СПОСОБ КОЛИЧЕСТВЕННОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ МАССЫ УГЛЕРОДНЫХ НАНОСТРУКТУР В ОБРАЗЦАХ
METHOD FOR QUANTITATIVE DETERMINATION OF WEIGHT OF CARBON NANOSTRUCTURES IN SAMPLES

Изобретение относится к области нанотехнологий и материаловедения, а также к экологии, биологии, экспериментальной фармакологии и касается способа количественного определения углеродных наноструктур (УН), в частности углеродных нанотрубок, в твердых и жидких образцах и различных средах, включая органические и биологические, методами оптической атомно-эмиссионной спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой.
В последние годы УН получают все большее применение в промышленности и предметах потребления. В этой связи, а также в связи с необходимостью исследования их экологического воздействия на окружающую среду и возможными медицинскими применениями вопросы количественного определения УН в различных средах становятся весьма актуальными [Омельянчук Л.В., Гурова О.А., Окотруб А.В. Генотоксическое действие неорганических наночастиц на клетку. // Российские нанотехнологий 2014. Т. 9, N 3-4. С.90-971; Purtov K.V., Petunin A.I., Burov А.Е., Puzyr A.P., Bondar V.S. Nanodiamonds as Carriers for Address Delivery of Biologically Active Substances // Nanoscale Res. Let. 2010. V. 5. P. 631-636].
В силу специфики химических и ядерно-физических свойств УН их детектирование в различных средах, особенно в органической матрице является сложной задачей. В нескольких десятках существующих патентов и публикаций описаны разнообразные способы детектирования, визуализации и измерения содержания УН в различных средах. В этих технических решениях используется широкий спектр методов: детектирование тепловой эмиссии при нагреве УН электромагнитным излучением, детектирование рамановского рассеяния на УН, измерения в образцах поглощения частоты возбуждения ядерного магнитного резонанса изотопа углерода 13С, оптические методы с использованием конфокальной флуоресцентной или интерференционно-контрастной микроскопии [Kam N.W., Liu Z., Dai Н. // Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 2006. V. 45. P. 577-581; S. Chaudhary, J.H. Kim, K.V. Singh, M. Ozkan. Fluorescence Microscopy Visualization of Single-Walled Carbon Nanotubes Using Semiconductor Nanocrystals // Nano Lett. 2004 V. 4.], электронной микроскопии [Д.В. Штанский, Просвечивающая электронная микроскопия высокого разрешения в нанотехнологических исследованиях // Российский химический журнал (Журнал Рос. хим. об-ва им. Д.И. Менделеева), 2002, т. XLVI, №5 стр 81-884]. Большое число технических решений основано на введение в исследуемые УН различных меток-маркеров в виде атомов других элементов, изотопных (в том числе и радиоактивных), магниторезонансной томографии гадолиниевых меток в УН, конъюгация с биологически активными структурами или введение иных, легко обнаруживаемых меток [L.M. Manus, D.J. Mastarone, Е.А. Waters et al. Gd(III)-nanodiamond conjugates for MRT contrast enchancement // Nano Lett. 2010. V. 10. P. 484-489.]. Например, модифицирование поверхности УН флуоресцирующими веществами или увеличение дефектности кристаллоподобных (наноалмазы) УН высокоэнергетическими воздействиями. При этом следует иметь ввиду, что сильное поглощение электромагнитного излучения видимого и ближнего инфракрасного диапазона в биологической матрице, воде и других плотных затрудняет их использование для количественных измерений.
Например, в патенте US 9417198 приводится метод и устройство для детектирования углеродных нанотрубок (УН) в биологических образцах путем облучения образцов микроволновым излучением и последующего детектирования теплового излучения УН.
В патенте РФ №2582286 предложен способ детекции проникновения углеродных нанотрубок (УН) в биологическую ткань, геном клеток которой содержит промотор гена теплового шока, сшитый с кодирующей областью дрожжевого транскрипционного фактора Gal4, и генетическую репортерную конструкцию UAS-GFP. Вывод о наличии или отсутствии проникновения отдельных УНТ в ткань образца делают на основе распределения флуоресценции в клетках образца. Изобретение обеспечивает эффективную детекцию проникновения УНТ в биологическую ткань, однако о количественных измерениях речь не идет.
В патенте US 8501152 описывается метод изотопного мечения УНТ, содержащих карбоксильные группы. Данные УНТ помещаются в органический раствор, где в присутствии палладия происходит реакция УНТ с 13С или 14С меченым цианидом, в результате чего происходит замена поверхностных карбоксильных групп на меченые нитрильные группы. Далее эти нитрильные группы гидролизуют в кислоте или основании, в результате чего на поверхности УНТ остается одна или более карбоксильных групп, в которых несущий кислотный остаток атом углерода является изотопом 13С или 14С, которые можно детектировать и измерять с помощью масс-спектрометрического анализа (изотоп 13С) или радиометра бета-излучения (14С).
В заявке № WO 2010102984 предлагается функционализировать УНТ (по сути вводить метку) последовательностями нуклеиновых кислот, способных в определенных условиях к репликации. Образцы, содержащие функционализированные УНТ помещаются в условия инициирующие репликацию метки-последовательности нуклеиновых кислот. В результате даже единственная меченая такой меткой УНТ может быть обнаружена.
Известно техническое решение - патент РФ №2528096, где описывается способ количественного определения УН, в частности наноалмазов и нанотрубок, в биологических образцах и их распределение в организме ex vivo, Способ характеризуется тем, что поверхность углеродных наноструктур модифицируют (2,4,5-трийодфенил)-метанолом, определяют количество йода в модифицированных углеродных наноструктурах, и измеряют в полученной пробе количества йода методом масс-спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой, определением в полученной пробе количества йода методом масс-спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой и расчетом содержания углеродных наноструктур в пробе по разности содержания йода в пробе до введения модифицированных углеродных наноструктур и после их введения в организм и пересчетом этого количества йода в содержание углеродных наноструктур в образце, используя исходное содержание йода в модифицированной углеродной наноструктуре. Способ обеспечивает мониторинг распределения углеродных наноносителей в организме in vivo.
Все обнаруженные технические решения можно условно разделить на две группы. К первой группе относятся методы, использующие специфические физико-химические свойства УН (например, способность эффективно поглощать высокочастотное электромагнитное излучение, характерные спектры комбинационного рассеяния, селективность поглощения электромагнитного излучения). Недостатками этих методов являются сложность практической реализации и низкая точность, соответственно, малая пригодность для количественных измерений и, высокая трудозатратность из-за сложности методики и отсутствия коммерчески доступных приборных комплексов, а также разрушение образцов в процессе пробоподготовки.
Вторая, относительно многочисленная группа, основана на внесении меток-маркеров в исследуемые УН путем модификации их физико-химической структуры. Основным недостатком является неизбежное влияние этих изменений на потребительские свойства УН и результаты научных экспериментов с их использованием. Использование изотопной углеродной метки-маркера не имеет этих недостатков, однако практическая реализация этого наиболее совершенного технического решения дорога и трудозатратна.
Предлагаемое авторами решение позволяет количественно измерять массу УН в любых жидких и твердых средах (в том числе углеродосодержащих и биологических), используя естественные метки-маркеры, которыми являются трудноудалимые остатки технологических катализаторов. Важнейшей особенностью этого технического решения является отсутствие трудоемких процессов внесения метки-маркера в исследуемые УН и отсутствие каких-либо изменений в физико-химических свойствах УН, обусловленных внесением какой-либо специальной метки-маркера. При этом сохраняется основное достоинство метода меченых УН - возможность измерений в углеродосодержащей (органической) среде.
Проблемой решаемой предлагаемым изобретением является создание универсального и несложного способа измерения массы УН в образцах различного химического и фазового состава.
Технический результат - расширение функциональных возможностей количественного измерения УН в образцах различного состава, в том числе и биологических без изменения физико-химических свойств образцов, что повышает достоверность измерения.
Для достижения указанного результат предложен способ количественного определения массы углеродных наноструктур (УН) в образце путем измерения в исследуемом образце с неизвестным массовым содержанием УН массы присутствующих в УН сопутствующих примесей катализаторов методами масс-спектрометрии с индуктивно-связаной плазмой или атомно-эмиссинной спектрометрией с индуктивно-связаной плазмой, а искомую массу УН в исследуемом образце определяют путем сравнения массы технологической примеси в исследуемом образце с массой этой примеси в эталонном образце, содержащем известную массу УН.
Кроме того, в качестве образцов могут быть использованы твердые и жидкие образцы органических веществ.
На фиг. 1-2 показаны:
Фиг. 1 Углеродные нанотрубки с наконечниками из металла-катализатора, полученные на электронном микроскопе при увеличении 11000. Фотография выполнена в Мичиганском технологическом институте и доступна по ссылке: http://www.phy.mtu.edu/nue/fundamentals_labtour.htm)
Фиг. 2 Многостенные углеродные нанотрубки марки "ТАУНИТ-М производства ООО НаноТехЦентр, Россия, Тамбов с фрагментами кобальтового катализатора (темные участки). Фотография выполнена в РНЦ «Курчатовский институт».
Технический результат достигается тем, что для детектирования и измерения массы изучаемых УН в образце используется естественная примесь в виде прочно связанных с углеродной наноструктурой атомов технологического катализатор, например, показанная на фиг. 1. Такие технологические примеси имеются в большинстве коммерчески производимых УН (за исключением детонационных алмазов и некоторых технологий производства графена). Это связано с тем, что, основными технологиями получения УН типа углеродная нанотрубка и фуллеренов являются:
- разрядно-дуговой метод с вводимыми в электроды примесями редкоземельных металлов, лазерная абляция в присутствии катализаторов (никеля и кобальта);
- осаждение из газовой фазы в присутствии катализатора (например, кобальта, никеля, молибдена, железа, или иных металлов, из группы переходных элементов таблицы Менделеева).
Ряд технологий получения наноалмазов также включает использование металлических катализаторов (лития, калия).
Способ осуществляется следующим образом:
х
пр
пр эт
Измерение массы УН в образце начинается с идентификации примеси катализатора в УН, изготовления эталонного образца (содержащего известную массу УН) и измерения массы идентифицированной примеси в эталонном образце. Масса упомянутых выше примесей в образцах, содержащих УН, может быть измерена методами оптической или масс-спектрометрией с индуктивно-связанной плазмой. Определение массы УН в образце М по результатам измерения массы примесей в образце производится методом эталонов, т.е. сравнением массы примеси обнаруженной в измеряемом образце М, с массой этой же примеси в эталонном образце М по формуле:
х
где: М - искомая масса УН в образце;
пр
М - измеренная в образце масса примесей;
прЭТ
М - известная масса примеси в эталонном образце;
унЭТ
М - известная масса УН в эталонном образце.
Пример.
В ходе эксперимента по изучению возможности измерения массы УН в образце с помощью атомно-эмиссионной спектроскопии с индуктивно-связанной плазмой были изготовлены три серии образцов взвеси УН в дистиллированой воде с примесью ПАВ полисорбат 80 (менее 0,01%). В эксперименте использовались многостенные углеродные нанотрубки марки "ТАУНИТ-М производства ООО НаноТехЦентр, Россия, Тамбов. При изготовлении образцов использовались предельно малые концентрации УН что обусловлено необходимостью избежать агрегации исследуемых взвесей УН. Для многостенных углеродных нанотрубок марки "ТАУНИТ-М агрегация в водной взвеси становится заметной начиная с 0,05% и резко возрастает с увеличением их концентрации. Изготовленные образцы в различных сериях (по 10 образцов в каждой серии) имели концентрации УН 0,0035% или 35 ppm. 0,00035% (3,5 ppm) и 0,0000035%) (0,35 ppm), четвертая контрольная серия содержала дистиллят с примесью ПАВ без УН. С помощью атомно-эмиссионного спектрометра с индуктивно-связаной плазмой (ИСП-АЭС) «ULTIMA 2» фирмы «HORIBA Jobin Yvon» были измерены концентрации технологической примеси-катализатора (кобальта) в каждой серии. Минимальная измеряемая величина концентрации кобальта в данном приборе (при использованной методике измерений) составляет 0,001 ppm. Усредненные значения концентраций кобальта в каждой серии показаны в Таблице 1. В контрольной серии кобальт не был обнаружен в пределах чувствительности прибора.
Выбирая в качестве эталона образец №1 (с концентрацией УН 35 ppm), и считая заданные при изготовлении образцов концентрации УН за истинные, можно рассчитать коэффициент пересчета концентрации примеси кобальта в концентрацию УН, а именно K=35ppm/0,33ppm=106. Из этого также следует, концентрация кобальта в УН составляет около 1%, что хорошо совпадает с спецификацией производителя. Вычисленные по измеренной концентрации кобальта концентрации УН в образцах №2 и №3 показаны в Таблице 2.
Данный пример демонстрирует возможность измерения концентрации УН в водной взвеси с помощью атомно-эмиссионной спектроскопии с индуктивно-связанной плазмой.
Таким образом, в предлагаемом способе за счет использования для измерений массы УН присутствующих в них естественных примесей катализаторов, используемых в процессе изготовления УН и отсутствия изменения физико-химических свойств образцов в процессе пробоподготовки удалось предложить простой, универсальный и достоверный способ измерения количественного содержания УН в различных образцах.