Твердофазна мікроекстракція альдегідів на органокремнеземних покриттях з хроматографічним визначенням

Мосендз А. О. Твердофазна мікроекстракція альдегідів на органокремнеземних покриттях з хроматографічним визначенням : дис. … доктора філософії : 102 Хімія / Мосендз Анастасія Олександрівна ; наук. кер. М. Ф. Зуй. Київ, 2025. 163 с.

Дана робота стосується розробки методик визначення альдегідів, які присутні в широкому колі реальних об’єктів, від природних вод і напоїв та продуктів харчування, до біологічних зразків, і які зазвичай знаходяться в мікрокількостях. Альдегіди можуть виступати як важливими компонентами, що визначають аромати напоїв, біомаркерами, що вказують на окисний стрес, на хвороби серцево-судинної, ендокринної, імунної систем або виступати як органічні екотоксиканти. Таке широке коло об’єктів робить важливим розробку нових методів визначення окремих альдегідів і їх сумішей в різних зразках, наприклад, в біологічних рідинах: плазмі крові, сечі, в природних водах і повітрі, в харчових продуктах і добавках, безалкогольних напоях з метою підвищення чутливості і селективності, спрощення проведення хімічного аналізу. В даній роботі розроблені нові ефективні і прості методи визначення ароматичних альдегідів в безалкогольних напоях та діальдегідів в біологічних рідинах.
Відділення аналітів від матриці зразку як правило реалізується на етапі пробопідготовки, і враховуючи низькі рівні концентрації альдегідів в реальних зразках, використання методів мікроекстракції є найбільш доцільним. Методи мікроекстракції мають загальний підхід – відбувається вилучення компонентів у невеликі кількості розчинників чи сорбентів – на рівні 1-10 мл, мкл, мг чи навіть мкг. В даній роботі було віддано перевагу варіанту твердофазної мікроекстракції (ТФМЕ), яка полягає в сорбції (залежно від матеріалу покриття – адсорбція на поверхні чи абсорбція в глибину) визначуваних сполук в тонкий шар покриття.
Було досліджено мікроекстракцію ароматичних альдегідів, діальдегідів на комерційно доступних покриттях. Також були отримані методом золь-гель синтезу нові органокремнеземні покриття, модифіковані силоксанами з різними функціональними групами. Досліджено сорбційні властивості синтезованих покриттів (адсорбцію та абсорбцію речовин), вивчено вплив органічних розчинників на стійкість покриттів, показано вплив різних чинників: часу, висолювача, рН, об’єму розчину на ефективність вилучення альдегідів у їх дериватизованій формі з О-(2,3,4,5,6-пентафлуоробензил)гідроксиламіном (ПФБГА), наведено можливий зв’язок вилучення аналітів на синтезовані покриття з величинами коефіцієнтів гідрофобності цих сполук.
Для одержання аналітичного відгуку безпосереднє вимірювання аналітів для одержання аналітичного відгуку за розробленими методиками проводили з використанням рідинної хроматографії та газової хроматографії. У проміжних дослідженнях сорбції на синтезованих покриттях було використано спектрофотометрію, що дозволило більш ефективно оптимізувати умови проведення мікроекстракції. Було проведено дослідження сорбції спершу «модельних сполук» - барвників різної полярності, переважно 1-фенілазо-2-нафтолу (Судану І), як сполуки подібної за будовою до дериватизованих альдегідів, але сорбція яких не ускладнена проходженням реакції дериватизації. Після цього було досліджено сорбцію альдегідів у їх дериватизованій формі, розроблено методику їх визначення на синтезованих покриттях. Було оцінено перспективи подальшого використання синтезованих покриттів при виготовленні волокон для класичної твердофазної мікроекстракції і для мікроекстракції на покриттях на якірцях магнітної мішалки. Відомі комерційні покриття для мікроекстракції мають обмежений вибір, тому синтез і застосування нових покриттів з метою використання для твердофазної мікроекстракції залишаються важливими і перспективними.
У вступі обґрунтовано актуальність обраної теми, встановлено мету та завдання дослідження, визначено наукову новизну і практичну значимість отриманих результатів.
У першому розділі розглянуті основні принципи методу твердофазної мікроекстракції, різновиди методу, більш детально охарактеризовано найбільш поширений метод – волоконну твердофазну мікроекстракцію, принцип дії якої полягає в сорбції аналітів на полімерне покриття, нанесене на тонке металеве або кремнеземне волокно, яке знаходиться всередині голки спеціального пристрою для мікроекстракції, дуже схоже на мікрошприц для газової хроматографії. Показано можливості методу волоконної твердофазної мікроекстракції для сорбції аналітів різної природи, наведено комерційні типи покриттів. Охарактеризовано і інший метод твердофазної мікроекстракції, а саме мікроекстракцію на покриттях на якірцях магнітних мішалок, що також є комерційними. Описано переваги і недоліки даних методів пробопідготовки, що широко використовують як для концентрування аналітів зі зразків, так і для очистки зразків і відділення аналітів від складної матриці. В роботі вказано на необхідність пошуку нових сорбційних покриттів полімерної органічної і органокремнеземної природи, які можна було б використовувати для сорбції гідрофобних і гідрофільних аналітів.
В роботі детально описано метод золь-гель синтезу, який використовують для синтезу нових органокремнеземних покриттів. Наведено складові синтезу – основний полімер - ПДМС з кінцевими ОН-групами, базовий прекурсор – метилтриметоксисилан, метилтриетоксисилан, інші прекурсори, наприклад, титан-ізопропоксид, амінопропілтриетоксисилан, каталізатор, порогени, органічні розчинники. Розглянуто, з якою метою використовують різні прекурсори, як впливає на морфологію покриттів рН середовища, додавання розчинників, порогенів, каталізаторів, температура висушування. Описано методи нанесення покриттів, відомі в літературі.
В першому розділі розглянуто також властивості альдегідів, деякі з них є біомаркерами окисного стресу, різних важких хвороб, і за їх вмістом в біологічних рідинах можна контролювати рівень захворювань. З іншого боку карбонільні сполуки – відомі екотоксиканти, вони є причиною смогів в повітрі великих міст і промислових зонах, альдегіди є відомими забрудниками приміщень, можуть викликати алергію і шкіряні подразнення. Ці дані вказують на важливість пошуку нових високоефективних методів пробопідготовки і визначення альдегідів, адже хімічний аналіз карбонільних сполук в реальних зразках є непростою задачею, це пов’язано з їх низьким вмістом в зразках, високою реакційною здатністю, леткістю, значною полярністю.
У другому розділі наведено реактиви, які використовували в роботі, описано методики приготування розчинів, що були використані в ході проведення досліджень. Наведено органічні розчинники та використане обладнання для проведення мікроекстракції, умови вимірювання аналітичного сигналу. Також в даному розділі наведено детальний опис синтезу, нанесення, висушування нових органокремнеземних покриттів на якірці магнітної мішалки та на скельця як тонкі плівки, які були досліджені і застосовані в подальшій роботі.
У третьому розділі головна увага прикута до оптимізації методу волоконної твердофазної мікроекстракції ароматичних альдегідів, а саме бензальдегіду, 2-фуральдегіду, 2,4-диметилбензальдегіду, 4-метоксибензальдегіду і діальдегідів малондіальдегіду, гліоксалю, метилгліоксалю у формі дериватів з використанням комерційних волокон з полідиметилсилоксан/дивінілбензольним (ПДМС/ДВБ) покриттям. Були оптимізовані наступні параметри дериватизації з О-(2,3,4,5,6-пентафлуоробензил)-гідроксиламіном - рН, тривалість дериватизації, надлишок дериватизуючого агенту, і параметри твердофазної мікроекстракції – температура, тривалість сорбції, концентрація висолювача натрій хлориду. Показано, що для дериватизації досліджуваних карбонільних сполук необхідний п’яти- або десятикратний мольний надлишок дериватизуючого реагенту по відношенню до альдегідів, дериватизація відбувається найбільш повно у водному розчині найбільш повно при рН 4 впродовж 20 хв. Щодо процесу сорбційного вилучення, то досліджували твердофазну мікроекстракцію аналітів в парофазному варіанті. При цьому оптимальною є підвищена температура 60°С– 80°С, тривалість сорбції 30 хв і додавання висолювача натрій хлориду. Мікроекстракція відбувалася послідовно після проведення дериватизації в розчині. Відмінності у твердофазній мікроекстракції ароматичних альдегідів і діальдегідів стосуються в першу чергу різної температури сорбційного вилучення і різного вмісту висолювача у водному розчині аналітів, що пов’язано з природою аналітів, оскільки деривати діальдегідів є менш леткими і легше витісняються з ПДМС/ДВБ покриття, тому мають трохи нижче вилучення порівняно з ароматичними альдегідами. Розраховані кількісні характеристики твердофазної мікроекстракції альдегідів – рівняння градуювальних графіків, лінійні діапазони концентрацій, межі виявлення за 3s-критерієм, межі визначення, ступені вилучення і коефіцієнти концентрування. Дієвість розроблених методик ТФМЕ у поєднанні з газовою хроматографією підтверджена результатами аналізу реальних зразків чаю і кави – при визначенні фурфуралю і бензальдегіду, результатами аналізу модельного розчину плазми крові – при визначенні діальдегідів. Розроблені методики мають перевагу у простоті виконання, відповідності вимогам «зеленої хімії»: відсутності застосування токсичних органічних розчинників, використанні малих кількостей зразків і реактивів, уникненні впливу складної матриці біологічних та інших реальних зразків, легкості поєднанні з хроматографічним аналізом.
У четвертому розділі описано процес отримання сорбційних покриттів з використанням золь-гель синтезу і охарактеризовано нові покриття за допомогою різних фізичних методів. В роботі синтезовано і досліджено органокремнеземні полімерні покриття на скляних пластинках та на якірцях магнітних мішалок, для їх використання у різних варіантах твердофазної мікроекстракції. Підібрано оптимальний склад та умови проведення золь-гель синтезу органокремнеземних покриттів, умови їх нанесення у вигляді тонких плівок на якірці магнітної мішалки. Отримано покриття на основі полідиметилсилоксану на якірцях з додаванням ізопропоксиду титану, біс-(триметоксисилілпропіл)-аміну та N-(2-аміноетил)-3-амінопропілтриетокси-силану. Також синтезовано ПДМС покриття, модифіковані амінопропільними, ціанопропільними і фенільними групами.
Проаналізовано вплив різних прекурсорів, рН-середовища, розчинників на однорідність і рівномірність, стійкість покриття при обертанні в розчині.
Досліджено морфологію покриттів, показано, що більш рівномірні і стійкі покриття утворювалися при додаванні титан ізопропоксиду, біс-(триметоксисилілпропіл)-аміну та N-(2-аміноетил)-3-амінопропілтриетокси-силану. Прекурсори феніл-триетоксисилан, амінопропілтриетоксисилан, ціанопропілтриетоксисилан застосовували для одержання покриттів з певними функціональними групами, що підвищують селективність вилучення аналітів різної природи.
Методом ІЧ-спектроскопії в режимі порушеного повного внутрішнього відбиття доведено наявність хімічно зв’язаних з групами органокремнеземної сітки фенільних груп, ціано-груп, і атомів титану. Також показано наявність на спектрах смуг груп Si-CH3, Si–O–Si та Si–O–R характерних для ПДМС і метилтриметоксисилану.
Синтезовані плівки охарактеризовано як гідрофобні з кутом змочування в межах 99 – 106° , що вказує на можливість сорбції на них органічних сполук гідрофобної природи. Досліджено набухання синтезованих плівок в органічних розчинниках метанолі, ацетонітрилі, етилацетаті і гексані, показано, в гексані плівки набухають і руйнуються, в полярних розчинниках і водних розчинах плівки є достатньо стійкими.
У п’ятому розділі розроблений метод твердофазної мікроекстракції з використанням якірців магнітної мішалки з синтезованим органокремнеземним покриттям, модифікованим фенільними групами успішно застосований для сорбції модельної речовини азобарвника Судану І у поєднанні з ВЕРХ/УФ визначенням після десорбції ацетонітрилом. Апробація методу проведена при аналізі спецій на вміст Судану І.
Також розроблений метод твердофазної мікроекстракції із застосуванням якірців магнітної мішалки з нанесеним ПДМС покриттям з введеними амінопропільними групами для сорбції і наступного ГХ/ПІД визначення альдегідів у формі ПФБГА дериватів. Розраховані кількісні характеристики розроблених методів – інтервали лінійності визначуваних концентрацій, межі виявлення і межі кількісного визначення, рівняння градуювальних графіків, ступінь повернення і відносне стандартне відхилення, а також ступені вилучення і коефіцієнти концентрування. Методики є простими, перевагою методик є використання малих кількостей органічних розчинників і реальних зразків – на рівні 1- 4 мл, відсутність застосування токсичних хлорвмісних розчинників, дієвість розроблених методик підтверджена результатами аналізу, методом «введено-знайдено».
Аналізуючи літературні і отримані в роботі дані, показано, що розроблені методи визначення альдегідів і азобарвнику 1-фенілазо-2-нафтолу із застосуванням комерційних і синтезованих органокремнеземних покриттів методом твердофазної мікроекстракції за хіміко-аналітичними характеристиками дозволяють визначати ключові аналіти в об’єктах аналізу зі складною матрицею. Розроблені методики можуть знайти використання як при проведенні навчального процесу в хімічних лабораторіях університетів, так і при аналізі біологічних зразків, природних вод, безалкогольних напоїв, харчових добавок у аналітичних лабораторіях.