Версия для слабовидящих
Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.

Исследования твердофазной люминисценции полициклических ароматических углеводов

Определение экотоксикантов – полициклических ароматических углеводородов (ПАУ) – является важной задачей экологического мониторинга, поэтому для современной науки актуальным является разработка эффективных экспрессных методов контроля содержания этих веществ в окружающей среде. Для определения ПАУ наиболее перспективным является метод, основанный на люминесценции ПАУ, сорбированных твердой матрицей. Наряду с простотой подготовки пробы и возможностью проведения анализа при комнатной температуре он обладает высокой чувствительностью и информативностью. Данный метод позволяет сочетать сорбционное концентрирование вещества (твердофазную экстракцию) с последующим анализом непосредственно в фазе сорбента, что позволяет повысить достоверность и воспроизводимость анализа.

Рис. 7 Увеличенная фотография целлюлозной матрицыШирокое распространение для определения ПАУ люминесцентным методом получила целлюлозная матрица – фильтровальная бумага (рис. 7), которая характеризуется высоким квантовым выходом люминесценции сорбированных ПАУ и доступностью для анализа. Однако эффективность сорбции гидрофобных ПАУ данной гидрофильной матрицей невысока. Поэтому важным являются исследования процессов, связанных с модифицированием ее поверхности, с целью увеличения эффективности сорбции и квантового выхода люминесценции сорбированных ПАУ. В связи с этим целью работы являлась разработка люминесцентного датчика для определения ПАУ на основе модифицированной поверхностно-активными веществами (ПАВ) целлюлозной матрицы.

В качестве модельного соединения для экспериментальных исследований был взят полициклический ароматический углеводород – пирен фирмы 'Fluka' марки 'Purum', –позволяющий исследовать анализируемые системы не только по интенсивности его люминесценции, но и по индексу полярности микроокружения его молекул.

Рис. 8 Мицеллы ПАВ с солюбилизированными молекулами пирена Просмотр анимации

Для приготовления водно-мицеллярных растворов применяли анионный ПАВ – додецилсульфат натрия (ДДС) и катионный ПАВ – цетилтриметиламмония бромид (ЦТАБ). Схематично структура мицелл с солюбилизированными молекулами пирена представлена на рис. 8.

Водно-мицеллярные растворы для наблюдения люминесценции в аналитической практике применяются достаточно широко. Что касается использования ПАВ для модифицирования твердых матриц в люминесценции, то имеются лишь единичные работы по данной проблеме. Однако возможность перехода солюбилизированных веществ из водно-мицеллярных растворов ПАВ в сорбционный слой, представляет значительный интерес, поскольку позволяет повысить эффективность концентрирования реагентов на поверхности сорбента и, тем самым, снизить пределы обнаружения люминесцентного метода анализа малорастворимых в воде веществ. Процесс предварительного концентрирования солюбилизированных в мицеллых ПАВ молекул ПАУ на целлюлозной матрице схематично представлен на рис. 9.

Рис. 9 Сорбция мицелл ДДС с солюбилизированнымим молекулами пирена на целлюлозную матрицу Просмотр анимации

В ходе исследования была изучена флуоресценция представителя группы ПАУ пирена в фазе целлюлозного сорбента с предварительным концентрированием его в мицеллах ПАВ. А поскольку размер мицеллярных фаз составляет 2-3 нм их можно назвать наносистемами. Установлено, что максимальный сигнал флуоресценции сорбированного целлюлозной матрицей пирена наблюдается при концентрациях ПАВ вблизи критических концентраций мицеллообразования. Дальнейшее увеличение концентраций анионного ПАВ (додецилсульфата натрия – ДДС) и катионного ПАВ (цетилтриметиламмония бромида – ЦТАБ) по-разному влияет на интенсивность флуоресценции пирена в фазе целлюлозной матрицы: при использовании анионного ПАВ наблюдается снижение интенсивности флуоресценции, а при катионном ПАВ интенсивность значительно не изменяется. В первом случае уменьшение интенсивности флуоресценции пирена, вероятно, связано с тем, что в растворе начинает реализовываться более энергетически выгодный процесс мицеллообразования додецилсульфата натрия по сравнению с сорбцией анионного ПАВ на гидрофильную матрицу, что уменьшает эффективность концентрирования люминофора на поверхности сорбента. Известно, что сорбция катионных ПАВ на отрицательно заряженную матрицу более эффективна по сравнению с анионными ПАВ. Возможно, это связано с тем, что катионное ПАВ лучше взаимодействует с гидрофильной матрицей, в структуру которой входит гидроксильные группы ОН. Данное предположение подтверждено экспериментально. При сорбции пирена из водного раствора катионного ПАВ на целлюлозную матрицу наблюдается резкое возрастание интенсивности флуоресценции пирена при увеличении концентрации катионного ПАВ в растворе.

Экспериментально установлено, что сорбция люминофоров на модифицированную мицеллярными наносистемами целлюлозную матрицу позволяет значительно увеличить интенсивность сигнала флуоресценции, на этом основано действие люминесцентного датчика. Максимальная относительная интенсивность флуоресценции пирена на целлюлозе при использовании мицеллярных наносистем на основе ЦТАБ больше, чем при ДДС.

Таким образом, экспериментально подобраны оптимальные характеристики люминесцентного датчика для определения ПАУ на основе модифицированной мицеллярными наносистемами целлюлозной матрицы. Люминесцентный датчик может быть рекомендован для использования в различных экологических подразделениях для контроля содержания экотоксикантов ПАУ в водных средах.