PL223094B1 - Nowa pochodna bis(2,2'-bitienylo)metanu i sposób jej wytwarzania, warstwa molekularnie wdrukowanego polimeru, sposób jej wytwarzania i jej zastosowanie do selektywnego wykrywania i oznaczania związków nitroaromatycznych - Google Patents

Nowa pochodna bis(2,2'-bitienylo)metanu i sposób jej wytwarzania, warstwa molekularnie wdrukowanego polimeru, sposób jej wytwarzania i jej zastosowanie do selektywnego wykrywania i oznaczania związków nitroaromatycznych

Info

Publication number
PL223094B1
PL223094B1 PL404175A PL40417513A PL223094B1 PL 223094 B1 PL223094 B1 PL 223094B1 PL 404175 A PL404175 A PL 404175A PL 40417513 A PL40417513 A PL 40417513A PL 223094 B1 PL223094 B1 PL 223094B1
Authority
PL
Poland
Prior art keywords
layer
tnp
methane
mip
bis
Prior art date
Application number
PL404175A
Other languages
English (en)
Other versions
PL404175A1 (pl
Inventor
Tan-Phat Huynh
Marta Sosnowska
Janusz Sobczak
K.C. Chandra Bikram
Vladimir N. Nesterov
Francis D'souza
Włodzimierz Kutner
Original Assignee
Inst Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Inst Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk filed Critical Inst Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk
Priority to PL404175A priority Critical patent/PL223094B1/pl
Priority to GB1409820.6A priority patent/GB2548540B/en
Publication of PL404175A1 publication Critical patent/PL404175A1/pl
Publication of PL223094B1 publication Critical patent/PL223094B1/pl

Links

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C07—ORGANIC CHEMISTRY
    • C07D—HETEROCYCLIC COMPOUNDS
    • C07D409/00—Heterocyclic compounds containing two or more hetero rings, at least one ring having sulfur atoms as the only ring hetero atoms
    • C07D409/14—Heterocyclic compounds containing two or more hetero rings, at least one ring having sulfur atoms as the only ring hetero atoms containing three or more hetero rings
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08F—MACROMOLECULAR COMPOUNDS OBTAINED BY REACTIONS ONLY INVOLVING CARBON-TO-CARBON UNSATURATED BONDS
    • C08F234/00—Copolymers of cyclic compounds having no unsaturated aliphatic radicals in a side chain and having one or more carbon-to-carbon double bonds in a heterocyclic ring
    • C08F234/04—Copolymers of cyclic compounds having no unsaturated aliphatic radicals in a side chain and having one or more carbon-to-carbon double bonds in a heterocyclic ring in a ring containing sulfur
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C07—ORGANIC CHEMISTRY
    • C07D—HETEROCYCLIC COMPOUNDS
    • C07D333/00—Heterocyclic compounds containing five-membered rings having one sulfur atom as the only ring hetero atom
    • C07D333/02—Heterocyclic compounds containing five-membered rings having one sulfur atom as the only ring hetero atom not condensed with other rings
    • C07D333/04—Heterocyclic compounds containing five-membered rings having one sulfur atom as the only ring hetero atom not condensed with other rings not substituted on the ring sulphur atom
    • C07D333/06—Heterocyclic compounds containing five-membered rings having one sulfur atom as the only ring hetero atom not condensed with other rings not substituted on the ring sulphur atom with only hydrogen atoms, hydrocarbon or substituted hydrocarbon radicals, directly attached to the ring carbon atoms
    • C07D333/14—Radicals substituted by singly bound hetero atoms other than halogen
    • C07D333/20—Radicals substituted by singly bound hetero atoms other than halogen by nitrogen atoms
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08F—MACROMOLECULAR COMPOUNDS OBTAINED BY REACTIONS ONLY INVOLVING CARBON-TO-CARBON UNSATURATED BONDS
    • C08F34/00—Homopolymers and copolymers of cyclic compounds having no unsaturated aliphatic radicals in a side chain and having one or more carbon-to-carbon double bonds in a heterocyclic ring
    • C08F34/04—Homopolymers and copolymers of cyclic compounds having no unsaturated aliphatic radicals in a side chain and having one or more carbon-to-carbon double bonds in a heterocyclic ring in a ring containing sulfur
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08G—MACROMOLECULAR COMPOUNDS OBTAINED OTHERWISE THAN BY REACTIONS ONLY INVOLVING UNSATURATED CARBON-TO-CARBON BONDS
    • C08G61/00—Macromolecular compounds obtained by reactions forming a carbon-to-carbon link in the main chain of the macromolecule
    • C08G61/12—Macromolecular compounds containing atoms other than carbon in the main chain of the macromolecule
    • C08G61/122—Macromolecular compounds containing atoms other than carbon in the main chain of the macromolecule derived from five- or six-membered heterocyclic compounds, other than imides
    • C08G61/123—Macromolecular compounds containing atoms other than carbon in the main chain of the macromolecule derived from five- or six-membered heterocyclic compounds, other than imides derived from five-membered heterocyclic compounds
    • C08G61/126—Macromolecular compounds containing atoms other than carbon in the main chain of the macromolecule derived from five- or six-membered heterocyclic compounds, other than imides derived from five-membered heterocyclic compounds with a five-membered ring containing one sulfur atom in the ring
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08G—MACROMOLECULAR COMPOUNDS OBTAINED OTHERWISE THAN BY REACTIONS ONLY INVOLVING UNSATURATED CARBON-TO-CARBON BONDS
    • C08G2261/00—Macromolecular compounds obtained by reactions forming a carbon-to-carbon link in the main chain of the macromolecule
    • C08G2261/10—Definition of the polymer structure
    • C08G2261/13—Morphological aspects
    • C08G2261/135—Cross-linked structures
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08G—MACROMOLECULAR COMPOUNDS OBTAINED OTHERWISE THAN BY REACTIONS ONLY INVOLVING UNSATURATED CARBON-TO-CARBON BONDS
    • C08G2261/00—Macromolecular compounds obtained by reactions forming a carbon-to-carbon link in the main chain of the macromolecule
    • C08G2261/10—Definition of the polymer structure
    • C08G2261/14—Side-groups
    • C08G2261/143—Side-chains containing nitrogen
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08G—MACROMOLECULAR COMPOUNDS OBTAINED OTHERWISE THAN BY REACTIONS ONLY INVOLVING UNSATURATED CARBON-TO-CARBON BONDS
    • C08G2261/00—Macromolecular compounds obtained by reactions forming a carbon-to-carbon link in the main chain of the macromolecule
    • C08G2261/10—Definition of the polymer structure
    • C08G2261/14—Side-groups
    • C08G2261/148—Side-chains having aromatic units
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08G—MACROMOLECULAR COMPOUNDS OBTAINED OTHERWISE THAN BY REACTIONS ONLY INVOLVING UNSATURATED CARBON-TO-CARBON BONDS
    • C08G2261/00—Macromolecular compounds obtained by reactions forming a carbon-to-carbon link in the main chain of the macromolecule
    • C08G2261/30—Monomer units or repeat units incorporating structural elements in the main chain
    • C08G2261/32—Monomer units or repeat units incorporating structural elements in the main chain incorporating heteroaromatic structural elements in the main chain
    • C08G2261/322—Monomer units or repeat units incorporating structural elements in the main chain incorporating heteroaromatic structural elements in the main chain non-condensed
    • C08G2261/3223—Monomer units or repeat units incorporating structural elements in the main chain incorporating heteroaromatic structural elements in the main chain non-condensed containing one or more sulfur atoms as the only heteroatom, e.g. thiophene
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08G—MACROMOLECULAR COMPOUNDS OBTAINED OTHERWISE THAN BY REACTIONS ONLY INVOLVING UNSATURATED CARBON-TO-CARBON BONDS
    • C08G2261/00—Macromolecular compounds obtained by reactions forming a carbon-to-carbon link in the main chain of the macromolecule
    • C08G2261/30—Monomer units or repeat units incorporating structural elements in the main chain
    • C08G2261/34—Monomer units or repeat units incorporating structural elements in the main chain incorporating partially-aromatic structural elements in the main chain
    • C08G2261/344—Monomer units or repeat units incorporating structural elements in the main chain incorporating partially-aromatic structural elements in the main chain containing heteroatoms
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08G—MACROMOLECULAR COMPOUNDS OBTAINED OTHERWISE THAN BY REACTIONS ONLY INVOLVING UNSATURATED CARBON-TO-CARBON BONDS
    • C08G2261/00—Macromolecular compounds obtained by reactions forming a carbon-to-carbon link in the main chain of the macromolecule
    • C08G2261/40—Polymerisation processes
    • C08G2261/44—Electrochemical polymerisation, i.e. oxidative or reductive coupling
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08G—MACROMOLECULAR COMPOUNDS OBTAINED OTHERWISE THAN BY REACTIONS ONLY INVOLVING UNSATURATED CARBON-TO-CARBON BONDS
    • C08G2261/00—Macromolecular compounds obtained by reactions forming a carbon-to-carbon link in the main chain of the macromolecule
    • C08G2261/50—Physical properties
    • C08G2261/65—Electrical insulator
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08G—MACROMOLECULAR COMPOUNDS OBTAINED OTHERWISE THAN BY REACTIONS ONLY INVOLVING UNSATURATED CARBON-TO-CARBON BONDS
    • C08G2261/00—Macromolecular compounds obtained by reactions forming a carbon-to-carbon link in the main chain of the macromolecule
    • C08G2261/90—Applications
    • C08G2261/94—Applications in sensors, e.g. biosensors

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Polymers & Plastics (AREA)
  • Medicinal Chemistry (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Plural Heterocyclic Compounds (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Fluid Adsorption Or Reactions (AREA)

Description

Opis wynalazku
Przedmiotem wynalazku jest nowa pochodna bis(2,2'-bitienylo)metanu i sposób jej wytwarzania, warstwa molekularnie wdrukowanego polimeru, sposób jej wytwarzania i jej zastosowanie do selektywnego wykrywania i oznaczania związków nitroaromatycznych.
Związki nitroaromatyczne to substancje czynne materiałów wybuchowych powszechnie stosowanych nie tylko do celów militarnych (bomby, miny, granaty), ale i cywilnych (ładunki minerskie, pal iwa napędowe, ognie sztuczne, itp.). Do tych celów stosuje się ponad 100 różnych związków nitr owych. Wśród nich najliczniejszą grupę stanowią podstawione grupą nitrową węglowodory. W związkach tych grupy nitrowe są bezpośrednio przyłączone do atomu węgla węglowodoru (łańcucha alkil owego lub pierścienia aromatycznego). Im więcej podstawników nitrowych w cząsteczce tym większa energia jest uwalniana podczas detonacji.
Stąd też aromatyczne związki nitrowe (ang. nitroaromatic compounds, NTs) z trzema grupami nitrowymi w cząsteczce, np. 2,4,6-trinitrotoluen (TNT), 2,4,6-trinitrobenzen (TNB) i 2,4,6-trinitrofenol (TNP) (Schemat 1) zaliczane są do najsilniejszych związków wybuchowych. NTs są toksyczne zanieczyszczają glebę, wodę i powietrze poważnie zagrażając środowisku naturalnemu. Dopuszcza lne dla człowieka stężenie NTs waha się od 2 do 7 nM [Patnaik, P., Chap. 40, in A Comprehensive guide to the hazardous properties of Chemical substances. 2007, John Wiley & Sons: New Jersey, p. 691-702], Dlatego opracowano, wykonano i skomercjalizowano czujniki chemiczne do oznaczania NTs na tak niskim poziomie stężeń. Wciąż jednak prowadzone są badania zmierzające do opracowania chemosensorów o niskim koszcie wytworzenia, wysokiej wykrywalności i selektywności [Toal, S. J. and Trogler, W. C. J., Polymer sensors for nitroaromatic explosives detection, Mater. Chem. 2006, 16, 2871-2883 oraz Salinas, Y. et al., Optical chemosensors and reagents to detect explosives, Chem. Soc. Rev. 2012, 41, 1261-1296],
Molekularnie wdrukowywane polimery (ang. molecularly imprinted polymers, MIPs) są bardzo obiecujące w zastosowaniu do selektywnego oznaczania wybuchowych NTs. Bierze się to stąd, że wielkość, kształt i przestrzenna orientacja ugrupowań rozpoznających, wytworzonych we wdrukowanych wnękach molekularnych MlP-u, są dokładnie dopasowane do wielkości, kształtu i orientacji miejsc wiążących cząsteczek analitu [K. Haupt, Molecularly imprinted polymers in analytical chemistry, Analyst 2001,126, 747-756; A. McCluskey et al., Molecularly imprinted polymers (MIPs): sensing, an explosive new opportunity? Org. Biomol. Chem. 2007, 5, 3233-3244; P. S. Sharma, F. D'Souza, and W. Kutner, Chap. 4, in Portable chemical sensors - weapons against bioterrorism, NATO science for peace and security, Series A: Chemistry and biology, D. P. Nikolelis, Editor, Springer, Berlin, 2012, pp. 63-94 oraz P. S. Sharma et al., Molecular imprinting for selective chemosensing of environmental hazards and drugs of abuse, TRAC-Trends Anal. Chem. 2012, 34, 59-77], Przykładem mogą tu być chemosensory fluorescencyjne, w których warstwy MIPs, przygotowane za pomocą polimeryzacji kwasu metakrylowego (MAA) i dimetyloakrylanu glikolu etylenowego (EGDMA), zastosowano do modyfikacji powierzchni kropek kwantowych CdSe [Stringer, R. C. et al., Detection of nitroaromatic explosives using a fluorescent-labeled imprinted polymer, Anal. Chem. 2010, 82, 4015-4019 oraz Stringer, R. C, et al., Comparison of molecular imprinted particles prepared using precipitation polymerization in water and chloroform for fluorescent detection of nitroaromatics, Anal. Chim. Acta 2011, 703, 239 -244], Przy długości fali 605 nm, fluorescencja tych kropek była wygaszana w wyniku wiązania DNT i TNT (Schemat 1) przez pokryte warstwami MIPs kropki kwantowe. Jednakże wykrywalność tych chemosensorów była stosunkowo niska, zawierała się bowiem w zakresie od 0,1 do 0,5 pM. Dlatego też chemosensory te nadawały się jedynie do oznaczania NTs w roztworach.
TNP TNT TNB DNT
PL 223 094 B1
Schemat 1. Wzory strukturalne czterech najczęściej stosowanych nitroaromatycznych związków wybuchowych. TNP - 2,4,6-trinitrofenol, TNT - 2,4,6-trinitrotoluen, TNB - 1,3,5-trinitrobenzen i DNT - 2,4-dinitrotoluen.
W innych badaniach przygotowano hierarchicznie wdrukowaną warstwę krzemionkową chemosensora z zastosowaniem drobin polistyrenowych o średnicy 510 nm w celu zwiększenia porowatości warstwy. Za pomocą wygaszania fluorescencji TNT przez tę warstwę, przy wzbudzeniu światłem o długości fali 235 nm, osiągnięto wykrywalność 8,8 nM TNT [Zhu, W. et al., Hierarchically imprinted porous films for rapid and selective detection of explosives, Langmuir 2011, 27, 8451-8457],
Stosowano również elektrochemiczne metody przetwarzania sygnału rozpoznawania warstwy MIP osadzonej za pomocą kompleksowania butanotiolu i DNT lub TNT w etanolu. Sygnał ten przetworzono na opór przeniesienia ładunku próbnika redoks -K4Fe(CN)6 [Apodaca, D. C. et al., Detection of 2,4-dinitrotoluene (DNT) as a model system for nitroaromatic compounds via molecularly imprinted short-alkyl-chain SAMs, Langmuir 2011, 27, 6768-6779], Jednakże oddziaływania tych NTs z butanotiolem w polarnym rozpuszczalniku protycznym (etanol), zastosowanym do wytworzenia kompleksu pre-polimeryzacyjnego, były słabe. Dlatego osiągnięta wartość granicy wykrywalności (ang. limit of detection, LOD), wynosząca ~40 μΜ, była stosunkowo wysoka. LOD udało się jednakże obniżyć do 13 nM TNT przez zastosowanie różniczkowej woltamperometrii pulsowej (ang. differential pulse voltammetry, DPV) i zastąpienie rozpuszczalnika protycznego (etanolu) - aprotycznym, takim jak acetonitryl, a butanotiolu - samoorganizującą się monowarstwą 1 -dodekanotiolu [Nie, D. et al., Two-dimensional molecular imprinting approach for the electrochemical detection of trinitrotoluene, Sens. Actuators, B 2011,156, 43-49],
Do oznaczania NTs w fazie gazowej, rozpoznającą warstwę polikrzemianową scalono z elementem interferometru załamującym światło. Pomiar współczynnika załamania światła warstwy MIP umożliwił wyznaczenie LOD, które wyniosło 2,4 ppt TNT [Edmiston, P. L. et al., Detection of vapor phase trinitrotoluene in the parts-per-trillion range using waveguide interferometry, Sens. Actuators, B 2010, 143, 574-582], W innych badaniach zmierzających do opracowania procedury oznaczania TNT w fazie gazowej rezonator mikrowagi kwarcowej pokryto warstwą akryloaminowego (AA) MIP, wdrukowanego szablonem TNT, za pomocą wirowania (ang. spin-coating). Zmierzona szybkość pochłaniania TNT przez ten MIP wynosiła ~150 pg na μg MIP na godzinę [Bunte, G. et al., Gas phase detection of explosives such as 2,4,6-trinitrotoluene by molecularly imprinted polymers, Anal. Chim. Acta 2007, 591, 49-56],
Za pomocą modelowania molekularnego oszacowano zysk energetyczny osiągnięty w wyniku kompleksowania TNT przez sześć akroleinowych monomerów funkcyjnych; wyniósł on ~90 kJ mol [Saloni, J. M. et al., Theoretical investigation on monomer and solvent selection for molecular imprinting of nitrocompounds, J. Phys. Chem. A 2013, 117, 1531-1534].
W niniejszym zgłoszeniu wynalazku przedstawiono opracowany i wykonany nowy przewodzący MIP do selektywnego wykrywania, za pomocą oddziaływań π-π, i oznaczania NTs, takich jak 2,4,6-trinitrofenol (TNP), 2,4,6-trinitrotoluen (TNT), 1,3,5-trinitrobenzen (TNB) i 2,4-dinitrotoluen (DNT) (Schemat 1). W tym celu zaprojektowano i zsyntetyzowano nowy monomer funkcyjny, bis(2,2'-bitien-5-ylo)-(4-aminofenylo)metan 1.
Zatem niniejszy wynalazek dotyczy nowej pochodnej bis(2,2'-bitienylo)metanu, tj. bis(2,2'-bitienylo)-(4-aminofenylo)metanu 1.
Wynalazek ponadto obejmuje sposób wytwarzania powyższej pochodnej bis(2,2'-bitienylo)metanu, charakteryzujący się tym, że wyjściowy roztwór 2,2'-bisbitiofenu i 4-acetaminobenzaldehydu w glikolu etylenowym poddaje się reakcji z kwasem nadchlorowym, w temperaturze w zakresie od 40 do 90, w wyniku czego otrzymuje się bis(2,2'-bitienylo)-(4-aminofenylo)metan 1.
Korzystnie reakcję prowadzi się w 70% kwasie nadchlorowym.
Korzystnie reakcję prowadzi się w temperaturze 60°C.
Wynalazek również dotyczy sposobu wytwarzania warstwy molekularnie wdrukowanego polimeru charakteryzującego się tym, że obejmuje następujące etapy:
(a) przygotowuje się roztwór, zawierający bis(2,2'-bitienylo)-(4-aminofenylo)-metan jako monomer funkcyjny 1, tris([2,2'-bitiofen]-5-ylo)metan jako monomer sieciujący 2 i wdrukowywany związek nitroaromatyczny (NT), w rozpuszczalniku lub mieszaninie rozpuszczalników, korzystnie w acetonitrylu i dichlorobenzenie zmieszanych w stosunku objętościowym jak 1:1, w którym powstaje kompleks pre-polimeryzacyjny typu π-π podstawnika aminofenylowego
PL 223 094 B1 monomeru funkcyjnego 1 z pierścieniem aromatycznym związku nitroaromatycznego (NT), a następnie (b) otrzymany w etapie (a) kompleks pre-polimeryzacyjny poddaje się elektropolimeryzacji, korzystnie w warunkach potencjodynamicznych obejmujących cykliczne liniowe zmiany p otencjału, osadzając go na elektrodzie, z powyżej podanego w etapie (a) roztworu, który jest 0,1 M względem (TBA)CIO4, jako warstwę molekularnie wdrukowanego polimeru z wdrukowanym szablonem związku nitroaromatycznego (MIP-NT), po czym (c) ten wdrukowany, w etapie (b) powyżej, szablon związku nitroaromatycznego (NT) wyekstrahowuje się z tej warstwy MIP-NT, w wyniku czego powstaje warstwa MIP z nieobsadzonymi wdrukowanymi wnękami molekularnymi.
Korzystnie, w sposobie według wynalazku, jako związki nitroaromatyczne (NT) stosuje się związki wybrane spośród 2,4,6-trinitrofenolu (TNP), 2,4,6-trinitrotoluenu (TNT), 1,3,5-trinitrobenzenu (TNB) i 2,4-dinitrotoluenu (DNT).
Korzystnie, w sposobie według wynalazku, w etapie (a) stosuje się monomer funkcyjny 1, związek nitroaromatyczny (NT) i monomer sieciujący 2, w stosunku molowym, odpowiednio, jak 1:1:3.
Korzystnie, w sposobie według wynalazku, elektropolimeryzacja potencjodynamiczna obejmuje od 1 do 20, korzystnie 9 cykli liniowych zmian potencjału w zakresie od 0,50 do 1,50 V względem Ag/AgCI z szybkością od 5 do 500 mV s- , korzystnie 50 mV s- .
Korzystnie, w sposobie według wynalazku, w etapie (b) jako elektrodę stosuje się elektrodę z metalu lub węgla, korzystnie platynową elektrodę dyskową.
Wynalazek również obejmuje warstwę molekularnie wdrukowanego polimeru, charakteryzującą się tym, że stanowi ją polimer wdrukowany molekularnie za pomocą związków nitroaromatycznych, zwłaszcza wybranych z grupy obejmującej 2,4,6-trinitrofenol (TNP), 2,4,6-trinitrotoluen (TNT), 1,3,5-trinitrobenzen (TNB) i 2,4-dinitrotoluen (DNT), wytworzona sposobem opisanym powyżej.
Wynalazek ponadto obejmuje zastosowanie warstwy wdrukowanego polimeru, zdefiniowanego powyżej, jako elementu rozpoznającego czujnika chemicznego do selektywnego wykrywania zwią zków nitroaromatycznych, zwłaszcza takich jak 2,4,6-trinitrofenol (TNP), 2,4,6-trinitrotoluen (TNT), 1,3,5-trinitrobenzen (TNB) i 2,4-dinitrotoluen (DNT).
Wynalazek również obejmuje zastosowanie warstwy wdrukowanego polimeru, zdefiniowanego powyżej, jako elementu rozpoznającego czujnika chemicznego do oznaczania związków nitroarom atycznych, zwłaszcza takich jak 2,4,6-trinitrofenol (TNP), 2,4,6-trinitrotoluen (TNT), 1,3,5-trinitrobenzen (TNB) i 2,4-dinitrotoluen (DNT).
Warstwy polimerów wdrukowanych za pomocą tych NTs (MIP-NTs) osadzono za pomocą elektropolimeryzacji potencjodynamicznej na platynowej elektrodzie dyskowej z roztworu zawierającego 1 i różne NTs, w stosunku molowym 1:NT jak 1:1. Początkowo te NTs wykorzystano jako szablony wdrukowania. Zarówno modelowanie molekularne za pomocą teorii funkcjonału gęstości (ang. density functional theory, DFT) metodą M062X z bazą 3-21G* jak i miareczkowanie fluorescencyjne wykazały stechiometrię 1:1 kompleksu pre-polimeryzacyjnego 1 z NT, odpowiednio, w próżni i w roztworze. W celu wytworzenia chemosensora przygotowano warstwy MIP-NTs z wyekstrahowanymi szablonami NTs. Za pomocą DPV z zastosowaniem próbnika redoks jak i elektroredukcji NT potwierdzono całkowite wyekstrahowanie szablonu NT z warstwy MIP-NT. Sygnał rozpoznawania NT za pomocą warstwy MIP-NT, po ekstrakcji szablonu, przetworzono na analityczny sygnał zmiany oporu elektrycznego warstwy za pomocą eletrochemicznej spektroskopii impedancyjnej (ang. electrochemical impedance spectroscopy, EIS), w nieobecności procesów faradajowskich, w powiązaniu z analizą wstrzykową w warunkach stacjonarnych. Osiągnięto LOD wytworzonych chemosensorów w zakresie od 8 do 30 nM, w ten sposób wykazując, że nadają się one do oznaczania NTs na poziomie stężeń toksycznych (~10 nM) w skażonym nimi środowisku naturalnym. Współczynnik selektywności chemosensorów względem substancji przeszkadzających, wyznaczony za pomocą tzw. molekularnego wdrukowania „krzyżowego” (ang. molecular cross-imprinting), wynosił od 1.7 do 9.1.
W niniejszym zgłoszeniu, które stanowi kontynuację naszych wcześniejszych badań nad opracowaniem i wykonaniem chemosensorów MIP do oznaczania substancji o znaczeniu biologicznym, jak również procedur tych oznaczeń [Pietrzyk, A. et al., Selective histamine piezoelectric chemosensor using a recognition film of the molecularly imprinted polymer of bis(bithiophene) derivatives, Anal. Chem. 2009, 81, 2633-2643; Pietrzyk, A. et al., Melamine acoustic chemosensor based on molecularly imprinted polymer film, Anal. Chem. 2009, 81, 10061-10070; Pietrzyk, A. et al., Molecularly imprinted poly[bis(2,2'-bithienyl)methane] film with built-in molecular recognition sites for a piezoelectric
PL 223 094 B1 microgravimetry chemosensor for selective determination of dopamine, Bioelectrochemistry 2010, 80, 62-72; Pietrzyk, A. et al., Molecularly imprinted polymer(MIP) based piezoelectric microgravimetry chemosensor for selective determination of adenine, Biosen. Bioelectron. 2010, 25, 2522-2529 oraz Huynh, T.-P. et al., Electrochemically synthesized molecularly imprinted polymer of thiophene derivatives for flow-injection analysis determination of adenosine-5'-triphosphate (ATP), Biosens. Bioelectron. 2013,41, 634-641], przedstawiamy zaprojektowany i zsyntetyzowany w ramach wynalazku monomer funkcyjny z grupy pochodnych bis(2,2'-bitienylo)metanu, tj. bis(2,2'-bitienylo)-(4-aminofenylo)metan 1, do oznaczania typowych NTs takich, jak TNT, TNP, TNB i DNT. Do rozpoznawania tych analitów wykorzystane zostały oddziaływania π-π pomiędzy pierścieniami aromatycznymi NTs a podstawnikiem fenyloaminowym monomeru 1. Występowanie tych oddziaływań zostało potwierdzone za pomocą modelowania molekularnego. Miareczkowanie fluorescencyjne monomeru 1 roztworami NTs doprowadziło w ramach niniejszych badań do wyznaczenia stałych trwałości kompleksów prepolimeryzacyjnych w roztworach. Następnie osadzono warstwy MIP-NT na elektrodach platynowych za pomocą elektropolimeryzacji potencjodynamicznej. W kolejnym etapie wyekstrahowano szablony NTs z warstw MIP-NT, co potwierdzono za pomocą DPV. Po tej ekstrakcji, sygnał chemicznego rozpoznawania NTs przetworzono na sygnał analityczny w postaci elektrycznego oporu warstw MIPs w nieobecności procesów faradajowskich.
Wynalazek jest bliżej przedstawiony poniżej, w korzystnym przykładzie wykonania, z odniesieniem do załączonych rysunków, na których:
fig. 1 przedstawia widmo H NMR monomeru 1 w deuterowanym chloroformie;
fig. 2 przedstawia widmo spektrometrii mas z jonizacją za pomocą rozpylania elektrycznego (ang. electrospray ionization mass spectrometry, ESI-MS) monomeru 1; fig. 3 przedstawia widma emisyjne 0,25 mM (1) 1, (2) TNP, (3) DNT, (4) TNT i (5) TNB w toluenie, przy wzbudzeniu światłem o długości fali, A = 350 nm. Widma 2 do 5 zostały powiększone 50 razy;
fig. 4 przedstawia fluorescencję 1 wygaszaną przez (a) TNP, (b) TNT, (c) TNB i (d) DNT w toluenie. Długość fali światła wzbudzającego, λ = 350 nm. Stężenie początkowe 1 było równe c1 0 = 0,25 mM, natomiast stężenia NTs zawierały się w zakresie 0,017 < cNT < 0,3 mM;
fig. 5 przedstawia woltamperogramy cykliczne zarejestrowane przy szybkości zmian potencjału 50 mV s- za pomocą dyskowej elektrody Pt o średnicy 1 mm, w roztworze acetonitrylu (ACN) i 1,2-dichlorobenzenu (DCB) zmieszanych w stosunku objętościowym jak 1:1, który był 0,1 M względem (TBA)CO i 1 mM względem (1) DNT, (2) TNT, (3) TNB, (4) TNP i (5) 1 oraz w (6) roztworze elektrolitu podstawowego;
fig. 6 przedstawia woltamperogramy cykliczne zarejestrowane przy szybkości zmian potencjału mV s- za pomocą dyskowej elektrody Pt o średnicy 1 mm w (1) 1 mM 1 i 0,1 M (TBA)CIO4, w roztworze ACN i DCB zmieszanych w stosunku objętościowym jak 1:1 oraz po dodaniu (2) DNT, (3) TNT, (4) TNB i (5) TNP do osiągnięcia stężenia 1 mM w roztworze badanym;
fig. 7 przedstawia krzywe zależności prądu od potencjału zarejestrowane podczas elektropolimeryzacji potencjodynamicznej prowadzącej do osadzenia warstwy MIP-TNP na dyskowej elektrodzie Pt o średnicy 1 mm z roztworu ACE i DCB, zmieszanych w stosunku objętościowym jak 1:1, który był 0,5 mM względem TNP, 0,5 mM względem 1, 1,5 mM względem 2 i 0,1 M względem (TBA)CIO4; numery kolejnych cykli liniowych zmian potencjału są podane przy krzywych;
fig. 8 przedstawia krzywe różniczkowej woltamperometrii pulsowej zarejestrowane dla (1) dyskowej elektrody Pt o średnicy 1 mm zanurzonej w 2 mM TNP, 0,1 M NaCI, a także dla tej elektrody pokrytej warstwą MIP-TNP (2) przed i (3) po ekstrakcji TNP. Objętość początkowa 0,1 M NaCI w naczynku elektrochemicznym wynosiła 3 ml;
fig. 9 przedstawia wykres elektrochemicznej spektroskopii impedancyjnej (EIS) (a) składowej urojonej impedancji względem składowej rzeczywistej impedancji; wstawka pokazuje powiększone półkola otrzymane dla wysokich częstotliwości oraz (b) kąta fazowego impedancji, φ, względem logarytmu częstotliwości; wstawka pokazuje powiększony wykres w zakresie częstotliwości B dla (1) warstwy MIP-TNP po ekstrakcji szablonu TNP, zarejestrowany po dodaniu analitu TNP, tak że końcowe stężenie TNP wynosiło (2) 0,13, (3) 0,38, (4) 0,75, (5) 2,5, (6) 4,5, (7) 7 i (8) 12 ąM w badanym roztworze wody i acetonu (ACE) zmieszanych w stosunku objętościowym jak 1:1, który był 0,1 M względem KCI.
PL 223 094 B1
Objętość początkowa 0,1 M KCI wynosiła 2 ml. Częstotliwość zmieniano w zakresie od 500 kHz do 1 Hz. Pomiary wykonano przy stałym potencjale, który był równy potencjałowi otwartego obwodu dla badanego roztworu, zmierzonym względem elektrody Ag/AgCI. Zakresy częstotliwości A, B i C opisano w tekście;
fig. 10 przedstawia krzywe kalibracyjne zależności oporu elektrycznego warstw MIP-NTs, pokrywających dyskowe elektrody Pt, od stężenia NTs dla warstw, po ekstrakcji szablonu NT, (a) MIP-TNP, (b) MIP-TNT, (c) MIP-TNB i (d) MIP-DNT wyznaczone przez zastrzykiwanie roztworów 0,1 M KCI zawierających (a1, c3, i d2) TNP, (b1, a3 i d3) TNT, (c1, a2 i b2) TNB i (d1, b3 i c2) DNT. Objętość początkowa roztworu 0,1 M KCI wynosiła 2 ml. Częstotliwość zmieniano w zakresie od 500 kHz do 1 Hz. Pomiary wykonano przy stałym potencjale, który był równy potencjałowi otwartego obwodu dla badanego roztworu zmierzonego względem elektrody Ag/AgCI;
fig. 11 przedstawia zmianę składowej rzeczywistej impedancji w czasie podczas zastrzyków o objętości 200 μL roztworów wody i ACE, zmieszanych w stosunku objętościowym jak 1:1, które były 0,1 M względem KCI i zawierały TNP o różnych stężeniach (opisanych na figurze). Pomiary wykonano przy stałym potencjale, który był równy potencjałowi otwartego obwodu dla badanego roztworu zmierzonego względem elektrody Ag/AgCI, przy częstotliwości 20 kHz, dla dyskowej elektrody Pt pokrytej warstwą MIP-TNP po ekstrakcji szablonu TNP. Wstawka przedstawia krzywą kalibracyjną dla elektrody pokrytej warstwą MIP-TNP. Szybkość przepływu cieczy nośnej, 0,1 M KCI w roztworze wody i ACE o stosunku objętościowym jak 1:1, wynosiła 20 μL/min.
2. Część doświadczalna 2.1. Odczynniki i reagenty
Acetonitryl (ACN), 1,2-dichlorobenzen (DCB), TNB, TNP, DNT i wszystkie odczynniki do syntezy zakupiono w firmie Sigma Aldrich.
Nadchloran tetra-n-butyloamoniowy, (TBA)CIO4, pochodził z firmy SACHEM.
Kwas solny (HCI) i chlorek potasu (KCI) zakupiono w firmie Fisher.
Toluen i metanol zostały dostarczone przez EMD.
Aceton (ACE) i TNT pochodziły z firmy, odpowiednio, PHARMCO-AAPER i CHEM Service.
Płytki szklane pokryte tlenkiem indowo-cynowym (ang. indium-tin oxide, ITO) o oporze 10 Ω cm zostały dostarczone przez Delta Technologies.
Monomer sieciujący, tris([2,2'-bitiofen]-5-ylo)metan 2, przygotowano według wcześniej opisanej procedury [Huynh, T.-P. et al., Molecularly imprinted polymer of bis(2,2'-bithienyl)methanes for selective determination of adrenaline, Bioelectrochemistry 2012, DOI: 10.1016/j.bioelechem. 2012. 1007.1003].
2.2 Otrzymywanie monomeru funkcyjnego 1 (Schemat 2)
Bis(2,2'-bitienylo)-(4-aminofenylo)metan 1. Najpierw 2,2'-bitiofen (2,54 g, 15,3 mmole) i 4-acetaminobenzaldehyd (1,0 g, 6,13 mmole) zmieszano w glikolu etylenowym (80 ml) i otrzymaną mieszaninę mieszano przez 30 min w atmosferze azotu. Następnie dodano 70% HCIO4 (16 ml, 245,2 mmole) i otrzymany roztwór mieszano jeszcze przez 16 godz. w temperaturze 60°C. Po ochłodzeniu do temperatury pokojowej, do mieszaniny reakcyjnej dodano nadmiar dichlorometanu w celu rozpuszczenia produktu reakcji. Następnie mieszaninę przemyto wodnym roztworem nasyconego Na2CO3, aby zobojętnić nadmiar kwasu. Zebraną fazę organiczną przemyto wodą, a następnie wysuszono bezwodnym Na2SO4 i zatężono przez odparowanie rozpuszczalnika pod zmniejszonym ciśnieniem. Oleisty produkt oczyszczono za pomocą chromatografii cieczowej na kolumnie silikażelowej z zastosowaniem, jako eluent, roztworu heksanu i dichlorometanu zmieszanych w stosunku objętościowym jak 1:4. Otrzymano 1,53 g bis(2,2'-bitienylo)-(4-aminofenylo)metanu (wydajność 57%).
Widmo spektroskopii 1H NMR (fig. 1) dla roztworu d-CDCI3 (δ ppm): 7,18-7,16 (dd, 2H, bitiofenu H), 7,16-7,13 (d, 2H, bitiofenu H), 7,11-7,08 (dd, 2H, bitiofenu H), 7,03-7,00 (m, 2H, bitiofenu H), 6,98-6,95 (dd, 2H, fenylowy H), 6,77-6,74 (dd, 2H, fenylowy H), 6,68-6,64 (d, 2H, bitiofenu H), 5,66 (s, 1H, -CH-), 3,7-3,3 (s, 2H, -NH2).
Analiza ESI-MS, sygnał jonu molekularnego [M+], m/z, obliczony 435,7, wyznaczony 436,0 (fig. 2).
Aby wykrystalizować 1, rozpuszczono go w dichlorometanie i dodano kilka kropli stężonego HCI w 5-ml fiolce. Następnie fiolkę tę zamknięto tak, aby rozpuszczalnik mógł powoli odparować. Po kilku
PL 223 094 B1 tygodniach z roztworu wytrąciły się ciemnozielone kryształy w kształcie igieł. Wyznaczona w ramach niniejszych badań struktura krystaliczna związku pokazana jest na Schemacie 2. Strukturę tę zdeponowano w Cambridge Crystallographic Data Centre (CCDC) i przypisano jej numer CCDC 923045.
Schemat 2. Struktura krystaliczna bis(2,2'-bitienyol)-(4-aminofenylo)metanu 1.
3. Wyniki i dyskusja
3.1 Kompleksowanie NT i 1 w toluenie
Ze względu na niską polarność zarówno NTs jak i 1, do miareczkowania fluorescencyjnego wybrano rozpuszczalnik niepolarny, taki jak toluen. Wybór ten byt korzystny również dlatego, że rozpuszczalność NTs i 1 w toluenie była wysoka. Co więcej, z uwagi na niską przenikalność elektryczną toluenu, ε = 2,374, oddziaływania pomiędzy NT i 1 w tym rozpuszczalniku były silniejsze niż analogiczne oddziaływania w rozpuszczalnikach o wyższej polarności. Dodatkową zaletą toluenu jest jego niska lotność, z uwagi na wysoką temperaturę wrzenia (110,6°C), co umożliwiło utrzymanie stężenia 1 i NT na stałym poziomie w trakcie miareczkowania. Widma emisyjne 1 zarejestrowano przy wzbudzeniu światłem o długości fali, λ = 350 nm. Na podstawie analizy widm emisyjnych monomeru 1 i NTs (fig. 3) pasmo emisyjne monomeru 1, obserwowane w trakcie miareczkowania NTs (fig. 4), przypisano fluorescencji jego ugrupowania bis(2,2'-bitienylo)metanowego [Finden, J. et al., Reversible and amplified fluorescence quenching of a photochromic polythiophene, Adv. Mater. 2008, 20, 1998-2002], W wyniku dodawania kolejnych porcji roztworu titranta NT, intensywność emisji 1 stopniowo malała (fig. 4). Prawdopodobną tego przyczyną było przejście elektronu ze wzbudzonego ugrupowania bis(2,2'-bitienylo)metanu 1 na cząsteczkę akceptora elektronów, NT, (więcej informacji na ten temat podano poniżej). Na podstawie wykreślonych zależności intensywności emisji od stężenia NT (wstawki na fig. 4a, 4b, 4c i 4d), wyznaczono stechiometrię 1:1 kompleksów 1-NT. Dlatego równowagę kompleksowania 1 i NT można wyrazić za pomocą Równania (1).
+ NTż+l -NT (1)
Do obliczenia stałej trwałości, K, wytworzonego kompleksu 1-NT można zastosować Równanie (2), Benesi-Hildebranda [Atwood, J. L, Davies, J. E. D., Macnicol, D. D. and Vogtle, F, in Comprehensive supramolecular chemistry, 1st ed., Davies, J. E. D., Ripmeester, J. A., Eds., Pergamon: Oxford, 1999, Vol. 8, pp 425-444],
I-Io cfKAfii-NTCNT cfAfii-nt gdzie, I0 i I to intensywność fluorescencji, odpowiednio, przed i po dodaniu NT, natomiast ci° i cNT to stężenia początkowe, odpowiednio, monomeru 1 (0,25 mM) i NT. Różnica współczynników absorpcji jest wyrażona jako, = Δει^τ =ε1-εNT, gdzie ε^τ, ε1, i εΜτ to molowe współczynniki absorpcji, odpowiednio, kompleksu 1-NT, monomeru 1 i NT.
PL 223 094 B1
T a b e l a 1.
Przesunięcie potencjału połowy prądu piku anodowego (ΔΕ1/2), stała trwałości (K) i zmiana entalpii swobodnej (AG) towarzysząca utworzeniu kompleksu 1:1 różnych związków nitroaromatycznych (NTs) i monomeru 1, wyznaczone, odpowiednio, za pomocą woltamperometrii cyklicznej, miareczkowania fluorescencyjnego i obliczone za pomocą modelowania molekularnego z zastosowaniem DFT metodą M602X/3-21G*.
NT AEpa/2 / mV (±2 mV) K/M-1 (±st.d.) AG / kJ mol-1
TNP 102 3000±1 -58,1
TNT 20 2044±4 -51,8
TNB 29 1596±30 -48,7
DNT 17 858±4 -36,4
T a b e l a 2.
Równania regresji liniowej otrzymane przez dopasowanie ich parametrów do krzywych miareczkowania fluorescencyjnego pokazanych na fig. 4a, 4b, 4c i 4d.
Titrant Równanie regresji liniowej Rf (kQ) = Współczynnik korelacji
TNP -3,04x103-1,00x106 / ctnp (pM) 0,99
TNT -6,54x103-3,19x106 / cw (pM) 0,99
TNB -5,17x103-3,24x106 / ctnb (pM) 0,98
DNT -5,01x103-5,83x106 / cdnt (pM) 0,99
Przez dopasowanie prostych do danych eksperymentalnych uzyskanych dla każdego NT w zakresie stężeń od 0 do 0,25 mM (wstawka na fig. 4) otrzymano równania regresji liniowej (Tabela 2). Następnie, przez podzielenie wartości odciętych przez współczynniki nachylenia prostych, otrzymano wartości stałych trwałości kompleksów (Tabela 1). Najwyższą stałą trwałości charakteryzował się kompleks 1-TNP. Jego stała trwałości była niemal półtora raz wyższa od stałej trwałości kompleksu 1-TNT, dwukrotnie wyższa od stałej trwałości kompleksu 1-TNB i trzykrotnie wyższa od stałej trwałości kompleksu 1-DNT. Różnice w stałych trwałości kompleksów 1-NT wynikały z różnic w strukturze molekularnej kompleksów - obecności różnych podstawników pierścienia benzenowego (dokładniej opisane poniżej). Ponadto wyznaczona stała trwałości kompleksu 1-TNB była wyższa od stałej trwałości kompleksu bisporfiryn i TNB [Jeyakumar, D. and Krishnan, V., Intermolecular complexes of singly linked bisporphyrins with trinitrobenzene, Spectrochim. Acta, A 1992, 48, 1671-1682]. Tę wyższą wartość w niniejszych badaniach uzyskano dzięki zastosowaniu rozpuszczalnika o niskiej przenikalności elektrycznej, takiego jak toluen, zamiast rozpuszczalnika o znacznie wyższej przenikalności elektrycznej, takiego jak 1% pirydyna w metanolu, który zastosowano do wyznaczenia stałej trwałości kompleksu TNB z bisporfirynami [Jeyakumar, D. and Krishnan, V., Intermolecular complexes of singly linked bisporphyrins with trinitrobenzene, Spectrochim. Acta, A 1992, 48, 1671-1682]. Stąd tutaj wywnioskowano, że rozpuszczalnik odgrywa istotną rolę w kompleksowaniu.
3.2 Modelowanie molekularne kompleksów 1-NT
W celu określenia stechiometrii i optymalnej struktury kompleksów 1 z każdym NT, strukturę tych kompleksów modelowano za pomocą DFT, metodą M062X/3-21G* (Schemat 3). Metodę tę wybrano ze względu na jej wysoką dokładność w przypadku optymalizacji wiązań niekowalencyjnych [Hohenstein, E. G. et al., Assessment of the performance of the M05-2X and M06-2X exchange-correlation functionals for noncovalent interactions in biomolecules, Chem. Theory Comput. 2008, 4, 1996-2000], Zgodnie z oczekiwaniami, oddziaływania π-π, charakteryzujące się małym kątem odchylenia pomiędzy płaszczyzną NT i płaszczyzną pierścienia podstawnika fenyloaminowego monom eru 1, były odpowiedzialne za kompleksowanie jednej cząsteczki NT z jedną cząsteczką 1. Ten wynik optymalizowania struktury kompleksu był zgodny ze strukturą krystaliczną wyznaczoną wcześniej dla
PL 223 094 B1 kompleksu 4-(4-aminofenylsulfonylo)aniliny z TNB [Smith, G. and Wermuth, U. D., 4-(4-Aminophenylsulfonyl)aniline-1,3,5-trinitrobenzene (1/2), Acta Crystallogr. E 2012, 68, 494], Odległość pomiędzy oddziałującymi cząsteczkami kompleksu 1 z różnymi NTs pozostawała w zakresie od 0,29 do 0,31 nm. Odległości te są więc krótsze od wartości ~0.36 nm wyznaczonej dla kompleksu 4-(4-aminopenylosulfonylo)aniliny z TNB [Smith, G. and Wermuth, U. D., 4-(4-Aminophenylsulfonyl)aniline-1,3,5-trinitrobenzene (1/2), Acta Crystallogr. E 2012, 68, 494], Wskazuje to na silniejsze oddziaływanie 1 z NT w przypadku opisywanych w niniejszych badaniach kompleksów. W obecnym zgłoszeniu różnica pomiędzy eksperymentalnymi i wyznaczonymi za pomocą modelowania molekularnego odległościami płaszczyzny podstawnika fenyloaminowego cząsteczki monomeru 1 od płaszczyzny pierścienia cząsteczki TNB wynika z efektu rozpuszczalnikowego (wody i etanolu) osłabiającego oddziaływania π-π.
Schemat 3. Struktury kompleksów, o stechiometrii 1:1, monomeru 1 z (a) TNP, (b) TNT, (c) TNB, (d) DNT, zoptymalizowane za pomocą teorii funkcjonału gęstości (DFT), metodą M062X z bazą 3-21G*.
W ramach niniejszych badań obliczono również, za pomocą wspomnianej wyżej metody M062X/3-21G*, zmiany entalpii swobodnej towarzyszące tworzeniu każdego z czterech badanych kompleksów. Wartości zmian tej entalpii dobrze korelują z wartościami stałych trwałości kompleksów wyznaczonych za pomocą miareczkowania fluorescencyjnego (Tabela 1). Jednakże różnice pomiędzy zyskiem energetycznym wynikającym z kompleksowania nie są tak znaczne jak różnice pomiędzy stałymi trwałości kompleksów. Są tego przynajmniej dwie przyczyny: (i) modelowanie molekularne przeprowadzono wybierając próżnię jako środowisko kompleksowania a nie stosowany w miareczkowaniu rozpuszczalnik jak również (ii) podczas optymalizowania struktury kompleksu nie wzięto pod uwagę żadnych dodatkowych efektów sterycznych poza oddziaływaniem pomiędzy składnikami kompleksu.
PL 223 094 B1
Schemat 4. Poziomy energetyczne HOMO (po lewej) i LUMO (po prawej) kompleksów monomeru 1 z (a) TNP, (b) TNT, (c) TNB i (d) DNT, obliczone za pomocą modelowania molekularnego z zastosowaniem teorii funkcjonału gęstości (DFT) metodą M062X/3-21G*; Eg oznacza różnicę energii pomiędzy poziomem HOMO i LUMO tych kompleksów;
Różnicę pomiędzy stałymi trwałości wyznaczonymi za pomocą miareczkowania można przypisać różnicy energii pomiędzy poziomami HOMO i LUMO kompleksu, Eg, (Schemat 4). Poziom HOMO kompleksu jest zlokalizowany na ugrupowaniu bis(2,2'-bitienylo)metanowym 1, dlatego elektron tego ugrupowania ulega wzbudzeniu. Natomiast poziom LUMO kompleksu jest zlokalizowany na cząsteczce NT. Dlatego wzbudzony elektron jest przenoszony na ten poziom. Z tego powodu fluorescencja ugrupowania bis(2,2'-bitienylo)metanowego 1 jest wygaszana przez NT. Okazało się, że wartości stałych trwałości kompleksów są odwrotnie proporcjonalne do wartości Eg, ponieważ im większa różnica energii Eg, tym mniejsze jest prawdopodobieństwo przeniesienia elektronu z poziomu HOMO wzbudzonego ugrupowania bis(2,2'-bitienylo)metanowego monomeru 1 na poziom LUMO cząsteczki NT.
Ta sama metoda i baza (M062X/3-21G*) również posłużyła do zoptymalizowania struktury kompleksu, w którym grupa nitrowa TNB oddziaływała za pomocą wiązań wodorowych z grupą am inową 1 (Schemat 5), aby porównać zmianę entalpii jego tworzenia z entalpią tworzenia kompleksu utworzonego za pomocą oddziaływań π-π. Okazało się, że kompleks utworzony za pomocą wiązań wodorowych wykazuje dodatnią zmianę entalpii swobodnej (10,15 kJ mol-). Wynika to z niewielkiej zmiany entalpii towarzyszącej tworzeniu tego wiązania wodorowego (-30,15 kJ mol-) wobec wysokiej
-1 -1 zmiany entropii (-135,68 J mol- K-) tak dużego ugrupowania jak bis(2,2'-bitienylo)metan. Tak więc tworzenie kompleksu, w którym 1 jest związany z TNB za pomocą wiązań wodorowych, jest mało prawdopodobne.
PL 223 094 B1
Schemat 5. Struktura kompleksu 1 z TNB, otrzymanego w wyniku tworzenia wiązań wodorowych pomiędzy grupą aminową 1 i grupą nitrową TNB, zoptymalizowana za pomocą modelowania molekularnego z zastosowaniem teorii funkcjonału gęstości (DFT), metodą M062X/3-21G*.
3.3 Woltamperometria cykliczna NT i 1
Dla monomeru 1, każdego NT i każdego kompleksu 1-NT w 0,1 M (TBA)CIO4, w roztworze ACN i DCB zmieszanych w stosunku objętościowym jak 1:1, wykonano pomiary woltamperometrii cyklicznej (ang. cyclic voltammetry, CV). Roztwór ACN i DCB, i to ww. proporcji, okazał się najbardziej odpowiedni do (i) rozpuszczenia 1-NT, (ii) wytworzenia trwałych kompleksów pre-polimeryzacyjnych i (iii) późniejszej elektrochemicznej polimeryzacji tych kompleksów [Huynh, T.-P. et al., Molecularly imprinted polymer for recognition of 5-fluorouracil by the RNA-type nucleobase pairing, 2013 submitted].
Dla żadnego badanego NT nie zaobserwowano piku anodowego w dodatnim zakresie potencjałów. Jednakże w zakresie ujemnych potencjałów występował nieodwracalny pik katodowy dla każdego NT (krzywe od 1 do 4 na fig. 5). Piki te przypisano elektroredukcji dimeru tworzonego przez dwie cząsteczki NT [Kemula, W. and Krygowski, T M., Chapter 2: Nitro compounds, in Encyclopedia of electrochemistry of the elements, Bard, A. J. and Lund, H., Eds., Marcel Dekker: New York, 1979, Vol. 13, pp 78-130 oraz Gallardo, I. and Guirado, G. Oxygen carriers based on electrochemically reduced trinitroarenes, Phys. Chem. Chem. Phys. 2008, 10, 4456-4462], Przepuszczanie N2 przez roztwór w trakcie elektroredukcji prowadzi do połączenia cząsteczek NTs wiązaniem azowym, -N=N-. Potencjał piku katodowego był różny dla każdego NT wynosząc -1,15, -0,80, -0,65 i -0,42 V vs Ag/AgCI dla, odpowiednio, DNT, TNT, TNB i TNP Różnica wartości potencjałów tych pików jest związana z różną liczbą podstawników i regioizomeryzmem podstawienia pierścienia nitrofenylowego [Toal, S. J. and Trogler, W. C. J., Polymer sensors for nitroaromatic explosives detection, Mater. Chem. 2006, 16, 2871 -2883]. Na przykład DNT ma jedynie dwie grupy nitrowe (elektronoakceptorowe), podczas gdy TNB ma trzy takie grupy. Dlatego też środek pierścienia benzenowego DNT jest mniej dodatni niż środek pierścienia benzenowego TNB. Stąd do zredukowania DNT potrzebny jest potencjał najbardziej ujemny (krzywa 1 na fig. 5). Z kolei TNP ma dodatkową grupę elektronoakceptorową -OH. To też jego elektroredukcja jest najmniej energetycznie wymagająca i potencjał jego piku katodowego jest najmniej ujemny (krzywa 4 na fig. 5). Dlatego wyznaczone eksperymentalnie stałe trwałości kompleksów i obliczone za pomocą modelowania molekularnego wartości entalpii swobodnej tworzenia kompleksów zmniejszają się od 1-TNP do 1-DNT (Tabela 1). NTs to akceptory elektronów. Dlatego im chętniej dany NT przyjmuje elektrony, tym mniej ujemny jest potencjał jego redukcji. Stąd też przeni esienie elektronu z ugrupowania bis(2,2'-bitienylo)metanowego jest szybsze w przypadku TNP niż pozostałych NTs.
W odróżnieniu od woltamperogramów dla NTs, na woltamperogramach dla 1 występują dwa piki anodowe przy potencjale 1,00 i 1,25 V (krzywa 5 na fig. 5). Piki te można przypisać elektroutlenieniu, odpowiednio, grupy aminowej [Jannakoudakis, A. D. et al., Electro-oxidation of aniline and electrochemical behaviour of the produced polyaniline film on carbon-fibre electrodes in aqueous methanolic solutions, Electrochim. Acta 1992, 38, 1559-1566] i ugrupowania bis(2,2'-bitienylo)metanowego. Wartość przesunięcia potencjału połowy wysokości anodowego piku elektroutlenienia grupy aminowej monomeru 1, prowadzącego do wytworzenia rodnika kationowego zlokalizowanego na atomie azotu, pozwoliła określić względną siłę oddziaływań 1 z różnymi NTs. W tym celu wyznaczono wartości przesunięcia potencjału połowy wysokości piku anodowego (AEpa/2) po dodaniu NT do osiągnięcia stężenia 1 mM w roztworze, który był 1 mM względem 1 i 0,1 M względem (TBA)CIO4 w ACN i DCB zmieszanych w stosunku objętościowym jak 1:1 (Tabela 1). Zmiana wartości AEpa/2 była zgodna ze zmianą stałych trwałości kompleksów wyznaczonych za pomocą miareczkowania fluorescencyjnego, tj. wartość AEpa/2 dla kompleksu 1-TNP była znacznie wyższa od pozostałych, a wartość AEpa/2 dla 1-DNT była najniższa. Czyli im trwalszy kompleks tym łatwiejsze było jego elektroutlenienie.
3.4 Osadzanie warstw MIP-NT za pomocą elektropolimeryzacji
Za pomocą modelowania molekularnego, miareczkowania fluorescencyjnego i pomiaru przesunięcia potencjałów połowy wysokości pików elektroutlenienia 1 w obecności NTs wykazano tworzenie kompleksów pre-polimeryzacyjnych 1-NT w roztworach. Następnie kompleksy te unieruchomiono w warstwach MIP na powierzchni elektrody za pomocą elektropolimeryzacji potencjodynamicznej. Roztwory do tej polimeryzacji były 0,5 mM względem jednego spośród NTs, 0,5 mM względem 1,
1,5 mM względem 2 i 0,1 M względem (TBA)CIO4 W roztworze rozpuszczalników ACN i DCB zmieszanych w stosunku objętościowym jak 1:1. Stosunek 1 do NT dobrano uwzględniając stechiometrię 1:1 kompleksu 1-NT. Do przygotowania roztworu do elektropolimeryzacji zastosowano znaczny nadmiar
PL 223 094 B1 monomeru sieciującego 2 w celu usztywnienia struktury MIP-u tak, aby kształt wnęk molekularnych został zachowany po ekstrakcji szablonu. Obecność w tym roztworze anionów CIO4 - podwyższa przewodnictwo osadzonej warstwy MIP-NT, natomiast obecność dużych kationów TBA+ przyczyniła się do wykształcenia porowatości warstwy [Roncali, J., Conjugated poly(thiophenes): synthesis, functionalizatlon, and applications, Chem. Rev. 1992, 92, 711-738]. W trakcie elektropolimeryzacji, prąd anodowy obniżał się w każdym kolejnym cyklu potencjałowym, ponieważ każda kolejna osadzona warstwa polimeru działała jak bariera obdarzona oporem (fig. 7). Wraz ze wzrostem grubości tej bariery, potencjał piku anodowego utlenienia grupy -NH2 i ugrupowania bis(2,2'-bitienylo)metanowego 1 ulegały przesunięciu w stronę bardziej dodatnich potencjałów, lub też piki całkowicie zanikały po pierwszym cyklu potencjałowym. Dlatego warstwa MIP-TNP osadzona za pomocą dziewięciu cykli potencjałowych spełniała rolę warstwy rozpoznającej z nieutlenionymi grupami -NH2 monomeru 1. Wszystkie pozostałe warstwy MIP-NT osadzono za pomocą elektropolimeryzacji potencjodynamicznej na elektrodzie platynowej z roztworów przygotowanych w podobny sposób.
3.5 Ekstrakcja szablonów NTs
Podobnie jak do ekstrakcji TNT wcześniej zastosowano etanol [Bianchi, F. et al., Solid-phase microextraction of 2,4,6-trinitrotoluene using a molecularly imprinted-based fiber, Anal. Bioanal. Chem. 2012, 403, 2411-2418], tak tutaj do ekstrakcji NTs zastosowano roztwór metanolu i ACN, zmieszanych w stosunku objętościowym jak 1:1, z jednoczesnym intensywnym mieszaniem. Wybór tego roztworu rozpuszczalników był z jednej strony podyktowany wysokim powinowactwem grup -OH metanolu do grup -NO2 szablonów NT a z drugiej wysoką rozpuszczalnością szablonu w ACN.
Prąd piku DPV elektroredukcji TNP wykorzystano jako sygnał potwierdzający ekstrakcję TNP z warstwy MIP-TNP. Dlatego najpierw, w eksperymencie kontrolnym, zarejestrowano krzywe DPV dla 2 mM TNP w 0,1 M NaCI w zakresie potencjałów od -0,1 do -0,6 V. Potencjał piku DPV elektroredukcji TNP był równy ~-0.4 V (krzywa 1 na fig. 8) [Lu, X. et al., Determination of explosives based on novel type of sensor using porphyrin functionalized carbon nanotubes, Colloids Surf., B 2011, 88, 396-401]. Następnie zarejestrowano krzywą DPV dla warstwy MIP-TNP w 0,1 M NaCI. W tych warunkach pik elektroredukcji TNP był wyraźnie widoczny przy potencjale ~-0.35 V (krzywa 2 na fig. 8). Niewielkie dodatnie przesunięcie potencjału tego piku dla warstwy MIP-TNP może wynikać z kompleksowania 1 i TNP. Natomiast nie zaobserwowano piku tej elektroredukcji po ekstrakcji TNP (krzywa 3 na fig. 8) co wskazuje, że TNP został całkowicie usunięty z tej warstwy.
3.6 Chemosensory impedancyjne do oznaczania NTs
Pośrednie oznaczanie analitów za pomocą pomiaru zmian pojemności elektrycznej warstwy podwójnej z zastosowaniem warstw MIP jest obarczone poważnymi wadami. Wynikają one między innymi ze znacznego wpływu stężenia jonów na mierzoną pojemność, co obniża czułość i selektywność chemosensora pojemnościowego [Huynh, T.-P. et al., Electrochemically synthesized molecularly imprinted polymer of thiophene derivatives for flow-injection analysis determination of adenosine-5'-triphosphate (ATP), Biosens. Bioelectron. 2013, 41, 634-641], Dlatego też w niniejszych badaniach jako sygnał analityczny wykorzystano zmianę oporu warstwy MIP-NT, Rf, wyznaczoną z pomiarów EIS. Jest to nowy sposób przetwarzania chemicznego sygnału rozpoznawania na sygnał analityczny. Sposób ten, w zastosowaniu do badanych tutaj układów, polega na rejestrowaniu widma EIS, w nieobecności procesów faradajowskich, dla elektrody pokrytej warstwą MIP-NT w 0,1 M KCI w roztworze wody i ACE zmieszanych w stosunku objętościowym jak 1:1. Umożliwia on zminimalizowanie wpływu stężenia jonów na sygnał analityczny. Natomiast na wartość Rf wpływa jedynie obecność analitu w warstwie MIP-NT. Ponadto, w odróżnieniu od chemosensorów konduktometrycznych, w których do warstw MIP podłączane są kontakty elektryczne do pomiaru oporności zajmujące znaczną powierzchnię warstwy [Suedee, R. et al., Molecularly imprinted polymer-modified electrode for on-line conductometric monitoring of haloacetic acids in chlorinated water, Anal. Chim. Acta 2006, 569, 66-75], chemosensory będące przedmiotem wynalazku nie wymagają tak dużej powierzchni ponieważ te kontakty nie są potrzebne.
Figura 9a przedstawia zależność składowej urojonej impedancji od składowej rzeczywistej impedancji dla elektrody Pt pokrytej warstwą MIP-TNP, zanurzonej w roztworach TNP o różnych stężeniach. Na Schemacie 6 przedstawiono elektryczny obwód zastępczy układu elektrochemicznego warstwy MIP-NT zastosowany w warunkach niefaradajowskich w niniejszych badaniach [Freger, V. and Bason, S. J., Characterization of ion transport in thin films using electrochemical impedance spectroscopy I. Principles and theory, Membr. Sci. 2007, 302, 1-9],
PL 223 094 B1
Stosowalność obwodu zastępczego (Schemat 6) do opisu badanego układu elektrochemiczn ego zweryfikowano za pomocą wykresów Bodego, tj. zależności kąta fazowego impedancji, φ, od częstotliwości, f, (fig. 6b). Wartości φ obliczono za pomocą Równania (3).
φ = tan -1 (3) gdzie Z i Z to, odpowiednio, rzeczywista i urojona składowa impedancji.
Schemat 6. Obwód zastępczy niefaradajowskiego układu elektrochemicznego, dla elektrody pokrytej warstwą MIP-NT w 0,1 M KCI w roztworze wody i ACE o stosunku objętościowym jak 1:1, zastosowany do wyznaczenia elektrycznego oporu warstwy, Rf. Symbol Rs oznacza elektryczny opór roztworu. Symbol Cf i Cdl oznacza pojemność, odpowiednio, warstwy MIP-NT i elektrycznej warstwy podwójnej. Symbol W to impedancja Warburga.
Trzy zakresy A, B i C częstotliwości wykresu Bodego (fig. 9b) odpowiadają trzem częściom A, B i C obwodu zastępczego (Schemat 6). Zakres A na fig. 9b jest związany z oporem roztworu, Rs w części A na fig. 9a, mierzonym przy wysokich częstotliwościach, tj. od 500 kHz do 50 kHz. Opór ten jest niewielki (niższy od ~100 Ω), ponieważ stężenie KCI (0,1 M) jest wysokie. Zakres B pośrednich częstotliwości od 50 kHz do 30 Hz na fig. 9b odpowiada niewielkiemu półkolu na fig. 9a, w zakresie niskich wartości składowej rzeczywistej impedancji. Reprezentuje ono impedancję warstwy MIP-NT o skończonej grubości. Do reprezentowania właściwości elektrycznych tej warstwy można zastosować część obwodu zastępczego B (Schemat 6) złożoną z opornika i kondensatora połączonych równolegle. Zakres C na fig. 9b, który odpowiada zakresowi występowania krzywych o charakterze liniowym o nachyleniu dodatnim na fig. 9a odpowiada połączonej równolegle pojemności elektrycznej warstwy podwójnej, Cdl, i impedancji Warburga, W. Impedancja ta jest miarą dyfuzji jonów przez warstwę MIP-NT w zakresie C (fig. 9b) niskich częstotliwości od 30 Hz do 1 Hz [Orazem, M. E. and Tribollet, B., Electrochemical impedance spectroscopy, John Wiley & Sons: New Jersey, USA, 2008],
Wartości Rf wyznaczono przez dopasowanie parametrów obwodu zastępczego (Schemat 6) do danych doświadczalnych przedstawionych na wykresach Nyquista (fig. 9a) dla warstw MIP-NTs po ekstrakcji szablonu. Warstwy te osadzono za pomocą 10 cykli liniowych zmian potencjału na elektrodach platynowych zanurzonych w roztworach, do których zastrzykiwane były roztwory NTs o różnych stężeniach. Wyznaczone wartości Rf mieściły się w zakresie 10 < Rf < 20 kΩ wskazując na pótprzewodzące właściwości warstw MIP-NTs. Pomysł zastosowania Rf jako sygnału analitycznego do oznaczania NT pośrednio wynika z naszych wcześniejszych badań wzrostu oporu warstwy MIP ze wzrostem stężenia analitu w roztworze [Huynh, T.-P. et al., Molecularly imprinted polymer of bis(2,2'-bithienyl)methanes for selective determination of adrenaline, Bioelectrochemistry 2012, DOI: 10.1016/j.bioelechem.2012.1007.1003], W badaniach tych zastosowano dwa różne sposoby przetwarzania sygnału chemicznego rozpoznawania na sygnał analityczny. Jeden polegał na pomiarze spadku prądów pików DPV elektroutlenienia próbnika redoks, K4[Fe(CN6)], wraz ze wzrostem stężenia analitu w roztworze a drugi - wzrostu pojemności elektrycznej warstwy podwójnej Cdl wraz z tym wzrostem. W niniejszym zgłoszeniu wzrost wartości Rf jest tym większy im więcej cząsteczek NT wnika do wdrukowanych wnęk molekularnych warstw MIP-NT. Odpowiedź stężeniowa chemosensora, wyznaczona z krzywych kalibracyjnych dla 0,1 M KCI oraz TNP o różnych stężeniach, jest liniowa w zakresie od 0,1 do 0,5 ąM (Tabela 2 i fig. 10a). Podobnie skonstruowane krzywe kalibracyjne dla roztworów 0,1 M KCI oraz TNT, TNB, DNT i odpowiadających im warstwom rozpoznającym MIP-NT przedstawiono, odpowiednio, na fig. 10b, 10c i 10d. Zakres liniowej odpowiedzi stężeniowej chemosensorów (od 0,1 do 3,0 ąM) był węższy niż w przypadku warstwy MIP-TNP (Tabela 2). Wartości LOD, wyznaczone dla stosunku sygnału do szumu równym 3 dla chemosensorów do oznaczania NTs, były rzędu dziesiątek nM (Tabela 3), co umożliwia oznaczanie tych NTs w środowisku naturalnym,
PL 223 094 B1 jako że stężenie NTs w tych warunkach wynosi ~10 nM. Spośród wykonanych chemosensorów najwyższą wartością LOD, tj. najniższą wykrywalnością, charakteryzował się chemosensor DNT. Wynika to stąd, że oddziaływania 1 z DNT są słabsze (Tabela 1) a przez to mniejsza liczba cząsteczek DNT wiąże się z warstwą MIP-DNT. Dlatego też mierzalny sygnału analityczny wymagał wyższego stężenia DNT w roztworze.
Za pomocą tzw. wdrukowania „krzyżowego” wyznaczono selektywność wytworzonych chemosensorów NTs. W tym wdrukowaniu szablon jednej warstwy MIP-NT zastosowano jako substancję przeszkadzającą w oznaczeniach za pomocą pozostałych chemosensorów (fig. 10). Selektywność warstw MIP-NT wyznaczono względem dwóch różnych NTs zastosowanych jako substancje przeszkadzające a współczynniki selektywności zebrano w Tabeli 4. Większość wytworzonych przez nas chemosensorów charakteryzuje się wysoką selektywnością względem substancji przeszkadzających. Wyjątkiem jest tu chemosensor MIP-DNT z uwagi na słabe oddziaływania 1 z DNT, co wyjaśniono powyżej. Stąd czułość chemosensora MIP-DNT względem DNT jest jedynie dwukrotnie wyższa względem TNP i i czterokrotnie wyższa względem TNT Nieoczekiwanie, chemosensor MIP-TNB wykazywał najwyższą selektywność (prawie dziewięciokrotną) względem DNT Czułość chemosensora MIP-TNT względem TNT była prawie dwukrotnie wyższa niż względem TNB.
T a b e l a 3.
Parametry analityczne chemosensorów do oznaczania NTs wyznaczone dla różnych warstw MIP-NTs, w warunkach stacjonarnych, przez zastrzykiwanie roztworów NTs o różnych stężeniach.
Równania regresji liniowej oporu warstwy, Rf, otrzymano przez dopasowanie do danych eksperymentalnych (fig. 9).
Warstwa rozpoznająca Zakres liniowej odpowiedzi stężeniowej chemosensora/pM Równanie regresji liniowej oporu warstwy, Rf (kQ) = Współczynnik korelacji LOD/ /nM
MIP-TNP 0,125-5,0 15,12 (±0,28) + 0,86 (±0,13) / ctnp (pM) 0,99 11,6
MIP-TNT 0,375-2,5 15,53 (±0,28) + 1,16 (±0,14) / ctnt (pM) 0,93 8,6
MIP-TNB 0,250-3,0 11,24 (±0,14) + 0,69 (±0,06) / ctnb (pM) 0,98 15,0
MIP-DNT 0,125-2,5 17,78 (±0,07) + 0,35 (±0,05) / cdnt (pM) 0,93 28,9
Dodatkowo wykazano, że przyczyną zmiany oporu warstwy jest wiązanie analitu przez tę warstwę. W tym celu osadzono warstwę MIP-TNP na dyskowej elektrodzie Pt i, po ekstrakcji TNP, zastosowano ją do pomiaru rzeczywistej składowej impedancji, Z', w warunkach przepływowej analizy wstrzykowej (ang. flow-injection analysis, FIA). Zależność składowej rzeczywistej impedancji od oporu elektrycznego warstwy dla równolegle połączonego opornika Rf i kondensatora Cf obwodu zastępczego (zakres B na Schemacie 6) jest wyrażony Równaniem (4).
Z> — -7 (4)
1+(ω R/ Cf)
Częstość kołowa, ω(ω = 2π/), była utrzymywana przy stałej niskiej wartości, f = 20 kHz, tj. przy częstotliwości odpowiadającej zakresowi impedancji warstwy, w której Z' jest proporcjonalna jedynie do Rf, jako że τ= Rf Cf jest stałą czasu.
Składowa rzeczywista impedancji wzrastała z każdym kolejnym zastrzykiem roztworu o wyższym stężeniu TNP w ten sposób pośrednio odzwierciedlając wzrost oporności warstwy (fig. 11). Krzywa kalibracyjna dla TNP oznaczanego za pomocą warstwy MIP-TNP osadzonej na elektrodzie Pt, skonstruowana przez wykreślenie zależności składowej rzeczywistej impedancji od stężenia TNP, jest opisana za pomocą równania regresji liniowej w postaci Z'(kQ) = 4,23 (±0,05) + 0,75 (±0,10) / cTNP (krzywa 1 we wstawce na fig. 11). Za pomocą tej samej procedury, ale w nieobecności NT, elektrodę Pt pokryto kontrolną warstwą NIP. Również i dla tej warstwy skonstruowano krzywą kalibracyjną dla TNP. Krzywa ta charakteryzuje się następującym równaniem regresji liniowej: Z'(kQ) = 4,01 (±0,02) + 0,26 (±0,03) / cTNP (krzywa 2 we wstawce na fig. 11). Przez podzielenie współczynników nachylenia krzywej 1 i 2 we wstawce na fig. 11 wyznaczono współczynnik wdrukowania równy ~2.9.
PL 223 094 B1
T a b e l a 4.
Selektywność chemosensorów MIP-NT wyznaczona dla 0,1 M KCI w roztworze wody i ACE, zmieszanych w stosunku objętościowym jak 1:1, przez zastrzykiwanie substancji przeszkadzających o różnych stężeniach.
Warstwa rozpoznająca Substancje przeszkadzające
TNP TNT TNB DNT
MIP-TNP - 4,2 3,7 -
MIP-TNT - - 1,7 4,9
MIP-TNB 4,0 - - 9,1
MIP-DNT 3,8 2,0 - -
4. Wnioski
Opracowano procedurę jednoetapowej syntezy monomeru funkcyjnego bis(2,2'-bitienylo)(4-aminofenylo)metanu 1 . Monomer ten zastosowano do przygotowania polimerów molekularnie wdrukowanych za pomocą czterech różnych nitroaromatycznych związków wybuchowych. Polimery te wykorzystano do wykrywania, za pomocą oddziaływań π-π, i selektywnego oznaczania tych związków. Ugrupowanie bis(2,2'-bitienylo)metanowe 1 wykazuje zalety bardzo przydatne do oznaczania NTs. Do nich należy (i) jego rola jako fluorofora w miareczkowaniu fluorescencyjnym 1 za pomocą każdego NT, (ii) obniżenie polarności monomeru 1, aby go rozpuścić w rozpuszczalnikach o niskiej polarności i (iii) umożliwienie elektropolimeryzacji potencjodynamicznej prowadzącej do osadzenia warstw MIP-NTs na powierzchni elektrod. Ponadto podstawnik fenyloaminowy monomeru 1 spełnia rolę ugrupowania rozpoznającego NTs za pomocą oddziaływań π-π. Oddziaływanie to zostało potwierdzone za pomocą miareczkowania fluorescencyjnego, modelowania molekularnego i pomiaru przesunięcia potencjałów połowy wysokości woltamperometrycznych pików anodowych elektroutlenienia tego podstawnika. Okazało się, że metoda M062X z bazą 3-21G* znakomicie nadaje się do modelowania molekularnego ww. oddziaływań π-π, co potwierdziła dobra zgodność wyników modelowania z danymi eksperymentalnymi. Ponadto wyniki te pomogły lepiej zrozumieć naturę oddziaływań pomiędzy podstawnikiem fenyloaminowym monomeru 1 i NTs o stechiometrii 1:1, jak i wygaszanie fluorescencji ugrupowania bis(2,2'-bitienylo)metanowego tego monomeru wskutek przeniesienia elektronów do NTs, zgodzie z wcześniejszymi wynikami [Smith, G. and Wermuth, U. D., 4-(4-Aminophenylsulfonyl)aniline-1,3,5-trinitrobenzene (1/2), Acta Crystallogr. E 2012, 68, 494].
Wyznaczony z pomiaru oporu warstw MIP-NTs współczynnik molekularnego wdrukowania, równy 2,9, potwierdza możliwość zastosowania tych warstw do budowy czułych i selektywnych czujn ików chemicznych do oznaczania NTs.
Dodatkowa korzyść proponowanego rozwiązania polega na tym, że oznaczanie wiąże się z prostym skanowaniem częstotliwości przy stałym potencjale, przy którym nie występują żadne procesy faradajowskie. Wartości LODs wytworzonych chemosensorów mieściły się w zakresie od 8 do 29 nM, tj. wystarczająco niskim do ich zastosowania do oznaczania NT w glebie i wodzie. Ponadto badania selektywności przeprowadzone metodą wdrukowania „krzyżowego” podobnych do siebie NTs wykazały, że chemosensory te są przede wszystkim czułe na analit, za pomocą którego, jako szablonem, polimer został wdrukowany.
5. Podziękowania
Badania były sfinansowane przez:
- Fundację na rzecz Nauki Polskiej (MPD/2009/1/styp19) dla TPH oraz (MPD/2009/1/styp15) dla MS
- Unii Europejskiej w ramach Funduszu Rozwoju Regionalnego, Grantu programu Innowacyjna Gospodarka, POIG.01.01.02-00-008/08 dla WK
- US National Science Foundation (Grant No. 1110942) dla FD
- Unii Europejskiej w ramach 7 FP. Grant REGPOT-CT-2011-285949-NOBLESSE dla PP.
Opłaty związane z ochroną wynalazku sfinansowano ze środków projektu Nanotechnology, Biomaterials and alternative Energy Source for ERA integration FP7-REGPOT-CT-2011-285949-

Claims (12)

  1. Zastrzeżenia patentowe
    1. Nowa pochodna bis(2,2'-bitienylo)metanu, obejmująca bis(2,2'-bitienylo)-(4-amino-fenylo)metan 1.
  2. 2. Sposób wytwarzania pochodnej bis(2,2'-bitienylo)metanu, według zastrz. 1, znamienny tym, że wyjściowy roztwór 2,2'-bisbitiofenu i 4-acetaminobenzaldehydu w glikolu etylenowym poddaje się reakcji z kwasem nadchlorowym, w temperaturze w zakresie od 40 do 90°C, w wyniku czego otrzymuje się bis(2,2'-bitienylo)-(4-aminofenylo)metan 1.
  3. 3. Sposób, według zastrz. 2, znamienny tym, że stosuje się 70% kwas nadchlorowy.
  4. 4. Sposób, według zastrz. 2 albo 3, znamienny tym, że proces prowadzi się w temperaturze
    60°C.
  5. 5. Sposób wytwarzania warstwy molekularnie wdrukowanego polimeru, znamienny tym, że obejmuje następujące etapy:
    a) przygotowuje się roztwór, zawierający bis(2,2'-bitienylo)-(4-aminofenylo)metan jako monomer funkcyjny 1, tris([2,2'-bitiofen]-5-ylo)metan jako monomer sieciujący 2 i wdrukowany związek nitroaromatyczny (NT), w rozpuszczalniku lub mieszaninie rozpuszczalników, korzystnie w acetonitrylu i dichlorobenzenie zmieszanych w stosunku objętościowym jak 1:1, w którym powstaje kompleks pre-polimeryzacyjny typu π-π grupy aminofenylowej monomeru funkcyjnego 1 z pierścieniem aromatycznym związku nitroaromatycznego (NT), a następnie
    b) otrzymany w etapie (a) kompleks pre-polimeryzacyjny poddaje się elektropolimeryzacji, korzystnie w warunkach potencjodynamicznych obejmujących cykliczne liniowe zmiany potencjału, osadzając go na elektrodzie, z powyżej podanego w etapie (a) roztworu, który jest 0,1 M względem (TBA)CIO4 jako warstwę molekularnie wdrukowanego polimeru z wdrukowanym szablonem związku nitroaromatycznego (MIP-NT), po czym
    c) ten wdrukowany, w etapie (b) powyżej, szablon związku nitroaromatycznego (NT) wyekstrahowuje się z tej warstwy MIP-NT, w wyniku czego powstaje warstwa MIP z nieobsadzonymi wdrukowanymi wnękami molekularnymi.
  6. 6. Sposób według zastrz. 5, znamienny tym, że jako związki nitroaromatyczne (NT) stosuje się związki wybrane spośród 2,4,6-trinitrofenolu (TNP), 2,4,6-trinitrotoluenu (TNT), 1,3,5-trinitrobenzenu (TNB) i 2,4-dinitrotoluenu (DNT).
  7. 7. Sposób, według zastrz. 5 albo 6, znamienny tym, że w etapie (a) stosuje się monomer funkcyjny 1, związek nitroaromatyczny (NT) i monomer sieciujący 2, w stosunku molowym, odpowiednio, jak 1:1:3.
  8. 8. Sposób, według dowolnego z zastrz. od 5 do 7, znamienny tym, że elektropolimeryzacja potencjodynamiczna obejmuje od 1 do 20, korzystnie 9 cykli liniowych zmian potencjału w zakresie od
    -1 -1
    0,5 do 1,50 V względem Ag/AgCI z szybkością od 5 do 500 mV s- , korzystnie 50 mV s- .
  9. 9. Sposób, według dowolnego z zastrz. od 5 do 8, znamienny tym, że w etapie (b) jako elektrodę stosuje się elektrodę z metalu lub węgla, korzystnie platynową elektrodę dyskową.
  10. 10. Warstwa molekularnie wdrukowanego polimeru, znamienna tym, że stanowi ją polimer wdrukowany molekularnie za pomocą związków nitroaromatycznych, zwłaszcza wybranych z grupy obejmującej 2,4,6-trinitrofenol (TNP), 2,4,6-trinitrotoluen (TNT), 1,3,5-trinitrobenzen (TNB) i 2,4-dinitrotoluen (DNT), wytworzona sposobem opisanym w którymkolwiek z zastrz. od 3 do 7.
  11. 11. Zastosowanie warstwy wdrukowanego polimeru, według zastrz. 10, jako elementu rozpoznającego czujnika chemicznego do selektywnego wykrywania związków nitroaromatycznych, zwłas zcza takich jak 2,4,6-trinitrofenol (TNP), 2,4,6-trinitrotoluen (TNT), 1,3,5-trinitrobenzen (TNB) i 2,4-dinitrotoluen (DNT).
  12. 12. Zastosowanie warstwy wdrukowanego polimeru, według zastrz. 10, jako elementu rozpoznającego czujnika chemicznego do oznaczania związków nitroaromatycznych, zwłaszcza takich jak 2,4,6-trinitrofenol (TNP), 2,4,6-trinitrotoluen (TNT), 1,3,5-trinitrobenzen (TNB) i 2,4-dinitrotoluen (DNT).
PL404175A 2013-06-03 2013-06-03 Nowa pochodna bis(2,2'-bitienylo)metanu i sposób jej wytwarzania, warstwa molekularnie wdrukowanego polimeru, sposób jej wytwarzania i jej zastosowanie do selektywnego wykrywania i oznaczania związków nitroaromatycznych PL223094B1 (pl)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PL404175A PL223094B1 (pl) 2013-06-03 2013-06-03 Nowa pochodna bis(2,2'-bitienylo)metanu i sposób jej wytwarzania, warstwa molekularnie wdrukowanego polimeru, sposób jej wytwarzania i jej zastosowanie do selektywnego wykrywania i oznaczania związków nitroaromatycznych
GB1409820.6A GB2548540B (en) 2013-06-03 2014-06-03 Bis(2,2-bithienyl)methane derivate; molecularly imprinted polymer film; and associated methods of production and use thereof

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PL404175A PL223094B1 (pl) 2013-06-03 2013-06-03 Nowa pochodna bis(2,2'-bitienylo)metanu i sposób jej wytwarzania, warstwa molekularnie wdrukowanego polimeru, sposób jej wytwarzania i jej zastosowanie do selektywnego wykrywania i oznaczania związków nitroaromatycznych

Publications (2)

Publication Number Publication Date
PL404175A1 PL404175A1 (pl) 2014-12-08
PL223094B1 true PL223094B1 (pl) 2016-10-31

Family

ID=51214630

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PL404175A PL223094B1 (pl) 2013-06-03 2013-06-03 Nowa pochodna bis(2,2'-bitienylo)metanu i sposób jej wytwarzania, warstwa molekularnie wdrukowanego polimeru, sposób jej wytwarzania i jej zastosowanie do selektywnego wykrywania i oznaczania związków nitroaromatycznych

Country Status (2)

Country Link
GB (1) GB2548540B (pl)
PL (1) PL223094B1 (pl)

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110038532A (zh) * 2018-01-16 2019-07-23 南京理工大学 吸附2,4-二硝基甲苯的分子印迹纳米纤维膜及其制备方法
CN115677530B (zh) * 2022-10-25 2023-12-29 昆明学院 一种卤代希夫碱Zn(II)配合物Zn-χ-L及其制备方法与应用
PL248626B1 (pl) * 2023-09-16 2026-01-05 Uniwersytet Śląski W Katowicach 2-(2-tienyloetynylo)-3-(2-tienylo)-1,4-dimetylonaftalen oraz sposób jego otrzymywania
CN118771540B (zh) * 2024-06-14 2025-11-04 南京大学 一种分子印迹聚合物电催化极板及其制备方法与应用

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101738423A (zh) * 2008-11-13 2010-06-16 华东师范大学 一种分子印迹聚合物/碳纳米管/基底电极修饰电极及其应用
WO2013066456A2 (en) * 2011-08-03 2013-05-10 The Johns Hopkins University Articles comprising templated crosslinked polymer films for electronic detection of nitroaromatic explosives
PL220926B1 (pl) * 2012-02-29 2016-01-29 Inst Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk Pochodne tiofenu, molekularnie wdrukowany polimer zawierający spolimeryzowaną pochodną tiofenu i zastosowanie tego polimeru do selektywnego oznaczania i kontrolowanego uwalniania adenozyno-5'-trifosforanu (ATP)

Also Published As

Publication number Publication date
GB2548540B (en) 2020-03-04
GB2548540A (en) 2017-09-27
PL404175A1 (pl) 2014-12-08
GB201409820D0 (en) 2014-07-16

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Bhalla et al. Mercury-modulated supramolecular assembly of a hexaphenylbenzene derivative for selective detection of picric acid
Correa et al. Nanostructured conjugated polymers in chemical sensors: synthesis, properties and applications
Sun et al. Microwave-assisted ultrafast and facile synthesis of fluorescent carbon nanoparticles from a single precursor: preparation, characterization and their application for the highly selective detection of explosive picric acid
Zhao et al. Fluorescence quenching of a conjugated polymer by synergistic amine-carboxylic acid and π–π interactions for selective detection of aromatic amines in aqueous solution
Vij et al. Attogram detection of picric acid by hexa-peri-hexabenzocoronene-based chemosensors by controlled aggregation-induced emission enhancement
Palma-Cando et al. Luminescent tetraphenylethene-cored, carbazole-and thiophene-based microporous polymer films for the chemosensing of nitroaromatic analytes
Adil et al. Receptor-free detection of picric acid: a new structural approach for designing aggregation-induced emission probes
Bao et al. 2, 2′-Biimidazole-based conjugated polymers as a novel fluorescent sensing platform for pyrophosphate anion
Kumar et al. Highly sensitive detection of nitro compounds using a fluorescent copolymer-based FRET system
Shaligram et al. Fluorescent polymeric ionic liquids for the detection of nitroaromatic explosives
Blue et al. The development of sensors for volatile nitro-containing compounds as models for explosives detection
Huynh et al. Chemosensor for selective determination of 2, 4, 6-trinitrophenol using a custom designed imprinted polymer recognition unit cross-linked to a fluorophore transducer
Sahudin et al. Regenerable and selective histamine impedimetric sensor based on hydroxyl functionalised Schiff base complex electrode
Alizadeh et al. Hybrid optoelectrochemical sensor for superselective detection of 2, 4, 6-trinitrotoluene based on electrochemical reduced meisenheimer complex
PL223094B1 (pl) Nowa pochodna bis(2,2&#39;-bitienylo)metanu i sposób jej wytwarzania, warstwa molekularnie wdrukowanego polimeru, sposób jej wytwarzania i jej zastosowanie do selektywnego wykrywania i oznaczania związków nitroaromatycznych
Ghorpade et al. Pentiptycene-tbutylpyrene based poly (arylene-ethynylene) s: Highly sensitive and selective TNT sensor in aqueous as well as vapor phase
Tomšík et al. Electrochemical deposition of highly hydrophobic perfluorinated polyaniline film for biosensor applications
Chul Lim et al. Graphene Quantum Dot‐Doped PEDOT for Simultaneous Determination of Ascorbic Acid, Dopamine, and Uric Acid
Yeh et al. Synthesis of electroactive polyazomethine and its application in electrochromic property and electrochemical sensor
Ture et al. Understanding of mechanistic perspective in sensing of energetic nitro compounds through spectroscopic and electrochemical studies
Ismail et al. Acid-assisted polymerization: the novel synthetic route of sensing layers based on PANI films and chelating agents protected by non-biofouling layer for Fe 2+ or Fe 3+ potentiometric detection
Broncová et al. Electrochemical Detection of Sialic Acid Using Phenylboronic Acid‐modified Poly (Diaminobenzoic Acid) Electrodes
Lu et al. A novel solution-processable amino-group-substituted oligopyrene: Synthesis, electropolymerization, properties, and application in fluorescent chemosensor
Taranekar et al. Dendrimer precursors for nanomolar and picomolar real‐time surface plasmon resonance/potentiometric chemical nerve agent sensing using electrochemically crosslinked ultrathin films
Goldoni et al. Characterization of In situ electrosynthesis of polyaniline on pencil graphite electrodes through electrochemical, spectroscopical and computational methods