Способ формирования тест-устройства для определения ph во влажном воздухе
Владельцы патента RU 2445617:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Воронежский государственный технический университет" (RU)
Изобретение относится к аналитической химии применительно к определению кислотности сред, в частности, в воздухе рабочей зоны помещений (в том числе промышленных, в присутствии агрессивных сред). Способ включает приготовление матрицы (подложки) и нанесение на нее смеси растворов индикаторов, причем в качестве подложки используют наноструктурированный оксид алюминия, приготовленный путем анодирования алюминиевой фольги толщиной не менее 60 мкм в сульфосалициловой кислоте с концентрацией не более 0,6 моль/дм3, плотности анодного тока до 1 А/дм2 и времени анодирования 35-45 минут с последующим выдерживанием его в течение 20-24 часов в эквимолярной смеси водных растворов натрия 4-(4-диметиламинофенилазо) бензолсульфоната и 3',3'-дибромтимол-сульфофталеина с титром 1 г/мл; избыток растворов с поверхности подложки удаляют дистиллированной водой, сушку готового тест-устройства проводят в сушильном шкафу при температуре 50°С в течение 30-50 минут. Достигается повышение износоустойчивости и надежности работы устройства. 1 пр., 3 табл., 2 ил.
Изобретение относится к аналитической химии, к способам определения кислотности сред и может быть использовано в качестве тест-устройства для установления pH во влажном (от 30 до 100%) воздухе рабочей зоны помещений (в том числе промышленных, в присутствии агрессивных сред).
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является способ МПК7, G01N 31/22 (SU 1719985 A1) «Пластина для анализа компонентов жидких сред тест-методом» авторов Амелина В.Г., Березкина В.Г. (№99121921/04 заявл. 20.10.99, опубл. 10.10.00).
Недостатком прототипа является невозможность его использования для определения общего содержания кислотообразующих газов и паров в воздухе без предварительного концентрирования и сжижения пробы; хрупкость носителя смеси растворов индикаторов; низкая пористость (сорбционная емкость) матриц (носителя индикаторных слоев) и, как следствие, высокая десорбция растворов красителей; невозможность регенерации (однократность использования) и применения в агрессивных средах.
Технической задачей изобретения является разработка многоразового тест-устройства для определения pH во влажном воздухе, повышение износоустойчивости носителя индикаторных слоев и его сорбционной емкости.
Поставленная техническая задача достигается тем, что в способе формирования тест-устройства для определения pH во влажном воздухе, включающем приготовление матрицы из капиллярно-пористого материала и нанесение на нее смеси растворов индикаторов, новым является то, что в качестве матрицы используют наноструктурированный оксид алюминия, приготовленный путем анодирования алюминиевой фольги толщиной не менее 60 мкм в сульфосалициловой кислоте с концентрацией не более 0,6 моль/дм3, плотности анодного тока до 1 А/дм2 и времени анодирования 35-45 минут с последующим выдерживанием его в течение 20-24 часов в эквимолярной смеси водных растворов натрия 4-(4-диметиламинофенилазо) бензолсульфоната и 3',3'-дибромтимолсульфофталеина с титром 1 г/мл; избыток растворов с поверхности подложки удаляют дистиллированной водой, сушку готового тест-устройства проводят в сушильном шкафу при температуре 50°С в течение 30-50 минут.
Положительный эффект по предлагаемому способу достигается за счет того, что в качестве носителя используется наноструктурированный оксид алюминия (диаметр пор от 30 до 60 нм, глубина каналов до 15 мкм), что обеспечивает адсорбцию хромогенных реагентов не только на поверхности, но и в каналах матрицы, значительно повышает ее насыщение и, как следствие, увеличивается чувствительность индикаторов к изменению концентрации кислотообразующих газов и паров во влажном (от 30-100%) воздухе (pH). Кроме того, спектрофотометрическими исследованиями зафиксировано смещение характеристических длин волн в спектрах поглощения индикаторов - λмах (нм) при их нанесении на подложки, что позволяет предположить обратимое взаимодействие красителей со средой носителя (матрицей пористого оксида алюминия) и, как следствие, изменение первоначального интервала перехода окраски.
Технический результат заключается в разработке многоразового тест-устройства для определения pH во влажном воздухе, повышение износоустойчивости носителя индикаторных слоев и его сорбционной емкости.
Способ включает несколько стадий.
1 стадия: электрохимическое получение из алюминиевой фольги нано-структурированного оксида алюминия с диаметром пор от 30-60 нм. Плотность пор составляет 109-1010 пор/см2.
2 стадия: приготовление растворов pH-индикаторов (натрия 4-(4-диметиламинофенилазо)бензолсульфоната и 3',3'-дибромтимолсульфофталеина) с титром 1 г/мл и их смешивание в объемном отношении 1:1. Характеристика индивидуальных растворов индикаторов приведена в табл.1. - Характеристика индивидуальных растворов индикаторов, используемых для модификации наноструктурированного оксида алюминия.
3 стадия: выдерживание наноструктурированного оксида алюминия (подложки тест-устройства) в эквимолярной смеси растворов индикаторов в течение 24 часов с последующим удалением их избытка с поверхности пленки дистиллированной водой и сушкой в сушильном шкафу при температуре 50°С в течение 30 минут.
4 стадия: экспонирование полученного тест-устройства в парах модельных газовых смесей, которые готовили из растворов кислот и оснований таким образом, чтобы их концентрация в равновесной газовой фазе находилась в диапазоне 1,5-5 ПДКр.з.
5 стадия: сравнение полученных результатов эксперимента (изменение цвета наноструктурированного оксида алюминия, модифицированного растворами индикаторов) со стандартной шкалой цветности, соответствующей определенному значению pH. Для полуколичественной оценки интенсивности окраски модифицированных матриц рекомендуется использовать метод сканер-технологий с последующей цифровой обработкой изображений.
Пример
Электрохимическим способом формируют подложку оксида алюминия. Для этого проводят анодирование алюминиевой фольги толщиной 60 мкм в сульфосалициловой кислоте с концентрацией 0,6 моль/дм3 при плотности анодного тока 1 А/дм2 и времени анодирования 40 минут. Полученная пленка (подложка) имеет диаметр пор от 30 до 60 нм, что позволяет судить о получении наноструктурированного оксида алюминия. Сформированную подложку выдерживают в течение 24 часов в эквимолярной смеси водных растворов натрия 4-(4-диметиламинофенилазо)бензолсульфоната и 3',3'-дибромтимолсульфофталеина с титром 1 г/мл.
После извлечения матрицы оксида алюминия из смеси красителей проводят промывание пленки дистиллированной водой для удаления избытка раствора. Затем готовое тест-устройство сушат при температуре 50°С в течение 30 минут в сушильном шкафу.
Чувствительность сформированного тест-устройства к изменению концентрации ионов H+ в воздухе (общего содержания кислотообразующих газов) устанавливают на модельных газовых растворах аммиака (имитация основной реакции среды), уксусной кислоты (имитация кислой реакции среды) и дистиллированной воды (имитация нейтральной реакции среды). Концентрации паров аммиака и уксусной кислоты формируют в пределах от 1,5-5 ПДКр.з., что позволит смоделировать критические (предельные) условия работы в присутствии агрессивных сред. Исследования проводили при комнатной температуре (22±3°С).
В ходе эксперимента установлено, что тест-устройство на основе нано-структурированного оксида алюминия, модифицированного смесью растворов натрия 4-(4-диметиламинофенилазо)бензолсульфоната и 3',3'-дибром-тимолсульфофталеина с титром 1 г/мл, проявляет видимое изменение окраски поверхности при переходе из одной среды в другую, причем эти изменения носят обратимый характер (табл.2 - Характеристика предложенного тест-устройства для определения кислотности воздуха).
При смешивании растворов индикаторов в растворителях с умеренной способностью к сольватации ионные пары обоих типов могут сосуществовать в равновесии друг с другом. Кроме того, сольватно разделенные формы могут различаться по своей окраске от контактных ионных пар, что и вызывает смещение максимумов спектров поглощения и, как следствие, интервала перехода окраски. Методом молярных отношений установлено, что в исследуемой реакционной системе образуется ионный ассоциат состава 1:1, рис.1 - Схема взаимодействия 4-(4-диметиламинофенилазо)бензолсульфоната с 3',3'-дибромтимолсульфофталеином с образованием ионных пар.
Использование в качестве подложки (матрицы) наноструктурированного оксида алюминия позволяет равномерно заполнить все микропоры пленки растворами индикаторов, а высокая воспроизводимость ее морфологии (относительная погрешность воспроизведения морфологии поверхности при заполнении пор не превышает ±2,4%) обеспечивает возможность серийного изготовления таких тест-устройств для определения pH во влажном воздухе, рис.2 - Структура профиля наноструктурированного оксида алюминия, модифицированного смесью индикаторов. Сравнительная характеристика заявляемого способа и прототипа приведена в табл.3. - Сравнение заявляемого способа и прототипа.
Таким образом, из примера, табл.1-3, рис.1, 2 следует, что разработанное тест-устройство позволяет определять pH во влажном (от 30-100%) воздухе от кислой реакции среды до нейтральной и щелочной, характеризуется способностью к регенерации, высокой износоустойчивостью, быстрым временем реакции и может быть применено для установления уровня кислотности воздуха и оценки общего содержания кислотообразующих газов.
| Таблица 1 | ||||
| Название индикатора | Формула | Цвет индикатора в различных средах | ||
| Кислая | Нейтральная | Щелочная | ||
| натрия 4-(4-диметилами-нофенилазо)бензолсульфонат | C14H14N3NaO3S | Красный (pH<3,1) | Оранжевый (3,1<pH<4,4) | Желтый (pH>4,4) |
| 3',3'-дибромтимолсульфофталеин | C27H28Br2O5S | желтый (pH<5,8) | Зеленый (5,8<pH<7,6) | Синий (pH>7,6) |
| Таблица 2 | ||
| Цвет при | Цвет при | Цвет при |
| pH<7 | pH=7 | pH>7 |
| Фиолетовый | Золотисто-коричневый | Болотный |
| Таблица 3 | |||||||
| Способ | Возможность использования в агрессивных средах | Хрупкость носителя инд. раствора | Возможность определения кислотности воды | Возможность определения кислотности воздуха | Устойчивость к вымыванию | Возможность регенерации | Возможность градуировки |
| Прототип | - | + | да (однократно) | - | - | - | + |
| Предлагаемый | + | - | да (до 10 раз) | + (многократно) | + (десорбция 6%) | + | + |
Способ формирования тест-устройства для определения pH во влажном воздухе, включающий приготовление матрицы (подложки) и нанесение на нее смеси растворов индикаторов, отличающийся тем, что в качестве подложки используют наноструктурированный оксид алюминия, приготовленный путем анодирования алюминиевой фольги толщиной не менее 60 мкм в сульфосалициловой кислоте с концентрацией не более 0,6 моль/дм3, плотности анодного тока до 1 А/дм2 и времени анодирования 35-45 мин с последующим выдерживанием его в течение 20-24 ч в эквимолярной смеси водных растворов натрия 4-(4-диметиламинофенилазо)бензолсульфоната и 3',3'-дибромтимол-сульфофталеина с титром 1 г/мл; избыток растворов с поверхности подложки удаляют дистиллированной водой, сушку готового тест-устройства проводят в сушильном шкафу при температуре 50°С в течение 30-50 мин.
