Способ получения стандартов сравнения для измерения электрокинетического (дзета) потенциала
METHOD FOR OBTAINING COMPARISON STANDARDS FOR MEASURING ELECTROKINETIC (ZETA) POTENTIAL

Изобретение относится к способам приготовления стандартов сравнения для измерения электрокинетического (дзета) потенциала наночастиц коллоидных систем на основе супрамолекулярных растворов серосодержащих аминокислот, например, L-цистеина и N-ацетил-L-цистеина и ацетата серебра.
Известен способ получения стандартов сравнения для измерения электрокинетического (дзета) потенциала на основе наночастиц гетита https://www-s.nist.gov/srmors/certificates/1980.pdf. Недостатком этого способа является многостадийность синтеза, в результате которого получается суспензия прекурсора, требующего дополнительной подготовки для проведения дальнейших измерений, что увеличивает погрешность абсолютного значения измеренной электрофоретической мобильности. Также известный стандарт сравнения не обеспечивает возможность расчета электрокинетического (дзета) потенциала приборным методом, и для его реализации необходимо провести ручной расчет измеренного параметра по полученным экспериментальным данным.
Известен способ получения стандартов сравнения регулированием значений электрофоретической подвижности агрегатов и, как следствие, их электрокинетического (дзета) потенциала за счет введения электролитов US 5108568, опубл. 28.04.1992 г. Известный способ включает разделение биологических систем методом электрофореза - методом снижения электрофоретической подвижности макромолекул, частиц, клеток и других веществ так, что происходит взаимодействие макромолекул, частиц или клеток с аффинным соединением, состоящем из гидрофильного нейтрального полимера, таким как полиэтиленгликоль, модифицированным макромолекулой, обеспечивающей специфичное связывание. Недостатком известного метода для синтеза стандартов сравнения является увеличение вязкости систем, что приводит к уменьшению электрофоретической мобильности и, соответственно, электрокинетического (дзета) потенциала.
Известны способы получения стандартов сравнения на основе монодисперсных полистирольных латексов SU 1816764 А1, опубл. 23.05.1993 и Kim, S., Kim, С.A., Choi, Y.Н., & Jung, М.Y. Synthesis of Polystyrene Nanoparticles with Different Surface Modification by Emulsion Polymerization and Measurement of IgG Adsorption and Stability for the Application in Latex-Protein Complex Based Solid-Phase Immunoassay. Polymer Bulletin, 2008, 62(1). Эти известные способы используются в качестве основы для синтеза метрологических стандартов фирмой Malvern, UK. Известные стандарты фирмы Malvern, UK имеют значение электрокинетического (дзета) потенциала -42 мВ со среднеквадратичным отклонением значений результатов измерений 10%. Недостатком известных способов изготовления стандартов сравнения для измерения электрокинетического (дзета) потенциала, основанных на использовании полистирольных латексов, является, обусловленная технологией синтеза сферических агрегатов полистирольного латекса, необходимость операции сополимеризации с мономером, результатом которой является создание потенциалообразующего слоя на поверхности этих агрегатов, что ограничивает область значений возможных стандартов сравнения.
Известно использование для создания стандартов сравнения коллоидных частиц диоксида кремния, что приведено в обзоре «Hyde, Е. D.Е.R., Seyface, A., Neville, F., & Moreno-Atanasio, R. (2016). Colloidal Silica Particle Synthesis and Future Industrial Manufacturing Pathways: A Review. Industrial & Engineering Chemistry Research, 55 (33), 8891-8913». Так диоксид кремния диаметром 20 нм используется для получения стандарта сравнения ERM-FD100, EU для измерения электрокинетического (дзета) потенциала.
Недостатком известных стандартов сравнения ERM-FD100 является высокое значение среднеквадратичного отклонения (более 50%) при значении электрокинетического (дзета) потенциала - 43 мВ.
Также известен способ получения стандартов сравнения на основе синтеза коллоидных частиц диоксида кремния, описанный в статье А.Д. Левин, М.К. Аленичев, В.М. Масалов, Н.С. Сухинина, Г.А. Емельченко. Разработка стандартных образцов электрокинетического (дзета) потенциала наночастиц // Российские нанотехнологии. 2018. Том 13. №1-2. 93-99 с.
Прототипом заявляемого изобретения является способ получения стандартных образцов электрокинетического (дзета) потенциала А.Д. Левин, М.К. Аленичев, В.М. Масалов, Н.С. Сухинина, Г.А. Емельченко. Разработка стандартных образцов электрокинетического (дзета) потенциала наночастиц // Российские нанотехнологии. 2018. Том 13. №1-2. 93-99 с. В известном способе для получения стандартных образцов электрокинетического (дзета) потенциала используется синтез коллоидного раствора монодисперсных наночастиц диоксида кремния с использованием гетерогенного гидролиза тетраэтоксисилана и экологически чистого катализатора L-аргинин. L-аргинин выполняет функцию стабилизатора, повышающего устойчивость коллоидных систем состоящих из наночастиц диоксида кремния. Приготовляется 7 мМ раствор L-аргинина в деионизованной воде и нагревается до заданной температуры в диапазоне 45-90°С. После полного растворения L-аргинина к смеси добавляют 0,38 М тетраэтоксисилана. Синтез проводят при постоянной температуре и при непрерывном перемешивании реакционной смеси при помощи магнитной мешалки, совмещенной с водяным термостатом. Длительность синтеза составляет от 3 до 12 часов в зависимости от температуры и других параметров проведения процесса. В зависимости от рН-среды и содержания диоксида кремния в готовых растворах получают стандартные образцы со значением электрокинетического (дзета) потенциала -30 мВ и -50 мВ со среднеквадратичным отклонением значений результатов в диапазоне 9-11% от абсолютного значения.
Известные стандарты сравнения, имеют дополнительную стабилизацию, что позволяет уменьшить погрешность измерений, однако за счет особенностей известной схемы синтеза значение электрокинетического (дзета) потенциала лежит в диапазоне от -30 мВ до -50 мВ, что резко ограничивает область применения известных стандартов сравнения.
Известно получение супрамолекулярных структур при приготовлении растворов прекурсоров на основе серосодержащей аминокислоты и соли серебра для получения гидрогелей путем, а именно, за счет смешения водного раствора L-цистеина с нитратом или ацетатом серебра в широком диапазоне концентраций и молярного соотношения аминокислоты и соли серебра RU 2317305, опубл. 20.02.2008; RU 2432937, опубл. 10.11.2011; включая получение гидрогелей на основе L-цистеина и нитрата или ацетата серебра RU 2641111, опубл. 16.01.2018. В известных системах гелеобразование инициируется добавлением различных растворов солей-электролитов. Известно, что описанная система характеризуется наличием заряженных агрегатов как в растворе прекурсора, так и после введения электролита. Авторами указывается значение дзета-потенциала известной супрамолекулярной системы на основе L-цистеина и ацетата серебра, равное +57 мВ.
Недостатком известных способов получения супрамолекулярных растворов является высокая погрешность значений электрокинетического (дзета) потенциала, как следствие высоких концентраций аминокислоты при широком диапазоне молярного соотношения аминокислота-соль серебра, что делает их непригодными для использования в качестве стандартов сравнения.
Известно также получение гидрогелей на основе N-ацетил-L-цистеина и нитрата серебра RU 2530572, опубл. 10.10.2014. Известные гидрогели на основе N-ацетил-L-цистеина и нитрата серебра получают в одну стадию. Недостатком известного способа является образование гидрогеля, как следствие высоких концентраций его образующих супрамолекулярных структур, что делает его непригодным для получения стандартов сравнения.
Целью заявляемого изобретения является разработка способа получения стандартов сравнения для измерения электрокинетического (дзета) потенциала на основе серосодержащих аминокислот, таких как L-цистеин или N-ацетил-L-цистеина, и ацетата серебра, отличающихся широким рядом значений: -35 мВ, -60 мВ, +40 мВ, +60 мВ и среднеквадратичным отклонением значений электрокинетического (дзета) потенциала не более 10% от абсолютного значения Табл. 1.
Поставленная цель достигается за счет: использования супрамолекулярных растворов вышеупомянутых прекурсоров более низких концентраций и подбором аниона соли серебра; разработкой способа изменения электрокинетического (дзета) потенциала за счет добавления к готовому раствору сравнения дозированных количеств электролита - сульфата натрия. Так что, во всех случаях, среднеквадратичные отклонения значений электрокинетического (дзета) потенциала - 7÷9% от абсолютного значения.
Технический результат настоящего изобретения заключается: в разработке способа получения стандартных образцов электрокинетического (дзета) потенциала, пригодных для использования в качестве образцов сравнения при проведении калибровки оборудования, использующего электрофоретические методы светорассеяния ELS и PALS для определения электрокинетического (дзета) потенциала коллоидных систем.
Технический результат достигается за счет использования супрамолекулярных систем на основе серосодержащих аминокислот и ацетата серебра с регулярной пространственной структурой стабилизированных агрегатов, супрамолекулярные системы приготавливаются из низкоконцентрированных водных растворов серосодержащих аминокислот, где полученные растворы смешиваются с раствором ацетата серебра в эквимолярном соотношении (для получения стандартов со значением в отрицательной области электрокинетического (дзета) потенциала), и при молярном соотношении ацетата серебра к серосодержащей аминокислоте 1,25 (для получения стандартов со значением в положительной области электрокинетического (дзета) потенциала), так что концентрация серосодержащих аминокислот в смеси будет в пределах 0,75÷2,5 мМ в зависимости от значения электрокинетического(дзета) потенциала; смесь выдерживается в защищенном от света месте при температуре 18-28°С в течение 24-48 часов для формирования супрамолекулярных растворов с необходимыми значениями электрокинетического (дзета) потенциала. Для возможности изменения значений электрокинетического (дзета) потенциала в положительном диапазоне используется дополнительное внесение сульфата натрия в готовый раствор сравнения, так что его концентрация в конечной смеси составит 0,1-0,3 мМ, с дальнейшим перемешиванием смеси и ее выдержке в темном месте продолжительностью 15-30 минут.
Исследованием уровня техники установлено, что способов получения стандартов сравнения для измерения электрокинетического (дзета) потенциалов на основе серосодержащих аминокислот, например, L-цистеина и N-ацетил-L-цистеина, и ацетата серебра, а также с возможным добавлением к ним расчетных количеств сульфата натрия, не обнаруживается.
Изобретение поясняется графическими материалами Таблица 1, Рис. 1-4.
Таблица 1. Значения электрокинетического (дзета)-потенциала, рН и электрофоретической подвижности агрегатов в заявляемых супрамолекулярных растворах сравнения.
Рис. 1. Результаты испытания образцов в отрицательном диапазоне значений электрокинетического (дзета) потенциала на основе N-ацетил-L-цистеина и ацетата серебра на устойчивость во времени.
Рис. 2. Результаты испытания образцов в положительном диапазоне значений электрокинетического (дзета) потенциала на основе L-цистеина и ацетата серебра на устойчивость во времени.
Рис. 3. Результаты испытания образцов в положительном диапазоне значений электрокинетического (дзета) потенциала на основе L-цистеина и ацетата серебра с добавлением сульфат-аниона на устойчивость во времени
Рис. 4. Изменение размеров агрегатов в системе на основе L-цистеина и ацетата серебра в зависимости от концентрации исходных веществ по аминокислоте в растворе, 1 - концентрация 3 мМ, 2 - 1,5 мМ, 3 - 0,75 мМ.
Рис. 5. Изменение размеров агрегатов в системе на основе L-цистеина и ацетата серебра при введении сульфат-аниона.
Рис. 6. Изменение размеров агрегатов в системе на основе N-ацетил-L-цистеина и ацетата серебра в зависимости от концентрации исходных веществ по аминокислоте в растворе, 1 - концентрация 5 мМ, 2 - 2,5 мМ, 3 - 1 мМ.
Сущность изобретения заключается в следующем.
Опытным путем установлено, что стандарты сравнения, приготовленные из растворов серосодержащих аминокислот, например, L-цистеина и N-ацетил-L-цистеина и ацетата серебра, являются прозрачными и удовлетворяют качественным метрологическим требованиям - расхождение (среднеквадратичное отклонение) значений электрофоретической подвижности и электрокинетического (дзета) потенциала агрегатов стандартов не более 10% от абсолютного значения для результатов одной серии измерений Таблица 1 и не более 15% от абсолютного значения для результатов разных серий измерений Рис. 1-3; а вязкость супрамолекулярных растворов сравнения составляет не более 10 мПа*с. Введение электролита - сульфата натрия - вызывает изменение в потенциалопределяющем слое агрегатов раствора, например, на основе L-цистеина и ацетата серебра. При этом при концентрации сульфата натрия менее 0,1 мМ количества частиц сульфата недостаточно для эффективного воздействия на двойной электрический слой, а при концентрации более 0,3 мМ происходит желирование смеси. Так для стандартов на основе L-цистеина и ацетата серебра динамическая вязкость составляет 1,5 мПа*с при 23°С, а вязкость стандартов сравнения на основе N-ацетил-L-цистеина и ацетата серебра составляет 2,5 и 2,8 мПа*с при 23°С.
Заявляемый способ получения стандартов сравнения характеризуется одностадийностью, а также отсутствием потребности в дополнительном оборудовании и реактивах.
Важнейшим критерием пригодности способов приготовления стандартов сравнения является воспроизводимость результатов. Для проверки воспроизводимости результатов использовалось многократное измерение параметров стандартов сравнения полученных заявляемым способом. Опытным путем установлено, что полученные заявляемым способом стандарты сравнения обладают высокой степенью воспроизводимости и отличаются стабильности во времени. На Рис. 1-3 представлены кривые изменения значений электрокинетического (дзета) потенциала стандартов сравнения в зависимости от времени хранения приготовленного стандарта сравнения. Так на Рис. 1 - систем на основе N-ацетил-L-цистеина и ацетата серебра, на Рис. 2 - систем на основе L-цистеина и ацетата серебра, на Рис. 3 - систем на основе L-цистеина и ацетата серебра с добавлением сульфат-аниона. Установлено, что все стандарты сравнения на основе серосодержащих аминокислот и ацетата серебра достаточно устойчивы и сохраняют неизменным среднее значение электрокинетического (дзета) потенциала при хранении от полугода до года. Каждая точка графика является средним значением по результатам серии из 10 измерений.
Для определения эффективных концентрационных условий для получения растворов сравнения были изучены размеры агрегатов с помощью метода динамического светорассеяния, позволяющего оценить и сравнить размеры агрегатов в растворах сравнения, не разрушая структуры супрамолекулярных систем. На рис. 4 приведены распределения агрегатов по размерам в растворах сравнения на основе L-цистеина и ацетата серебра в зависимости от концентрации исходных веществ по аминокислоте в растворе. Установлено, что по мере уменьшения концентрации агрегатов в растворе уменьшается степень полидисперсности агрегатов по размерам и увеличивается их размер. Так, уменьшение концентрации в 4 раза приводит к увеличению гидродинамического диаметра частиц от 120 нм до 150 нм; а увеличение интенсивности рассеянного света свидетельствует об увеличении вклада этих агрегатов в величину светорассеяния, а также об улучшении приборных условий детекции этих агрегатов. При введении в такой раствор сравнения сульфат аниона Рис. 5 происходит уменьшение гидродинамического диаметра агрегатов со 150 нм до 100 нм, с сохранением интенсивности рассеяния агрегатов.
Для растворов сравнения на основе N-ацетил-L-цистеина и ацетата серебра Рис. 6 распределению агрегатов по размерам характерна би- и тримодальность с основными модами 20-25 нм и ~200 нм. Установлено, что уменьшение концентрации компонентов приводит к уменьшению степени полидисперсности для агрегатов в системе с размером более 100 нм, что дополнительно стабилизирует систему и увеличивает значение электрокинетического (дзета) потенциала по абсолютному значению. Также это способствует увеличению процента рассеянного света и улучшению детекции этих агрегатов. Измерением рН растворов сравнения установлено, что при изменении концентраций исходных веществ в растворах, оцениваемое по содержанию аминокислоты, в системах на основе N-ацетил-L-цистеина и ацетата серебра, происходит изменение значений рН в малом диапазоне 0,1-0,3, что предполагает наличие схожей структуры во всех описываемых системах, а на потенциалоопределяющий слой агрегатов влияет концентрация исходных веществ, используемых при синтезе в растворах. Для систем на основе L-цистеина и ацетата серебра измерение рН растворов и изменение значений рН до и после введения ацетата серебра на 0,2 также предполагает, что введение столь малых количеств сульфата натрия приводит к изменению потенциалопределяющего слоя агрегатов в исходном растворе, тем самым уменьшая его заряд и уменьшая размер агрегатов.
Способ осуществляется следующим образом.
Приготавливают низкоконцентрированные водные растворы серосодержащих аминокислот. Смешивают полученные растворы с раствором ацетата серебра в эквимолярном соотношении, для получения стандартов со значением в отрицательной области электрокинетического (дзета) потенциала, и при молярном соотношении ацетата серебра к серосодержащей аминокислоте 1,25, для получения стандартов со значением в положительной области электрокинетического (дзета) потенциала, так что концентрация серосодержащих аминокислот в смеси находится в пределах 0,75÷2,5 мМ в зависимости от значения электрокинетического (дзета) потенциала. Смесь выдерживают в защищенном от света месте при температуре 18-28°С в течение 24-48 часов для формирования супрамолекулярных растворов с необходимыми значениями электрокинетического (дзета)-потенциала. В случае необходимости его изменения, в сформированный супрамолекулярный раствор стандарта сравнения, со значением в положительной области электрокинетического (дзета) потенциала, может дополнительно вводится сульфат натрия с концентрацией его в конечной смеси 0,1-0,3 мМ. Смесь перемешивают и оставляют в темном месте на 15-30 минут для формирования стандарта сравнения с новым значением электрокинетического (дзета) потенциала.
Для изготовления заявляемых стандартов сравнения не требуется специального оборудования, они могут быть изготовлен на стандартном оборудовании химической лаборатории. Стандарты сравнения, полученные заявляемым способом, отличаются широким рядом значений: -35 мВ, -60 мВ, +40 мВ, +60 мВ электрокинетического (дзета) потенциала и среднеквадратичным отклонением значений в пределах 7÷9% от абсолютного значения и имеют вязкость менее 3 мПа*с при температурах в диапазоне 18-28°С.
Заявляемые стандарты сравнения могут быть использованы для повышения эффективности работы служб лабораторного контроля в химических, нефтехимических, клинических и фармацевтических лабораториях, а также службах водоочистки и водоподготовки.
Примеры выполнения заявляемого способа.
Пример 1. Получение супрамолекулярного раствора стандарта сравнения со значением электрокинетического (дзета) потенциала +60 мВ.
К 0,6 мл 10 мМ водного раствора L-цистеина приливают 2,6 мл деионизированной воды, смесь перемешивают и добавляют 0,75 мл 10 мМ водного раствора ацетата серебра. Смесь представляет собой бледно-желтый опалесцирующий раствор, который при созревании в течение 24 часов в темноте, при температуре 23°С, становится прозрачным, приобретая слабый желтый оттенок.
Пример 2. Получение супрамолекулярного раствора стандарта сравнения со значением электрокинетического (дзета) потенциала равному +40 мВ.
К 1 мл раствора стандарта сравнения, полученному согласно Примеру 1, добавляют 0,08 мл раствора сульфата натрия с концентрацией 0,5 мМ, спустя 30 минут раствор готов к использованию в качестве стандарта сравнения.
Пример 3. Получение супрамолекулярных растворов стандарта сравнения со значениями электрокинетического (дзета) потенциала -35 мВ и -60 мВ.
К 1 мл раствора N-ацетил-L-цистеина концентрации 5 мМ или 2 мМ приливают 1 мл раствора ацетата серебра с концентрациями 5 мМ или 2 мМ соответственно. Получаем прозрачный раствор, который при созревании в течение 48 часов в темноте при температуре 23°С представляет собой стандарт сравнения со значениями электрокинетического (дзета) потенциала -35 мВ и -60 мВ соответственно.
Таблица 1
Стандартсравнения
Значение электрокинетического (дзета) потенциала, мВ
Среднеквадратическое отклонение электрокинетического (дзета) потенциала, мВ
рН
Значение электрофоретической подвижности, µvcm/Vs
Среднеквадратическое отклонение электрофоретической подвижностиµvcm/Vs
N-ацетил-L-цистеин и ацетат серебра 1:1, С<sub>ам-ты</sub> = 2,5 мМ
-35
±2,7
3,5
-2,4
±0,4
N-ацетил-L-цистеин и ацетат серебра 1:1, С<sub>ам-ты</sub> = 1 мМ
-60
±4,7
3,7
-4,5
±0,6
L-цистеин и ацетат серебра 1:1,25, С<sub>ам-ты</sub> = 1,5 мМ
+60
±5,1
3,9
+4,8
±0,5
L-цистеин и ацетат серебра 1:1,25, С<sub>ам-ты</sub> = 1,5 мМ, С<sub>сульфата натрия</sub> = 0,25 мМ
+40
±3,1
4,1
+3,2
±0,3