Мосендз Анастасія ОлександрівнаЗуй, Марина Федорівна2025-05-232025-05-232025-05-21Мосендз 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.УДК 543.632.52:[543.054.42+543.544.054.9+544.723](043.3)https://ir.library.knu.ua/handle/15071834/6519Дана 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.This work includes the development of the methods for determination of aldehydes, which are present in the wide variety of objects, ranging from natural water, beverages and food products to biological samples, and which are present in trace amounts. Aldehydes can serve as major aroma components of beverages, as biomarkers of oxidative stress, cardiovascular, endocrine, and immune systems diseases, or to be organic eco¬toxicants. Such wide range makes it very important to develop new methods for determination of specific individual aldehydes and their 9 mixtures in different types of samples, for example, in biological fluids (serum, blood, urine), natural waters and in the air, food and dietary supplements, soft drinks, in order to increase sensitivity and selectivity, and to simplify the procedure of the analysis. In this work new effective methods for determination of aromatic aldehydes in nonalcoholic drinks and dialdehydes in biological fluids. The separation of the analytes from the matrix is usually done at the sample preparation stage, so considering low concentrations of the aldehydes in the real world objects, the microextraction techniques are preferable. The methods of microextraction have one main attribute – the extraction of the analytes are conducted into the small volume of solvent of sorbent (about 1¬10 ml, mg or even µl, µg). In this work the solidphase microextraction method was used as most suitable, the method requires sorption of the analytes (adsorption onto the surface or absorption into the material depending on the material type) with thin layer of coating. The microextraction of aromatic aldehydes and dialdehydes was studied using the commercially available coatings. Also, new organosilica coatings modified with siloxanes with different functional groups were obtained by sol¬gel synthesis. The sorption properties (adsorption and absorption) on the synthesized coatings were studied, exploring the effects of sorption time, salting¬out additives concentration, pH, volumes of solvents on the extraction of aldehyde derivatives with O¬(2,3,4,5,6¬ Pentafluorobenzyl)-hydroxylamine. A possible correlation between the extraction of analytes and the values of the hydrophobicity coefficients of these compounds was suggested. In order to have the analytical signal, the detection of the analytes in the final developed methods was done by liquid chromatography and gas chromatography. Meanwhile the experiments during the coatings characteristics study included spectrophotometry, as it was more convenient for the optimization of microextraction conditions. First, the model compounds were used for the sorption, i.e. dyes with different hydrophobicity, like 1¬phenylazo¬2¬naphtol, as it gave the possibility to study sorption without the influence of derivatization reaction conditions. Then, the sorption of the aldehydes after derivatization was studies, and the method for their 10 determination with sample preparation using synthesized coating was developed. Also the possibility of further use of coating for the classical solid¬phase microextraction fibers were investigated. The present commercially available coatings are limited in coting types range, so the synthesis and application of the new coatings for solid¬phase microextraction are important and promising. The introduction provides a relevance of the chosen topic, establishes the purpose and objectives of the study, and defines the scientific novelty and practical significance of the obtained results. The first chapter describes the main principals of the solid¬phase microextraction method (SPME), the classification by the way it can be conducted, and characterizes in details the most common type – classical SPME on fiber, the main idea of which is to perform sorption onto the thin layer of polymeric coating on the metal wire or silica fiber, which is hidden inside the needle of special holder for SPME, similar to the micro¬syringe for the gas chromatography. The abilities of the SPME on the fiber for extraction of analytes with different properties were shown, and the commercially available types of coating were described. The other SPME types were characterized, including stir bar sorption extraction (SBSE), with coated stir bars available commercially. The advantages and disadvantages of these methods were described, as the method are widely used for the pre¬concentration of analytes and their separation from the sample matrix. The work indicates the necessity to search for new polymeric organosilica coatings that could be used for the sorption of hydrophobic and hydrophilic analytes. The work describes the sol¬gel method that was used for the synthesis of new organosilica coatings. The components for the synthesis includes the main polymer – OH¬terminated PDMS, the sol¬gel precursors – methyltrimethoxysilane, methyltriethoxysilane, other precursors like titanium isopropoxide, aminopropyltriethoxysilane, catalyst, porogens, organic solvents. The purpose of different precursors was investigated, the effect of pH, solvents, catalysts and the drying temperature on the morphology of the coating. The coating techniques known in the literature were described. The first section also presents the properties of aldehydes, some of which are biomarkers of oxidative stress and various serious diseases, so their content in biological fluids can be used to monitor the progression of diseases. On the other hand, carbonyl compounds are known as eco¬toxicants, they cause smog in the air of large cities and industrial areas, moreover aldehydes are known indoor pollutants, that can cause allergies and skin irritation. The data shown indicate the importance of development of new highly efficient methods for sample preparation and determination of aldehydes, because the analysis of carbonyl compounds in real samples is hard task due to their low content in samples, high reactivity, volatility, and significant polarity. The second chapter provides the list of the reagent used, describes the methods of solution preparation used in the research. Solvents and equipment used for microextraction, conditions for measuring the analytical signal are presented. Also, this section provides a detailed description of the synthesis and application of new organosilicon coatings on the stir bars, which were characterized and used in further work. The third chapter is about the optimization of the on fiber SPME for sorption of aromatic aldehydes, i.e. benzaldehyde, 2¬furaldehyde, 2,4¬methybenzaldehyde, 4¬ methoxybenzaldehyde; and dialdehydes, i.e. malondialdehyde, glyoxal and methylglyoxal if form of their derivatives with O¬(2,3,4,5,6-Pentafluorobenzyl)¬ hydroxylamine by using commercially available coating co¬polymer of polydimethylsiloxane¬divinylbenzol (PDMS/DVB). The optimal conditions during the derivatization were chosen, i.e. pH, derivatization time, the reagent amount, as well as the conditions of SPME, i.e. sorption time, temperature, concentration of saltingout agent. It was shown that for derivatization of the studied carbonyl compounds, a minimum of three, or preferably tenfold molar excess of the derivatizing reagent is required compared to concentration of the analysed aldehydes, then the derivatization occurs in an aqueous solution at pH 4 for 20 min. As for the sorption process, headspace¬SPME was conducted. In this case, the optimal conditions include an elevated temperature of 60°С– 80°С, a sorption duration of 30 min and the addition of 12 a salting¬out agent (sodium chloride). Microextraction was performed after derivatization in solution. It should be noted that the differences in solid¬phase microextraction of aromatic aldehydes and dialdehydes were different optimal temperature and the amount of salting¬out agent in the aqueous solution of analytes. This is due to the nature of the analytes, since dialdehyde derivatives are less volatile and are more easily displaced from the PDMS/DVB coating, therefore they have a slightly lower recovery compared to aromatic aldehydes. The quantitative characteristics of SPME of aldehydes were calculated – calibration curve equations, limits of detection according to the 3s-criterion, limits of quantification, recovery rates and concentration coefficients. The effectiveness of the developed SPME methods in combination with gas chromatography was confirmed by the results of the analysis of real samples of tea and coffee for the determination of furfural and benzaldehyde, and the analysis of model serum solution for the determination of dialdehydes. The developed methods have the advantage of simplicity of use, meeting the requirements of “green chemistry”: the absence of toxic organic solvents, the small amounts of samples and reagents, no influence of a complex matrix of biological and other real samples, and easy coupling with chromatographic analysis. The forth chapter describes the synthesis of coatings for sorption using sol¬gel synthesis and characterization of these new coatings by different methods. The new organosilica coatings were synthesized onto the glass plates and glass¬encapsulated stir bars and studied for their use in the solid-phase microextraction of different types. The optimal composition of mixture for sol¬gel synthesis and the coating process parameters were chosen for obtaining thin films on the stir bars. The resulting coatings were based on the polydimethylpolysiloxane (PDMS) with the addition of titanium isopropoxide, bis-(trimethoxysililpropyl)amine and N¬(2aminoethyl)¬3¬aminopropyltriethoxysilane. Also the PDMS¬based coatings with the precursors containing aminopropyl¬, cyanipropyl¬, phenyl¬ groups were synthesized. The influence of various precursors, pH environment, and solvents on the homogeneity and uniformity, and stability of the coating during rotation in solution, was analyzed. The morphology of the coatings was studied, and it was shown that more uniform and stable coatings were formed upon addition of titanium isopropoxide, bis¬ (trimethoxysilylpropyl)amine and N¬(2-aminoethyl)¬3¬aminopropyl¬triethoxysilane. The precursors phenyl¬triethoxysilane, aminopropyltriethoxysilane, and cyanopropyltriethoxysilane were used to obtain the coating with certain functional groups that may increase the selectivity of extraction of analytes with different properties. Attenuated total reflectance infra¬red spectroscopy (IR spectroscopy) was used to prove the presence of the covalently bonded phenyl¬, cyanopropyl¬ groups and titatiun in the polymer coating. The bands corresponding to the Si¬CH3, Si–O–Si та Si–O–R groups were present, that is characteristic for PDMS and methyltrimethoxysilane. The synthesized films were characterized as hydrophobic with a contact angle within 95 – 105°, which indicates the possibility of sorption of hydrophobic organic compounds. The swelling of the synthesized films in organic solvents, i.e. methanol, acetonitrile, ethyl acetate and hexane, was studied, and it was shown that in the hexane the coatings swell that can lead to destruction of the coating, when in the polar solvents the coatings are quite stable. In the fifth section, a method of SPME, specificly SBSE, using stir¬bars with a synthesized organosilica coating with phenyl groups was developed and successfully applied for the sorption of the model substance azo dye Sudan I in combination with HPLC/UV determination after desorption with acetonitrile. The method was validated for analysis of the content of Sudan I in spices. A method of SBSE with a PDMS coating with aminopropyl groups for sorption and further GC/FID determination of aldehydes in the form of PFBHA derivatives was also developed. The quantitative characteristics of the developed methods were calculated, i.e. linear range, detection and quantification limits, calibration curve equations, relative recovery and relative standard deviation, as well as recovery rates and concentration coefficients. The methods are simple, the advantage of the methods are the use of small amounts of organic solvents and samples (about 1 – 4 ml), no toxic chlorine¬containing solvents usage. The validity of the developed methods was confirmed by the results of analysis by the standard additive method. The analysis of the literature and the data obtained in this work shows that the developed methods for the determination of aldehydes and the azo dye 1¬phenylazo2¬naphthol using commercial and synthesized organosilica coatings by solid¬phase microextraction by chemical and analytical characteristics allow the determination of key analytes in objects of analysis with a complex matrix. The developed methods can be used both in the educational process in chemical laboratories of universities and in the analysis of biological samples, natural waters, soft drinks, and food additives in analytical laboratories.ukпробопідготовкамікроекстракціятвердофазна мікроекстракціясорбціяадсорбціяабсорбціязоль-гель синтезпокриттятонкі плівкиальдегідихроматографіяспектрофотометріяІЧ спектроскопіякоефіцієнт гідрофобностіполідиметилсилоксан.sample preparationmicroextractionsolid­phase microextractionsorptionadsorptionabsorptionsol­gel synthesiscoatingsthin filmsaldehydeschromatographyspectrophotometryIR spectroscopyhydrophobicity coefficientpolydimethylsiloxaneДисертація