CC BY
3Научная статья
УДК 54-438; 543.41; 543.422.7; 546.57; 546.05 doi:10.37614/2949-1215.2023.14.3.033
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СЕРЕБРОСОДЕРЖАЩИХ НАНОКОМПОЗИТОВ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЙОДИД-ИОНОВ
Татьяна Сергеевна Колесникова1, Марина Олеговна Горбунова2, Игорь Ефимович Уфлянд3
1-3Южный федеральный университет, г. Ростов-на-Дону, Россия
2Ростовский государственный медицинский университет, г. Ростов-на-Дону, Россия
4kol@sfedu.ru, https://orcid.org/0000-0001-9652-2978
2mg700@mail.ru, https://orcid.org/0000-0002-2792-8816
3ieuflyand@sfedu.ru, http://orcid.org/0000-0002-7164-8168
Аннотация
В настоящее время значительно возрос интерес химиков-аналитиков к металлосодержащим нанокомпозитам. Это связано, прежде всего, с возможностью их применения в качестве оптических сенсоров. Действие таких сенсоров основано на явлении поверхностного плазмонного резонанса (ППР). Результатом данного исследования является разработка нового чувствительного метода определения йодид-ионов, основанного на использовании бумаги, модифицированной наночастицами (НЧ) серебра. Йодиды, окисляясь под действием специальных реагентов, образуют молекулярный йод, который экстрагируется потоком воздуха и переносится на чувствительный бумажный слой, содержащий НЧ. Взаимодействие НЧ с йодом приводит к отслеживаемым оптическим изменениям. Определен предел обнаружения (0,01 мг/л) и диапазон определяемых концентраций (0,03-0,3 мг/л) йодид-ионов. Ключевые слова:
металлосодержащие нанокомпозиты, наночастицы серебра, бумажные тест-полоски, йодид-ионы Финансирование:
работа выполнена при финансовой поддержке РНФ, грант № 22-13-00260 Для цитирования:
Колесникова, Т. С. Использование серебросодержащих нанокомпозитов в анализе йодид-ионов / Т. С. Колесникова, М. О. Горбунова, И. Е. Уфлянд // Труды Кольского научного центра РАН. Серия: Технические науки. 2023. Т. 14, № 3. С. 181-185. doi:10.37614/2949-1215.2023.14.3.033.
Original article
USE OF SILVER-CONTAINING NANOCOMPOSITES FOR THE DETERMINATION OF IODIDE IONS
Tatiana S. Kolesnikova1, Marina O. Gorbunova2, Igor E. Uflyand3
1-3Southern Federal University, Rostov-on-Don, Russia 2Rostov State Medical University, Rostov-on-Don, Russia 1tkol@sfedu.ru, https://orcid.org/0000-0001-9652-2978 2mg700@mail.ru, https://orcid.org/0000-0002-2792-8816 3ieuflyand@sfedu.ru, http://orcid.org/0000-0002-7164-8168
Abstract
At present, the interest of analytical chemists in metal-containing nanocomposites has increased significantly. This is primarily due to the possibility of their application as optical sensors. The operation of such sensors is based on the phenomenon of surface plasmon resonance (SPR). The result of this study is the development of a new sensitive method for the determination of iodide ions based on the use of paper modified with silver nanoparticles (NPs). Iodides, oxidized under the action of special reagents, form molecular iodine, which is extracted by an air flow and transferred to a sensitive paper layer containing NPs. The interaction of NPs with iodine leads to traceable optical changes. The limit of detection (0.01 mg/L) and the range of determined concentrations (0.03-0.3 mg/L) of iodide ions were determined. Keywords:
metal-containing nanocomposites, silver nanoparticles, paper test strips, iodide ions Funding:
the work was supported by the Russian Science Foundation, grant No. 22-13-00260. For citation:
Kolesnikova, T. S. Use of silver-containing nanocomposites for the determination of iodide ions / T. S. Kolesnikova, M. O. Gorbunova, I. E. Uflyand // Transactions of the tola Science Centre of RAS. Series: Engineering Sciences. 2023. Vol. 14, No. 3. P. 181-185. doi:10.37614/2949-1215.2023.14.3.033.
Введение
Известно, что разработка простых, дешевых и безопасных для окружающей среды тест-средств для оперативного внелабораторного анализа — одно из важнейших направлений развития аналитической химии. Экономически и экологически оправданной стратегией решения этой задачи является нанесение химических реагентов на удобный в использовании носитель. К перспективным средствам можно отнести индикаторные порошки и бумажные тест-полоски. При этом важен поиск новых реагентов, обладающих заданными химико-аналитическими параметрами. Именно они должны обеспечивать требуемые метрологические характеристики анализа и, по возможности, повышать селективность определения. Будучи очень подходящими в качестве таких реагентов, в настоящее время интенсивно исследуются нанокомпозитные материалы на основе наночастиц серебра. Стоит отдельно отметить, что НЧ серебра выгодно выделяются среди различных НЧ металлов за счет проявления широкого спектра свойств: выдающейся плазмонной активности, антибактериальной активности, химической стабильности, хорошей тепло- и электропроводности, каталитической активности [1-5].
Ранее нами было описано использование наночастиц серебра в анализе галогенидов [6-13]. В продолжение этих исследований целью нашей работы стала разработка чувствительного метода внелабораторного анализа объектов на содержание иодид-ионов. Для разработанного метода выявлены предел обнаружения (0,01 мг/л) и диапазон определяемых концентраций (0,03-0,3 мг/л) йодидов.
Рабочие растворы веществ готовили растворением их точных навесок или аликвот в дистиллированной воде, полученной с помощью системы очистки воды Millipore Simplicity (Merk Millipore). Стандартные растворы йодидов готовили путем разбавления соответствующих аликвот исходного стандартного раствора (0,01 г/л) непосредственно перед использованием. Раствор йодида калия стандартизировали аргентометрическим титрованием. Массу веществ определяли на аналитических весах 2-го класса ВЛР-20 (Госметр) с погрешностью ±0,0001 г.
Рабочие растворы помещали в установку для динамической экстракции газов (рис. 1). Она состояла из стеклянного сосуда для анализируемого раствора (3), закрытого резиновой пробкой (1), внутри которой находился держатель тест-полосок (4) с зажатой тест-полоской (РИБ) (2), воздушного микрокомпрессора (5), соединенного со стеклянным барботером (6), впаянным в сосуд, полимерным шлангом (7). Затем к рабочим растворам добавляли растворы сульфата железа (III) и серной кислоты. Для прокачки воздуха через реактивную систему в лабораторных условиях использовали микрокомпрессор Hailea Aco-6601. Полоски извлекали и сканировали с помощью сканера Canon CanoScan LiDE 210 (Canon) на белом фоне с разрешением 300 ppi. Отсканированные изображения обрабатывали в графическом редакторе Adobe Photoshop 7.0 в режиме RGB путем усреднения цветовых координат RGB отдельных пикселей в пределах круглой реактивной зоны.
Принцип предлагаемого подхода к определению йодидов основан на их мягком окислении до йода с помощью Fe (III) и последующем его динамическом извлечении из раствора потоком воздуха
Результаты исследований
5 7
6
Рис. 1. Установка для динамической газовой экстракции: 1 — резиновая пробка; 2 — тест-полоска; 3 — стеклянный сосуд для анализируемого раствора; 4 — держатель тест-полосок; 5 — реакционная смесь; 6 — стеклянный барботер; 7 — полимерный шланг; 8 — воздушный микрокомпрессор
2
4
3
5
с одновременным детектированием РИБ. Мягкое окисление позволяет превратить йодид-ион в летучий йод. Стоит обратить внимание на то, что Fe (III) не взаимодействует с бромидами и хлоридами, что устраняет их мешающее влияние, существенно заметное в случае таких сильных окислителей, как перманганат калия. Динамическая газовая экстракция позволяет пространственно отделить йод от мешающих ионов и других нелетучих соединений в растворе, тогда как бумага, модифицированная НЧ Ag, обеспечивает его обнаружение. Реакция йода с иммобилизованными НЧ Ag приводит к их окислению и появлению на тест-полоске белого пятна. Уменьшение интенсивности цвета можно отслеживать с помощью обычного сканера посредством измерения цветовых координат RGB, необходимых для построения калибровочной кривой для определения содержания иодидов. Этот принцип схематически представлен на рис. 2.
Рис. 2. Схема определения йодидов на основе динамической газовой экстракции и колориметрического обнаружения на бумаге, модифицированной НЧ серебра
Для построения калибровочной кривой готовилась серия стандартных растворов. Для этого аликвоту (0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 2,0 и 3,0 мл соответственно) раствора йодида калия (0,01 г/л) пипеткой переносили в мерные колбы вместимостью 100 мл и разбавляли до метки дистиллированной водой. Приготовленные растворы последовательно помещали в реакционный стеклянный сосуд (см. рис. 1). Затем добавляли 2 мл концентрированной серной кислоты и 10 мл раствора Fe (III) (0,5 моль/л). Горлышко сосуда плотно закрывали пробкой, внутри которой находился держатель тест-полосок с РИБ, модифицированной наночастицами Ag. Включали воздушный микрокомпрессор и барботировали воздух через раствор со скоростью 2,8-3,0 л/мин в течение 20 мин. После этого тест-полоску извлекали и сканировали. Полученное изображение было проанализировано с точки зрения цветовых координат R, G, B. Координата цвета В использовалась для построения калибровочной кривой. Доказано, что зависимость цветовых координат от концентрации йодидов адекватно описывается экспоненциальным уравнением первого порядка: у = Уо + A (1 - e-C/t), где у — цветовая координата R, G или B, С — концентрация аналита, уо, A и ^ — параметры регрессии.
Рассчитанные параметры регрессии для калибровочных кривых приведены в таблице.
Коэффициенты экспоненциальных уравнений цветовых координат
R G B
y 115±2 103±2 94±2
A 90±4 81±2 72±3
t 0,34±0,03 0,29±0,02 0,17±0,02
A/t 265 279 424
R2 0,9900 0,9947 0,9917
Выводы
Разработан чувствительный метод внелабораторного определения йодид-ионов. Подобраны оптимальные условия эксперимента (реагенты, их концентрации, скорость подачи воздушного потока). Определен предел обнаружения (0,01 мг/л) и диапазон определяемых концентраций (0,03-0,3 мг/л) йодидов. Благодаря высокой селективности газовыделения этот метод требует лишь минимальной предварительной обработки пробы, что упрощает анализ. Другими преимуществами метода являются эффективность, простота и низкая стоимость.
Список источников
1. The bactericidal effect of silver nanoparticles / J. R. Morones [ct al.] // Nanotechnology. 2005. Vol. 16. P. 2346.
2. Silver nanoparticle — E. coli colloidal interaction in water and effect on E. coli survival / A. Dror-Ehre [rt al.] // J. Colloid Interface Sci. 2009. Vol. 339. P. 521-526.
3. Antifungal effects of citronella oil against Aspergillus niger ATCC 16404 / W. Li [rt al.] // Appl. Microbiol. Biotechnol. 2013. Vol. 7. P. 7483-7492.
4. Sharma V. K., Yngard R. A., Lin Y. Silver nanoparticles: green synthesis and their antimicrobial activities // Adv. Colloid Interface Sci. 2009. Vol. 145. P. 83-96.
5. Synthesis of starch-stabilized silver nanoparticles and their application as a surface plasmon resonance-based sensor of hydrogen peroxide P. Vasileva [et al.] // Colloids Surf., A. 2011. Vol. 382. P. 203-210.
6. An improved step-by-step airflow/paper-based colorimetric method for highly selective determination of halides in complex matrices / M. O. Gorbunova [et al.] // Talanta. 2020. Vol. 219. P. 121254.
7. A dynamic gas extraction-assisted paper-based method for colorimetric determination of bromides / M. O. Gorbunova [et al.] // Anal. Methods. 2020. Vol. 12. P. 587-594.
8. Determination of iodide based on dynamic gas extraction and colorimetric detection by paper modified with silver triangular nanoplates / M. O. Gorbunova [et al.] // Microchem. J. 2019. Vol. 145. P. 729-736.
9. Gorbunova M. O., Bayan E. M. A novel paper-based sensor for determination of halogens and halides by dynamic gas extraction // Talanta. 2019. Vol. 199. P. 513-521.
10. Dynamic gas extraction of iodine in combination with a silver triangular nanoplate-modified paper strip for colorimetric determination of iodine and of iodine-interacting compounds / M. O. Gorbunova [et al.] // Microchim. Acta. 2019. Vol. 186. P. 188.
11. Towards highly selective detection using metal nanoparticles: A case of silver triangular nanoplates and chlorine / V. V. Apyari [et al.] // Talanta. 2018. Vol. 176. P. 406-411.
12. Selective determination of chloride ions using silver triangular nanoplates and dynamic gas extraction / M. O. Gorbunova [et al.] // Sens. Actuators B. 2018. Vol. 256. P. 699-705.
13. Получeниe pearanBHbix индикаторных бумаг с трeуroльными нанопластинками cepe6pa для химичeского анализа / В. В. Апяри [и др.] // Becra. Моск. ун-та. Cep. 2. Химия. 2017. Т. 58, № 4. C. 170-177.
References
1. Morones J. R., Elechiguerra J. L., Camacho A., Holt, K., Kouri, J. B., Ramirez, J. T., Yacaman M. J. The bactericidal effect of silver nanoparticles. Nanotechnology, 2005, Vol. 16, pp. 2346.
2. Dror-Ehre A., Mamane H., Belenkova T., Markovich G., Adin A. Silver nanoparticle — E. coli colloidal interaction in water and effect on E. coli survival. Journal of Colloid and Interface Science, 2009, Vol. 339, pp. 521-526.
3. Li W., Shi Q., Chen Y.B., Ouyang Y.-S., Duan S.-S. Antifungal effects of citronella oil against Aspergillus niger ATCC 16404. Applied Microbiology and Biotechnology, 2013, Vol. 97, pp. 7483-7492.
4. Sharma V. K., Yngard R. A., Lin Y. Silver nanoparticles: green synthesis and their antimicrobial activities. Advances in Colloid and Interface Science, 2009, Vol. 145, pp. 83-96.
5. Vasileva P., Donkova B., Karadjova I., Dushkin C. Synthesis of starch-stabilized silver nanoparticles and their application as a surface plasmon resonance-based sensor of hydrogen peroxide. Colloids and Surfaces A, 2011, Vol. 382, pp. 203-210.
6. Gorbunova M. O., Apyari V. V., Baulina A. A., Garshina M. S., Kulyaginova M. S., Shevchenko A. V., Furletov A. A., Dmitrienko S. G., Zolotov Y. A. An improved step-by-step airflow/paper-based colorimetric method for highly selective determination of halides in complex matrices. Talanta, 2020, Vol. 219, pp. 121254.
7. Gorbunova M. O., Garshina M. S., Kulyaginova M. S., Apyari V. V., Furletov A. A., Garshev A. V., Dmitrienko S. G., Zolotov Y. A. A dynamic gas extraction-assisted paper-based method for colorimetric determination of bromides. Analytical Methods, 2020, Vol. 12, pp. 587-594.
8. Gorbunova M. O., Baulina A. A., Kulyaginova M. S., Apyari V. V., Furletov, A. A., Garshev A. V., Dmitrienko S. G. Determination of iodide based on dynamic gas extraction and colorimetric detection by paper modified with silver triangular nanoplates. Microchemical Journal, 2019, Vol. 145, pp. 729-736.
9. Gorbunova M. O., Bayan E. M. A novel paper-based sensor for determination of halogens and halides by dynamic gas extraction. Talanta, 2019, Vol. 199, pp. 513-521.
10. Gorbunova M. O., Baulina A. A., Kulyaginova M. S., Apyari V. V., Furletov A. A., Volkov P. A., Bochenkov V. E., Starukhin A. S., Dmitrienko S. G. Dynamic gas extraction of iodine in combination with a silver triangular nanoplate-modified paper strip for colorimetric determination of iodine and of iodine-interacting compounds. Microchimica Acta, 2019, Vol. 186, pp. 188.
11. Apyari V. V., Gorbunova M. O., Shevchenko A. V., Furletov A. A., Volkov P. A., Garshev A. V., Dmitrienko S. G., Zolotov Y. A. Towards highly selective detection using metal nanoparticles: A case of silver triangular nanoplates and chlorine. Talanta, 2018, Vol. 176, pp. 406-411.
12. Gorbunova M. O., Shevchenko A. V., Apyari V. V., Furletov A. A., Volkov P. A., Garshev A. V., Dmitrienko S. G. Selective determination of chloride ions using silver triangular nanoplates and dynamic gas extraction. Sensors and Actuators B: Chemical, 2018, Vol. 256, pp. 699-705.
13. Apyari V. V., Furletov A. A., Garshev A. V., Volkov P. A., Gorbunova M., Shevchenko A. V. Preparation of Reagent Indicator Papers with Silver Triangular Nanoplates for Chemical Analysis. Moscow University Chemistry Bulletin, 2017, Vol. 72, pp. 167-173.
Информация об авторах
Т. С. Колесникова — пpeподаватeль;
М. О. Горбунова — кандидат химичecких наук, доцeнт;
И. Е. Уфлянд — доктор химичecких наук, пpофeccоp, завeдующий кафeдpой.
Information about the authors T. S. Kolesnikova — Teacher;
M. O. Gorbunova — PhD (Chemistry), Assistant Professor;
I. E. Uflyand — Dr. Sc. (Chemistry), Professor, Head of department.
Статья поступила в редакцию 31.01.2023; одобрена поите peцeнзиpования 31.01.2023; принята к публикации 01.02.2023. The article was submitted 31.01.2023; approved after reviewing 31.01.2023; accepted for publication 01.02.2023.
