Новые чувствительные элементы на основе желатинового геля на ионы щелочноземельных металлов и Mg 2+

И.Ю. Черникова, С.В. Шереметьев, Ю.В. Ермоленко, В.В. Кузнецов Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия

НОВЫЕ ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ НА ОСНОВЕ ЖЕЛАТИНОВОГО ГЕЛЯ НА ИОНЫ ЩЕЛОЧНОЗЕМЕЛЬНЫХ МЕТАЛЛОВ И Mg2+

A new sensitive element (SE) on Ca2+ and Mg2+ based on the reagent arsenaso III and magneson IREA, which is electrostatically immobilized into a hardened form of gelatin gel, has been developed. The offered SE has been applied to determine Ca2+ and Mg2+ spectrophotometrically. The equation of the calibrating functional dependence is as follows: А(Л=624 nm) = 0,0013 c(Ca2+) + 0,0191; r = 0,9853, and А(Л=545 нм) = 0,0016 c(Mg2+) + +0,0016; r = 0,993 respectively. The linear range of the calibration function is stable within the interval from 10 up to 300 ^g/mL(Ca2+) and от 0,5 до 50 ^g/mL (Mg2+). The opportunity to use the SE in a variant of a test-method with visible indication is presented. The assessment of the accuracy of Ca2+ determination on the model solutions with the help of the method “added - found” and in the course of analysis of real objects by means of additions has been made. It was also proved that spectrophotometry with the SE has satisfactory precision (sr does not exceed 0,05). The possibilities of analytical usage of the SE are displayed in the course of analysis of a range of real objects: drinking and mineral water, juice and kefir, and pharmaceutical samples. The offered SE can be used to produce test forms with a visual indication, which can be used in different spheres and for everyday application as well.

Предложены новые чувствительные элементы (ЧЭ) на Ca2+ и Mg2+ на основе электростатически иммобилизованных в отвержденный желатиновый гель реагентов арсеназо III и магнезон ИРЕА. Предлагаемые ЧЭ применены для спектрофотометрического определения Ca2+ и Mg2+. Уравнения градуировочных зависимостей: А(Л=624 нм) = 0,0013 c(Ca2+) + 0,0191; r = 0,985 и А(Л=545 нм) = 0,0016 c(Mg2+) + +0,0016; r = 0,993 соответственно. Область линейности на градуировочных зависимостях сохраняется в интервале от 5 до 300 мкг/мл (Ca2+) и от 0,5 до 50 мкг/мл (Mg2+). Показана также возможность использования предлагаемых ЧЭ в варианте тест-методов с визуальной индикацией. Проведена оценка правильности определения на модельных растворах методом «введено-найдено» и при анализе реальных объектов методом добавок. Установлено, что спектрофотометрия с ЧЭ имеет хорошую прецизионность (sr не превышает 0,05). Возможности аналитического применения ЧЭ показаны при анализе содержания кальция в ряде реальных объектов: питьевых и минеральных вод, соков, кефира, фармацевтических препаратов. Предлагаемые ЧЭ могут быть использованы для изготовления тест-средств с визуальной индикацией в том числе и для бытового применения.

Одним из современных и бурно развивающихся направлений в аналитической химии является химическая сенсорика, как в инструментальных вариантах, так и в вариантах тест-методов [1]. Разработка новых чувствительных материалов, имеющих химический отклик на определяемые компоненты, представляет несомненный интерес для развития указанного направления. Особенную актуальность приобретает задача создания новых аналитических систем для использования в качестве чувствительных элементов при анализе содержания важнейших для здоровья человека элементов, какими являются кальций и магний. Интерес к определению этих элементов объясняется также их высоким содержанием в земной коре и природных водах.

Среди аналитических реакций, используемых в химической сенсорике, широкое применение получили различные варианты спектрофотометрических реакций [2]. Наибольшее распространение имеют системы на основе целлюлозы и полиуретана [1]. Использование в качестве оптически-прозрачной подложки при изготовлении чувствительных элементов (ЧЭ) желатины [3,4] дает ряд преимуществ, связанных с природой матрицы, а именно: высокая гидрофильность и большая химическая емкость подложки к иммобилизованному реагенту. Интерес для аналитического применения отвержденного желатинового геля представляют также буферные свойства желатины [5]. Простота, доступность, дешевизна и хорошие аналитические характеристики чувствительных элементов на основе желатинового геля делают предлагаемые аналитические системы привлекательными для изготовления на их основе оптических сенсоров и тест-средств

с визуальной индикаций, которые, отличаясь удобными потребительскими свойствами, могут найти широкое практическое применение.

При изготовлении ЧЭ использовали методику, разработанную ранее [5]. В качестве реагента на ион Са2+ использовали арсеназо III, позволяющий в водных растворах достичь хорошей контрастности и чувствительности фотометрической реакции [6]. Достоинством этого реагента является возможность избирательного определения в отношении магния в нейтральной или слабокислой средах. Проведенные спектрофотометрические исследования (рис. 1) подтвердили электростатический механизм иммобилизации реагента в среду желатинового геля. Об этом свидетельствует отсутствие смещения максимумов полос поглощения в случае перевода аналитической реакции из водной среды в среду желатины.

А

0,4 т

О -I---------------1-------------1-------------1-------------1------------1-------------1--------------1

350 400 450 500 550 600 650 А-нм

Рис. 1. Спектрофотометрические исследований комплексообразования в системе арсеназо III -Са2+ в водных растворах (2,4) и в желатиновом геле (1,3); I = =0,1 см (1,3) и 1 см (2,4); рН = 7, с(Са2+)=0,9 М, с(Я)= 10-4М). Спектры снимались относительно дистиллированной воды (2,4) или относительно прозрачного слоя геля на подложке (1,3); 1 - Я, 2 - Я, 3 - МЯ; 4 - МЯ

2+

Для обеспечения селективности ЧЭ по отношению к , была исследована

зависимость комплексообразования в исследуемой системе в желатиновом геле при различных значениях рН. Данные представлены на рис. 2.

Использование реакции в щелочной области ограничено значениями рН > 9 из-за вымывания реагента из желатины. Из данных, представленных на рис. 2. Видно, что в слабокислых и нейтральных растворах комплексообразование в исследуемой системе хоть и меньше, чем в щелочной среде, но все же весьма существенно. В дальнейшем проводили определение Са2+ при значении рН = 7, т.к. в этом случае М§2+ уже не образует комплекса с арсеназо III, что было экспериментально подтверждено.

В качестве аналитического сигнала использовали максимальное поглощение, соответствующее участку насыщения на кинетической кривой.

Для изготовления ЧЭ для оптического сенсора на ион М§2+ на основе отвержденного желатинового геля в результате предварительного эксперимента был выбран реагент магнезон ИРЕА. Этот реагент используется для определения М§2+ в природных и питьевых водах. Наибольшая устойчивость комплекса магния с реагентом достигается при рН =11,2. Однако, применение этой аналитической реакции в классической фотометрии затруднено из-за плохой контрастности и недостаточной чувствительности [7]. Применение сильно щелочной среды ограничивает невозможность удерживания реагента в слое желатины при значениях рН > 10,5 (для магнезона ИРЕА). В ходе ис-

следований было установлено, что значение рН=10,2 является оптимальным при проведении рассматриваемой аналитической реакции в среде желатины.

Рис. 2. Спектрофотометрические исследования комплексообразования в системе арсеназо III -Са2+ в среде желатинового геля при различных значениях рН; I = 0,1 см, с(Са2+) = 0,9М. Спектры ЧЭ снимались относительно прозрачного желатинового слоя на подложке;

1 - рН=9,18; 2 - рН=7,7; 3 - рН=4,01.

Рис. 3. Спектрофотометрические исследования комплексообразования М^ с магнезоном ИРЕА в растворе (3,4) и в среде желатинового геля (1,2); I = 1см, рН=10,2, с(К)=10-4 М; оптический ноль устанавливали по дистиллированной воде (1,2) или относительно сухого слоя желатины;

1- с(М^+)=2400 мкг/мл, 2- с(М^+)=0, 3- Я, 4- Я : Мg=1 : 10

Было установлено интересное с аналитическое свойство ЧЭ. Магнезон ИРЕА в слабокислой среде имеет оранжевую окраску, которая изменяется на синюю в щелочной среде. Комплекс, образующийся на поверхности полимерного гидроксида, существует только в щелочной среде и имеет максимум, соответствующий фиолетовой окраске (см. рис 3). Это является причиной того, что контрастность и чувствительность данной аналитической реакции невысоки. В ходе эксперимента было установлено, что через 1 минуту после извлечения ЧЭ из аммиачного буферного раствора (рН = 9,8 -10,2) синяя окраска реагента меняется на оранжевую. Это объясняется тем, что после частичного испарения аммиака с поверхности желатинового геля буферное действие желатины (рН=4, [5]) возвращает гелю слабокислую среду и следовательно, оранжевый цвет иммобилизованного реагента. Фиолетовая окраска комплекса магния с иммобилизованным реагентом не меняется после извлечения и высушивания ЧЭ желатиновой пленки, что очень важно для аналитического применения данного ЧЭ. Таким образом, при использовании ЧЭ на основе желатинового геля с иммобилизованным реагентом

магнезон ИРЕА удается существенно увеличить контрастность, а следовательно, чувствительность аналитической реакции.

Вышеописанное явление подтверждено спектральными исследованиями (рис. 3).

Установленная особенность ЧЭ позволила увеличить контрастность аналитической реакции на 45 нм по сравнению с аналогичной реакцией в водной среде (см. рис.4).

Были получены количественные градуировочные зависимости измеряемой оптической плотности чувствительных элементов от концентрации определяемых ионов в анализируемом растворе. Уравнения полученных линейных градуировочных зависимостей представлены в табл 1. Предел обнаружения, рассчитанный по [8], составил 0,65 мг/л для Ca2+ и 0,51 мг/л для Mg2+.

Таблица 1. Градуировочные зависимости при определении Ca2+ и М^+ с использованием ЧЭ

Уравнение г Область линейности

А(Я=605 нм) = 0,0013 с(Оа2+) + 0,0191 0,985 до 320, мкг/мл 0,021

А(Л=545 нм) = 0,0016 с^2+) + 0,0016 0,993 до 50 мкг/мл 0,019

Правильность определения проверяли методом «введено-найдено» на модельных растворах. Результаты этих определений представлены в таблице 2.

Таблица 2. Проверка правильности количественного определения Са2+ и М^

методом «введено-найдено»

Введено, мкг/мл Найдено, с+5, мкг/мл sr Я, %

Ca 2+ 21,6 21,3+0,4 0,014 98,6

О 2 + 4 2 43,20+0,45 0,009 100

Оа 2+ 86,4 86,2+0,5 0,005 99,7

Mg2+ 12,01 12,01+0,74 0,05 100

Mg2+ 24,02 24,00+0,89 0,03 99,9

Mg2+ 48,03 48,01+1,78 0,03 99,9

Разработанный чувствительный элемент на кальций был применен для определения концентрации кальция в различных объектах: питьевых водах, продуктах питания, фармацевтических препаратах и в природных водах. Все данные практического анализа представлены в табл. 3. В ряде случаях правильность анализа проверялась методом добавок.

Таблица 3. Результаты определения Са2+ в реальных объектах

Введено, мкг/мл Добавлено, мкг/мл Найдено, с+5, мкг/мл sr

Питьевая вода «Шишкин лес» 23,2+0,4 0,015

Минеральная вода «Славяновская» 933,6+9,6 0,008

24,3 959,2+9,1 0,008

48,6 985,5+9,0 0,007

минеральная вода «Липецкий бювет» 120,4+3,1 0,021

минеральная вода «Новотерская» 1050,2+11,5 0,009

фармацевтический 360,8+5,6 0,012

препарат 102 461,6+6,3 0,011

«Кальций хлорид» 204 563,2+6,9 0,010

Промышленные стоки пищевого производства 233,75+7,2 0,025

Витамин «Комплвит» 240,6+5,6* 0,018

Сыворотка кефира «Биомакс» 2246,8+12,1 0,005

Сок «17 виноград» 35,1+0,6 0,015

18 52,8+0,8 0,012

Сок «17 яблоко» 67,3+1,1 0,013

Фармацевтический препарат «Кальцекс» 110,8+1,5* 0,011

* - мкг/табл.

Были получены цветовые шкалы для тест-определения содержания ионов кальция и магния. Предлагаемые тест-средства пригодны для полуколичественного определения содержания кальция и магния в диапазоне концентраций от 0 до 200 мкг/мл и от 0 до 120 мкг/мл соответственно. Предлагаемая разработка может найти применение для полуколичественного определения ионов кальция и магния в природных водах (в том числе жесткости), пищевых продуктах, фармацевтических препаратах, а также для клинического анализа. Предлагаемые чувствительные элементы на основе отвержденного желатинового геля могут быть успешно применены для изготовления тест-средств с визуальной индикацией для определения Ca2+ и Mg2+ , в том числе и для бытового применения. К преимуществам предлагаемых тест-средств можно отнести их экспрес-ность, простоту выполнения, возможность хранения в течение длительного времени и возможность переноса информации.

Список литературы

1. Золотов Ю.А. Химические тест-методы анализа / Ю.А. Золотов, В.М. Иванов, В.Г. Амелин. - М,: Едиторал УРСС, 2002. - 304 с.

2. Островская В.М. Вода. Индикаторные системы / В.М. Островская, О.А. Запорожец, Г.К. Будников, Н.М. Чернавская. - М,: 2002. - 266 с.

3. Шереметьев С.В., Кузнецов В.В. Реакции синтеза азокрасителей в отвержденном желатиновом геле и их аналитическое применение при определении нитритов / С.В. Шереметьев., В.В. Кузнецов // Журн. аналит. химии. - 2007. Т. 62, № 4 - С. 357-369.

4. Решетняк Е.А. Предел обнаружения в тест-методах анализа с визуальной индикацией. Влияющие факторы / Е.А Решетняк, Н.А. Никитина, А.П. Логинова, В.М. Островская// Журн. аналит. химии. - 2005. Т.60, №10 - С.1102-1109.

5. Шереметьев С.В. Ковалентная и электростатическая иммобилизация органических реагентов к полимерной и гелевой матрицам и чувствительные элементы на их основе. Диссертационная работа на соискание степени кандидата химических наук / С.В. Шереметьев. - М,: РХТУ им. Менделеева, 2006. - 190 с.

6. Савин С.Б. Арсеназо III. Методы фотометрического определения редких и актинидных элементов - М,: АТОМИЗДАТ, 1966. - 255 с.

7. Тихонов В.Н. Аналитическая химия элементов. Магний / В.Н. Тихонов. - М,: Наука, 1973. - 254 с.

8. Мясоедов Б.Ф. Рекомендации и номенклатурные правила ИЮПАК по химии / Б.Ф. Мясоедов, Ю.А. Золотов, В.М. Иванов, Е.К. Корчемная. - М,: Наука, 2003. - 158 с.