Цифровой цветометрический анализ водных и водно-органических систем с применением гидрофильных композитных пленок сшитый поливиниловый спирт–магнетит

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Доступ платный или только для подписчиков

Аннотация

Описано применение композитных пленок состава сшитый поливиниловый спирт–магнетит в качестве чувствительных элементов для определения состава водных растворов методом цифровой цветометрии. Предложен новый подход к получению композитных материалов состава гидрофильный полимер–магнетит путем осаждения частиц Fe3O4 в парах аммиака. Полученные таким образом сенсорные пленки применили для определения объемной доли спирта в продукции с высоким его содержанием. Предел определения этанола составил 63 об.%, изопропанола – 24 об.%. Предложенные сенсорные материалы опробованы при анализе жидких антисептиков для рук.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

И. С. Щемелев

Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова

Автор, ответственный за переписку.
Email: shchemelev_93@mail.ru

химический факультет

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

Т. В. Зиновьев

Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова

Email: shchemelev_93@mail.ru

химический факультет

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

А. В. Иванов

Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова; Институт общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова Российской академии наук

Email: shchemelev_93@mail.ru

химический факультет

Россия, Ленинские горы, 1, стр. 3, ГСП-3, Москва, 119991; Ленинский проспект, 31, Москва, 119991

Н. Б. Ферапонтов

Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова

Email: shchemelev_93@mail.ru

химический факультет

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

Список литературы

  1. Дмитриенко С.Г., Апяри В.В., Свиридова О.А., Бадакова С.А., Золотов Ю.А. Использование реакций диазотирования и азосочетания с участием пенополиуретана для определения нитрит-ионов с помощью спектроскопии диффузного отражения и цветометрических сканер-технологий // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 2. 2004. Т. 45. № 2. С. 131. (Dmitrienko S.G., Apyari V.V., Sviridova O.A., Badakova S.A., Zolotov Yu. A. On the new approach to the theory of preferential wetting of heterogeneous solid surfaces // Moscow Univ. Chem. Bull. 2004. V. 45. № 2. P. 131.)
  2. Горбунова М.О., Баян Е.М., Шевченко А.В., Кулягинова М.С. Цветометрическое определение хлоридов в воде с использованием газовой экстракции и метилового оранжевого // Аналитика и контроль. 2017. Т. 21. № 3. С. 274. https://doi.org/10.15826/analitika.2017.21.3.007
  3. Химченко С.В., Экспериандова Л.П. Цветометрия в инструментальном и визуальном тест-анализе. Саарбрюккен: Lap Lambert Academic Publishing, 2014. 221 с.
  4. Золотов Ю.А., Иванов В.М., Амелин В.Г. Химические тест-методы анализа. М.: УРСС, 2002. 302 с.
  5. Шаока З.А. Ч. Развитие методологии цифровой цветометрии с использованием смартфона для определения органических веществ и идентификации объектов анализа. Дис. … канд. хим. наук. Владимир: Владимирский государственный университет, 2022. 185 с.
  6. Амелин В.Г., Шаока З.А. Ч., Большаков Д.С. Твердофазно-флуориметрическое определение тетрациклинов в лекарственных препаратах на целлюлозной бумаге и тонком слое силикагеля с использованием смартфона // Хим.-фарм. журн. 2021. Т. 55. № 3. С. 52. https://doi.org/10.30906/0023-1134-2021-55-3-52-57 (Amelin V.G., Shogah Z.A. C., Bol’shakov D.S. Solid-phase fluorimetric determination of tetracyclines in medicinal preparations on cellulose paper and in thin-layer silica gel using a smartphone // Pharm. Chem. J. 2021. V. 55. № 3. P. 303. https://doi.org/10.1007/s11094-021-02416-x)
  7. Амелин В.Г., Шаока З.А. Ч., Большаков Д.С. Использование смартфона для определения тетрациклинов в воде и молоке по сенсибилизированной твердофазной флуоресценции европия на его гидроксиде // Журн. аналит. химии. 2021. Т. 76. № 10. С. 952. https://doi.org/10.31857/S0044450221080028 (Amelin V.G., Shogah Z.A. C., Bol’shakov D.S. Using a smartphone foe determining tetracyclines in water and milk by the sensitized solid state fluorescence of europium on its hydroxide // J. Anal. Chem. 2021. V. 76. № 10. P. 1211. https://doi.org/10.1134/S1061934821080025)
  8. Monisha, Shrivas K., Kant T., Patel S., Devi R., Dahariya N.S., Pervez Sh., Deb M.K., Rai M.K., Rai J. Inkjet-printed paper-based colorimetric sensor coupled with smartphone for determination of mercury (Hg2+) // J. Hazard. Mater. 2021. V. 414. Article 125440. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2021.125440
  9. Mahmoudian N., Zamani A., Fashi A., Richter P., Abdolmohammad-Zadeh H. Ultra-trace determination of cadmium in water and food samples by a thin-film microextraction using a supported liquid membrane combined with smartphone-based colorimetric detection // Food Chem. 2023. V. 421. 136193. https://doi.org/10.1016/j.foodchem.2023.136193
  10. Vargas-Muñoz M.A., Morales J., Cerdà V., Ferrer L., Palacio E. Paper sensor-based method using a portable 3D-printed platform and smartphone-assisted colorimetric detection of ammonia and sulfide monitoring in anaerobic digesters and wastewater // Microchem. J. 2023. V. 188. Article 108469. https://doi.org/10.1016/j.microc.2023.108469
  11. Jain B., Jain R., Jha R.R., Bajaj A., Sharma Sh. A green analytical approach based on smartphone digital image colorimetry for aspirin and salicylic acid analysis // Green Anal. Chem. 2022. V. 3. Article 100033. https://doi.org/10.1016/j.greeac.2022.100033
  12. Амелин В.Г., Шаока З.А. Ч., Большаков Д.С. Микроэкстракционно-цветометрическое определение анионных ПАВ в природных и сточных водах // Заводск. лаборатория. Диагностика материалов. 2020. Т. 86. № 12. С. 5. https://doi.org/10.26896/1028-6861-2020-86-12-5-14 (Amelin V.G., Shogah Z.A. C., Bolshakov D.S. Microextraction-colorimetric determination of anionic surfactants in natural and waste waters // Ind. Lab. Diagn. Mater. 2020. V. 86. № 12. P. 5.)
  13. Амелин В.Г., Шаока З.А. Ч., Большаков Д.С. Микроэкстракционно-цветометрическое (флуориметрическое) определение катионных и анионных поверхностно-активных веществ в пищевых продуктах // Журн. аналит. химии. 2021. Т. 76. № 3. С. 234. https://doi.org/10.31857/S0044450221030038 (Amelin V.G., Shogah Z.A. C., Bol’shakov D.S. Microextraction-colorimetric (fluorimetric) determination of cationic and anionic surfactants in food products // J. Anal. Chem. 2021. V. 76. № 3. P. 330. https://doi.org/10.1134/S1061934821030035)
  14. Lima M.J. A., Sasaki M.K., Marinho O.R., Freitas T.A., Faria R.C., Reis B.F., Rocha F.R. P. Spot test for fast determination of hydrogen peroxide as a milk adulterant by smartphone-based digital image colorimetry // Microchem. J. 2020. V. 157. Article 105042. https://doi.org/10.1016/j.microc.2020.105042
  15. Marinho O.R., Lima M.J. A., Rocha F.P. R., Reis B.F. A green, fast and cost-effective smartphone-based digital image procedure for quantification of ethanol in distilled beverages // Microchem. J. 2019. V. 147. P. 437. https://doi.org/10.1016/j.microc.2019.03.054
  16. Li X., Liu B., Hu Zh., Liu P., Ye K., Pan J., Niu X. Smartphone-assisted off–on photometric determination of phosphate ion based on target-promoted peroxidase-mimetic activity of porous CexZr1-xO2 (x≥0.5) nanocomposites // Environ. Res. 2020. V. 189. Article 109921. https://doi.org/10.1016/j.envres.2020.109921
  17. Shrivas K., Sahu B., Deb M.K., Thakur S.S., Sahu S., Kurrey R., Kant T., Patle T.K., Jangde R. Colorimetric and paper-based detection of lead using PVA capped silver nanoparticles: experimental and theoretical approach // Microchem. J. 2019. V. 150. Article 104156. https://doi.org/10.1016/j.microc.2019.104156
  18. Qian Sh., Cui Yu, Cai Zh., Li L. Application of smartphone-based colorimetric biosensors // Biosens. Bioelectron. X. 2022. V. 11. Article 100173. https://doi.org/10.1016/j.biosx.2022.100173
  19. Ruttanakorn K., Phadungcharoen N., Laiwattanapaisal W., Chinsriwongkul A., Rojanarata Th. Smartphone-based technique for the determination of a titration equivalence point from an RGB linear-segment curve with an example application to miniaturized titration of sodium chloride injections // Talanta. 2021. V. 233. Article 122602. https://doi.org/10.1016/j.talanta.2021.122602
  20. Park H., Koh Y.G., Lee W. Smartphone-based colorimetric analysis of structural colors from pH-responsible photonic gel // Sens. Actuators B. 2021. V. 345. Article 130359. https://doi.org/10.1016/j.snb.2021.130359
  21. Qin J., Li X., Cao L., Du Sh., Wang W., Yao Sh. Q. Competition-based universal photonic crystal biosensors by using antibody-antigen interaction // J. Am. Chem. Soc. 2020. V. 142. № 1. P. 417. https://doi.org/10.1021/jacs.9b11116
  22. Крайский А.В., Постников В.А., Денискин В.В., Султанов Т.Т., Тихонов В.Е., Хамидулин А.В. Разработка сенсорных голографических датчиков на основе гидрогелей для количественного определения компонентов в биологических жидкостях // Альманах клинической медицины. 2008. № 17-2. С. 108.
  23. Крайский А.В., Постников В.А., Султанов Т.Т., Хамидулин А.В. Голографические сенсоры для диагностики компонентов растворов // Квантовая электроника. 2010. Т. 40. № 2. С. 178. (Kraiskii A.V., Postnikov V.A., Sultanov T.T., Khamidulin A.V. Holographic sensors for diagnostics of solution components // Quantum Elect. 2010. V. 40. № 2. P. 178. https://doi.org/10.1070/QE2010v040n02ABEH014169)
  24. Большаков Е.С., Иванов А.В., Козлов А.А., Абдуллаев С.Д. Сенсор на основе фотонного кристалла для обнаружения паров бензола, толуола и о-ксилола // Журн. физ. химии. 2018. Т. 92. № 8. С. 1283. https://doi.org/10.7868/S0044453718080137 (Bol’shakov E.S., Ivanov A.V., Kozlov A.A., Abdullaev S.D. Photonic crystal sensor for detecting vapors of benzene, toluene and o-xylene // Russ. J. Phys. Chem. A. 2018. V. 92. № 8. P. 1530. https://doi.org/10.1134/S0036024418080083)
  25. Иванов А.В., Большаков Е.С., Апяри В.В., Козлов А.А., Горбунова М.В., Абдуллаев С.Д. Аналитический отклик сенсорных матриц на основе фотонных кристаллов: измерение диффузного отражения // Журн. аналит. химии. 2019. Т. 74. № 2. С. 154. https://doi.org/10.1134/S0044450219020075 (Ivanov A.V., Bol’shakov E.S., Apyari V.V., Kozlov A.A., Gorbunova M.V., Abdullaev S.D. Analytical response of sensor arrays based on photonic crystals: measurement of diffuse reflectance // J. Anal. Chem. 2019. V. 74. № 2. P. 198. https://doi.org/10.1134/S1061934819020072)
  26. Kou D., Zhang Yo., Zhang Sh., Wu S., Ma W. High-sensitive and stable photonic crystal sensors for visual detection and discrimination of volatile aromatic hydrocarbon vapors // Chem. Eng. J. 2019. V. 375. Article 121987. https://doi.org/10.1016/j.cej.2019.121987
  27. Zhang J.-T., Cai Zh., Kwak D.H., Liu X., Asher S.A. Two-dimensional photonic crystal sensor for visual detection of lectin concanavalin A // Anal. Chem. 2014. V. 86. № 18. P. 9036. https://doi.org/10.1021/ac5015854
  28. Крайский А.В., Миронова Т.В., Султанов Т.Т. Измерение поверхностного распределения длины волны узкополосного излучения колориметрическим методом // Квантовая электроника. 2010. Т. 40. № 7. С. 652. (Kraiskii A.V., Mironova T.V., Sultanov T.T. Measurement of the surface wavelength distribution of narrow-band radiation by a colorimetric method // Quantum Elect. 2010. V. 40. № 7. P. 652. https://doi.org/10.1070/QE2010v040n07ABEH014288).
  29. Крайский А.В., Миронова Т.В., Султанов Т.Т. Измерение длины волны узкополосного излучения при обработке цифровых фотографий в raw-формате // Квантовая электроника. 2012. Т. 42. № 12. С. 1137. (Kraiskii A.V., Mironova T.V., Sultanov T.T. Narrow-band radiation wavelength measurement by processing digital photographs in raw-format // Quantum Elec. 2012. V. 42. № 12. P. 1137. https://doi.org/10.1070/QE2012v042n12ABEH014914)
  30. Гагарин А.Н., Ферапонтов Н.Б., Иванов А.В., Тиханова О.А., Смирнова М.А., Иконникова И.С. Применение композитного материала “поливиниловый спирт – магнетит” для анализа растворов методом оптической микрометрии / Роль фундаментальных исследований при реализации стратегических направлений развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 г. / Под ред. Дуюновой В.А., Оглодкова М.С., Шеина Е.А., Закржевской М.С.М.: ВИАМ, 2019. С. 339.
  31. Ivanov A.V., Smirnova M.A., Tikhanova O.A., Gagarin A.N., Ferapontov N.B., Tokmachev M.G. Granulated metamaterial cross-linked polyvinyl alcohol – Magnetite for use in optical micrometry // Theor. Found. Chem. Eng. 2021. V. 55. № 5. P. 1023. https://doi.org/10.1134/S0040579521050067
  32. Щемелев И.С., Ферапонтов Н.Б., Иванов А.В. Кинетические аспекты определения содержания углеводов в водных растворах методом оптической микрометрии// Науч. вестн. СамГ У. 2021. № 3 (127). С. 14.
  33. Щемелев И.С., Староверова А.В., Ферапонтов Н.Б., Иванов А.В. Определение сахарозы в растворах методом оптической микрометрии с применением нового композита “сшитый поливиниловый спирт – магнетит” / Инновационные материалы и технологии – 2021 / Под ред. Войтова И.В. Минск: БГТУ, 2021. С. 394.
  34. Каримов Х.Р., Староверова А.В., Токмачев М.Г., Ферапонтов Н.Б., Тробов Х.Т. Применение композита поливиниловый спирт – магнетит для повышения точности метода оптической микрометрии // Сорбционные и хроматографические процессы. 2023. Т. 23. № 2. С. 216. https://doi.org/10.17308/sorpchrom.2023.23/11145
  35. Большаков Е.С. Сенсорные матрицы на основе трехмерных фотонных кристаллов для экспрессного обнаружения летучих органических соединений. Дис. … канд. хим. наук. Москва: Московский государственный университет, 2021. 171 с.
  36. Большаков Е.С., Иванов А.В., Гармаш А.В., Самохин А.С., Козлов А.А., Золотов Ю.А. Комплексный подход к мониторингу летучих органических соединений сенсорными фотонно-кристаллическими матрицами // Журн. неорг. химии. 2021. Т. 66. № 2. С. 220. https://doi.org/10.31857/S0044457X21020033 (Bol’shakov E.S., Ivanov A.V., Garmash A.V., Samokhin A.S., Kozlov A.A., Zolotov Yu. A. Integrated approach to monitoring volatile organic compounds by photonic-crystal sensor matrices // Russ. J. Inorg. Chem. 2021. V. 66. № 2. P. 217. https://doi.org/10.1134/S0036023621020030)
  37. https://www.xrite.com/ (03.12.2023).
  38. https://imagej.net/ (03.12.2023).
  39. Lu X., Chen Ch., Wen X., Han P., Jiang W., Liang G. Highly charged, magnetically sensitive magnetite/polystyrene colloids: synthesis and tunable optical properties // J. Mater. Sci. 2019. V. 54. № 10. P. 7628. https://doi.org/10.1007/s10853-019-03445-4
  40. Токмачев М.Г., Ферапонтов Н.Б., Тробов Х.Т., Гавлина О.Т. Моделирование кинетики набухания гелей гидрофильных полимеров // Учен. записки физ. фак-та Моск. ун-та. 2018. № 5. 1850303.
  41. Староверова А.В., Токмачев М.Г., Гагарин А.Н., Ферапонтов Н.Б. Определение погрешностей результатов измерений, получаемых методом оптической микрометрии // Заводск. лаборатория. Диагностика материалов. 2023. Т. 89. № 6. С. 42. https://doi.org/10.26896/1028-6861-2023-89-6-42-50 (Staroverova A.V., Tokmachev M.G., Gagarin A.N., Ferapontov N.B. Determination of the error of measurements obtained by the optical micrometry // Ind. Lab. Diagn. Mater. 2023. V. 89. № 6. P. 42.)
  42. Heshmat M., Li P.C. H. Construction of an array of photonic crystal films for visual differentiation of water/ethanol mixtures // ACS Omega. 2019. V. 4. № 22. P. 19991. https://doi.org/10.1021/acsomega.9b02947
  43. Yang J., Zhu Z., Feng J., Xue M., Meng Z., Qiu L., Mbola N.M. Dimethyl sulfoxide infiltrated photonic crystals for gas sensing // Microchem. J. 2020. V. 157. Article 105074. https://doi.org/10.1016/j.microc.2020.105074
  44. Смирнова М.А., Гагарин А.Н., Токмачев М.Г., Тробов Х.Т., Ферапонтов Н.Б. Использование смешанных растворителей для определения концентрации растворенных веществ методом оптической микрометрии // Сорбционные и хроматографические процессы. 2021. Т. 21. № 5. С. 661.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Схема установки для внедрения частиц магнетита в пленки. 1 – мотор, 2 – вентилятор, 3 – пленка, 4 – водный раствор аммиака, 5 – магнитная платформа.

Скачать (53KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Установка для измерения цветометрического сигнала (интенсивности цветовых параметров Ar) пленок. Пояснения см. в тексте.

Скачать (131KB)
Метаданные
4. Рис.1

Скачать (33KB)
Метаданные
5. Рис.2

Скачать (34KB)
Метаданные
6. Рис.3

Скачать (38KB)
Метаданные
7. Рис.4

Скачать (36KB)
Метаданные
8. Рис.5

Скачать (34KB)
Метаданные
9. Рис.6

Скачать (38KB)
Метаданные
10. Рис. 3. Спектры пропускания (а) и отражения (б) пленок, полученных выдерживанием в течение разного времени в солях железа: сFe(III) = 0.10 М, сFe(II) = 0.05 М, мощность УЗ-излучения 60 Вт, частота 40 кГц.

Скачать (135KB)
Метаданные
11. Рис. 4. Концентрационные зависимости интенсивности цветовых параметров Ar пленок с разным временем импрегнирования солями железа в растворах KCl (а) и MgCl2 (б).

Скачать (212KB)
Метаданные
12. Рис. 5. Зависимость интенсивности цветовых параметров Ar от объемной доли спиртов в индивидуальных водно-спиртовых растворах (а) и фотографии пленки после выдерживания в растворах (б).

Скачать (322KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024