DEVELOPMENT OF TEST SYSTEMS FOR THE DETERMINATION OF ZINC IONS IN THE ENVIRONMENT BASED ON NANOSTRUCTURED MATERIALS SILICATE

Фарус О.А.

ORCID: 0000-0002-1426-6534, Кандидат химических наук, Оренбургский государственный педагогический университет

РАЗРАБОТКА ТЕСТ-СИСТЕМ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ИОНОВ ЦИНКА В ОБЪЕКТАХ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ НА ОСНОВЕ НАНОСТРУКТУРИРОВАННОГО СИЛИКАТА

Аннотация

Статья посвящена решению одной из основных задач современной науки, связанной со скринингом ионов тяжелых металлов в природных объектах. В работе приведена характеристика разработанной тест-системы на основе наноструктурированного силиката. С помощью золь-гель технологии была получена основа для тест-системы в виде гибридного органо-неорганического силикатного материала. В рамках выполнения экспериментальной части были определены метрологические характеристики полученной тест-системы и доказано, что она может быть использована для определения ионов цинка в пределах от 0,309 мг/л до 8,971 мг/л.

Ключевые слова: экспресс-методы, окружающая среда, загрязнения окружающей среды, тест-система, силикаты, метрологические характеристики.

Farus O.A.

ORCID: 0000-0002-1426-6534, PhD in Chemistry, Orenburg state pedagogical University

DEVELOPMENT OF TEST SYSTEMS FOR THE DETERMINATION OF ZINC IONS IN THE ENVIRONMENT BASED ON NANOSTRUCTURED MATERIALS SILICATE

Abstract

The article is devoted to solving one of the main tasks of modern science that is associated with the determination of heavy metal ions in natural objects. The paper presents characteristics of the designed test-systems based on nanostructured silicate material. The basis of the test system consists of a hybrid organic-inorganic silica materials produced by Sol-gel technology. When performing the experiment were determined metrological characteristics of the test system. It was proved that the test system can be used to determine the zinc ion in the range of 0,309 mg/l to 8,971 mg/l.

Keywords: rapid methods, environment, degree of pollution, test system, silicates, metrological characteristics.

 

В связи с возрастающей антропогенной нагрузкой на окружающую среду, все чаще возникает необходимость в простом и быстром анализе вещества, без существенных затрат времени и денег на процедуру самого анализа. Вследствие, этого, основная задача современных методов анализа - это разработка экспресс-методов и средств для быстрой и недорогой оценки степени загрязнения объектов окружающей среды.

Эту задачу успешно могут решить тест-методы, которые уже давно разрабатываются и используются в различных областях жизни человека. На сегодняшний день уже разработано много разных тест-систем различного типа и назначения. Наиболее рационально использовать тест-системы в полевом анализе, т.к. полевой анализ является важным и перспективным направлением в защите окружающей среды. Тест-системы просто незаменимы в тех критических случаях, когда необходимо быстро определить состав объекта окружающей среды. В объектах окружающей среды постоянно находят ионы тяжёлых металлов, которые наносят непоправимый вред организму человека. Уже давно отработаны методики обнаружения ионов тяжелых металлов с помощью сложного оборудования. Но каждый раз нести питьевую воду или вытяжку из почвы для определения в них тяжелых металлов нецелесообразно. Поэтому встает острая необходимость в простом и доступном методе определения компонентов анализируемого вещества. И даже в подобных случаях тест-системы могут решить данную проблему [1, 2].

В основе работы любой тест-системы лежит химическая реакция межу реагентом и определяемым веществом. Реагент может быть закреплен как твердый, так и на жидкий носитель или по-другому матрицу. Но наибольшую распространенность получили тест-системы на твердом носителе. В качестве матрицы можно использовать бумагу, ткань, полимерные вещества, силикагели и т.д. Силикатные материалы легкие и недорогие, что позволяет широко использовать их в качестве носителя в разработке тест-систем. Основная задача на сегодняшний день — это разработка твердофазных тест-систем на основе модифицированного силикагеля для определения ионов тяжелых металлов в водных объектах окружающей среды [3].

Поэтому проблема разработки тест-систем для определения ионов тяжелых металлов в объектах окружающей среды на основе гибридных органо-неорганических силикатных материалов является актуальной.

Экспериментальная часть. В ходе реализации экспериментальной части исследования была подобрана наиболее оптимальная методика синтеза твердофазного пористого материала. Данный материал является гибридным органо-неорганическим материалом, на основе оксида кремния (IV) и раствора поливинилового спирта. Пористую основу для тест-систем получали золь-гель методом [4].

Полученный материал обладает рядом преимуществ:

1. Обладает высокой сорбционной способностью;
2. Является безопасным;
3. Имеет высокую стабильность, т.е. является устойчивым во времени и при воздействии агрессивный сред в пределах рН = 4-12 и в широком интервале температур, выдерживает кипячение при 100 ⁰С в нейтральной среде, а в кислой среде кипячение при 60 ⁰С;
4. Не имеет окраски;
5. При соблюдении условий синтеза сохраняет свои физико-химические параметры;
6. Легко принимает и сохраняет необходимую форму.

Данные преимущества позволили использовать полученный материал, как основу для разрабатываемых тест-систем [5, 6].

В качестве загрязняющих агентов природных объектов чаще всего выступают ионы тяжелых металлов, поэтому в качестве определяемого компонента был выбран ион цинка.

Проведенный анализ литературных данных показал, что в спектрофотометрии большая группа методик основана на использовании бифункциональных органических реагентов, образующих с ионами металлов хелатные внутрикомплексные соединения, растворимые в неполярных растворителях. К таким реагентам, часто встречающимся на практике, относится 1-(2-пиридилазо)-2-нафтол (ПАН). Ионы цинка относятся к хорошим комплексообразователям и с выбранными модификаторами образуют яркоокрашенные соединения:

В рамках исследования была получена основа тест-системы, путем иммобилизации аналитических реагентов в статическом режиме, при этом полученный пористый материал выдерживается в спиртовом растворе ПАН 24 часа. Матрица после иммобилизации ПАН приобрела светло-желтую окраску.

Результаты и их обсуждение. Содержание анализируемого иона в контрольном растворе оценивали в соответствии с правилом: если окраска контрольного образца является промежуточной относительно реперных точек шкалы, то ему приписывается концентрация, равная середине диапазона. Для каждой из полученных шкал нами были определены основные метрологические характеристики: интервал ненадежности (ИН); стандартное отклонение (S_с); предел определения ионов (С_lim) [7].

Сравнительный анализ ширины интервала ненадежности позволяет провести сопоставление различных тест-систем, чем меньше значение отношения интервала ненадежности, тем надежнее тест-система. Из рассмотренных тест-систем наиболее узкий ИН характеризует тест-системы Фибоначчи (табл. 1). Тест-системы с коэффициентом равным 2, 3 имеют очень большой ИН, поэтому они были отброшены.

Таблица 1. Расчет ширины интервала ненадежности (ИН) для тест-системы Zn²⁺-ПАН-Сорбент

В рамках реализации эксперимента были получены цветовые шкалы, использующиеся для визуального экспресс-определения концентрации анализируемого иона в растворе (рис.1).

Рис. 1. Цветовые шкалы тест-систем для определения концентрации ионов цинка (ряд Фибоначчи): а) белый фон; б) зеленый фон.

Все наблюдения с сорбентами проводили при дневном освещении в условиях рассеянного света. Сопоставление интенсивности окраски тест-образцов с цветовой шкалой проводили, размещая шкалу и исследуемый образец на листе белой или цветной бумаги.

Из 48 результатов определили метрологические характеристики разработанных тест-систем (табл. 2).

Таблица 2. Метрологическая оценка тест-системы Zn²⁺-ПАН-Сорбент

Анализ полученных данных показывает, что предлагаемые тест-таблетки, характеризуются удовлетворительной правильностью и воспроизводимостью, при этом необходимо отметить, что при определении ионов цинка лучше использовать зеленый фон. Нами также была проведена оценка работоспособности шкал. С этой целью независимым наблюдателям задали вопрос: «Видите ли Вы различие в окраске соседних точек шкалы?», зафиксировали ответы и по результатам наблюдений вычислили частоту обнаружения различия окраски:

Р(с) = n/N

где n — число положительных ответов, N — общее число наблюдений (табл. 3).

Таблица 3. Результаты определения частоты обнаружения окраски для тест-системы определения ионов цинка.

Оценка частоты обнаружения различия окраски для выбранных шкал позволяет сделать выводы о возможности определения концентрации ионов цинка в пределах от 0,309 мг/л до 8,971 мг/л.

Выводы. Было выявлено, что тест-системы относятся к наиболее простым средствам полуколичественного сигнального анализа природных объектов, в которых сочетаются максимальная экспрессность анализа, простота применения, наглядность результата и достоверность.

В ходе реализации исследования, методом золь-гель технологии была получена основа для тест-систем, представляющая собой сорбент на основе оксида кремния (IV) и поливинилового спирта. На основании данного сорбента нами была разработана цветовая шкала, которая предлагалась наблюдателям, предложенные шкалы имели шаг равный 1,618 (ряд Фибоначчи). Выбор данной шкалы был обоснован значением интервала ненадежности.

Изучены метрологические характеристики, полученных тест-систем. В результате было выявлено, что при определении ионов цинка лучше использовать белый фон. Так как в данных случаях наблюдается минимальное значение предела обнаружения, которое близко к минимальному значению концентрации определяемой в рассматриваемых шкалах.

Полученные значения частоты обнаружения окраски в пределах значения всей шкалы так же подтверждают обоснованность выбранной шкалы, так как наблюдается корреляция данных, в значениях основных метрологических характеристиках.

Литература

1. Решетняк, Е.А. Предел обнаружения в тест-методах анализа с визуальной индикацией. Влияющие факторы / Е.А. Решетняк, Н.А. Никитина, В.М. Островская // Журнал аналитической химии. 2005. Т. 60. № 10. - С. 1102-1109.
2. Лосев, В.Н. Тест-системы для определения Cu, Fe, Co на основе дисперсных кремнеземов, модифицированных полигексаметиленгуанидином и сульфопроизводными органических реагентов / В.Н. Лосев, С.Л. Дидух // Журнал Сибирского федерального университета. Серия «Химия». 2015. Т.3. №1. - С.64-72.
3. Гавриленко, Н.А. Твердофазная экстракция и спектрофотометрическое определение меди (II) с использованием полиметакрилатной матрицы / Н.А. Гавриленко, Н.В. Саранчина // Заводская лаборатория. 2008. №1.- С. 15-17.
4. Фарус О.А. Исследование влияния типа катализатора на процессы гелеобразования золь-гель систем на основе тетраэтоксисилана // Интернет-журнал «Науковедение» Том 7, №4 (2015) [Электронный ресурс]-М.: Науковедение, 2015 - Режим доступа: http://naukovedenie.ru/PDF/64TVN415.pdf. DOI: 10.15862/64TVN415 (дата обращения 14.03.2016).
5. Фарус О.А. Анализ структуры поверхности волокнистых композиционных материалов типа ЛМ/Ag⁰ и оценка возможности их использования в качестве антибактериальных материалов // Интернет-журнал «НАУКОВЕДЕНИЕ» Том 7, №5 (2015) http://naukovedenie.ru/PDF/74TVN515.pdf. DOI: 10.15862/74TVN515 (дата обращения 14.03.2016)
6. Фарус, О.А. Анализ влияния условий синтеза на структуру поверхности пленок, полученных на основе гелей на основе тетраэтоксисилана / О.А. Фарус, Д.А. Айтасова, М.В. Левина, К.Н. Афонина // В мире научных открытий. – 2015. – №4.1 (64). – С. 679-686.
7. Иванов, В.М. Сорбционное концентрирование меди, свинца и железа на носителях, модифицированных 8-оксихинолином и его производными / В.М. Иванов, Е.В. Антонова, Е.Н. Ускова // Вестн. Моск. ун-та. Сер 2. Химия. 2009. Т. 50. № 3. - С. 169-180.

References

1. Reshetnyak, E. A. the Limit of detection in the test methods of analysis with visual indication. Influencing factors / E.A. Reshetnyak, N.A. Nikitinа, V.M. Ostrovskaya // Journal of analytical chemistry. 2005. Vol. 60. No. 10. - P. 1102-1109.
2. Losev, V.N. Test-system for determination of Cu, Fe, Co-based disperse silica modified with polyhexamethylenguanidines and sulphonic derivatives of organic reagents / V.N. Losev, S.L. Didukh // Journal of Siberian Federal University. Series "Chemistry". 2015. Vol. 3. No. 1. - P. 64-72.
3. Gavrilenko, N.А. Solid phase extraction and spectrophotometric determination of copper (II) using polymethacrylate matrix / N.A. Gavrilenko, N.V. Saranchina // Factory laboratory. 2008. №1.- P. 15-17.
4. Farus O.A. Investigation of the effect of catalyst type on the processes of gelling the sol-gel systems based on tetraethoxysilane // Internet-zhurnal «Naukovedenie» Vol. 7, №4 (2015) [Jelektronnyj resurs]-M.: the science of Science, 2015 - Rezhim dostupa: http://naukovedenie.ru/PDF/64TVN415.pdf. DOI: 10.15862/64TVN415 (data obrashhenija 14.03.2016)
5. Farus O.A. Research of influence of type of catalyst on the gelation process of Sol-gel systems based on tetraethoxysilane // Internet-zhurnal «Naukovedenie» Vol. 7, №5 (2015) [Jelektronnyj resurs]-M.: the science of Science, 2015 - Rezhim dostupa: http://naukovedenie.ru/PDF/74TVN515.pdf. DOI: 10.15862/74TVN515 (data obrashhenija 14.03.2016)
6. Farus, O.A. Analysis of influence of synthesis conditions on the surface structure of films derived from gels based on tetraethoxysilane / O.A. Farus, D.A. Aitasheva, V.M. Levin, K.N. Afonina // In the world of scientific discoveries. – 2015. – №4.1 (64). – P. 679-686.
7. Ivanov, V.M. Sorption concentration of copper, lead and iron on carriers modified with 8-hydroxyquinoline and its derivatives / V.M. Ivanov, E.V.Antonova, E.N. Uskova // Bulletin of Moscow University. Series 2. Chemistry. 2009. Vol. 50. № 3. - P. 169-180.