CC BY
0
-□ □-
У статт1 розглянуто проблему визна-чення забруднення у водних середовищах, органчних канцерогетв, таких як полщиклгчт ароматична вуглеводт (ПАВ). Викладено основт принципи побудови нанофотонного методу визначення оргатчних канцерогетв з використанням сучасних нанотехнологш та наноматергалгв
Ключовг слова: канцероген, полщиклгчт
ароматична вуглеводт, нанофототка □-□
В статье рассмотрена проблема определения загрязнения в водных средах органических канцерогенов, таких как полициклические ароматические углеводороды (ПАУ). Изложены основные принципы построения нанофотонного метода определения органических канцерогенов с использованием современных нанотехнологий
Ключевые слова: канцероген, полициклические ароматические углеводороды, нанофо-тоника
□-□
In article a problem is considered concerning the objects definition in water medium of organic carcinogens such as polycyclic aromatic hydrocarbons (PAH). Basic principles of a novel nanophotonic method development for PAH definition are presented
Key words: carcinogen, polycyclic aromatic
hydrocarbons, nanophotonics -□ □-
УДК 621.38:502/504
НАНОФОТОННИЙ МЕТОД ВИЗНАЧЕННЯ ОРГАН1ЧНИХ КАНЦЕРОГЕН1В У ВОДНИХ СЕРЕДОВИЩАХ
О.А. Суш ко
Астрантка* Контактний тел.: (057)702-03-69 E-mail: olenkasushko@gmail.com
М.М. Рожицький
Доктор фiзико-математичних наук, професор, науковий керiвник лабораторп Лабораторiя анал^ичноТ оптохемотронки *Кафедра бюмедичних електронних пристроТв та
систем
Хармвський нацюнальний уыверситет радюелектронки пр. Ленша, 14, м. Хармв, УкраТна, 61166 Контактний тел.. : (057) 702-03-69 E-mail: rzh@kture.kharkov.ua
1. Вступ
На сьогодшшнш день чггко проявляеться тенденцiя до попршення якосп поверхневих та тдземних вод. Проблема забруднення води оргатчними канцерогенами не нова, тим бшьш, що «канцерогентсть» води, яку споживае населення Украши, рiзко зростае з року в рж. До того ж, як показують досл1дження, наявнiсть канцерогенiв характерно не лише для Украши, але й для ряду високорозвинених краш (Америка, Япошя та ш.). П1двищення рiвня забруднення навколишнього середовища, перш за все води, продукпв харчування, тощо хiмiчними органiчними канцерогенами (ХОК) призводить до рiзкого зростання кiлькостi онколопч-них захворювань не лише в Укра!ш, а й за И межами. За даними Всесвиньо! оргашзацп охорони здоров'я щороку кiлькiсть онкохворих збшьшуеться на 10 млн. чоловж [1]. Украша знаходиться на другому мющ в 6вропi за темпами розповсюдження онкологiчних захворювань. Ризик розвитку онколопчних захворювань складае 27,7 % для чоловШв та 18,5 % для жшок. Захворювашсть на рак стабiльно росте на 2,6-3% за рж, та онкозахворювання продовжують «молодiти» [2].
Серед найбшьш поширених та небезпечних для здоров'я ХОК е клас речовин, що вщносяться до полЬ
циклiчних ароматичних вуглеводнш, тому доцiльно коротко розглянути 1х основнi фiзико-хiмiчнi властивосп та вплив на органiзм людини.
2. Полiциклiчнi оргашчш вуглеводнi, i'x властивостi та вплив на оргашзм людини
Полiциклiчнi ароматичнi вуглеводнi (ПАВ) - трупа, що включае в себе близько 10 тис. рiзноманiтних хiмiчних сполук, якi складаються з конденсованих бен-зольних кшець. Деякi з них в значних кшькостях знахо-дяться в навколишньому середовищi, 'ж та особливо в вод! ПАВ, що в своему складi мають бiльш нiж чотири бензольних кшьця, називаються малолетючими. Ц ПАВ е бiльш стабiльними та токсичними в порiвняннi
з летючими. ПАВ мають лiпофiльну природу, не див-лячись на те, деяю з них можуть в значнш мiрi розчи-нятися в вод! примушуе замислитися про якiсть води, яку ми споживаемо.
Вс вiдомi ПАВ попадають в навколишне середо-вище шляхом неповного згоряння вуглецевовмкних органiчних матерiалiв, таких як нафта, кам'яне вуплля, деревина, смитя та вщходи хiмiчноl промисловост! Максимальна кiлькiсть ПАВ утворюеться при
Наймену-вання
показниюв
Одиницi вимiру
водопровщно!
Бензо[а]пiрен
мг/дм3
0,005
Пестициди (окремо)
мг/дм3
0,0001
згорянн1 чи терм1чнш обробц1 орган1чних речовин при температур! в д1апазош 500-700°С, наприклад, л1сов1 пожеж1, металург1йна промислов1сть, тощо.
В родиш ПАВ нал1чують найб1льшу групу канце-рогенних речовин. Бшьшють ПАВ з тих, що не про-являють канцерогенноТ дГ1 е синерпстами в сум1ш1 з канцерогенними ПАВ, тобто тдсилюють д1ю цих канцерогетв.
В б1льшост1 випадк1в канцерогенн1 ПАВ потра-пляють в орган1зм людини з1 смаженою, або копченою Тжею, неяк1сною водою та пов1трям. Вплив на орга-н1зм людини окремого ПАВ складно визначити, бо в бшьшосп випадюв (в Тж1, вод1, повЬ тр1) вони зустр1ча-ються як комплекс сполук, до складу яких входить де-кшька представни-к1в цього класу.
Науковий комитет 6С з питань продукпв харчу-вання оц1нював 33 представника ПАВ, з яких щен-тифжував 15, що мають вираже-н1 генотоксичш та канцерогенн1 властивост1 [3]. В результат! дослЬ джень Тх канцеро-генност1 увагу привернув бензо[а] п1рен (БП), який м1г би використо-вуватися як маркер, але БП скла-дае близько 20% сумарноТ концен-трацп канцеро-генних ПАВ. Тому Науковий комиет 6С рекомендуе паралельно з БП проводити мош-торинг наступних ПАВ: бенз[а]ан-трацен, бензо[/ ]
флуорантен, бензо[^]флуорантен, бензо[£Йг]перилен, хризен, циклопентан[^]трен, д1бенз[а,й]антрацен, д1бензо[а,е]п1рен, д1бензо[а,^]трен, д1бензо[а,1']п1рен, д1бензо[а,/]п1рен, шдено[1,2,5-^]трен та 5-метилхри-зен.
The Water Framework Directive (2000/60/EC) визначае стратег1ю, що запоб1гае забрудненню водних об'ект1в навколишнього середовища в крашах 6С, але ця директива потребувала оцшки та перетку пр1оритетних забруднювач1в. В наслщок чого, у Ршент 2455/2001/ЕС було названо 33 представники ПАВ, яю необхщно мо-н1торингувати в поверхневих, пщземних та прибереж-них водах. В п'япрщ найб1льш небезпечних ПАВ, що найбшьш привернули увагу 6С, входять БП, бензо[6]
флуорантен, бензо[&] флуорантен, шдено[7,2,5-с^]трен та бензо^г]перилен.
Drinking Water Directive визначила гранично до-пустиму концентрацш (ПДК) для БП, яка становить 0,010 мг/л, та сумарноТ сумш1 п'яти вищезазначених ПАВ, що складае 0,1 мг/л.
В Украïнi 16.07.2010 року було оприлюднено Наказ МШстерства охорони здоров'я № 400 в1д 12.05.2010 р., яким затверджено tobî Державнi санiтарнi норми та правила «Гтетчш вимоги до води питноТ, призначеноТ для споживання людиною» (ДСанШН 2.2.4-400-10). Зг1дно якого, маемо даш, наведенi в таблицi 1.
Таблиця 1
Сажтарно-токсиколопчш показники органiчних компоненлв питно'| води
Пестициди (сума)
Тригало-генметани —(сума)—
Дибромхлор-метан
мг/дм3
мг/дм3
мг/дм3
Нормативи для питно'1' води
0,0005
100
10
з колодязiB та каптажв джерел
Не
визначаеться
фасовано!', з пункпв розливу та бюветiв
< 0,002
0,0001
0,0005
102
Методики визначення
ДСТУ ISO 17993:2008. Яюсть води. Визначення ПАВ у водi методом високоефективжя рщинжа хроматографа з флуорес-центним детектуванням пiсля р1динно-р1динного екстрагування
РД 52.24.66-88. Методические указания по определению содержания галоген-орю ганических пестицидов и их метаболитов в поверхностных водах
ДСТУ ISO 10301-2004. Яюсть води. Визначання високолетких галогенованих вуглеводшв методом газово!' хроматографы
Методичт вказiвки № 005298 Газохромато1рфчне визначення тригалогенметан1в (хлороформу) у вод^ затв. вщ 01.02.99 № 2
Як видно з таблищ, в УкраШ зпдно новим нормам та правилам в питнш вод1 сан1тарно-токсиколог1чному визначенню тдлягае лише БП, тобто один представ-ник канцерогенних ПАВ.
Не зважаючи на ва вищенаведет норми та застережен-ня, в св1т1 щор1чно в навколишне середовище потрапляе близько 7 тис. т. БП - речовина вкрай стшка, якш властива дуже висока здобтсть до акумуляцН в оргатзм1 та навко-лишньому середовишД.
БП (С20Н12) - онкогенна речовина, саме його онкологи вважають винним в ураженш орган1зму ба-гатьма видами раку: порожнини рота, горташ, горла, сечового м1хура, оргашв шлунково-кишкового тракту i леген1в i т.д. З орган1зму БП частково виводиться в
1
незмшеному вигляд1, а частково окислюеться, даючи похiднi фенольного i хiнонного типу. Деяким з цих продукт1в також властива мутагенна активтсть, i тому ПАВ - типовi екотоксини. В органiзмi деяка частина БП перетворюеться на небезпечну сполуку бензпирен-дюл-епоксид, вiдбуваеться мутацiя гена р53, що в1дпов1дае за органiзацiю захисту людського органiзму в1д раку. У нормальному стат цей ген пригнiчуе р1ст пухлини, видаляючи хворi клiтини.
Для визначення ПАВ 1снують низка в1домих методiв, що розглянуто нижче.
3. Методи визначення полщикйчних ароматичних вуглеводшв в водних об'ектах навколишнього середовища
1снуе ряд традицiйних методiв для визначення полiциклiчних ароматичних вуглеводнiв, серед яких е хроматографiчнi, iмуно-хiмiчнi, бюлопчний та хiмiчний методи (табл. 2).
Наведет методи мають ряд стльних недолiкiв, таких, як значна складтсть та вартiсть обладнання, тривалiсть процеав пробоп1дготовки та аналiзу, висока межа визначення аналггу в досл1джуваному зразку, низь-ка селективнiсть.
Зг1дно з ДСанШН 2.2.4-400-10 основним методом для детектування ПАВ, в даному випадку БП, е метод високоефективно'1 рщинно! хроматографа з флу-оресцентним детектуванням тсля р1динно-р1динного екстрагування [4]. Але, як видно з табл. 2, його голов-
ними недолжами е складтсть, громiздкiсть обладнання, трудоемшсть та тривалiсть аналiзу, що ускладнюе автоматизацiю, портативнiсть, використання методу для мониторингу, а також метод е економiчно неефек-тивним, iз-за дорожнечi хроматограф1чно'1 установки та реактивш, яких необх1дна значна кiлькiсть для про-ведення аналiзу.
Судячи з усього вищезазначеного, на сьогоднi актуальною та вщкритою проблемою залишаеться розробка новишх ефективних методiв та засобiв для визначення органiчних канцерогенiв в вод1, якi дозволили б визначати наявтсть останнiх у водi в слщових концентрац1ях з високою селектившстю та експреснiстю. Цим вимогам вщповщае новiтнiй метод визначення органiчних канцерогешв на базi принципiв нанофотонiки та нанотехнологш.
4. Нанофотонiка, наноматерiали та метод визначення оргашчних канцерогенiв в водному середовищ на основi нанофотонного сенсора
Запропонований нанофотонний метод визначен-ня оргашчних канцерогешв у водних середовищах використовуе сучасш нанотехнологп i наноматер1а-ли - квантово-розмiрнi структури з поеднанням гарно зарекомендованого аналиичного методу - електрохе-мшюмшесцентного (ЕХЛ) аналiзу.
Нанофотонiка - це сучасний роздш оптики, що розглядае взаемодш свiтла з речовиною на наномас-штабному рiвнi та пропонуе виршення низки проблем,
Таблиця 2
Методи визначення ПАВ у водному середовищi
Назва методу Принцип методу Обладнання Реагенти Межа визначення Тривалють Недол1ки методу
Високоефек-тивна рщинна хроматограф1я Роздалення компонент1в у сум1ш1, засноване на р1зниц1 в р1вноважному роздалент 1'х м1ж двома не змшуваними фазами, одна з яких нерухо-ма, а шша - рухома Хроматограф, хроматограф1чна колонка Елюент, сорбент 0,2 нг/мл ~ 3 год. Складтсть, дорожнеча обладнання, трудоемн1сть
1муно-х1м1чний анал1з 1мунох1м1чна реакция м1ж антителом та антигеном, що протжае з виникненням ¡мунного комплекса антиген-антитело. Детектування проводиться введенням м1тки в один з вих1дних компонентов реакцшно! системи. 1муно-ферментний анал1затор Антит1ла, антиген 0,9 нг/мл ~ 3 год. Трудоемн1сть, тривал1сть пробопщготовки та анал1зу, неви-сока чутливють
Бюлопчш тест-методи Заснованим на в1дпов1дн1й реакцй' живих органiзмiв, здатних давати достов1рну iнформацiю про як1сть компонент1в оточуючого середовища та негативну даю забруднюючих речовин. Детектор Б1отест (культура б1олог1чних орган1зм1в), анал1т в водному середовищ1 70 нг/мл 3-30 д1б Висока тривал1сть, висока МВ, низью чутлив1сть та низька селективн1сть
1ндикаторн1 тестов1 смужки Реакц1я з хромогенними реагентами 1ндикаторн1 тест-смужки 0,2 мг/мл 10-20 хв. Висока МВ, низьк1 чутлив1сть та селективтсть
в тому числГ побудови нанорозмiрних пристро'1в для використання в наноаналiтицi (рис. 1).
Рис. 1. Сутжсть нанофотожки як науки та технологи
У представленому методi найбiльш цiкаве для за-стосування в аналiтицi нанорозмiрне обмеження ре-човини.
При зменшеннi об'ему будь-яко'1 речовини з одше!, двох чи трьох координат до розмiрiв нанометрового масштабу з'являються якосп, як не були властивi данiй речовит на макрорiвнi (табл. 3). Таю речовини вщносять до наноматерiалiв, а технолопю '1х отримання - до нанотехнологш.
Таблиця 3
Розмiрна залежшсть фiзичних властивостей наноматерiалiв
Властивост1 В1дпов1дь матер1алу на зменшення розм1ру структурного елемента
Фазов1 перетво- рення Зниження температуря фазових перетворень, в тому чнсл1 температури плавлення
К1нетичн1 Аномально висою значення коефщ1ент1в дифузи, п1двнщення теплоемност1, зниження теплопров1дност1
Електричш П1двнщення або зниження електроопору, д1електрично1 проникливост1
Магн1тн1 Зб1льшення коерцитивно'' сили, магн1тоопору, поява супермагнетизма
Механ1чн1 Збшьшення меж1 текучост1, твердост1, зносост1йкост1, прояв надпластичност1 при висок1й температур1
Найбiльш вщомими об'ектами нанофотонiки е квантово-розмiрнi структури, таких як натвпровщ-никовi квантовi точки та нанотрубки.
Напiвпровiдникова квантова точка (КТ) - фрагмент натвпровщника, обмежений за трьома просторо-вими вимiрами та мiстить електрони провщност! Точка повинна бути настшьки малою, щоб могли проявитися суттевi квантовi ефекти, що досягаеться, коли кшетична енерг1я електрона ^ , де d - харак-
2md2
терний розмiр точки, т - ефективна маса електрона на точщ.
Вiдомi напiвпровiдниковi КТ трьох титв: КТ з структурою ядро; КТ з структурою ядро-оболонка; КТ з структурою ядро-оболонка + полiмерне покриття (рис. 2).
Рис. 2. Структура КТ типу ядро-оболонка + полiмерне покриття
Властивоси КТ представлен на рис. 3. КТ е люмшофорами, але в порiвняннi з органiчними люмiнофорами мають значно вужчий спектр випромшювання, високу штенсившсть люмшесценцп, високий квантовий вихщ та тривалий час життя люмшесценцп. Це виг1дно вирiзняе КТ вгд в1домих люмiнофорiв i е важливим для '1х застосувань, у тому числГ у бiомедицинi.
Ф1зико-х1м1чн1 впастивост/ 1 1 1 Медико-бюпог1чш впастивост/ ' 1
Збудження: 1 I Специф1чна реащя з
■ епвктричнв 1 1 1 молекулою-анал1том
1 1 1 1 1
1 Можливють використання в д'тгностиц! та твратУ
випромшювання ! и и Ц :
! ( КТ ) ! !
Стабтьшсть: - хтчна; - електрохтчна; -фотохтчна ! Г Г" П ! Нетоксичтсть структури КТ/ покриття
1 1
1 1 1 1 1
Регулювання довжини хвил/ 1 г i 1 Проста модермзащя для рмномаштних бюмедичних ц1лей
властивостей !
!_ _____ _ _ _ i 1
Рис. 3. Фiзико-хiмiчнi та медико-бiологiчнi властивостi КТ
Зi зменшенням ядра КТ, спектри поглинання та випромшювання змщуються гшсохромно. Таким чином, можна переналаштовувати довжину хвилi випромiнювання та створювати нанофотонт прилади з рiзними довжинами хвиль випромшювання.
При зменшенш розмiру наночастки в1дношення числа поверхневих атомiв до числа атомiв, що знахо-дяться в об'емi КТ, стае бшьше. В процесi збудження на неоднорщностях топологи поверхнi можуть виникнути центри захвату електротв та дiрок, так назван пастки.
Наявнiсть поверхневих сташв (пасток) приводить до зменшення квантового виходу люмшесценцп, деструкцп наночасток тощо. Поверхневi пастки представ ляють собою в Гльнг зв'язки, здатт захоплювати носГ1 заряду. Для уникнення небажаного впливу поверхне-вих пасток на КТ наносять натвпровщникову оболон-ку з бшьшою забороненою зоною, ашж у ядра (рис. 4).
Якщо використовуеться лише ядро, то необх1дно провести пасивацш поверхш КТ спещальним покрит-тям. В1дсуттсть стабШзуючого покриття призводить до агрегацп КТ, тим самим створюеться прототип об'емного матер1алу. Для проведення електрох1м1чних та електрохемшюмшесцентних досл1джень та створен-ня вщповщних нанофотонних сенсорних елемент1в необх1дно отримання не конгломерату, а окремо сфор-мованих КТ.
3
А.
покриття
Е
8(п)
оболонка
ядр
л Е
\( С8(я)
\
Е„
Г
J 1
у
2
Рис. 4. Енергетична схема квантовоТ точки: 1 — натв-
провщникове ядро/напiвпровiдникова оболонка (Ед(я)<<Ед(о)); ядро/органiчне покриття (Ед(я)<<Ед(п));
3 — ядро/оболонка/покриття
Люмшесценцш КТ дае шформащю про внутр1шню структуру частки, тод1 як за допомогою ЕХЛ можна досл1джувати и поверхню. Це зв'язано з тим, що в процесах електрох1м1чного збудження КТ приймають участь саме поверхнев1 стани.
Ще одним дуже цжавим р1зновидом наноматер1ал1в е вуглецев1 нанотрубки (ВНТ). Вони представля-ють продовгуват структури у вигляд1 порожнього цилшдра, що складаеться з одного, або декшькох, згорнутих в трубку графиових шар1в з гексальною оргатзащею графиових площин, 1 закшчуються зазви-чай натвсферичною гол1вкою. Д1аметр ВНТ складае в1д одного до декшькох десятюв нанометр1в, а довжина - десятки мжрон.
а)
б)
в)
Рис. 5. Структури нанотрубок в залежносп вщ способу скручування графiтового листа: а) кресельна; б) зигзаговидна; в) хiральна
Кут ор1ентацп графиово! площини в1дносно в1с нанотрубки, в свою чергу, задае х1ральтсть нанотрубки, яка визначае, зокрема, и електричш характеристики. [5] Нанотрубки як окреслеш одновим1рш матер1али -щеальт об'екти для вивчення електронних властивос-тей та !х зв'язку з атомною структурою.
У реальних пристроях НТ здатш виявляти влас-тив1сть з'еднуватися з макрооб'ектами, тому необ-х1дно досл1джувати електротранспортш властивост окремих НТ. Загалом одностшш нанотрубки можна вважати металевими, якщо за юмнатно! температури !хня електрична провщшсть збшьшуеться залежно в1д опорно! напруги, прикладено'1 до електрода, в1ддале-ного в1д НТ на сотш нанометр1в. Роль опорно'! напруги полягае у змШ електростатичного потенщалу або р1в-ня Ферм1 нанотрубки. Для металево'1 трубки змщення енергп Ферм1 ¡стотно не змшюе густини статв поблизу поверхш, тому значних змш пров1дност1 не спостер1-гаеться. Особлив1 випадки можуть виявлятися тод1, коли металева одностшна вуглецева НТ поводиться як бал1стичний пров1дник. Для металевих НТ р1вень Ферм1 мае два енергетичт шдр1вш, через це транспорт в1дбуватиметься двома каналами 1 тод1 матимемо чо-тири електронш стани. За вщсутносп електронного розсшвання й щеального електронного контакту з НТ отр системи Я виражатиме ствв1дношення
А = Я,
2е2
де h - стала Планка; е - заряд електрона.
Кожен канал робитиме свш внесок в електропро-вщшсть системи. Для прикладу, отр в металевш на-нотрубщ дор1внюе 6,45 кОм [6].
Вим1рюванням електричного опору виявлено, що нанотрубки поводяться як квантов1 пров1дники. Кван-тов1 явища, як1 спостер1гаються в цьому раз1, вклю-чають одноелектронне зарядження 1 резонансне ту-нелювання через дискретт енергетичт стани НТ. Це випливае з квантових обмежень вздовж нанотрубки [7]. Заряд, зумовлений одним електроном, або куло-твська блокада, виявляеться тод1, коли мала металева точка-нанотрубка з'еднана з двома електродами [8]. Коли з'еднання слабке, то отр контакту буде бшьшим за R. Оскшьки квантов1 точки досить мал1, то емшсть С теж мала й енергш, необх1дна для в1ддач1 електроннш систем1 - е2/С, бшьша за терм1чну енергш kВТ. бмтсть у масштаб! розм1ру нанотрубки змшюеться лшшно в1дносно обернено'1 вщсташ. Для мжронно! НТ енергш заряду одного електрона значно вища за кулошвську блокаду, 11 можна спостер1гати лише за температури р1дкого гелт (4,2 К). У режим1 кулошвсько! блокади перенесення в1дбуваеться одним окремим електроном. Дискретт енергетичт р1вт, як1 кнують у нанотрубщ певно'1 довжини, добре описуються ф1зичною моделлю «частинка в потенщальнш ямЬ>, ширина яко'1 дор1внюе довжит нанотрубки. Коли дискретт енергетичт стани знаходяться на р1вш Ферм1 системи, то спостер1га-еться резонансне тунелювання. В1дносно велика куло-твська енергш заряду у раз1 розмщення енергетичних р1втв на субмжронному масштаб1 довжини нанотруки е характерною для малих систем.
Полшшити електричш властивост нанотрубок можна '1х допуванням електроноакцепторними (12, Вг2) або електронодонорними (К, Cs) агентами. На-
о)
приклад, допування кал1ем вщбуваеться за юмнатно! температури. Коли атоми калю адсорбуються на зо-вшшньому бощ одностшно! вуглецево! нанотрубки i постачають електрони всередину трубки, то вщбуваеться перехщ вщ р- до n-типу провiдностi, тобто вiд дiркового до електронного [9].
ВНТ також дуже чутливi до адсорбцп молекул i3 газово! фази, при чому значно змшюеться !х електро-провiднiсть. Наприклад, якщо одностiнна вуглецева нанотрубка експонуе 200 шкопромше NO2, то електро-провiднiсть !! зростае на три порядки. Цей факт покладе-но в основу виготовлення хiмiчного сенсора [10].
Виходячи з аналiзу лггератури у галузi сенсорики та нанофотошки можна запропонувати наступний пiдхiд до створення нанофотонного методу (рис. 6), здатного до визначення оргашчних канцерогешв типу ПАВ.
Для визначення селективност методу, необхщно розглянути спiввiдношення енергш граничних молеку-лярних орбiталей квантово-розмiрних детекторiв (КТ) та визначаемих часток аналтв. Донор (КТ) з бшьшою (або приблизно рiвною) енергiею вищо! заповнено! молекулярное орбiталi (НОМО) шж у вщповщно! орбiталi аналгта буде вiддавати електрони легше i тим самим буде бiльш реакцшноздатним. Аналiт (ПАВ) з нижчою незаповненою молекулярною орбгталлю (LUMO) повинен приймати електрони легше i також повинен бути реакцшноздатним [11].
Якщо ми маемо сумш, яка складаеться з молекул аналтв (ПАВ), вибiр наночасток буде базуватися на наступному принцип рис. 6
КТ-
A+
Ev Ec
A t
LUMO
HOMO
Використовуючи р^вняння вщповщних реакцш процес, що вщбуваеться в сенсорному пристро!, можна описати наступним чином
КТ + е-^ КГ-,
А - е А •+,
КГ-+ КТ* + А,
КТ* ^ КТ + hv.
Тунелювання електрона мгж юнними формами реа-гуючих речовин буде проходити в тому випадку, якщо ширина заборонено! зони КТ буде равною, або меншою за р^зницю мгж граничними орбгталями молекули-аналгту.
КТ, що переводяться у юнш форми при вщповщних електрох1м1чних процесах, реагують з протилежно за-рядженими формами аналгту, внасл щок чого випром1-нюеться аналгшчний сигнал - квант Ьу (рис. 7). Число квантов, випромшених за визначений час, е м1рою вмгс-ту аналгту, тобто
1ЕХЛ=^Са),
де 1ехл - штенсившсть випромшювання;
са - концентрация аналгту в зразку;
що 1 характеризуе сутшсть нанофотонного метода детектування [11].
а)
б)
Рис. 6. Схематичне зображення реакцп переносу електро-ну м1ж часткою КТ та анал1том (а), неможливий вар1ант реакцп (б
Рис. 7. Схема процесу нанофотонного визначення молеку-
ли анал1ту — полщикл1чних ароматичних вуглеводыв
Пiдвищити селективнiсть запропонованого методу, можна за рахунок наступних методiв:
- хiмiчного методу, який полягае в роздшенш часток дослщного зразка за допомогою методу електрофорезу чи гельфшьтрацп;
- механiчного методу, який передбачае фшьтрацда, використання високоякюних систем для роздiлення компонентiв зразка по розмiрам;
- фiзичного методу, який базуеться на пiдборi специфiчно'i КТ пiд молекулу-аналiт, змiнюючи пара-метри КТ;
- електрохiмiчного методу, що полягае в викорис-таннi вольтамперометрп при проведенш аналiзу.
У даному метода як зазначалося ранiше, КТ засто-совуються як свГтловипромГнюючГ детекторнi елементи на речовини, що пщлягають визначенню. Принцип методу можна прошюструвати наступним рис. 8.
■ знаходження стехюметрп процесу.
Рис. 8. Алгоритм нанофотонного методу детектування полщи^чних ароматичних вуглеводжв
Оптимальш умови для реалiзацГi нанофотонного методу аналiзу включають в себе:
- данi, що характеризують аналiт (фiзико-хiмiчнi, спектральнi та енергетичш);
- вiдповiднi аналiту дат по детекторним елемен-там (КТ), тобто матерiал, покриття (оболонка), розмiр (радiус) i т.д.;
Висновок
Таким чином, з усього вищесказаного можна зро-бити висновок щодо можливостi використання за-пропонованого нанофотонного методу визначення оргашчних канцерогенiв для виконання аналгтичних завдань. Даний метод е високочутливим, селективним, експресним, економiчно та технолопчно виг1дним, тому е перспективним для подальших розробок. Метод може бути реалiзованим за допомогою в1дпов1дного на-нофотонного сенсору, розробка якого буде становити подальшi етапи нашо'i роботи.
Робота виконана в рамках мiжнародних проекпв УНТЦ № 4495 та № 5067 (керiвник проектiв д.ф.-м.н., проф. Рожицький М.М.)
Литература
1. Статистика рака в Украине // Бюлетень Нащонального канцер-реестру № 10 - Рак в Укра'т. - 2008-2009
2. World Health Organisation (WHO) / J. Kielhorn, A. Boechuke // Geneva -1998 123 - 152 p.
3. European Union Decision 2455/2001/EC of the European Parliament and of the Council // Off. J.Eur.Comm.L331. - 2001.
4. Wenzl T., Analytical methods for polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) in food and the environment needed for new food legistation in the European Union [Текст] / T. Wenzl, R. Simon, J. Kleiner, E. Anklam // Trends in Analytical Chemistry - 2006. -Vol. 25, No. 7. - C. 716-725.
5. Елецкий А.В., Углеродные нанотрубки [Текст] / А. В. Елецкий // УФН - 1997. - Т. 167, № 9. - с. 954
6. Burghard M., Electronic and vibrational properties of chemically modified single-wall carbon nanotubes / M. Burghard // Surface Sci. Rep. - 2005. - 58, N W. - P.1 - 109.
7. Odom T.W., Structure and electronic properties of carbon nanotubes [Текст] / T.W Odom, J.-L. Huang, P. Kim, C.M. Lieber // J.Phys.Chem.B. - 2000.- P. 2794-2809.
8. White C.T., Carbon nanotubes as long ballistic conductors [Текст] / C.T. White, T.N. Todorov // Nature. - р. 240.
9. Нанох1м1я наносистеми наноматер1али: наук. видання [Текст] / С.В. Волков, 6.П. Ковальчук, В.М. Огенко, О.В. Решетняк. - К. : Наук. думка, 2008. - с.109.
10. Bockrath M., Chemical doping of individual semiconducting carbon-nanotube ropes [Текст] / M. Bockrath, J. Hone, A. Zettl // Phys. Rev. B. - 2000. - P. R10606 - R10608.
11. Галайченко Е.Н., К возможности использования квантовых точек в качестве детекторных элементов нанотехнологических оптических сенсоров [Текст] / Е.Н, Галайченко, Н.Н. Рожицкий // Радиотехника.-2008.-№153.-С. 90-95.
