СПОСОБ ВЫДЕЛЕНИЯ МОНОСЛОЯ ВЕЩЕСТВА
METHOD OF SEPARATING MONOLAYER OF SUBSTANCE

Изобретение относится к области аналитической химии и предназначено для выделения монослоя вещества для целей последующего анализа свойств вещества.
Хроматография - динамический сорбционный метод разделения и анализа смесей веществ, а также изучения физико-химических свойств веществ. Основан на распределении веществ между двумя фазами - неподвижной (твердая фаза или жидкость, связанная на инертном носителе) и подвижной (газовая или жидкая фаза, элюент) (Википедия). Хроматография - метод разделения, анализа и физико-химического исследования веществ. Хроматография - один из основных методов количественного анализа органических и неорганических соединений. В заявляемом изобретении использована плоскостная (тонкослойная) хроматография. Тонкослойная хроматография - вариант хроматографии, основанный на различии в скорости перемещения компонентов смеси в плоском тонком слое (толщина 0,1-0,5 мм) сорбента при их движении в потоке подвижной фазы (элюента).
Заявляемый способ базируется на распределении (дифференциации) соединений на хроматограмме в виде пленок, слоев. Размеры слоев соответствуют наноразмерам. Работа относится к нанохимии, что повышает уровень ее актуальности.
Мономолекулярный слой (монослой) - слой вещества толщиной в одну молекулу на поверхности раздела фаз; с ростом концентрации адсорбируемого вещества монослой может переходить в полимолекулярный поверхностный слой (Химическая энциклопедия, т.3: Меди-Полимерные, под ред. Кнунянца и др., М, Большая Российская энциклопедия, 1992 г.).
Наночастица - объекты с размером 1-10 нм, состоящие из атомов одного или нескольких элементов. Нанохимия - область, исследующая получение, свойства и реакционную способность частиц и сформированных из них ансамблей, которые, по крайней мере, в одном измерении имеют размер менее 10 нм (Нанохимия, учебное пособие, Сергеев Г.Б., М.: КДУ, 2006 г., стр.15).
Нанокристаллические (наноструктурные, нанофазные, нанокомпозитные) материалы - материалы, у которых размер отдельных кристаллитов или фаз, составляющих их структурную основу, не превышает 100 нм, хотя бы в одном направлении (Суздалев И.П. Нанотехнология: физико-химия нанокластеров, наноструктур и наноматериалов. М.: Ком. Книга, 2006, стр.10).
Сорбция - поглощение твердым телом или жидкостью различных веществ (жидкостей или газов) из окружающей среды. Поглощающее тело называют сорбентом, поглощаемое - сорбатом (сорбтивом) (Химическая энциклопедия, т.4: Полимерные-Трипсин, под ред. Зефирова Н.С. и др., М.: Большая Российская энциклопедия, 1995 г.).
Цель любого хроматографического анализа - выделить из смеси вещество для целей дальнейшего его исследования - химический состав, количественный состав и т.п., а также идентифицировать. Выделенное вещество исследуется также в отношении его свойств, пригодных в тех или иных областях промышленности. Чем более точно выделено и идентифицировано вещество, тем точнее будет анализ его свойств, позволяющих использовать вещество по какому-либо назначению. Для количественного анализа и прогнозирования свойств вещества необходимо постараться исследовать монослой вещества, т.е. слой толщиной в одну молекулу. Т.к. важное значение в настоящее время уделяется нанотехнологиям, в которых важное значение имеет, в том числе, вопрос площади покрытия веществом, качественный и количественный анализ покрытия.
Известен способ выделения монослоя вещества, описанный в источнике Г.Холмс «Лабораторные работы по коллоидной химии». Ленинград, изд. Онти-Химтеорет, 1936, стр.87. Наливают воду в поднос. Проводят операцию очистки воды: насыпают на поверхность воды немного талька и сдувают его к концу подноса, где его можно снять чистой полоской бумаги. Затем наливают на водную поверхность пальмитиновую кислоту в бензоле. Раствор бензола распространяется по поверхности воды, бензол испаряется в несколько секунд и оставляет на поверхности воды мономолекулярную пленку кислоты. Когда пальмитиновая кислота расплывется на поверхности, она посыпается тальком, чтобы сделать видимой поверхность. Затем осторожно сдувают покрытую порошком пленку на ограниченную площадь, которая в дальнейшем измеряется.
Недостатком указанного способа выделения монослоя является его сложность и возможность использования только на гладкой поверхности жидкости.
А.И. Бродский. Физическая химия, том 1. М.: ОНТИ, 1935, на стр.357, «… при нанесении переменных количеств касторового масла на поверхность воды Рэлей (1899) нашел, что до толщины слоя в 13 Å поверхностное натяжение воды медленно падает (что зависит от сорбции); после этого оно падает быстро до нового относительно постоянного значения. Это Рэлей справедливо приписал образованию второго слоя молекул. Размер в 13 Ǻ отвечает величине молекулы масла». Таким образом, скачок поверхностного натяжения Рэлей объяснил началом образования второго слоя молекул (данный способ принят за прототип).
Вышеуказанный способ описан также в источнике Х.С.Тейлор «Физическая химия», изд. ОНТИ - Химтеорет - Ленинград, 1936 г., стр.1548, в котором указано, что в результате нанесения на поверхность жидкости вещества меняется ее поверхностное натяжение, при этом изменение поверхностного натяжения носит скачкообразный характер.
По аналогии с опытом Рэлея проводили определение толщины адсорбированного слоя другие ученые (А.И.Бродский. «Физическая химия», том 1, М, изд. ОНТИ, 1935, стр.357): «Дево (1904), Марселей (1914) и Лэнгмюр (1916) измеряли минимальную толщину пленок разных нерастворимых в воде веществ на поверхности воды следующим способом. Вода посыпалась не смачиваемым порошком (тальк, ликоподий и др.), после чего на нее наносилось определенное количество масла, которое растекалось мономолекулярной пленкой, причем порошок отодвигался за пределы пленки, площадь которой легко могла быть при этом измерена».
Итак, Рэлеем установлено, что при распределении исследуемого вещества на поверхности воды происходит изменение поверхностного натяжения воды. При этом первое заметное и резкое изменение поверхностного натяжения воды возникает, когда поверхность воды целиком покрыта равномерной пленкой исследуемого вещества (масла), толщиной в 1 молекулу. Главным недостатком этого способа определения мономолекулярного слоя является возможность его использования только при использовании в качестве поверхности - гладкой поверхности жидкости (воды).
В настоящее время этот описанный выше метод используют для определения поверхностного натяжения, но метод называют «дифференциальный метод Лэнгмюра для тонких нерастворимых пленок на жидких поверхностях» (Айвазов Б.В. Практикум по химии поверхностных явлений и адсорбции. Учеб. Пособие для институтов. М. «Высш. Школа», 1973 г., стр.7).
2
Сорбционный процесс в статистических условиях описывается уравнениями, связывающими количество сорбированного вещества и концентрацию вещества. Строят график зависимости сорбции от концентрации при постоянной температуре. По оси абсцисс откладывают равновесные концентрации С сорбированного вещества, моль/л (или парциальные давления Р), а по оси ординат Cs - сорбированные количества данного вещества, приходящегося на 1 см поглощаемого вещества, выраженного также в молях. Построенная кривая называется изотермой сорбции (фиг.1) («Основы аналитической химии», книга 1 «Общие вопросы. Методы разделения», М.: Высшая школа, 2004 г., стр.236), которая графически выражает зависимость сорбции от равновесной концентрации раствора при постоянной температуре. Изотерма сорбции в большинстве случаев не линейна. Итак, изотерма сорбции - графическая зависимость количества вещества в неподвижной фазе от его концентрации в подвижной фазе при постоянной температуре.
Изотерма сорбции имеет несколько участков, переходящих один в другой. Изменение угла наклона изотермы сорбции отражает этапы слоевого (фазового) перехода исследуемого вещества. Под фазой подразумевают однородную по химическому составу и термодинамическим свойствам часть системы, отделенную от других частей поверхностью раздела. На этих поверхностях скачкообразно меняются свойства системы.
Недостатками всех способов определения монослоя вещества и выделения этого вещества на поверхности жидкости является их сложность при практическом осуществлении, связанная со сложностью выделения участков на поверхности жидкости, в которых изменяется поверхностное натяжение, а также со сложностью определения поверхности монослоя вещества, известный способ выделения монослоя вещества трудно осуществим практически и совсем не осуществим на твердой поверхности сорбента. Кроме того, при использовании сорбентов традиционная изотерма сорбции не позволяет точно разграничить монослой вещества от полислоя, т.к. переход одного количества слоев в другое на кривой не имеет четкого характера, а визуализируется плавной кривой, не имеющей четкой точки изгиба.
Технический результат, достигаемый изобретением, - обеспечение выделения монослоя исследуемого вещества, что позволяет достичь следующий технический результат - повышение точности хроматографического анализа вещества, повышение точности исследования свойств вещества, возможность прогнозирования применения вещества в различных областях промышленности.
Кроме того, заявляемое изобретение позволяет упростить способ получения монослоя, повысить точность его детектирования.
Поставленная задача решается тем, что в способе выделения монослоя вещества, включающем нанесение жидкой пробы с растворенным в ней веществом на линию старта на хроматографическую пластину, содержащую слой сорбента, при этом на линию старта наносят несколько капель пробы вещества одинаковой концентрации, но разного количества, начиная с минимально возможного количества, пропускают через пластинку элюент для разделения, осуществляют регистрацию на пластине выделенных пятен проб вещества, измеряют диаметр пятен пробы вещества на линии старта и высоту пика каждого пятна, строят кривую зависимости высоты пика пятна от диаметра пятна на линии старта, фиксируют точки перелома кривой, детектирование пятен пробы с монослоем вещества осуществляют по характеру кривой от первой минимальной пробы до пробы, соответствующей точке первого перелома кривой.
О необходимости решения поставленной в изобретении задачи говорилось еще в 1940 г. «Наиболее важную группу методов определения общей поверхности представляют различного рода адсорбционные измерения … Адсорбционные измерения могут привести к абсолютному определению поверхности лишь после того, как будет разрешен вопрос, удерживается ли адсорбированное вещество в мономолекулярном слое (Лангмюр) или в более толстых слоях (Поляни)» … (Ф.Ган «Дисперсионный анализ», М.: Госхимиздат, 1940, стр.375).
Однако решение этой задачи затягивалось, что показано на цитировании обзора Ю.Кирхнера «Тонкослойная хроматография», 1981 г. раздела «Методы определения площади пятна», М.: Мир, том 1, стр.347-350. Для быстрого полуколичественного определения содержания компонентов в тонкослойных пятнах пользуются визуальным сравнением размеров пятна и интенсивности его окраски с соответствующими характеристиками известных стандартных пятен. Количественные методы связывают размеры пятна с количеством содержащегося в нем соединения. В источнике перечислены факторы, влияющие на размер пятна и на точность проведения анализа. В цитируемом источнике на стр.348 отмечено, что исследователями установлены линейная зависимость между площадью пятна и количеством вещества, линейная зависимость квадрата площади пятна и логарифмом массы соединения, линейная зависимость квадратного корня из площади пятна и логарифмом массы соединения. Отмечено, что во многих случаях зависимость массы пятна не была линейной и разработана методика, основанная на том, что на любой кривой можно найти короткие участки с линейной зависимостью. Наибом (стр.348 источника) исследовал зависимость площадь - масса и нашел, что на характер этой зависимости влияет толщина слоя <сорбента>. Для тонкого слоя обнаружена линейная зависимость между логарифмом массы и площадью, а для толстого слоя - линейная зависимость между корнем квадратным и площадью пятна. При этом для установления указанных зависимостей не учитывалось количество слоев анализируемого вещества, т.к., видимо, считалось, что слои - мономолекулярны.
Разработанный авторами способ анализа толщины слоя именно самого анализируемого вещества на слое неподвижной фазы (или сорбента) объясняет разные экспериментальные результаты зависимости между массой анализируемого вещества в пятне и площадью пятна.
Сущность заявляемого изобретения состоит в следующем.
Перед авторами стояла задача выделить из пробы вещества для исследования его монослой.
Заявляемый способ осуществляется в процессе тонкослойной хроматографии. На пластину, покрытую слоем сорбента, например, силикагелем, наносят на линию старта несколько капель пробы вещества (жидкое вещество или раствор вещества). Проба вещества получена путем растворения вещества в растворителе. Для исследования на пластину наносят раствор одной и той же концентрации. На линию старта наносят в ряд несколько капель пробы вещества одной и той же концентрации, но разного количества. После нанесения на линию старта пробы вещества разного количества через пластину пропускают элюент. После разделения пробы вещества элюентом при проявлении пробы элюентом на пластине известными методами проявляют пятна пробы компонентов вещества. При тонкослойной хроматографии узкая полоса в начале анализа после линии старта размывается до величины пятна круглой или эллиптической формы. Это связано с механизмом размытия зон в тонкослойной хроматографии, т.к. скорость подвижной зоны под действием капиллярных сил не является постоянной, а постепенно уменьшается. В целом проявленное пятно будет характеризоваться диаметром пятна внизу на линии старта (определяемом количеством нанесенной на пластину пробы вещества) и длиной пика - высотой пятна от линии старта.
Известно, что при сорбции раствора возникает мономолекулярный слой вещества. Однако при сорбции на пластине могут быть образованы также полислои вещества. Авторами проводились исследования, связанные с анализом различных зависимостей, позволяющих разграничить монослой вещества от полислоя вещества.
Готовили раствор пека в хинолине (хинолин - растворитель, пек - исследуемое вещество).
Измерив проявившиеся на пластине пятна вещества, авторы установили следующее.
На линию старта пластины со слоем силикагеля были нанесены последовательно в ряд капли пробы одного и того же вещества (пека, растворенного в хинолине) одной и той же концентрации, но в разном количестве. При проявлении пятен при пропускании элюента через пластину на пластине проявились пятна эллиптической формы. При этом на линии старта каждое пятно имело округлую форму, далее пятно от линии старта имело вытянутую форму в форме язычка. Авторы исследовали только пятна, образование которых обусловлено не распределительным механизмом, характеризующимся отрывом пятна от линии старта.
Все пятна имели разный диаметр (на линии старта) и разную высоту (разные пики пятен). При этом, чем больше было нанесено на линию старта пробы вещества, тем больше был диаметр пятна на линии старта и тем больше была высота пика пятна. Логично было предположить, что в случае, если на пластине образован монослой вещества, диаметр каждого пятна будет пропорционален его высоте (определяемой количеством пробы вещества). Поскольку при увеличении количества раствора, наносимого на сорбент, будет пропорционально расти количество сорбированного вещества.
Измерив высоту пиков у каждого пятна, авторы установили, что у пятен разного диаметра рост высоты пиков был неравномерный (не пропорционально количеству нанесенного на сорбент раствора - пробы вещества). Высота пиков менялась скачкообразно.
Авторами был построен график (кривая) - фиг.2 зависимости высоты пиков пятен от их диаметров. Кривая носит ломаный характер - практически прямая линия от первого пятна (диаметр которого на линии старта равен 2 мм) до третьего пятна (диаметр которого на линии старта равен 4 мм). Далее после третьего пятна кривая ломается и т.д.
Поскольку концентрация вещества в пробе одинаковая для всех пятен, перелом кривой может быть объясним изменением состояния вещества на пластине.
Известно, что любая индивидуальная жидкость или раствор характеризуется поверхностным натяжением, которое зависит как от рода жидкости, так и от граничащего с ней слоя, а также и от вида добавки в жидкость. При нанесении на слой сорбента на пластине жидкой пробы с растворенным в ней исследуемым веществом образуется граница раздела поверхности сорбента (неподвижной фазы) и поверхности пробы с веществом. Состояние сорбента (неподвижной фазы) одинаковое на всей поверхности пластины. Очевидно, что резкое изменение зависимости высоты пятна вещества от диаметра может быть объяснено только изменением поверхностного натяжения на границе раздела пробы с растворенным в ней веществом и неподвижной фазой сорбента. Как уже указывалось ранее, известно (Х.С.Тейлор «Физическая химия», изд. ОНТИ - Химтеорет - Ленинград, 1936 г., стр.1548), что в результате нанесения на поверхность жидкости вещества меняется поверхностное натяжение жидкости, при этом изменение поверхностного натяжения носит скачкообразный характер при переходе с одного слоя на другой.
Поверхностное натяжение свойственно любой поверхности раздела между двумя любыми фазами, и величина его зависит от обеих фаз.
Авторами сделано обоснованное предположение о том, что непропорциональное изменение высоты пиков пятен обусловлено разным поверхностным натяжением между монослоем вещества и неподвижной фазой сорбента и между полислоями вещества и неподвижной фазой сорбента.
Изменение поверхностного натяжения на границе раздела неподвижной фазы сорбента и пробы вещества (раствора) можно объяснить тем, что первый слой (монослой) раствора пробы с веществом испытывает гораздо большее влияние неподвижной фазы (силикагеля или воды на силикагеле), поэтому поверхностное натяжение на границе раздела неподвижной фазы и раствора вещества будет максимальным (силы сцепления раствора и сорбента будут максимальными). При возникновении второго слоя силы сцепления между вторым слоем и сорбентом будут меньше, чем при монослое пробы, соответственно, поверхностное натяжение будет меняться и, соответственно, рост пиков пятен при появлении второго и последующих слоев будет скачкообразным.
Поскольку на сорбент была нанесена проба с растворенным в ней веществом одной и той же концентрации, по результатам анализа кривой авторами логично сделано предположение о том, что перелом кривой объясняется резким изменением поверхностного натяжения на границе раздела пробы с веществом и сорбента. Резкое изменение поверхностного натяжения на поверхности пробы с растворенным в ней веществом может быть объяснено (изменением фазового состояния вещества), а именно: изменением количества слоев вещества на сорбенте.
Первый прямолинейный участок кривой (от первого пятна до третьего) свидетельствует о постоянстве фазового (имеется в виду фазовое состояние, определяемое количеством слоев) состояния вещества. Первое пятно нанесено на линию старта самым наименьшим количеством пробы. Каждое последующее пятно нанесено большим количеством пробы вещества. Прямолинейный первый участок кривой свидетельствует о том, что на этом участке фазовое состояние вещества постоянное. С учетом малого количества пробы на данном участке, авторами обоснованно сделано предположение о том, что на данном участке кривой пятна образованы монослоем вещества. После того как характер кривой резко меняется, с учетом имеющихся сведений у авторов, ими обоснованно был сделан вывод о том, что в точке перелома кривой изменилось фазовое состояние вещества, а именно: монослой начинает переходить в полислой (два слоя).
Далее по каждому последующему перелому кривой судят о появлении дополнительного слоя адсорбированного вещества.
В качестве сорбента удобно использовать наиболее распространенный сорбент, применяемый в тонкослойной хроматографии, - силикагель.
Отделив пятна с монослоем вещества от пятен с полислоем вещества, монослои вещества подлежат дальнейшему исследованию - на толщину монослоя и т.п. Исследование монослоя вещества позволяет более точно, по сравнению с исследованием полислоя вещества, исследовать его свойства. При этом получение монослоя заявляемым способом является простым, удобным и быстрым. Точность заявляемого способа будет тем выше, чем более часто нанесены капли на линию старта, при этом первая точка должна быть нанесена минимально возможным количеством пробы. Минимально возможное количество пробы определяется исключительно технической возможностью.
Заявляемый способ осуществляли следующим образом.
Пример 1
Используют готовые пластинки для тонкослойной хроматографии. Подкладка - алюминиевая фольга. Сорбент - Silpearl - широкопористый силикагель. Связывающее вещество - крахмал.
Навеску красноярского пека 0,08 г. растворяли в 5 мл растворителя - хинолина. На линию старта последовательно в ряд наносили семь капель вышеуказанного раствора (пробы вещества) разного количества. Пропускали через пластину подвижную фазу - элюент. В качестве элюента был использован толуол.
На пластине проявлялись пятна вещества, имеющие внизу на линии старта округлую форму. Далее от линии старта пятна вытягиваются в форме язычка. Диаметр пятен на линии старта был соответственно 2, 3, 4, 5, 10, 12, 13 мм.
Измеряли высоту пиков пятен, относящихся к а-фракции, которая входит в состав пека, и строили график зависимости высоты пиков пятен от их диаметров на линии старта (фиг.2).
Кривая на фиг.2 носит ломаный характер, характеризуется переломами. Первый перелом кривой наблюдается между пятнами с диаметром 4 и 5 мм. Соответственно можно сделать вывод о том, что пятна с диаметром 2, 3, 4 мм образованы монослоем вещества. На пятне диаметром 5 мм появляется второй слой вещества. Далее кривая имеет практически прямолинейный характер, что свидетельствует о том, что все последующие пятна с диаметром 5, 10, 12 и 13 мм образованы двумя слоями исследуемого вещества. Между пятнами диаметром 4 и 5 мм имеет место переходный этап - от монослоя ко второму слою, т.к. по мнению авторов увеличение числа слоев не может носить мгновенный характер. Более детальная характеристика поведения кривой между пятнами диаметром 4 и 5 мм авторами на этом пеке не проводилась. Такая характеристика имеется на кривой (фиг.3) по алтайскому пеку (пример 2).
Пример 2
Навеску алтайского пека 0,08 г растворяли в 5 мл растворителя - хинолина. На линию старта последовательно в ряд наносили восемь капель вышеуказанного раствора (пробы вещества) разного количества. Пропускали через пластину подвижную фазу - элюент. В качестве элюента был использован толуол.
На пластине проявлялись пятна вещества, имеющие внизу на линии старта округлую форму. Далее от линии старта пятна вытягиваются в форме язычка. Диаметр пятен на линии старта был соответственно 3; 4,5; 5; 5,5; 6; 7; 11,5; 16 мм.
Измеряли высоту пиков пятен, строили график зависимости высоты пиков пятен от их диаметров на линии старта (фиг.3).
Кривая на фиг.3 носит ломаный характер, характеризуется переломами. Первый перелом кривой наблюдается между пятнами с диаметром 5 и 7 мм. Соответственно можно сделать вывод о том, что пятна с диаметром 3; 4,5; 5 мм образованы монослоем вещества.
После пятна диаметром 5 мм появляется второй слой вещества. После пятна диаметром 7 мм кривая имеет практически прямолинейный характер, что свидетельствует о том, что все последующие пятна с диаметром 7; 11,5; 16 мм образованы двумя слоями исследуемого вещества. Кривая между пятнами 5 и 7 мм - переходный этап от монослоя ко второму слою, т.к., по мнению авторов, образование второго слоя не может носить мгновенный характер, всегда на границе раздела слоев должен иметь место переходный этап.
Данные графиков, полученных из результатов эксперимента, показали, что между двумя слоями наблюдается переход, который связан с переходом от одного к другому слою. Концентрация пеков алтайского и красноярского одинакова. Однако переход с одного слоя на другой происходит при разном диаметре исходной пробы, т.к. пеки как добавки в хинолин (растворитель) имеют разный состав.
Пример 3
Навеску хинолина (жидкий) без растворителя наносили на хроматограмму с помощью шприца. На линию старта последовательно в ряд наносили капли вещества - хинолина разного количества. Пропускали через пластину подвижную фазу - элюент. В качестве элюента был использован толуол.
На пластине проявлялись пятна вещества, имеющие внизу на линии старта округлую форму. Далее от линии старта пятна вытягиваются в форме язычка. Диаметр пятен на линии старта был соответственно 4; 6,5; 7; 8; 9; 11 мм.
Измеряли высоту пиков пятен и строили график зависимости высоты пиков пятен от их диаметров на линии старта (фиг.4).
Кривая на фиг.4 также имеет три участка:
монослой - пятна диаметром 4, 6,5, 7 мм;
переходный этап - между пятнами диаметром 7 и 8 мм;
второй слой - после пятна диаметром 8 мм.
Во всех опытах на пластину вещество наносят сначала в минимально возможных количествах (определяемом только техническими возможностями), далее - в постепенно возрастающих количествах.
По результатам проведенных исследований можно утверждать о том, что при осуществлении заявляемого способа элюент (подвижная фаза) не только разделяет смесь по индивидуальным веществам (распределительный механизм образования пятен на хроматограмме - в заявляемом способе не исследовался), но и способствует проявлению на хроматограмме монослоя вещества в результате взаимодействия раствора пробы вещества с неподвижной фазой.