные полимеры, которые при высокой температуре становятся очень хрупкими. Чтобы этого избежать и сделать полимер более гибким, добавляют пластификаторы. Ещё одним недостатком таких полимеров является то, что они имеют большую плотность и жёсткость (без применения пластификатора), а это, в свою очередь, затрудняет диффузию газов или ионов в матрицу полимера. В связи с этим необходимо соблюдать пропорцию пластификатор/полимер в соотношении 2:1. К липофильным полимерам можно отнести полиметилметакрилат, полистирол, поливинилацетат, полистерен, пластифицированный кремний [170, 171]. В работе [172] A. Tariq и соавторы в качестве матрицы применяли сшитый полимер поливинилстирола, на котором провели иммобилизацию флуоресцентного индикатора №рЫЪ-А1купеОМе. В ходе своей работы они пришли к выводу, что на время отклика и фотофизическое поведение индикатора влияют состав и толщина полимерной плёнки: чем тоньше плёнка, тем меньше время отклика, однако в таком случае индикатор подвергается фотообесцвечиванию.

Помимо липофильных используют гидрофильньные и ионные полимеры. Гидрофильньные полимеры представляют собой матрицу, в состав которой входят полярные группы [173]. Эти группы могут быть как способными к диссоциации на ионы, так и недиссооциирующими. В любом случае они обеспечивают взаимодействие полимера с водной средой. В гидрофильных полимерах ионы распространяются произвольно, что приводит к заметному набуханию полимера. За счёт этого происходит изменение аналитического сигнала и оптических свойств датчика. Иммобилизация химического индикатора обычно достигается через ковалентные связи с полимером [168].

Ионные полимеры или полиэлектролиты представляют собой большое количество диссоциированных групп (Я-803Н, Я-СООКа, Я-К(СН3)3С1), которые часто используют в ионообменной хроматографии [174]. Также они находят своё применение в качестве обмена их противоионов с ионами индикатора [175].

Золъ-гелъные плёнки

Синтез золь-гельных плёнок проводят в основном при нормальных температурах, что, в свою очередь, благоприятствует иммобилизации органических молекул в неорганической стеклянной "клеточной" структуре (производство гибридных гелей) [176]. Золь-гельный процесс позволяет подготовить стеклянную плёнку толщиной до 0,2 мкм, в которую уже может быть включен химический индикатор. При золь-гельной технологии облегчается получение заданных свойств матрицы, которые определяют важнейшие параметры датчика - чувствительность и время отклика. Степень пористости плёнки можно регулировать изменением значения рН раствора или подбором температуры.

На микроструктуру золь-гельных стёкол, их гидролиз и степень конденсации влияют различные факторы: соотношение воды и золь-геля, природа, концентрация катализатора и растворителя, температура и время старения и сушки [177].

В работе [178] авторы применили золь-гель технологии для получения оптического сенсора рН на основе красителей трифенилметанового ряда (бромфенолового синего, бромфенолового красного, тимолового синего,

бромтимолового синего, пирокатехинового фиолетового), а также азо- и бисазокрасителей (метилового оранжевого, метилового красного, конго красного и бензопурпурина). При введении тимолового синего и бензопурпурина в реакционную смесь получались плёнки, которые легко разрушались в водной среде. А плёнки, приготовленные на основе индикатора пирокатехинового фиолетового, позволили определить кислотность в диапазоне рН от 1 до 4; на основе бромфенолового синего - в диапазоне рН от 4 до 8.

В работе [179] продемонстрирована возможность иммобилизации рН индикаторов (азоиндикаторов, одно- и двухосновных индикаторов сульфофталеина) на полиметилметакрилатную матрицу. Было установлено, что иммобилизация рН-индикаторов приводит к изменению максимума абсорбции основных и кислых форм индикаторов. Значения р^а иммобилизованных в полиметакрилатной матрице индикаторов изменились по сравнению с раствором: в случае азоиндикаторов и двухосновных сульфофталеинов величина р^а сместилась в более кислую область, а в случае одноосновного сульфофталеина - в более основную область. Однако, несмотря на смещение величины р^а, авторами сделан вывод, что сенсоры на основе полиметакрилатной матрице обладают широким диапазоном индикации рН, четким переходом цвета и стабильным аналитическим сигналом.

Матрицы, полученные по золь-гельному процессу, обладают большими преимуществами по сравнению с полимерными матрицами. Они имеют большую удельную площадь поверхности, заданную пористость, высокую химическую, фотохимическую и температурную стабильность, мягкие условия синтеза, легко модифицируемую пористую структуру.

Кварцевые волокна

Представляют собой волокна, которые производят из кристаллов кварца. По сравнению со стекловолокнами кварцевое волокно намного дороже, так как кристаллы природного кварца достаточно высокой чистоты встречаются довольно редко. Также кварцевые волокна имеют более высокую стабильность по сравнению со стекловолокном. Их в основном используют в производстве композитных

материалов, в системах фильтрации, в физических устройствах (в дозиметрах с кварцевым волокном и электрометрах с кварцевым волокном), в волоконной оптике.

В работе [180] авторы исследовали пригодность кварцевого волокна в качестве матрицы для иммобилизации ферментов и обнаружения галогидриндегалогеназы. Поскольку мембрана из волокна не растворяется в воде, то фермент и носитель можно использовать повторно.

Однако, кварцевые волокна не очень удобны в практическом применении: их трудно крепить на твёрдую подложку, и индикаторный краситель со временем с них вымывается [5].

1.4. Выводы к главе 1

Основное преимущество флуоресцентных индикаторов с фотопереносом протона относительно оптических индикаторов с протолитическим равновесием в основном состоянии заключается в фактическом наличии внутреннего стандарта у первых. К примеру, если взять порфирин или БОБТРУ (С9Н7БК2Е2), то при их возбуждении мы видим изменение интенсивности только одной полосы (наблюдается флуоресценция или фосфоресценция) и время жизни [181, 182]. В связи с этим удобнее проводить измерения по изменению интенсивности двух полос в спектре (рациометрическое измерение). Для этого вводят второй индикатор, который не реагирует на рН. Измеряют отношение интенсивности на разных длинах волн, что удешевляет прибор. Однако со временем происходит фотодеградация индикаторов, причем для каждого из красителей она происходит по-разному. В связи с этим плывёт градуировка прибора, и нужно периодически его калибровать.

У фотолюминесцентных индикаторов также происходит фотодеградация. Но благодаря тому, на спектрах испускания таких индикаторов мы видим две их формы, относящиеся к одному и тому же соединению, то происходит лишь уменьшение интенсивности, а соотношение самих пиков не меняется. Следовательно, периодическая калибровка не требуется. В принципе, если

известна закономерность изменения соотношения интенсивностей в полосах испускания фотопротолитической системы в данных условиях, то градуировку достаточно провести один раз и далее уже применять в воспроизводимых сенсорах.

Также сенсоры на основе флуоресцентных индикаторов с фотопереносом протона являются кинетическими, а не термодинамическими, поскольку измерение происходит за время жизни возбужденного состояния (неравновесная система), и не нужно ждать установления равновесия. Таким образом можно проводить измерение при фиксированном рН и делать оценку протонирующей способности среды (насколько легко отдает или забирает протон). Это может иметь большое значение для оценки коррозионной активности среды, для биологических целей, для исследования быстрых процессов в конденсированной фазе, связанных с протонным обменом.

При фотовозбуждении возникают новые формы соединений, которые отсутствуют в основном состоянии. Например, нафтиламин в водной и щелочной среде не депротонируется в основном состоянии. А при фотовозбуждении образуется ArNH*-, т.е. становится доступной новая форма соединения, которая не присутствует в основном состоянии. Другим примером являются оксикумарины, которые при фотовозбуждении имеют тройное равновесие:

Одним из недостатков обычных оптических методов является нереализуемость измерения внутри клетки или проточного реактора. Для этого необходимы новые материалы и способы иммобилизации индикатора. Однако поведение иммобилизованных индикаторов и индикаторов в растворе сильно отличается. И такие закономерности для теоретического осмысления и практического использования необходимо количественно исследовать.

Фотохимические процессы хорошо изучены в мицеллах и липосомах, а в полиэлектролитах систематические исследования такого рода не проводились,

подразумевалось, что в полиэлектролитах процесс идет также, как и в растворах поверхностноактивных веществ. Однако влияние полиэлектролита отличается от влияния мицелл, потому что они имеют разное распределение поверхностного заряда: мицеллы линейных ПАВ (например, ДДСН, ТТАБ), которые исследуются в данной работе, при ККМ 1-2 имеют сферическую форму, и заряд распределяется по поверхности сферы. Строение полиэлектролитов представлено в виде Гауссова клубка, где заряженные группы распределены вдоль образующих цепей. Между тем, полиэлектролиты позволяют в некоторых случаях произвести иммобилизацию протолитической или фотопротолитической системы на твердых поверхностях, а обычные поверхностноактивные вещества не позволяют произвести такую иммобилизацию.

ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ 2.1. Реактивы и вспомогательное оборудование 2.1.1. Реактивы

В своей работы мы использовали коммерчески доступные реактивы без дополнительной очистки. Их перечень приведен в таблице 5. Реактивы, использованные в настоящей работе.

Таблица 5. Реактивы, использованные в настоящей работе

Название Брутто формула Чистота Производитель

Конго Красный C32H22N6Na2O6S2 ч.д.а. АО «ЛенРеактив», Россия

Кислота соляная HCl х.ч. АО «ЛенРеактив», Россия

Полидиаллилдиметиламмония хлорид, 20% (CsHi6ClN)n х.ч. « Sigma- Aldrich», США

Полигексаметиленгуанидин-гидрохлорид (C7Hi6N3Cl)n, n=4-50 ТУ 9392009415472882000 «Институт эколого-технологических проблем», Россия

2-нафтол CloHsO х.ч. АО «Вектон», Россия

Натриевая соль 2-нафтол-6-сульфокислоты CioH7NaO4S х.ч. АО «Вектон», Россия

Название Брутто формула Чистота Производитель

Динатриевая соль 2-нафтол-3,6-дисульфокислоты C10H6Na2O7S2 х.ч. АО «Вектон», Россия

Динатриевая соль 2-нафтол-3,6,8-трисульфокислоты Qcft^O^ х.ч. АО «Вектон», Россия

Децилсульфат натрия NaC10H21SO4 ч.д.а. « Sigma- Aldrich», США

Додецилсульфат натрия NaC12H25SO4 х.ч. « Sigma-Aldrich», США

Тетрадецилсульфат натрия NaC14H29SO4 х.ч. « Sigma-Aldrich», США

Децилтриметиламмоний бромид C13H30BrN ч.д.а. « Sigma-Aldrich», США

Тетрадецилтриметиламмоний бромид C17H38BrN ч.д.а. « Sigma-Aldrich», США

Цетилтриметиламмоний бромид C19H42BrN ч.д.а. « Sigma-Aldrich», США

Тритон Х-100 C14H22O(C2H4O)n (n=9-10) х.ч. «Panreac»

Тритон Х-305 C14H22O(C2H4O)n (n=30) ч.д.а. « Sigma-Aldrich», США

Тритон Х-405 C14H22O(C2H4O)n (n=40) ч.д.а. « Sigma-Aldrich», США

Акридин C13H9N ч.д.а. « Sigma-Aldrich», США

Хлорид натрия NaCl ч.д.а. «ПанЭко», Россия

Название Брутто формула Чистота Производитель

Дигидроортофосфат калия КН2РО4 ч.д.а. АО «ЛенРеактив», Россия

Калий фосфорнокислый 2-замещенный 3-водный К2НРО4ХЗН2О ч.д.а. АО «ЛенРеактив», Россия

Натрия гидроокись КаОН ч.д.а. ООО «Мосреактив», Россия

Нитрат аммония ч.д.а. АО «ЛенРеактив», Россия

Силикагель ЛС 5/40 Б1О2 - ООО «НеваРеактив», Россия

Фторопласт 42 - - АО «ГалоПолимер», Россия

Все растворы готовили на дистиллированной воде (ГОСТ 6709-72), которую получали за счёт тепловой перегонки водопроводной воды через электрический дистиллятор ДЭ-10 (ЗАО НПО «Техноком», РФ). Качество воды контролировали кондуктометром "Эксперт-002" (ООО «Эконикс-Эксперт», РФ) с датчиком погружного типа. Удельная электропроводность использованной дистиллированной воды составляла <5 мкСм/см.

2.1.2. Оборудование

Использованное в настоящей работе оборудование указано в таблице 6.

Таблица 6. Измерительное и вспомогательное оборудование.

Наименование Производитель

Дистиллятор ДЭ-10 ЗАО НПО «Техноком», Россия

Аналитические весы ViBRA HT-124RCE «Shinko Denshi», Япония

Ультразвуковая ванна ПСБ-2828-05 Центр ультразвукового оборудования ПСБ-Галс, Россия

Шкаф сушильный СНОЛ-3,5.3,5.3,5/3,5 - И4М ООО «НПФ ТепмИКС», Россия

рН-метр-иономер «Эксперт-001» ООО «Эконикс-Эксперт», Россия

Фотометр «Эксперт-003» ООО «Эконикс-Эксперт», Россия

Автоматический титратор «Титрион» ООО «Эконикс-Эксперт», Россия

USB-микроскоп eScope Pro DP-M17 «OiTEZ», Гонконг

Магнитная лабораторная мешалка РИТМ-1 ООО «Эконикс-Эксперт», Россия

Автоматические дозаторы переменного объёма ООО «Группа Апекс», Россия

Кондуктометр "Эксперт-002" ООО «Эконикс-Эксперт», Россия

Малогабаритный комбинированный спектрофотометр DT-MINI-2-GS (Ocean Optics, Россия)

Спектрофотометр UV-Vis T70 series «PG INSTRUMENTS LIMITED», Великобритания

Спектрофлуориметр Agilent Cary Eclipse «CCS Services», Швейцария

Наименование Производитель

Универсальная время-разрешенная флуоресцентная система FluoTime 300 PicoQuant «PicoQuant GmbH», Германия

2.2. Методика иммобилизации индикаторов

Для иммобилизации на твёрдой подложке в настоящем исследовании использовали силикагель, закрепленный в полимерной матрице по отработанной методике [11]. В качестве твёрдого носителя могут быть использованы также кварцевые волокна или стеклянные микросферы. Иммобилизацию на поверхности SiO2 проводили следующим образом (рисунок 2).

Рисунок 6. Схема иммобилизации индикатора Конго Красного на твёрдую

подложку

Силикагель выдерживали в 0,1% растворе ПДДА в течение 30 минут, периодически помешивая. После этого образец многократно (не менее 10 раз) промывали дистиллированной водой для удаления остатков неадсорбированного

полимера. Затем в течение 30 минут его выдерживали в растворе индикатора с концентрацией 1^10-3 моль/дм3, который готовили растворением навески в 50 см3 дистиллированной воды. Силикагель снова многократно промывали дистиллированной водой. Далее его высушивали в сушильном шкафу при I = 80 °С до полного высыхания. Полученный порошок смешивали с 5% раствором фторопласта 42 в ацетоне и помещали в ультразвуковую ванну на 10 минут, чтобы обеспечить равномерное диспергирование силикагеля в растворе полимера. Полученную дисперсию наносили на подложку (матированное стекло или пленка из ПЭТФ) с помощью ножевого устройства с зазором 300 мкм аналогично методике в [183]. Аналогично проводили иммобилизацию сульфопроизводных 2-нафтола и акридина, только вместо ПДДА использовали АПАВ.

2.3. Стенд для определения рк

Для определения значения р^а индикатора Конго Красного мы собрали специальную установку (рисунок 7):

Цифровой

ПК микроскоп Мешалка рН-метр

Рисунок 7. Стенд для определения pKa иммобилизованного индикатора КК

Изменение цвета образца фиксировали в виде цифровых микрофотографий с помощью USB микроскопа eScope Pro DP-M17. Соответствующую окраске величину рН определяли с помощью рН-метра «Эксперт-001» (ООО «Эконикс-Эксперт», Россия). Регистрация и обработка данных производилась с помощью разработанного нами программного обеспечения. Кислотность среды изменяли с помощью добавок соляной кислоты различной концентрации (от 2 до

1 х 10-3 моль/дм3). Сохранение производилось автоматически после стабилизации показаний рН-метра.

Для определения значения р^а раствора 2-нафтола, его иммобилизованных сульфопроизводных и акридина стенд немного изменили (рисунок 8). Для 2-нафтола и его сульфопроизводных готовили серию растворов исследуемого индикатора в фосфатных буферных растворах с заданными величинами рН от 5,75 до 10,27. Исследование акридина проводили в аммонийном буферном растворе с заданными величинами рН от 7,0 до 12,5. Кислотность среды контролировали с помощью рН-метра.

нм

Рисунок 8. Стенд для определения р^а раствора 2-нафтола и его иммобилизованных сульфопроизводных

Раствор реагента помещали в кювету. Затем при помощи программы, которая управляет массивом светодиодов, возбуждали раствор. Причем используемые светодиоды (длина волны 375 нм) возбуждают только депротонированную форму исследуемых веществ. Сохранение изображения также производилось автоматически после стабилизации показаний рН-метра.

Аналогично производили измерение всех иммобилизованных индикаторов: образец закрепляли в кювете, помещали туда буферный раствор, рН-электрод и проводили титрование. Изменение окраски образца в зависимости от рН раствора регистрировали в виде микрофотографий с помощью USB микроскопа eScope Pro DP-M17.

2.4. Параметры регистрации спектров поглощения, спектров флуоресценции и кинетических кривых

Спектры поглощения индикатора Конго Красного измеряли на малогабаритном комбинированном спектрофотометре DT-MINI-2-GS (Ocean Optics, Россия). Спектры поглощения растворов 2-нафтола, его сульфопроизводных и акридина получали на спектрофотометре UV-Vis T70 series («PG INSTRUMENTS LIMITED», Великобритания). Для измерения использовали кварцевую кювету с длинной оптического пути 1 см.

Водные растворы индикатора Конго Красного без полидиаллилдиметиламмония хлорида (ПДДА) (СКК = 1,4* 10-5 моль/дм3) и в присутствии 0,01% ПДДА (СКК = 2,8* 10-5 моль/дм3) готовили объёмно-весовым методом. Кислотность среды контролировали с помощью добавок соляной кислоты различной концентрации (от 1 * 10-3 до 2 моль/дм3).

Растворы 2-нафтола (Н0), натриевой соли 2-нафтол-6-сульфокислоты (Н1), динатриевой соли 2 нафтол-3,6-дисульфокислоты (Н2), динатриевой соли 2-нафтол-3,6,8-трисульфокислоты (Н3) также готовили объёмно-весовым методом из сухих реактивов (Синд = 1,57* 10-6 моль/дм3) в буферных растворах (рН от 0,4 до 10,3). Буферные растворы с заданной величиной рН готовили из исходных сухих реактивов (Na2HPO4*12H2O, K2HPO4*3H2O, KH2PO4).

Растворы полидиаллилдиметиламмония хлорида (ПДДА) нужной концентрации готовили из исходного 20% раствора разбавлением дистиллированной водой. Исходный раствор полигексаметиленгуанидина (ПГМГ) нужной концентрации готовили объёмно-весовым методом из сухого реактива.

Исходный раствор акридина готовили с концентрацией 10-4 моль/дм3. Готовили серию исходных аммонийных буферных растворов с pH от 7,0 до 12,5 с шагом 0,5 (NH4NO3 и NaOH). Концентрация исходного буферного раствора составляла 0,6 моль/дм3. Анализируемый раствор готовили путем смешивания исходного буферного раствора с основным раствором акридина и деионизированной водой в соотношении 1: 1: 1. Для приготовления раствора с поверхностно-активным веществом часть деионизированной воды была заменена

соответствующим раствором поверхностно-активного вещества; соотношение объемов не изменилось. Результирующая концентрация буфера во всех растворах составляла 0,2 моль/дм3, концентрация акридина составляла 6х10-5 моль/дм3, а результирующая концентрация поверхностно-активного вещества составляла 1,5 от критической концентрации мицелл (ККМ) для всех исследуемых поверхностно -активных веществ, чтобы гарантировать присутствие мицеллы в растворе.

Все растворы перемешивались на магнитной мешалке «РИТМ-1» (ООО «Эконикс-Эксперт», РФ) до полного растворения используемых реактивов.

Величину pH растворов контролировали с помощью рН-метра «Эксперт-001» («Эконикс-Эксперт», Россия), оснащенного комбинированным рН-электродом ЭСК-10601/7 («Измерительная техника», Россия).

Все реактивы имели квалификацию «х.ч.» или «ч.д.а.» и использовались без дополнительной очистки. Все эксперименты проводили при температуре 25±2 °С.

Спектры флуоресценции индикаторов регистрировали на спектрофлуориметре Cary Eclipse (Agilent Technologies, США). Все измерения также проводили в кварцевой кювете с длиной оптического пути 1 см. Параметры регистрации приведены в таблице 7.

Таблица 7. Параметры регистрации спектров флуоресценции

Вещество Длина волны возбуждения, нм Концентрация вещества, моль/дм3

2-нафтол 320 1,57 х10-6

Натриевая соль 2-нафтол-6-сульфокислоты 320 1,57 х10-6

Динатриевая соль 2 нафтол-3,6-дисульфокислоты 324 1,57 х10-6

Динатриевая соль 2-нафтол-3,6,8-трисульфокислоты 330 1,57 х10-6

Акридин 255 6х10-5

Регистрацию и обработку кинетических кривых сульфопроизводных 2 -нафтола производили в специализированном программном пакете, идущем в комплекте со спектрометром FluoTime 300 PicoQuant, EasyTau. Параметры регистрации приведены в таблице 8.

Таблица 8. Параметры регистрации кинетических кривых сульфопроизводных 2-

нафтола.

Параметр Н1 Н2 Н3

КОИ* ЯО-* ЯОИ* ЯО-* ЯОИ* ЯО-*

Длина волны возбуждения, нм 263,7

Ширина светофильтра, нм 23

Длина волны регистрации, нм 364 430 378 464 396 488

Ширина фильтра на приём, нм 10,8

Угол поляризации, ° 54,7

Интервал между единичными измерениями, пс 128

Частота синхронизации, Гц 10000340

Примечание: ROH* - исходная форма, RO-* - депротонированная форма.

Для вычисления параметров, которые в дальнейшем использовали при расчете то, то', к1 и к-1, на полученные кинетические кривые накладывали модельные кривые моноэкспоненциального затухания.

2.5. Методики обработки данных

Величину констант равновесия рКа и рКа* рассчитывали по спектральным характеристикам. Строили зависимость отношения интенсивностей характерных пиков от рН, и по точке перегиба получившейся -образной функции находили константу равновесия рКа [184].

2.5.1. Обработка RGB-изображений

При помощи специально разработанного нами программного обеспечения проводили обработку полученных микрофотографий для определения p^a индикаторов. Каждый пиксель цифрового изображения представляет совокупность из трёх базовых цветов: красного, зеленого и синего (red, green, blue или RGB) [185]. Поскольку индикатор Конго Красный при переходе в более кислую среду демонстрирует переход из красного в синий, то аналитическим сигналом может служить относительное изменение интенсивностей красного и синего цветовых каналов. Причем такая оценка может проводиться для каждого пикселя изображения независимо, давая в перспективе возможность количественно оценивать локальные изменения pH.

Свечение депротонированных форм 2-нафтола и его сульфопроизводных изменяется от синего (для Н0) до сине-зелёного (для Н3). В этом случае аналитическим сигналом служит относительное изменение интенсивности как синего, так и зеленого цветовых каналов.

2.5.2. Обработка спектров

Значения p^a для растворов индикатора Конго Красного и величину p^a* для растворов 2-нафтола, его сульфопроизводных и акридина вычисляли путём обработки спектров, измеренных на спектрофлуориметре Cary Eclipse (Agilent

Technologies, США). Снимали серию спектров каждого раствора. Строили зависимость отношения интенсивностей характерных пиков от рН, и по точке перегиба получившейся S-образной функции находили константу равновесия pKa* [184].

2.6. Выводы к главе 2

Сконструирован компьютеризованный стенд с системой регистрации и обработки люминесцентного сигнала с настраиваемой геометрией.

Разработана методика иммобилизации индикаторов на твёрдую подложку.

Проведена регистрация кинетических кривых сульфопроизводных 2-нафтола.

Измерены спектры поглощения и флуоресценции растворов 2-нафтола, его сульфопроизводных и акридина в зависимости от рН среды. Созданное и использованное оборудование и освоенные методики создают экспериментальные основы для исследования физической химии фотопротолитических систем.

ГЛАВА 3. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ИММОБИЛИЗАЦИИ ИНДИКАТОРОВ НА ТВЕРДУЮ ПОДЛОЖКУ С ПРИМЕНЕНИЕМ

КАТИОННОГО ПОЛИЭЛЕКТРОЛИТА НА ПРИМЕРЕ КИСЛОТНО-ОСНОВНОГО ИНДИКАТОРА КОНГО КРАСНОГО

В данной главе представлены результаты изучения процесса иммобилизации в композитной матрице индикатора Конго Красного. Исследовано влияние ионной силы раствора на величину р^ несвязанного и иммобилизованного индикатора, а также индикатора в растворе катионного полиэлектролита, использованного для сорбции индикатора.

3.1. Влияние катионного полиэлектролита на оптические свойства

индикатора

Кислотно-основными индикаторами, как правило, являются органические красители, молекулы которых содержат кислотные или основные функциональные группы. Изменение величины рН сопровождается потерей или приобретением протона хромофорной группой молекулы. В процессе перехода протона в спектрах поглощения (а в системах, обладающих люминесценцией, спектров испускания) наблюдаются изменения, которые связаны с возникновением или потерей некоторых электронных переходов в молекуле [186].

Индикатор Конго Красный был выбран в качестве удобной модельной системы, содержащей в структуре отрицательно заряженные сульфогруппы, как и исследованные в дальнейшем сульфопроизводные 2-нафтола. Наличие в структуре отрицательно заряженных групп позволяет использовать для сорбции молекул катионный полиэлектролит - полидиаллилдиметиламмония хлорид (ПДДА) или полигексаметиленгуанидин-гидхлорид (ПГМГ), - который хорошо адсорбируется на поверхности стекла.

На схеме представлена реакция, приводящая к смене цвета красителя КК

Исходная форма -2Н" Т1+2Н+

Протонированная форма

Сначала изучили влияние ПДДА на оптические свойства Конго Красного. На рис. 9 а и Ь показаны спектры водных растворов индикатора в виде зависимости оптической плотности от длины волны X при разном рН среды без полиэлектролита и в его присутствии.

0.9 0.8 0.7 0.6

_0.5 \ 0.4 0.3 0.2 0.1 0

б

!

У

6 5

4

3

350 450 550 650 750 Й50 950 Лт нм

к

Л, нм

Рисунок 9. Спектры поглощения растворов КК в зависимости от рН среды: а - без

ПДДА (Скк = 1,4х 10-5 моль/дм3): 1 - рН=5,55, 2 - рН=5,01, 3 - рН=4,52, 4 -рН=4,23, 5 - рН=4,09, 6 - рН=3,87, 7 - рН=3,70; б - в присутствии 0,01% раствора ПДДА (Скк = 2,8х 10-5 моль/дм3): 1 - рН=7, 2 - рН=2,48, 3 - рН=1,78, 4 - рН=1,57,

5 - рН=1,44, 6 - рН=0,48, 7 - рН=0,18 Максимумы пиков поглощения протонированной (синей, полоса поглощения Хтах = 650 нм) и исходной (красной, Хтах = 505 нм) форм индикатора практически

не смещаются, однако значительно меняется соотношение интенсивностей пиков двух форм /краснДсин. (рис. 10). У свободного индикатора максимумы пиков обеих форм меняются антибатно в практически эквивалентных соотношениях, и четко выражена изобестическая точка.

В присутствии ПДДА интенсивность полосы синей формы /син. значительно меньше, и четкой границы разделения пиков практически не наблюдается. Если для свободного индикатора предельное соотношение максимумов /красн.//син не превышает 3,5, то в присутствии катионного полиэлектролита оно увеличивается до 29, т.е. почти на порядок. Для системы с ПГМГ наблюдаемые спектральные зависимости практически идентичны, что подтверждает решающее влияние кулоновского взаимодействия индикатор-полиэлектролит на свойства системы.

Рисунок 10. Изменение соотношения интенсивностей поглощения красной и синей форм индикатора /красн.//син. в растворе при изменении рН среды. 1 - без

ПДДА (Скк = 1,4х10-5 моль/дм3), 2 - в присутствии 0,01% раствора ПДДА

(Скк = 2,8х10-5 моль/дм3) Такое резкое изменение структуры спектра, по нашему мнению, вызвано значительным смещением влево равновесия в индикаторной реакции, вследствие формирования вокруг индикатора положительно заряженной полимерной глобулы. Подтверждением этого может служить практически полное отсутствие третьей компоненты (Атах = 733 нм) спектра, отвечающей катионной форме красителя, которая наблюдается в сильно кислых растворах [188].

В присутствии полиэлектролита следы этой компоненты видны лишь в предельно кислой среде при рН~0 (рис 9 б).

Для оценки влияния полноты связывания индикатора полимером провели измерения р^а при различных соотношениях полиэлектролит/индикатор. При внесении небольших добавок катионного полиэлектролита величина р^а уменьшается незначительно, но в присутствии, например, ПДДА с концентрацией 0,001 вес.% и выше величина р^а сдвигается в область более кислых значений, и в дальнейшем становится равной предельной равновесной величине ~1.5 (рис.11), что говорит о достижении полного связывания Конго Красного полимером.

Рисунок 11. Зависимость р^а от концентрации ПДДА (%), Скк =7х 10-6 моль/дм3 Оценка методом молярных отношений показывает, что на одну молекулу Конго Красного приходится от 8 до 9 структурных звеньев ПДДА или ПГМГ, что позволяет говорить о формировании значительного положительно заряженного поля, экранирующего индикатор, и затрудняющего его протонирование.

3.2. Измерение р^а иммобилизованного на подложке индикатора

Провели исследование индикатора, иммобилизованного на твёрдой подложке по методике, описанной в п.2.2. На рисунке 12 показана зависимость изменения окраски индикатора КК от рН среды.

рН=4.55

рН=3.77

рН=3.03

рН=2.42

рН=2.02

рН=1.79

рН=1.48

рН=0.80

рН=1.21

Рисунок 12. Изменение цвета индикатора КК, иммобилизованного на силикагеле,

при изменении pH среды

Измерения проводили с помощью специально созданного компьютеризированного стенда. При уменьшении pH среды наблюдается изменение цвета образца с красного на тёмно-синий, аналогично смене окраски раствора красителя. После цифровой обработки изображений получали кривые титрования в виде зависимости интенсивности сигнала в условных единицах от рН (рис. 13).

Они представляют собой типичную S-образную кривую, которая является воспроизводимой при многократном титровании образца, поскольку не происходит вымывания индикатора вследствие того, что исходная форма полимера прочно связывается катионным полиэлектролитом, а протонированная нейтрально заряженная форма нерастворима [188].

160 п

« ,4« -I

л 12

| Ю

X О

ва й

5 б