Хемочувствительные гетерогенные наноструктуры для люминесцентных сенсоров загрязнения водных сред

Chemo sensitive heterogeneous nanostructures for luminescent sensors of aqueous media pollutions

Sergeev Aleksandr

Candidate of Physical sciences, researcher, Far Eastern Federal University, Russia, Vladivostok

Sergeeva Ksenia

Junior researcher, Far Eastern Federal University, Russia, Vladivostok

Dubinkina Ekaterina

Candidate of Physical sciences, junior researcher, Far Eastern Federal University, Russia, Vladivostok

Tolstonogov Anton

Researcher, Far Eastern Federal University, Russia, Vladivostok

Kulchin Yuri

Doctor of Physical sciences, professor, Far Eastern Federal University, Russia, Vladivostok

Аннотация. Работа посвящена созданию и исследованию нового типа чувствительного элемента люминесцентной сенсорной системы для ионов металлов в водных растворах, который представляет собой гидрофильный полимер, модифицированный ионочувствительным индикатором. Результаты комплексного исследования основных характеристик люминесценции: времени жизни, спектра возбуждения и излучения чувствительного элемента в присутствии аналита различной концентрации демонстрируют возможность проведения как качественного, так и количественного определения концентрации ионов металлов в водных растворах.

Abstract. Here we report a novel sensitive element of luminescent sensor system for the detection of metal ions in aqueous solution. This sensitive element is based on a hydrophilic polymer film which modified by ion-sensitive luminescent indicator. In an analyte presence a changing of the basic luminescence parameters such as luminescence lifetime, emission and excitation spectrum occurs. It was shown that complex analysis of luminescence parameters of sensitive element in analyte presence allows to perform qualitative and quantitative measurements of metal ions in aqueous solutions.

Ключевые слова: биополимер; хитозан; сенсор; люминесценция; ионы металлов.

Keywords: biopolymer; chitosan; sensor; luminescence; metal ions.

В настоящее время методы аналитической химии позволяют эффективно определять наличие широкого спектра ионов тяжелых металлов в водных растворах [1, с. 129]. При этом, измерения проводятся с использованием индикаторов[2, с. 59], изменяющих люминесценцию в присутствии ионов определяемого вещества (аналита)[3, с. 20]. Однако данный метод, требует проведения исследований в лабораторных условиях, и трудно адаптируем для реальной среды. В этой связи, разработка новых чувствительных элементов оптических сенсоров и организации сенсорной системы в целом, позволяющей совместить чувствительность аналитических методов с возможностью проведения измерений в реальных условиях является актуальной.

В данной работе приведены результаты разработки и исследо­вания нового чувствительного элемента для определения ионов металлов в водных растворах, представляющего собой тонкую пленку из гидрофильного биополимера, модифицированную ионочувстви­тельным люминофором. Показана возможность использования основных характеристик люминесценции индикатора в качестве информативных параметров при регистрации сенсорного отклика. В качестве примера, иллюстрирующего перспективность применяемых подходов, представ­лены результаты определения ионов меди в водных растворах при помощи 2-(бензоиламино)-3-[4-(диметиламино)фенил]-акриловой кислоты – люмокупферона, внедренного в хитозановую матрицу.

Для получения чувствительных структур использовался 1% водный раствор высокомолекулярного хитозана (степень деацети­лирования 80%, молекулярная масса ≈10⁶ Да) в 1% уксусной кислоте, в который при интенсивном помешивании добавлялся насыщенный раствор люмокупферона в ацетоне. Чувствительные структуры наносились на кремниевые подложки размером 1х1 см. Подложки предварительно обрабатывались раствором NH₄OH/H₂O₂/H₂O (1:1:1) в ультразвуковой бане в течение двух часов, промывались дистилли­рованной водой и высушивались в сушильном шкафу при температуре 100 °C в течение 12 часов. Для формирования структур однородной толщины использовался метод центрифу­гирования при угловых скоростях 1000 об./мин. в течение двух минут. Толщина полученных структур составила 500 нм.

Растворы ионов меди требуемой концентрации получались путем растворения Cu(NO₃)₂ в деионизированной воде при различном молярном соотношении.

Исследования люминесцентных и сенсорных характеристик проводились на спектрофлуориметре Horiba Fluorolog3 (Япония). Спектры люминесценции регистрировались с шагом 1 нм, при времени усреднения 0.1 с. Исследования кинетики формирования сенсорного отклика проводились на максимуме эмиссии комплекса λ = 450 нм, при длине волны возбуждающего излучения λ = 340 нм. Исследования кинетики затухания люминесценции проводились методом временно-коррелированного счета единичных фотонов с наносекундным диодом (λ = 340 нм) в качестве источника излучения.

В настоящее время флуоресцентные измерения химических веществ в водном растворе основаны на измерении интенсивности или спектра люминесценции хемочувствительной структуры в присут­ствии аналита [4, с. 1568]. В случае люмокупферона в присутствии ионов меди происходит образование хорошо люминесцирующего фотодимера из слабо люминесцирующей формы реактива (рис. 1).

Можно видеть, что при внедрении в хитозановую матрицу люмокупферон сохраняет свою чувствительность. В присутствии ионов меди максимум люминесценции смещается в длинноволновую область, а интенсивность люминесценции увеличивается. Сенсорный отклик имеет ярко выраженную концентрационную зависимость, что выражается в увеличении интенсивности люминесценции при повышении концентрации аналита. Рабочий диапазон чувствительных структур составляет 1-300 мкМ, выше которого наступает режим насыщения(рис.1б).

Нами установлено, что сенсорные характеристики хемочувст­вительного покрытия могут быть дополнительно улучшены путем комплексного анализа спектров возбуждения и излучения. Это связано с тем, что образование димерной формы люмокупферона приводит не только к изменению характеристик спектра люминесценции чувствительного покрытия, но и к изменению его спектра возбуждения (рис. 2а). В присутствии ионов меди происходит смещение спектра возбуждения люминесценции чувствительного покрытия в длинно­волновую область на величину не менее 40 нм, сопровождаемое увеличением эффективности возбуждения люминесценции.

а)                                                                 б)

Рисунок 1. (а) изменение спектра эмиссии люминесценции хемочувствительных структур в присутствии ионов меди;
(б) зависимость интенсивности люминесценции хемочувствительных структур от концентрации аналита

Сравнение величин сенсорного отклика при регистрации спектров эмиссии и возбуждения (рис. 2б) демонстрируют возможность амплитудного усиления сенсорного отклика сенсорного отклика при регистрации спектров возбуждения. В то же время, чувствительность структур, характеризуемая как тангенс угла наклона зависимости оптического отклика от концентрации аналита при регистрации спектров возбуждения люминесценции сохраняется на том же уровне, что и при регистрации спектров эмиссии.

а)                                                                                б)

Рисунок 2. (а) изменение спектра возбуждения люминесценции хемочувствительной структуры в присутствии аналита;
(б) величина сенсорного отклика хемочувствительных покрытий при различных способах регистрации параметров люминесценции

Известна проблема ухудшения характеристик оптических сенсоров при длительном воздействии лазерного излучения [5, с. 318], возникающего вследствие деградации индикатора. Нами предложено использование коротких лазерных импульсов, с одной стороны, уменьшающих тепловое воздействие на люминофор, предотвращая его деградацию, а с другой – позволяющих определить время жизни люминесценции хемочувствительных структур.

Проведенные исследования показали, что в присутствии ионов меди с концентрацией 0,01 мг/л происходит уменьшение времени жизни люминесценции хемосенсорных структур с 430 нс до 150 нс (рис.3). При этом функция затухания люминесценции структур в исходном состоянии близка к экспоненциальной, ав присутствии аналита у нее появляется два линейных участка с точкой перегиба в районе 30 нс.

Рисунок 3. Изменение времени жизни люминесценции хемочувствительных структур в присутствии 100 мкМ ионов меди

Кроме того, спустя 15 нс после возбуждающего импульса, происходит увеличение интенсивности люминесценции в присутствии аналита по отношению к базовому значению. Обнаруженные изменения характеристик времени жизни люминесценции в присутствии ионов меди могут быть использованы для увеличения селективности полученных хемосенсорных структур. Поскольку время жизни люминесценции является одной из основных характеристик вещества, зависящей от его химического состава, а образование люминесци­рующего димера люмокупферона происходит только в присутствии ионов меди, измерение времени жизни люминесценции на различных временных отрезках после возбуждающего импульса является хорошим методом для селективного определения меди (рисунок 4).При этом, предложенный метод позволяет детектировать наличие ионов меди в анализируемом растворе даже в присутствии таких ионов как Fe²⁺, Pb²⁺ и Al³⁺, зашумляющих сенсорный отклик люмокупферона [1, c.129].

а)                                                                 б)

Рисунок 4. Значения времени жизни люминесценции хемочувствительного покрытия на различных временны́х промежутках: а) 0-10 нс; б) 10-450 нс.

Таким образом, можно выделить как минимум три ключевых фактора при анализе графика времени жизни люминесценции чувстви­тельного покрытия, которые могут служить в качестве дополни­тельных информативных параметров при регистрации сенсорного отклика: значение времени жизни люминесценции, характер кривой затухания, интенсивность люминесценции в течение примерно 15 нс и 450 нс после возбуждающего импульса.

Полученные результаты исследования изменения в присутствии ионов меди спектральных характеристик люминесценции хемочувст­вительных структур, образованных из тонкой пленки хитозана, модифицированной люмокупфероном, позволяют выделить нескольких основных характеристик в качестве информативных параметров при регистрации сенсорного отклика. К ним можно отнести интегральную интенсивность люминесценции и спектральное положение ее максимума, совокупность которых обеспечивает проведение как качественного, так и количественного определения концентрации ионов меди в водных растворах. Такие характеристики, как значение времени жизни люминесценции и характер кривой затухания относительно базовой, могут обеспечивать повышение чувствительности, избирательности и надежности измерительной системы, даже в присутствии ионов металлов, традиционно считав­шихся зашумляющими сенсорный отклик.