ЖУРНАЛ АНАЛИТИЧЕСКОЙ ХИМИИ, 2007, том 62, № 4, с. 357-363
^=ОРИГИНАЛЬНЫЕ СТАТЬИ =
УДК 543:542.2
РЕАКЦИИ СИНТЕЗА АЗОКРАСИТЕЛЕЙ В ОТВЕРЖДЕИИОМ ЖЕЛАТИНОВОМ ГЕЛЕ И ИХ АНАЛИТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ
ПРИ ОПРЕДЕЛЕНИИ НИТРИТОВ
© 2007 г. С. В. Шереметьев, В. В. Кузнецов
Российский химико-технологический университет им. Д.И.Менделеева 125047 Москва А-47, Миусская пл., 9 Поступила в редакцию 14.02.2006 г., после доработки 06.09.2006 г.
Исследовано взаимодействие ароматических сульфонатов азо- и диазосоставляющих в реакциях ди-азотирования и азосочетания, электростатически иммобилизованных к желатиновому отвержден-ному гелю. Установлено, что из всего многообразия функциональных групп полимера - амино-, гидрокси- и карбоксигрупп, а также гуанидиниевых, фенольных и серосодержащих остатков аминокислот, некоторые способны к протонированию и обусловливают эффективную электростатическую иммобилизацию ароматических сульфонатов с амино- и оксигруппами. Достаточно высокая емкость полимера геля обеспечивает относительно большое количество иммобилизованных соединений, что позволяет в режиме реального времени осуществлять в таких желатиновых гелях различные варианты синтетических аналитических реакций образования азокрасителей. Показано, что во всех случаях скоростьопределяющей стадией является внешняя диффузия. Указанные явления использованы для изготовления необратимых чувствительных элементов, пригодных для измерений градуировочных функций, применяя способ фиксированного времени или метод тангенсов при определении нитритов в растворах.
Чувствительные элементы оптических сенсоров и тест-методов [1] представляют большой практический интерес ввиду возможности осуществления аналитических определений вне химической лаборатории. Для этой цели широко используют различные варианты выполнения спектрофо-тометрических реакций [2, 3], при определении нитритов - реакции диазотирования и азосочетания с образованием интенсивно окрашенных азо-соединений [4, 5]. Наибольшее распространение получили системы на основе целлюлозы [2, 6] и полиуретана [7, 8]. К их недостаткам можно причислить довольно высокую гидрофобность, малую набухаемость в воде и малую химическую емкость иммобилизуемого реагента, а также ограниченность возможностей прививки реагентов различных классов химических соединений.
Интерес представляют процессы функционирования чувствительных элементов в нетрадиционных условиях и в нетривиальных средах, к которым можно отнести и отвержденный гель биологического полимера - желатина, не обладающего вышеуказанными недостатками. Многообразие функциональных групп остатков аминокислот, входящих в его структуру, позволяет не только регулировать степень набухаемости мембраны, при этом исключая возможность ее бактериальной деградации, но и существенно расширить способы ее модифицирования для различных видов иммобилизации органических реагентов, далеко
не ограничивающиеся только электростатической прививкой. Поэтому данный биополимер мы предлагаем в качестве новой, прозрачной в видимой области спектра мембраны для изготовления чувствительных элементов оптических сенсоров.
Цель работы состояла в исследовании электростатической иммобилизации сульфонатов-диазо-и азосоставляющих, протекания реакций диазотирования и азосочетания в отвержденном желатиновом геле и разработке на их основе чувствительных элементов для определения нитрит-ионов.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Чувствительные элементы с закрепленным и отвержденным желатиновым слоем изготавливали из фотопленки Микрат-200. Подготовка фотопленки состояла в последовательной ее обработке 1%-ным раствором №2С03 (удаление противо-ореольного слоя), 25%-ным раствором №^203 (удаление галогенидов серебра) и 10%-ным раствором К^е(С^6 (удаление следов коллоидного серебра). После каждой обработки пленку промывали большим количеством дистиллированной воды. Высушенную на воздухе пленку сохраняли в виде пластинок 1 х 2 см в эксикаторе над
Для приготовления растворов использовали сульфаниловую кислоту квалификации ч.д.а.; 4-нитроанилин, т. пл. 148-149°С, полученный из
технического продукта двойной перекристаллизацией из воды; моногидрат лимонной кислоты квалификации о.с.ч.; СН3СООН квалификации ч.д.а.; 1-амино-8-гидроксинафталин-3,6-дисульфокисло-ту (Аш-кислоту), полученную двойной перекристаллизацией из воды технического продукта; 1,8-дигидроксинафталин-3,6-дисульфокислоту (хро-мотроповую кислоту), полученную очисткой продукта квалификации ч. перекристаллизацией бариевой соли; Na2HPO4 ■ 2Н20, Nа2СО3, Nа2S2О3 ■ ■ 5Н2О, Na2SO3 ■ 7H2O, K3Fe(CN)6, NaNO2 и КВг квалификации ч.д.а; растворы готовили на дистиллированной воде.
Иммобилизацию хромотроповой кислоты и Аш-кислоты осуществляли помещением подготовленных пластинок в 5%-ные растворы реагентов в 10%-ной СН3СООН на 24 ч. Совместную иммобилизацию хромотроповой и сульфаниловой кислот выполняли погружением образцов пленок в двухкомпонентные 0.01 М растворы реагентов в 10%-ной СН3СООН. При дальшейшей работе необходимые значения рН поддерживали цитратно-гидрофосфатным буферным раствором [9].
Тест-испытания состояли в погружении подготовленных чувствительных элементов в стандартные растворы NaNO2 на определенное время, для чего использовали кюветы с толщиной поглощающего слоя 1 см и объемом 5 мл. При выполнении аналитических реакций чувствительных элементов с иммобилизованной хромотроповой кислотой сначала к 5 мл 2.7%-ного раствора 4-нитроанилина в 1 М НС1, содержащем небольшое количество КВг, прибавляли исследуемый раствор NaNO2, и после окончания диазотирова-ния (~10 мин) в него погружали чувствительный элемент с иммобилизованной хромотроповой кислотой на 5 мин. По окончании указанных процедур исследовали спектры поглощения образовавшихся азосоединений и/или определяли величину поглощения.
Для выполнения измерений чувствительные элементы помещали в кюветы объемом 5 мл и регистрировали светопоглощение с помощью спектрофотометров Hitachi и СФ-46.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Желатин - полидисперсная смесь полипептидов (М.м. = 50000-70000) и их агрегатов (М.м. до 300000) [10], получаемая щелочным гидролизом коллагена и имеющая следующий аминокислотный состав (в г аминокислоты на 100 г белка) [11]: оксипролин (14.0), оксилизин (1.1), глицин (27.2), аланин (9.5), валин (3.4), лейцин (3.4), изолейцин (1.8), метионин (0.8), фенилаланин (2.5), пролин (15.1), серин (3.37), треонин (22.8), тирозин (1.0), аспарагиновая кислота (6.3), глутаминовая кислота (11.3), аргинин (8.5), лизин (4.47), гистидин
(0.74). Для желатина характерна многократно повторяющаяся последовательность в а-цепях триплетов аминокислот Gly-X-Y (ХД - остаток любой а-аминокислоты, кроме глицина), создающая конформационную основу для спирализации а-цепей. Желатин - гидрофильный полимер, образующий гомогенный трехмерный гель с водой, прозрачный в видимой области спектра при любом соотношении компонентов. Данное обстоятельство делает иммобилизованные системы на основе данного биополимера удобными объектами для реализации самых разнообразных физико-химических процессов, связанных с участием воды как растворителя. Степень и скорость набухания желатина напрямую зависит от степени (за-дубливания). Изменяя степень "сшивки" за счет образования новых ковалентных связей между полипептидными фрагментами полимера, можно регулировать гидрофильность и жесткость геля, а также затруднить его тепловую денатурацию и бактериальную деградацию. В качестве дубильных веществ применяют соли Сг(Ш), А1(Ш), формальдегид, глиоксаль, глутаровый альдегид, различные дикетоны, эпоксиды и др., а для ускорения дубления применяют различные активаторы - флороглюцин, резорцин, многоатомные спирты [10].
Выбор реагентов и специфика выполнения реакций в геле. Реакция азосочетания с образованием интенсивно окрашенных азосоединений широко используется в тест-средствах для определения нитрит-ионов, а также нитрат-ионов после их предварительного восстановления до нитрит-ионов [2]. Возможность электростатической иммобилизации позволяет реализовать три варианта синтеза азо-красителей в геле.
- Самосочетание соединения, находящегося в иммобилизованном состоянии в геле, которое является одновременно азо- и диазосоставляющей в присутствии нитрит-иона.
- Диазотирование "внешней" диазосоставляющей и сочетание диазосоединения с иммобилизованной азосоставляющей.
- Диазотирование и азосочетание азо- и диазо-составляющих соответственно, удерживаемых в геле.
Выбор конкретного способа обусловливается не только условиями выполнения реакции, но и ее скоростью. Кроме того, большое значение имеет исключение побочных реакций, например образование изомеров, диазотатов, диазогидратов, а также взаимодействие молекулярных фрагментов желатина (фенольные фрагменты в тирозинеи алифатические аминогруппы в лизине, оксилизи-не, гистидине) с диазосоединениями и определяемым нитрит-ионом. В качестве азосоставляющих целесообразен выбор соединений, способных сочетаться в кислой среде. К ним относятся аромати-
ческие амины и фенолы, желательно с наличием протяженной системой сопряжения, когда максимум поглощения образовавшегося азосоединения находится в длинноволновой области спектра. Этим требованиям удовлетворяют нафтолсульфо-наты, нафтиламинсульфонаты, Аш- и хромотро-повая кислоты.
Специально проведенное исследование показало, что выход азосоединений при осуществлении реакции в геле существенно зависит от рН окружающего пленку раствора. Из рисунка видно, что для самосочетания Аш-кислоты оптимальная область рН лежит в пределах 3-4 (максимальная скорость образования азосоединения), а для систем на основе хромотроповой кислоты эта область лежит в пределах рН 4-5, причем при рН > 5 реакция замедляется из-за резкого снижения скорости диазотирования амина, но при рН < 4 падает скорость сочетания диазония с азосостав-ляющей - хромотроповой кислотой.
Для системы, содержащей иммобилизованную сульфаниловую кислоту в качестве диазосостав-ляющей, с уменьшением рН резко возрастает скорость образования желтого соединения вместо красного за счет вероятного образования продукта самосо
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.