Маскирантно-кислотный слой индикаторной бумаги для определения нитрат-ионов
MASKIRANT-ACID LAYER OF INDICATOR PAPER FOR DETERMINATION OF NITRATE IONS

Изобретение относится к органическим соединениям, содержащим в своем составе одновременно кислотные и основные группировки, имеющим общее название – комплексоны.
В частности, D-N-(карбоксиметил)аспарагиновая кислота относится к комплексонам моноаминного типа и может быть использована в аналитической химии для изготовления химических индикаторов на твердофазных носителях, в частности, для экспресс-контроля содержания нитратов в продуктах растениеводства, воде, пищевых продуктах и сточных водах различного происхождения.
Известно, что для анализа нитратов применяется трехслойная бумажная индикаторная полоса для определения нитрат-ионов по тресту Грисса, содержащая кислотные реагенты: лимонную, винную и щавелевую кислоты, а также вторичные амины: дифениламин, N-фенил-1-нафтиламин, 3-гидрокси-1,2,3,4-тетрагидрохинолин [RU 2009486, опубл. 15.03.1994].
К недостаткам аналога относится использование большого набора реагентов, а именно лимонную, винную и щавелевую кислоты, а также маскиранты нитрит-ионов в виде дифениламина, N-фенил-1-нафтиламина, 3-гидрокси-1,2,3,4-тетрагидрохинолина.
В качестве ближайшего аналога (прототипа), одновременно заменяющего как кислотные реагенты, так и  вторичные амины, применяется N-(карбоксиметил)аспарагиновая кислота (КМАК) [Лукьянова Н. И., Гюльханданьян Е.М., Логинова Е. С.,   Бреслер А. И., Никольский В. М. Анализ спелости, кислотности пищевых продуктов и контроль содержания в них  нитрат-ионов // Вестник ТвГУ. Серия: Химия. 2017. №3. С. 23 -28], входящая в состав маскирантно-кислотного слоя индикаторной бумаги экспресс-анализа нитратов.
К недостаткам прототипа относится использование КМАК в маскирантно -кислотном слое в форме рацемической смеси (смеси L- и D-изомеров). В силу стерических особенностей, в L-изомере этого комплексона вторичная аминогруппа блокирована образованием дополнительного цикла, посредством молекулы воды, со своей α-карбоксильной группой [Логинова Е.С., Никольский В.М. Биоразлагаемые комплексоны. Влияние оптической изомерии на физико-химические свойства // Химическая физика, 2017, Т.36, №8, С.96, схема слева], а в D-изомере вторичная аминогруппа находится в свободном состоянии [Логинова Е.С., Никольский В.М. Биоразлагаемые комплексоны. Влияние оптической изомерии на физико-химические свойства // Химическая физика, 2017, Т.36, №8, С.96, схема справа]. Использование рацемической смеси N-(карбоксиметил)аспарагиновой кислоты в маскирантно-кислотном слое при изготовлении индикторной бумаги требует избыточного количества указанного рацемата из-за реакционной инертности половины основного компонента N-(карбоксиметил)аспарагиновой кислоты, а именно её L-изомера.
При определении нитрат-ионов, комплексон подкисляет реакционную среду, а нитрит-ионы (в случае их присутствия) нейтрализуются по реакции нитрозирования с фрагментом вторичного амина именно D-КМАК,
а L-КМАК в составе прототипа присутствует как балласт, т.к. у этого комплексона вторичная аминогруппа закольцована через молекулу воды со своей α-карбоксильной группой, т.е. блокирована [Логинова Е.С., Никольский В.М. Биоразлагаемые комплексоны. Влияние оптической изомерии на физико-химические свойства // Химическая физика, 2017, Т.36, №8, С.96, схема слева].
Задачей, на которую направлено заявляемое решение, является повышение эффективности использования основного компонента  при создании индикаторной бумаги для определения нитратов.
Поставленная задача решается тем, что в состав маскирантно-кислотного слоя вводят наиболее сильную D-N-(карбоксиметил)аспарагиновую кислоту при следующем соотношении компонентов D-N-(карбоксиметил)аспарагиновой кислоты и 3-гидрокси-1,2,3,4-тетрагидробензохинолина 8 : 1 мас. ч.
Это позволяет не только усилить востребованные кислотные характеристики маскирантно-кислотного слоя, т.к. D-N-(карбоксиметил)аспарагиновая кислота при одинаковых условиях (например, ионная сила растворов I = 0,1) является более сильной кислотой (), чем  L-N-(карбоксиметил)аспарагиновая кислота ( или их рацемат N-(карбоксиметил)аспарагиновая кислота (), что видно из [Биберина Е. С. Комплексообразование некоторых 3D-металлов с L-, D-формами N-(карбоксиметил)аспарагиновой И L-N-( карбоксиметил)глутаминовой кислотами // Дисс. канд. хим. наук, Тверь, 2018, С. 50], но и в два раза сократить расход применяемого комплексона моноаминного типа D-КМАК по сравнению с расходом рацемата N-(карбоксиметил)аспарагиновой кислоты (240 : 15 т.е. 16 : 1 мас. ч.), содержащего в своем составе нереакционноспособный L-изомер    КМАК [RU 169694, опубл. 28.03.2017].
Из уровня техники известен синтез D- N-(карбоксиметил)аспарагиновой кислоты.  [Биберина Е. С. Комплексообразование некоторых 3D-металлов с L-, D-формами N-(карбоксиметил)аспарагиновой и L-N-(карбоксиметил)глутаминовой кислотами // Дисс. канд. хим. наук, Тверь, 2018, С. 41].  В термостойкой плоскодонной колбе на 500 мл смешивают 200 мл дистиллированной воды, навески 6,65 г D-аспарагиновой и 5,2 г хлоруксусной кислот. Полученную суспензию подщелачивают гидроксидом натрия до pH~10,0. Колбу с содержимым присоединяют к обратному холодильнику и нагревают на кипящей водяной бане 10 часов. После кипячения реакционную смесь охлаждают до комнатной температуры, подкисляют соляной кислотой до pH~2,0-2,5 и охлаждают до t = 4-6ºС для инициализации выпадения осадка синтезированного комплексона. Выпавший осадок D-КМАК отделяют от раствора на воронке Бюхнера, промывают этиловым спиртом и высушивают на воздухе при температуре 50-60°С.
Индикаторная бумага экспресс-анализа содержания нитратов состоит из первого слоя, содержащего D-N-(карбоксиметил)аспарагиновую кислоту; второго слоя, содержащего цинк; третьего слоя, содержащего реагенты для метода Грисса: диметил-1-нафтиламин гидрохлорид, сульфаниловую кислоту, расположенных на полимерной подложке - державке с отверстием.
При проведении анализа на слой, содержащий D-N-(карбоксиметил)аспарагиновую кислоту, наносится капля анализируемого раствора, при этом комплексон подкисляет реакционную среду, а нитрит-ионы (в случае их присутствия), вступают в реакцию нитрозирования с фрагментом вторичного амина D-КМАК, благодаря чему устраняется их влияние.
Во втором слое нитрат-ионы восстанавливаются цинком до нитрит-ионов, которые в индикаторном слое осуществляют диазотирование амина, вступающего в реакцию сочетания с азосоставляющей реактива Грисса. Цветная реакция, обусловленная образованием азокрасителя, наблюдается в круглом отверстии на обратной стороне полимерной подложки-державки.
Между совокупностью существенных признаков заявленного объекта и достигаемым техническим результатом существует причинно-следственная связь, а именно, в заявляемом изобретении рационально используется D-N-(карбоксиметил)аспарагиновая кислота (соотношение D-N-(карбоксиметил)аспарагиновой кислоты и 3-гидрокси-1,2,3,4-тетрагидробензохинолина 8 : 1 мас. ч., взамен рацемата N-(карбоксиметил)аспарагиновой кислоты (240 : 15 т.е. 16 : 1 мас. ч.), содержащего в своем составе нереакционноспособный L-изомер    КМАК [RU 169694, опубл. 28.03.2017]. Такая замена обеспечивает также и усиление востребованных кислотных характеристик кислотного слоя. Это объясняется тем, что D-N-(карбоксиметил)аспарагиновая кислота при одинаковых условиях (ионная сила растворов I = 0,1) является более сильной кислотой (), чем  L-N-(карбоксиметил)аспарагиновая кислота ( или их рацемат N-(карбоксиметил)аспарагиновая кислота (), что видно из [Биберина Е. С. Комплексообразование некоторых 3D-металлов с L-, D-формами N-(карбоксиметил)аспарагиновой и L-N-( карбоксиметил)глутаминовой кислотами // Дисс. канд. хим. наук, Тверь, 2018, С. 50].
Возможность осуществления изобретения показана примерами.
Пример 1. Получение реактивной индикаторной полосы для экспресс-анализа содержания нитратов с обычным соотношением D-N-(карбоксиметил)аспарагиновой кислоты и 3-гидрокси-1,2,3,4-тетрагидробензохинолина в маскирантно-кислотном слое (240 : 15 т.е. 16:1 мас. ч.) [RU 169694, опубл. 28.03.2017].
Белую пропиленовую ленту /ТУ 38-102105-76/ шириной 35 мм и толщиной 0,25 мм дублируют по краю с двухсторонней липкой лентой ЛСДЛ с агдезивным покрытием /ТУ 6-17-924-77/ шириной 10 мм. Дублированные ленты перфорируют таким образом, чтобы отверстия диаметром 6 мм располагались по центральной продольной оси узкой ленты на расстоянии 4 мм друг от друга. Удаляют адгезивное покрытие, а на липкий слой закрепляют индикаторную ленту шириной 10 мм, полученную адсорбцией на бумагу-основу для экспресс-тестов марки Ш/ТУ 13-730800 721-85/, D-N-(карбоксиметил)аспарагиновой кислоты и 3-гидрокси-1,2,3,4-тетрагидробензохинолина в соотношении 16 : 1 мас. ч. На индикаторную ленту приклеивают еще также перфорированную липкую ленту ЛСДЛ с отверстиями эквидистантно расположенными отверстиям в полимерной подложке, сверху наносят смесь цинковой пыли и крахмала (1: 3 мас. ч.), удаляют агдезивное покрытие и приклеивают сверху маскирующую ленту, полученную адсорбцией на бумагу-основу для экспресс-тестов марки 1 (ТУ 18-7308001-721-85) реагентов для реакции Грисса: диметил-1-нафтиламин гидрохлорида и сульфаниловой кислоты.
Пример 2. Получение реактивной индикаторной полосы для экспресс-анализа содержания нитратов с уменьшенным соотношением D-N-(карбоксиметил)аспарагиновой кислоты и 3-гидрокси-1,2,3,4-тетрагидробензохинолина в маскирантно-кислотном слое, а именно 8 : 1 мас. ч.
Белую пропиленовую ленту /ТУ 38-102105-76/ шириной 35 мм и толщиной 0,25 мм дублируют по краю с двухсторонней липкой лентой ЛСДЛ с агдезивным покрытием /ТУ 6-17-924-77/ шириной 10 мм. Дублированные ленты перфорируют таким образом, чтобы отверстия диаметром 6 мм располагались по центральной продольной оси узкой ленты на расстоянии 4 мм друг от друга. Удаляют адгезивное покрытие, а на липкий слой закрепляют индикаторную ленту шириной 10 мм, полученную адсорбцией на бумагу-основу для экспресс-тестов марки Ш/ТУ 13-730800 721-85/, D-N-(карбоксиметил)аспарагиновой кислоты и 3-гидрокси-1,2,3,4-тетрагидробензохинолина в соотношении 8 : 1 мас. ч. На индикаторную ленту приклеивают еще также перфорированную липкую ленту ЛСДЛ с отверстиями эквидистантно расположенными отверстиям в полимерной подложке, сверху наносят смесь цинковой пыли и крахмала (1: 3 мас. ч.), удаляют агдезивное покрытие и приклеивают сверху маскирующую ленту, полученную адсорбцией на бумагу-основу для экспресс-тестов марки 1 (ТУ 18-7308001-721-85) реагентов для реакции Грисса: диметил-1-нафтиламин гидрохлорида и сульфаниловой кислоты.
При получении индикаторной бумаги для экспресс-анализа нитратов многослойную ленту разрезают поперек таким образом, чтобы отверстия индикаторной зоны располагались по центру каждой полосы.
Пример 3. Определение нитрат-ионов в картофеле с помощью индикаторной бумаги для анализа содержания нитратов, изготовленной по примерам 1 и 2.
На квадратную зону индикаторных полос, полученных по примерам 1 и 2, наносят в каждом из экспериментов по две капли анализируемого сока  и через 8 мин сравнивают цвет круглой реакционной зоны на обратной стороне полосы с цветовой шкалой сравнения.
В опыте с соком картофеля цвет индикаторной бумаги, изготовленной по примеру 1 и по примеру 2 меняется одинаково от слабо розового до фиолетового, что означает, примерное, содержание нитрат-ионов 200 мг/кг (ПДК = 250 мг/кг).
В обоих случаях примера 3 индикаторные бумаги, изготовленные по примеру 1 и по примеру 2 дали объективный одинаковый результат.
Пример 4. Определение нитрат-ионов в луке с помощью индикаторной бумаги для анализа содержания нитратов, изготовленной по примерам 1 и 2.
На квадратную зону индикаторных полос, полученных по примерам 1 и 2, наносят в каждом из экспериментов по две капли анализируемого сока  и через 8 мин сравнивают цвет круглой реакционной зоны на обратной стороне полосы с цветовой шкалой сравнения.
В опыте с соком лука цвет индикаторной бумаги, изготовленной по примеру 1 и по примеру 2 меняется одинаково от слабо розового до темно-розового, что означает, примерное, содержание нитрат-ионов 50 мг/кг (ПДК = 80 мг/кг).
В обоих случаях примера 4 индикаторные бумаги, изготовленные по примеру 1 и по примеру 2 дали объективный одинаковый результат.