Диссоциативный люминесцентный наносенсор ионов металлов и водорода в водных растворах
Владельцы патента RU 2456579:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики" (НИУ ИТМО) (RU)
Изобретение относится к химическим сенсорам. Наносенсор ионов металлов и водорода в водных растворах включает в себя полупроводниковые нанокристаллы (квантовые точки, КТ), связанные посредством координационной связи с молекулами органического красителя в комплекс, в котором собственная люминесценция КТ отсутствует. Комплексы КТ и молекул органического красителя совместно с неполярным растворителем введены в микропоры гидрофобного пористого материала, а анализируемый водный раствор должен быть в непосредственном контакте с внешней поверхностью гидрофобного пористого материала или в его порах. При наличии в водной среде определяемых ионов молекулы красителя образуют комплексы с этими ионами, при этом возникает люминесценция КТ. Технический результат - повышение чувствительности и скорости определения ионов металлов и водорода в водных растворах. 5 ил.
Изобретение относится к устройствам и материалам для качественного и количественного анализа ионов металлов или ионов водорода в анализируемой пробе (химическим сенсорам) и может быть использовано в медицине, биологии, экологии и различных отраслях промышленности.
Известны люминесцентные сенсоры, принцип обнаружения ионов металлов с помощью которых основан на изменении при взаимодействии с ионами интенсивности люминесценции входящих в состав сенсоров полупроводниковых нанокристаллов, образующих комплексы с органическими красителями (например, вследствие внутреннего экранирования, безызлучательной рекомбинации, переноса электрона, пассивирования поверхностных ловушек/дефектов нанокристаллов [1] (M.F.Frasco and N.Chaniotakis, Semiconductor Quantum Dots in Chemical Sensors and Biosensors // Sensors. 2009. V.9. P.7266-7286).
Известны люминесцентные сенсоры, содержащие способные люминесцировать полупроводниковые нанокристаллы (например, квантовые точки (КТ)) и органические молекулы, с которыми нанокристаллы образуют комплексы, а изменение интенсивности люминесценции КТ при наличии аналита в пробе обусловлено диссоциацией комплексов в присутствии определяемого аналита (диссоциативные люминесцентные наносенсоры) с соответственным изменением эффективности переноса энергии между молекулой и нанокристаллом [2] (патент США № US/2007/212746, МПК C12Q 1/46, С12М 3/00, заявка 11/684109, дата публикации 13.09.2007, дата приоритета 09.03.2007), [3] (патент WO/2006/083269, МПК G01N 33/00, G01N 33/53, G01N 33/553, заявка PCT/US 2005/016818, дата публикации 10.08.2006, дата приоритета 13.05.2005), [4] (патент США №US/2006/0183247, МПК G01N 33/553, заявка 11/355069, дата приоритета 16.02.2006), [5] (заявка на патент США №20090200486, дата публикации 13.08.2009, дата приоритета 13.02.2009), [6] (патент WO/02/100805, МПК С07С, заявка PCT/US 02/18760, дата публикации 19.12.2002, дата приоритета 13.06.2001). Согласно описанию к этому патенту сенсор представляет собой комплекс полупроводниковой наночастицы и органического люминофора или металлической наночастицы, связанных с помощью лиганда, способного также к образованию комплексов с молекулами анализируемого вещества, причем степень его связывания с молекулами аналита выше, чем степень связывания с полупроводниковым нанокристаллом. Собственная люминесценция полупроводниковой наночастицы в комплексе с органическим люминофором частично потушена в результате безызлучательного переноса энергии внутри комплекса. При добавлении в пробу аналита происходит диссоциация комплекса, приводящая к увеличению интенсивности люминесценции полупроводниковой наночастицы, которое регистрируется как признак наличия аналита и может служить для количественной оценки его концентрации. Чувствительность и точность определения аналита с помощью такого сенсора принципиально ограничены тем, что КТ, входящие в состав сенсора, люминесцируют как в присутствии аналита в пробе, так и в его отсутствие, и наличие аналита в пробе определяется по изменению интенсивности люминесценции полупроводниковых нанокристаллов (разностный метод). В большинстве случаев сенсоры реализованы на основе однофазных (неструктурированных) растворов, что ограничивает возможность их неоднократного использования (обратимости).
Наиболее близок к заявляемому изобретению и принят в качестве прототипа диссоциативный люминесцентный наносенсор, в котором люминесценция КТ регистрируется только в присутствии ионов металлов или протонов (реализован нуль-метод), а в отсутствие ионов КТ образуют нелюминесцирующие комплексы с органическим красителем [7] (заявка на патент РФ №2008147101, МПК G01N 21/62, дата приоритета 19.11.2008 г., решение о выдаче патента на изобретение от 13.10.2010 г.).
Комплексы помещены в полимерную пленку, которая омывается раствором, содержащим подлежащие определению ионы. Прототип имеет следующие недостатки: скорость отклика сенсора на определяемые ионы мала из-за низкой проницаемости сплошной (непористой) полимерной пленки, удерживающей комплексы КТ и красителя, для молекул и ионов; чтобы достичь максимальной интенсивности люминесценции нанокристаллов при использовании сенсора-прототипа, требуется пребывание полимерной пленки с комплексами в контакте с водным раствором в течение нескольких часов; материал пленки не инертен по отношению к КТ, что приводит к уменьшению квантового выхода их люминесценции и, следовательно, к падению чувствительности сенсора.
Технической задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является повышение чувствительности и скорости определения ионов.
Поставленная задача достигается тем, что содержащиеся в диссоциативном люминесцентном наносенсоре ионов металлов и водорода в водных растворах комплексы полупроводниковых нанокристаллов и молекул органического красителя, связанных координационной связью с находящимися на поверхности нанокристаллов ионами металла, в присутствии ионов металлов и водорода в водных растворах диссоциирующие с появлением люминесценции, введены совместно с неполярным растворителем в микропоры гидрофобного пористого материала, а анализируемый водный раствор должен быть в непосредственном контакте с внешней поверхностью гидрофобного пористого материала или в его порах.
Сущность предлагаемого изобретения состоит в том, что комплексы нанокристаллов и молекул красителя находятся в микропорах гидрофобного пористого материала (гидрофобной мембраны) совместно с неполярным растворителем, а подлежащий анализу водный раствор (полярная среда) находится в контакте с внешней поверхностью этого пористого материала или в его порах (омывает внешнюю поверхность материала или внутреннюю поверхность его пор). Таким образом, они контактируют с комплексами, но не смешиваются с неполярным растворителем. Пористые мембраны применяются для осуществления массопереноса между несовместимыми (полярной и неполярной) жидкими фазами: мембрана удерживает в своих микропорах неполярную жидкость и при этом омывается полярной жидкостью, не способной проникнуть в микропоры (патент РФ №2109555, дата приоритета 25.12.1996 г., патент РФ №2219525, дата приоритета 29.01.2002 г.). Применение такой мембраны в конструкции диссоциативного люминесцентного сенсора позволяет значительно повысить его быстродействие (минуты вместо часов) благодаря более высокой подвижности компонент в жидких растворах по сравнению с полимерной пленкой. Некоторые из возможных вариантов архитектуры пористых мембран показаны на фиг.1. Работоспособность технического решения и значительно более высокие, чем у прототипа, чувствительность и скорость отклика подтверждаются примером.
Сущность изобретения поясняется фиг.1-5, на которых представлены:
на фиг.1. - схематические изображения некоторых вариантов архитектуры микропористых мембран;
на фиг.2. - структурная формула 1-(2-пиридилазо)-2-нафтола (ПАН);
на фиг.3. - изображение фрагмента микропористой мембраны 25×25 мкм, полученное с помощью конфокального сканирующего микроскопа Zeiss LSM710. Темные области - микропоры, заполненные люминесцирующим гидрофобным раствором;
на фиг.4. - спектры люминесценции наносенсора на основе пористой мембраны при различных концентрациях ионов кобальта в пробе: 0,5×10-7 и 5×10-6 M;
на фиг.5. - зависимость относительной интенсивности люминесценции наносенсора от концентрации ионов кобальта в анализируемой пробе.
Пример.
Раствор координационных комплексов КТ и органических молекул в гидрофобном растворителе помещен в пористую мембрану толщиной 2 мкм со средним диаметром пор 0,5 мкм, изготовленную путем спекания порошка политетрафторэтилена на кварцевой подложке. Были использованы КТ CdSe/ZnS диаметром 2,5 нм с максимумом люминесценции 530 нм, синтезированные в соответствии с известной процедурой (SukhanovaA., BaranovA.V., et al. Controlled Self-Assembly of Nanocrystals into Polycrystalline Fluorescent Dendrites with Energy-Transfer Properties. Angew. Chemie Int. Ed. 2006. V.45. №13. P.2048-2052). В качестве органического красителя использовался 1-(2-пиридилазо)-2-нафтол (ПАН). Структурная формула ПАН приведена на фиг.2. ПАН нерастворим в воде, но может экстрагировать из водной среды в хлороформ, бензол, четыреххлористый углерод и т.д. ионы многих металлов и образовывать с ними хелатные комплексы, в которых ионы металлов замещают водород оксигруппы и координационно связываются с атомами азота азогруппы. Микропористая мембрана (фиг.3) была помещена под углом ~45° в стандартную спектроскопическую кювету 10×10 мм с дистиллированной водой. После этого мембрана пропитывалась 5 мкл раствора комплексов КТ:ПАН с соотношением компонент 2:5 (2,4×10-3 M КТ, 6×10-3 М ПАН) в толуоле. При данном соотношении молярных концентраций КТ и ПАН и достаточно больших абсолютных значениях концентраций в толуольном растворе с комплексами КТ/ПАН люминесценция КТ отсутствовала. Для регистрации спектров люминесценции кювету с пропитанной мембраной и дистиллированной водой помещали в кюветное отделение спектрофлуориметра "Флюорат-2-Панорама" (Люмэкс, Россия). Для получения зависимости интенсивности люминесценции от концентрации ионов кобальта в анализируемой пробе в дистиллят, окружающий мембрану с раствором комплексов КТ:ПАН в толуоле, порционно добавлялся концентрированный раствор азотнокислого кобальта (концентрация 3×10-4 М). Таким образом, концентрация ионов кобальта в анализируемой пробе менялась от 0 до 10-5 М. Спектры люминесценции регистрировались через 2 минуты после каждой добавки в анализируемую пробу концентрированного раствора азотнокислого кобальта. На фиг.4 приведены спектры люминесценции при различных концентрациях ионов кобальта в пробе: 0, 5×10-7, 5×10-6 M. Видно, что увеличение концентрации ионов кобальта в пробе приводит к существенному увеличению интенсивности люминесценции, а в их отсутствие интенсивность люминесценции равна нулю, при этом нескольких минут после приведения пробы в контакт с мембраной вполне достаточно для появления регистрируемого люминесцентного отклика. На фиг.5 приведена зависимость относительной интенсивности люминесценции наносенсора от концентрации ионов кобальта в анализируемой пробе.
Таким образом, предлагаемое изобретение характеризуется повышенной чувствительностью и скоростью определения ионов металлов и водорода и обеспечивает возможность регенерации и повторного использования сенсора: сравнимый люминесцентный отклик на определяемые ионы наблюдается при концентрации ионов в пробе на два порядка величины ниже, чем в прототипе (10-6-10-7 против 10-4-10-5 М/л), притом что считывание результатов производилось по истечении значительно меньшего времени.
Источники информации
1. M.F.Frasco and N.Chaniotakis. Semiconductor Quantum Dots in Chemical Sensors and Biosensors // Sensors. 2009. V.9. P.7266-7286.
2. Патент США №US/2007/212746, кл. C12Q 1/46, С12М 3/00, заявка 11/684109, дата публикации 13.09.2007, дата приоритета 09.03.2007.
3. Патент WO/2006/083269, МПК G01N 33/00, G01N 33/53, G01N 33/553, заявка PCT/US 2005/016818, дата публикации 10.08.2006, дата приоритета 13.05.2005.
4. Патент США №US/2006/0183247, МПК G01N 33/553, заявка 11/355069, дата приоритета 16.02.2006.
5. Заявка на патент США №20090200486, дата публикации 13.08.2009, дата приоритета 13.02.2009.
6. Патент WO/02/100805, МПК С07С, заявка PCT/US02/18760, дата публикации 19.12.2002, дата приоритета 13.06.2001.
7. Заявка на патент РФ №2008147101, МПК G01N 21/62, дата приоритета 19.11.2008 г., решение о выдаче патента на изобретение от 13.10.2010 г.
Диссоциативный люминесцентный наносенсор ионов металлов и водорода в водных растворах, содержащий комплексы полупроводниковых нанокристаллов и молекул органического красителя, связанных координационной связью с находящимися на поверхности нанокристаллов ионами металла, в присутствии ионов металлов и водорода в водных растворах диссоциирующие с появлением люминесценции, отличающийся тем, что комплексы полупроводниковых нанокристаллов и молекул органического красителя введены совместно с неполярным растворителем в микропоры гидрофобного пористого материала, а анализируемый водный раствор должен быть в непосредственном контакте с внешней поверхностью гидрофобного пористого материала или в его порах.
