научная статья по теме ПЛАНАРНЫЕ ЭЛЕКТРОДЫ НА ОСНОВЕ УГЛЕРОДНЫХ НАНОТРУБОК ДЛЯ ПОТЕНЦИОМЕТРИЧЕСКОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ГОМОЛОГОВ АЛКИЛСУЛЬФАТОВ НАТРИЯ Химия

Текст научной статьи на тему «ПЛАНАРНЫЕ ЭЛЕКТРОДЫ НА ОСНОВЕ УГЛЕРОДНЫХ НАНОТРУБОК ДЛЯ ПОТЕНЦИОМЕТРИЧЕСКОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ГОМОЛОГОВ АЛКИЛСУЛЬФАТОВ НАТРИЯ»

ЖУРНАЛ АНАЛИТИЧЕСКОМ ХИМИИ, 2015, том 70, № 7, с. 764-769

ОРИГИНАЛЬНЫЕ СТАТЬИ

УДК 543.554.6:543.554.4:661.185

ПЛАНАРНЫЕ ЭЛЕКТРОДЫ НА ОСНОВЕ УГЛЕРОДНЫХ НАНОТРУБОК ДЛЯ ПОТЕНЦИОМЕТРИЧЕСКОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ГОМОЛОГОВ

АЛКИЛСУЛЬФАТОВ НАТРИЯ © 2015 г. Н. М. Макарова1, Е. Г. Кулапина

Саратовский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского 410012 Саратов, ул. Астраханская, 83 1Е-таИ: melag@rambler.ru Поступила в редакцию 19.06.2014 г., после доработки 25.09.2014 г.

Методом трафаретной печати сконструированы планарные электроды на основе углеродных нанотру-бок для определения анионных поверхностно-активных веществ (ПАВ) в водных растворах. Проведен сравнительный анализ электроаналитических характеристик планарных и твердоконтактных сенсоров на основе различных электродноактивных соединений — ионных ассоциатов: 1) додецилсульфата с ка-тионным комплексом меди(11) и К,№-бис(салицилиден)этилендиамина и 2) додецилсульфата с цетил-пиридинием. Показана возможность применения планарных электродов для определения гомологов алкилсульфатов натрия в диапазонах концентраций 4 х 10-7 (5 х х 10 2 (5 х 10 4) М при рН 4—10

в водных объектах и суммарного содержания анионных ПАВ в моющих средствах.

Ключевые слова: поверхностно-активные вещества, планарные "screen-printed" электроды, углеродные нанотрубки, потенциометрия, модельные растворы, моющие средства.

DOI: 10.7868/S0044450215070105

Создание электродов для экспрессного определения веществ в различных объектах — весьма актуальная задача в настоящее время. Технология трафаретной печати позволяет изготавливать так называемые планарные "screen-printed" электроды, обладающие следующими достоинствами: низкая стоимость, простота изготовления, возможность миниатюризации, использования в режиме online, количественного определения веществ в микрообъемах проб. Разнообразие материалов для изготовления подложек и модификаторов их поверхности позволяет конструировать планарные электроды для определения разнообразных органических и неорганических соединений в различных объектах [1—3].

Технологию трафаретной печати широко используют для изготовления вольтамперометриче-ских сенсоров и биосенсоров. Обобщены особенности разработки вольтамперометрических электродов, производимых методом трафаретной печати, для определения рН и растворенного кислорода, нитратов, фосфатов, фенольных соединений, пестицидов, гербицидов, полиароматических гидрокарбонатов, остаточных количеств антибиотиков, свинца(11), кадмия(11), ртути(11), мышьяка(Ш), загрязнителей газов (СО, NOx, летучих органических соединений, бактерий, радиоэлементов) [1]. Разрабатываются также электроды для микробиоло-

гических исследований [2], мониторинга металлов в биологических средах, промышленных образцах и объектах окружающей среды [3], анализа напитков [4], косметико-гигиенических средств [5], лекарственных препаратов [6—10] и др.

Модифицирование поверхности электродов приводит к улучшению аналитического сигнала и снижению пределов обнаружения соединений. Так, модифицирование поверхности электродов на основе поли-Ь-гистидина глутаральдегидом позволяет определять до 1.7 х 10-7 М изониазаида [11]; в присутствии наночастиц серебра снижается предел обнаружения противоэпилептического лекарственного средства ламотриджина до 3.72 х 10-7 M [12], хрома(УГ) — 8.5 х 10-7 M [13]. Биосенсор, модифицированный наночастицами оксида марган-ца(ГУ), проявляет чувствительность к пероксиду водорода на уровне 22 нМ в диапазоне 2.2 х 10-8—1.0 х х 10-4 М [14]. Биосенсор на основе берлинской лазури чувствителен к лактату на уровне 1 х 10-7 M [15].

Небольшое число работ посвящено применению "screen-printed" электродов в потенциометрии. Описаны электроды для определения катионов металлов и неорганических анионов: меди(ГГ) в интервале 1 х 10—6—1 х 10-2 М в воде, почве, промышленных препаратах и пищевых продуктах [16]; желе-за(ГГГ) в чистых и сточных водах [17]; иодида в

Рис. 1. Конструкции планарного электрода, используемого в работе: 1 — полимерная подложка, 2 — углеродсодержа-щие чернила с ЭАС, 3 — токоотвод, 4 — рабочая область, 5 — изоляционный слой.

водных растворах и лекарственных препаратах [18] и др.

Кроме того, известны планарные электроды для определения некоторых органических соединений: цетилпиридиний хлорида (ЦП) в диапазоне 1 х 10—6—1 х 10-2 М при pH 2—8 в некоторых лекарственных препаратах, морской и сточной водах [19]; додецилтриметиламмония бромида в 5.6 х 10-7—1.20 х 10-2 М в водных образцах [20]. Предложены планарные сенсоры на основе графитовых чернил с мембранами, содержащими ионные жидкости, позволяющие детектировать до-децилсульфат натрия и цетилпиридиний хлорид (cmin = 1.2 и 5.8 мкг соответственно) [21]. Антиок-сидантную активность биологических объектов (цельная кровь, эритроцитарная масса, плазма) позволяют определять потенциометрические платиновые "screen-printed" электроды [22]. Сконструированы бромидселективные планарные сенсоры на основе ионной жидкости бромида 1,3-дигекса-децилимидазола (cmin = 1.6 х 10-5 M) [23].

Мультисенсорная потенциометрическая система типа "электронный язык", состоящая из угольно-пастовых "screen-printed" электродов применена для анализа питьевых вод, безалкогольных напитков и пива [24]. Разработаны по-тенциометрические твердоконтактные сенсоры, чувствительные к ПАВ различных типов [25—28].

В настоящей работе для потенциометрического определения анионных ПАВ в моющих средствах и водных объектах предложены электроды, изготовленные методом трафаретной печати. Проведено сравнительное изучение электрохимических свойств твердоконтактных и планарных электродов.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Использовали анионные ПАВ — гомологи ал-килсульфатов натрия СпН2п + 1OSO3Na, n = 12—16:

ди-, три-, тетра-, гексадецилсульфаты (ДДС, ТДС, ТТДС и ГДС) и цетилпиридиния хлорида [С16Н33С5Н4М]С1 с содержанием основного вещества 98—99%, органический реагент М,№-бис(са-лицилиден)этилендиамин (СЭДА), кристаллогидрат сульфата меди(11) ч. д. а. Исходные растворы ПАВ с концентрацией 5 х 10-4—1 х 10-2 М готовили растворением точных навесок препаратов в дистиллированной воде; рабочие 1 х 10-7—1 х 10-3 М растворы — последовательным разбавлением.

N \

Химическое строение ^№-бис(салицилиден)эти-лендиамина.

Исследовали планарные электроды, изготовленные методом трафаретной печати, и твердо-контактные сенсоры. Электродная screen-printed система — полиуретановая подложка с углеродсо-держащими чернилами, токоотводом и изоляционным слоем (рис. 1). Размер электродов 30 х 12 мм.

Углеродсодержащие чернила — смесь порошка углерода, пластификатора, растворителя, полимерной матрицы и электродноактивного соединения (ЭАС). Смесь перемешивали магнитной мешалкой при небольшом нагревании до полного растворения компонентов и состояния однородной гомогенизации. Для приготовления углеродсодер-жащих чернил использовали углеродные нанотруб-ки, синтезированные в Национальном исследовательском университете "МИЭТ" (Зеленоград). Удельная поверхность многостенных углеродных нанотрубок составляла около 140 м2/г (длина несколько микрометров, диаметр 30 нм). Размер частиц графита составлял ~500 нм. Пластификатором

Таблица 1. Электроаналитические характеристики потенциометрических электродов (ЭАС — [Си—СЭДА]ДДС; п = 3, Р = 0.95)

Тип электрода ПАВ в растворе Диапазон линейности электродной функции, М а ± Да, мВ/рс Время отклика (1 х 10—4^ ^ 1 х 10—3 М), с сшт, М

Планарный ДДС 4 х 10—7—1 х 10—2 57 ± 2 6 2 х 10—7

ТДС 4 х 10—7—5 х 10—3 57 ± 1 6 2 х 10—7

ТТДС 5 х 10—7—1 х 10—3 61 ± 2 7 2.5 х 10—7

ГДС 5 х 10—7—5 х 10—4 62 ± 2 7 2.5 х 10—7

Твердокон-тактный ДДС 6 х 10—7—1 х 10—2 56 ± 2 7 3 х 10—7

ТДС 5 х 10—7—5 х 10—3 59 ± 1 7 3 х 10—7

ТТДС 5 х 10—7—1 х 10—3 62 ± 1 6 3 х 10—7

ГДС 5 х 10—7—5 х 10—4 64 ± 2 8 3 х 10—7

Дрейф потенциала, мВ/сут

Срок эксплуатации, мес.

4-5

3-4

12

5

служил дибутилфталат (ДБФ), растворителем — смесь циклогексанон—ацетон (1 : 1). Полимерная матрица представляла собой поливинилхлорид (ПВХ) марки С-70. В качестве ЭАС использовали ионные ассоциаты додецилсульфата с цетилпи-ридинием (ЦП—ДДС) и катионным комплексом меди(11) и М,№-бис(салицилиден)этилендиами-на ([Си—СЭДА]ДДС). Получение ионных ассо-циатов и определение соотношения компонентов описано ранее [27, 28]. Оптимальное соотношение компонентов углеродсодержащих чернил составляет, %: углеродные нанотрубки 30—32, ДБФ 48—50, ПВХ 16—18, ЭАС 2—5.

Слой изолятора представлял собой смесь по-ливинилхлорида в дибутилфталате и растворителе. Углеродсодержащие чернила и изоляционный слой наносили на подложку с помощью трафарета. На предварительно подготовленную подложку (обработка этиловым спиртом и дистиллированной водой) наносили углеродсодержащие чернила, медный токоотвод и высушивали при 50°С в течение 30— 40 мин для удаления растворителя. Затем поверхность электрода (кроме рабочей области) покрывали изоляционным слоем толщиной 20—30 мкм, который высушивали при 50°С в течение 20—30 мин. Хранили электроды в 1 х 10—3 М растворе ДДС.

Для сравнения электроаналитических характеристик планарных электродов использовали также твердоконтактные потенциометрические сенсоры с пластифицированными мембранами; электронный проводник — графит. Приготовление поливинил-хлоридных пластифицированных мембран и твер-доконтактного электрода описано в работе [27].

Э.д.с. измеряли с помощью иономера Эксперт-001-3(0.1) с погрешностью ±1 мВ при 20 ± 3°С, электрод сравнения — стандартный хлоридсеребряный ЭВЛ-1МЗ. Для ускорения достижения устойчивого

значения потенциала растворы перемешивали магнитной мешалкой. Значения рН регистрировали с применением стеклянного и хлоридсеребряно-го электродов на рН-метре рН-150 М. Все эксперименты выполняли при (25 ± 1)°С.

Поверхностно-активные вещества определяли в водных объектах потенциометрическим осади-тельным титрованием; титрант — цетилпириди-ний хлорид. Содержание анионных ПАВ в синтетических моющих средствах пересчитывали на до-децилсульфат (лаурилсульфат) натрия.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Электроаналитические характеристики. Известно, что твердоконтактн

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.

Показать целиком