SI23556A

SI23556A - Postopek in optični kemijski senzor s sol gel membrano za detekcijo organofosfatov

Info

Publication number: SI23556A
Application number: SI201000405A
Authority: SI
Inventors: Lobnik@Aleksandra; Korent@Urek@Špela
Original assignee: IOS@@Inštitut@za@okoljevarstvo@in@senzorje@@d@o@o@
Priority date: 2010-11-26
Filing date: 2010-11-26
Publication date: 2012-05-31
Also published as: EP2678673B1; RU2013129043A; RS55040B1; WO2012071019A1; SI2678673T1; RU2596786C2; EP2678673A1; US20130251594A1

Abstract

Pričujoči izum rešuje tehnični problem postopka in zasnove izdelave optičnega kemičnega senzorja v katerem interakcija indikatorja z analitom omogoča hitro in zanesljivo spektrofluorometrično merjenje organofosfatov Postopek za izdelavo optičnega kemijskega senzorja s sol gel membrano zadetekcijo organofosfatov je značilen po tem da se začne s pripravo membrane tako da k indikatorju C ki je raztopljen v etanolu xx M dodamo tetraetoksisilan TEOS in metiltrietoksisilanMTriEOS ter mešamo v ultrazvočni kopeli minut da nato k raztopini dodamo še katalizator M HCI ter ponovno mešamo v ultrazvočni kopeli minut da nanose na stekelca naredimo po urah staranja sola v zaprti posodi pri sobni temperaturi in sicer tako da stekelce namočimo v sol in ga počasi izvlečemo iz sola ter ga sušimo ur pri sobni temperaturi da nastane membrana da pred sušenjem obrišemo nanos na eni strani stekelca in jih kondicioniramo v destilirani vodi najmanj ure pred meritvami

Description

Postopek in optični kemijski senzor s sol-gel membrano za detekcijo organofosfatov

Področje tehnike

Predmet izuma sodi v področje optičnih kemijskih senzorjev, ki so občutljivi na organofosfate.

Tehnični problem

Tehnični problem je postopek in zasnova izdelave optičnega kemičnega senzorja, v katerem interakcija indikatorja z analitom omogoča hitro in zanesljivo spektrofluorometrično merjenje organofosfatov. Interakcija se odraža v optičnih lastnostih indikatorja, ki se kažejo v spremembi intenzitete fluorescence. Naloga izuma je tudi modifikacija metode priprave senzorskih membran, ki bo omogočala pripravo takšnega senzorja s senzorsko membrano, ki bo transparentna, brez razpok, prepustna za analit, iz katere ne bo prišlo do izpiranja indikatorja in do deaktivacije indikatorja po imobilizaciji.

Zaradi vse večje obremenjenosti okolja z različnimi zdravju škodljivimi kemikalijami, je potreba po enostavnem in učinkovitem spremljanju stanja v okolju vse večja. Za določevanje onesnaževal se v veliki meri uporabljajo instrumentalne metode. Ti postopki terjajo časovno dolgotrajne predpriprave vzorcev in drage aparature, zahtevajo strokovno usposobljeno osebje in ne omogočajo kontinuiranega spremljanja ali rabe v odmaknjenih krajih. Primerna alternativa omenjenim instrumentalnim metodam so kemijski senzorji, če dosegajo zadovoljivo selektivnost in občutljivost, hkrati pa omogočajo tudi meritve na mestu (»in-situ«) in podajajo rezultate v kratkem času. Ti sistemi omogočajo kontrolo izpustov onesnaževal v realnem času in hkrati znižajo stroške samega procesa spremljanja stanja v okolju.

Organofosfati so kemijsko estri fosforne kisline in njenih derivatov. Uporabljajo se kot pesticidi (fosfamidon, dikrotofos, matamidofos, klorpirifos, diazinon, malation) in kot živčni bojni strupi (sarin, soman, tabun, VX). Nekateri manj toksični organofosfati se uporabljajo kot topila, plastifikatorji in kot dodatki pri

..... ...... ··· .· ekstremnih pritiskih v motorjih. Organofosfati so po biološkem delovanju inhibitorji acetilholinesteraze. Uporaba organofosfatnih pesticidov se je zelo povečala predvsem zaradi opustitve uporabe težko razgradljivih organokloriranih pesticidov. Kljub temu, da se organofosfatni pesticidi relativno hitro razgradijo ob prisotnosti sončne svetlobe, zraka in prsti, majhne količine teh pesticidov še vedno prehajajo v hrano in pitno vodo. Po podatkih svetovne zdravstvene organizacije (WHO) se povprečno vsako leto z organofosfati zastrupi 3 milijoni ljudi, od katerih jih približno 220000 umre. Zaradi njihove toksičnosti in njihovega vse številnejšega pojavljanja v našem okolju, je potreba po razvoju enostavnega in hitrega senzorskega sistema za »in-situ« določevanje organofosfatov v nizkih koncentracijah nujno potrebna.

Stanje tehnike

Znani so kemijski senzorji kot pomanjšane analizne naprave, ki omogočajo kontinuirano in reverzibilno podajanje informacij o kemijski koncentraciji. Senzor je tipično sestavljen iz receptorja za razpoznavanje analita in pretvornim elementom, ki je povezan na prikazovalnik ter kaže stopnjo prisotnosti analita. Glede na naravo pretvornika lahko kemijske senzorje delimo na optične, elektrokemijske, električne, magnetne in termometrične.

Funkcijo receptorja opravi v večini primerov tanek film, ki lahko reagira z molekulami analita, katalizira selektivne reakcije ali sodeluje pri kemijskem ravnotežju skupaj z analitom. Pri optičnih kemijskih senzorjih je rezultat interakcije med receptorjem in analitom sprememba optičnih lastnostih kot so absorpcija, luminescenca in refleksija receptorja. Naloga pretvornika je, da optično spremembo iz receptorja pretvori v merljiv signal, npr. napetost in/ali tok.

V patentnih prijavah US2002102629, VVO02079763 in US2002142472 so opisani biosenzorji za določevanje organofosfatov, pri katerih so kot indikator uporabljene zelene alge in cianobakterije. Princip zaznavanja organofosfatov temelji na merjenju spremembe kvantnega izkoristka.

V patentnem spisu US2010227766 je opisana priprava in določevanje organofosfatov s senzorji, pripravljenimi iz aminofluoresceina imobiliziranega na karboksilno funkcionalizirane polimerne mikrosfere oblečene s poli(2vinilpiridinom).

V evropskem patentu št. 0585212 B1 je opisana priprava senzorskih membran iz različnih polimerov: celuloze, etilacetata in polistirola.

V slovenskem patentu št. 21110 je opisana metoda in optični senzor za kontinuirano merjenje raztopljenega vodikovega peroksida s poudarkom na sol-gel membranah v senzorske namene.

Opis rešitve tehničnega problema

Bistvo optičnega kemijskega senzorja s sol-gel membrano za detekcijo organofosfatov po izumu je v tem, da je aktivni del tanka membrana, v kateri je imobiliziran indikator kumarin 1. Polimerni nosilec indikatorja je sol-gel material, ki je zasnovan na kombinaciji alkoksisilana (TEOS) in organsko modificiranega siloksana (MTriEOS). Reakcija indikatorja, imobiliziranega v sol-gel membrani z organofosfatom dietil klorofosfat (DCP), se odraža v optičnih spremembah, ki jih zaznamo kot spremembo intenzitete fluorescence v odvisnosti od koncentracije analita. Optično spremembo spremljamo s fotodetektorjem.

Postopek in zasnova izdelave optičnega kemičnega senzorja s sol-gel membrano za detekcijo organofosfatov bo v nadaljevanju podrobneje opisan s pomočjo slik, ki kažejo:

Slika 1 - sol-gel postopek izdelave senzorske membrane

Slika 2 - odvisnost intenzitete fluorescence senzorske membrane od koncentracije organofosfata

Aktivni del optičnega kemijskega senzorja s sol-gel membrano za detekcijo organofosfatov je tanka membrana, v kateri je imobiliziran indikator kumarin 1.

Za polimerni nosilec indikatorja je bil izbran sol-gel material, ki je po svoji naravi hidrofoben in je kemijsko, fotokemijsko, termično ter mehansko stabilen, zato ga lahko uporabljamo tudi pri ostrejših pogojih. Je optično transparenten vse do 250 nm in ima nizko lastno fluorescenco. Njegovo nabrekanje v organskih in vodnih raztopinah je zanemarljivo. S kontrolo procesnih parametrov, kot so pH, tip in koncentracija sol-gel prekurzorja, količina vode, pogoji sušenja, vrsta topila v kombinaciji s staranjem sola in sol-gel materiala lahko vplivamo na mikroporoznost in polarnost sol-gela. Kot prekurzur za izdelavo membran smo poleg alkoksisilana (TEOS) izbrali tudi organsko modificiran siloksan (MTriEOS), ki zniža število površinskih silanolnih skupin in poveča fleksibilnost gelov ter znižuje stopnjo premreževanja. Za indikator smo izbrali kumarin 1, ker je pokazal dobro občutljivost na analit v nižjem koncentracijskem območju (10 nM do 100 nM), je fotostabilen in je komercialno dostopen.

Za identifikacijo organofosfatov se uporabljajo predvsem fluorescentni indikatorji, kot so fenilpiridinska barvila, antrazin bisimidna barvila, aminoflurescein, pirenska barvila, lantanidni kompleksi in kumarinska barvila. Manj se uporabljajo absorpcijski indikatorji, kot so derivati nitrofenilamina. Splošni mehanizem reakcije, ki jo izkoriščajo kemični senzorji za odkrivanje organofosfatov, posnema kemijsko reakcijo zaviranja acetilholinesteraze z organofosfatom. Gre za reakcijo med nukleofilnim indikatorjem in elektrofilnim organofosfatnim analitom. Produkt reakcije je fosfatni ester, ki povzroči spremembo fluorescence. Za optični kemični senzor po izumu je bilo izbrano kumarinsko barvilo 7-dietilamino-4-metilkumarin (C1). Interakcija z analitom spremeni optične lastnosti barvila, preko katerih lahko posredno merimo koncentracijo analita. Barvilo ima visok kvantni izkoristek, dobro fotostabilnost in je komercialno dostopno.

Za pripravo stabilnih transparentnih membran smo preučevali sol-gel raztopine z različnimi molarnimi razmerji TEOS in MTriEOS (1:0 , 9:1, 4:1, 3:1, 1:1, 1:3, 1:4, 1:9, 0:1). Prav tako smo preučevali vpliv Triton X, ki je neionsko površinsko aktivno sredstvo, molarno razmerje med etanolom in prekurzorji (10:1, 20:1, 30:1, 40:1), molarna razmerja med vodo in prekurzorji (4:1, 15:1), čas staranja sola (1, 2, 6, 10, 30 dni), pogoje sušenja (sobni pogoji, v eksikatorju s silika gelom, 70 °C 4 uri) in čas mešanja raztopin (20 min in 40 min v ultrazvočni kopeli) na kakovost membran. Stabilne in transparentne membrane smo dobili pri uporabi molarnega razmerja med vodo in prekurzorjem 4:1, molarnega razmerja med TEOS in MTriEOS je 1:1 in molarnega razmerja med topilom (etanol) in prekurzorji je 40:1, zato smo za nadaljnje raziskave uporabljali le-te.

Postopek za izdelavo optičnega kemijskega senzorja s sol-gel membrano za detekcijo organofosfatov je prikazan na sliki 1 in se začne s pripravo membrane tako, da k indikatorju C1, ki je raztopljen v etanolu (10'⁷ M), dodamo tetraetoksisilan (TEOS) in metiltrietoksisilan (MTriEOS) ter mešamo v ultrazvočni kopeli 10 minut. Nato k raztopini dodamo še katalizator (0,001 M HCI) ter ponovno mešamo v ultrazvočni kopeli 20 minut. Za togi nosilec smo uporabili stekelca, ki smo jih predhodno aktivirali, tako da smo stekelca najprej namočili v koncentrirano dušikovo (V) kislino za 24 ur, jih sprali z destilirano vodo in etanolom in jih nato sušili 3 ure na 100 °C. Nanose na stekelca naredimo po 24 urah staranja sola v zaprti posodi pri sobni temperaturi. Stekelce namočimo v sol in ga počasi izvlečemo iz sola, ki ga sušimo 24 ur pri sobni temperaturi, da nastane membrana. Pred sušenjem obrišemo nanos na eni strani stekelca. Temu sledi staranje sola 24 ur in sušenja 24 ur, temu sledi kondicioniranje v destilirani vodi za najmanj 3 ure preden se izvedejo meritve.

Reakcija indikatorja, imobiliziranega v sol-gel membrani z organofosfatom (DCP), se odraža v optičnih spremembah, ki jih zaznamo kot spremembo intenzitete fluorescence v odvisnosti od koncentracije analita. Fluorescenca je bila merjena na spektrofluorometru LS 55 Perkin Elmer, ki ima za svetlobni izvor ksenonsko žarnico. Za meritve smo membrane nanešene na stekelcih velikosti 12,8x38 mm postavili diagonalno v štirikotno kvarčno kiveto. Med samim potekom meritev membran nismo jemali iz kivete, ampak smo posamezne raztopine definiranih koncentracij dodajali oziroma odstranjevali s pomočjo brizgalke.

Graf na sliki 2 prikazuje odvisnost fluorescence indikatorja imobiliziranega v sol-gel membrano od koncentracije dietil klorofosfata (DCP). F/F_o predstavlja razmerje med intenziteto emisije v prisotnosti analita definirane koncentracije (F) in intenziteto emisije v odsotnosti analita (F_o). Zvezo med koncentracijo analita in intenziteto fluorescence lahko opišemo z Boltzmannovo enačbo:

0,36-0,6443 fX+5,6S5)

1+g 0,4849 + 0,6443

Korelacijski koeficient je v tem primeru 0,9909. Meja zaznave senzorske membrane je 0,69 μΜ. Linearno koncentracijsko območje umeritvene krivulje je med 187 nM in 22,8 μΜ DCP. Odzivni čas je 600 s.

V tabeli 1 so navedene množine reagentov za pripravo senzorskih membran po izumu.

Tabela 1: Sestava sol-gela

MTriEOS [mmol]	TEOS [mmol]	Katalizator 0,001 M HCI [mol]	C1 10’^{S * 7 *}M [mol]
6,8	6,8	1χ10’⁶	8,2χ10'⁹

S postopkom za pripravo optičnega kemijskega senzorja je realizirana enostavna priprava senzorske membrane z imobilizacijo indikatorja v polimerni osnovi iz SiO₂ sol-gel materiala, pri čemer je bila odzivnost senzorske membrane na organofosfate določena z merjenjem intenzitete fluorescence in ima mejo zaznave 0,69 μΜ ter linearno koncentracijsko območje med 187 nM in 22,8 μΜ DCP.

Claims

Patentna zahtevka

1. Postopek za izdelavo optičnega kemijskega senzorja s sol-gel membrano za detekcijo organofosfatov, značilen po tem, da se začne s pripravo membrane tako, da k indikatorju C1, ki je raztopljen v etanolu (10'⁷ M), dodamo tetraetoksisilan (TEOS) in metiltrietoksisilan (MTriEOS) ter mešamo v ultrazvočni kopeli 10 minut; da nato k raztopini dodamo še katalizator (0,001 M HCI) ter ponovno mešamo v ultrazvočni kopeli 20 minut; da nanose na stekelca naredimo po 24 urah staranja sola v zaprti posodi pri sobni temperaturi in sicer tako, da stekelce namočimo v sol in ga počasi izvlečemo iz sola, ter ga sušimo 24 ur pri sobni temperaturi, da nastane membrana; da pred sušenjem obrišemo nanos na eni strani stekelca in jih kondicioniramo v destilirani vodi najmanj 3 ure pred meritvami.
2. Optični kemijski senzor s sol-gel membrano za detekcijo organofosfatov po postopku iz zahtevka 1, značilen po tem, da je senzorska membrana narejena tako, da je molarno razmerje med vodo in prekurzorjem 4:1, molarno razmerje med TEOS in MTriEOS 1:1 in molarno razmerje med topilom in prekurzorjem 40:1.