Изучение кинетики сорбции летучих жирных кислот методом пьезокварцевого микровзвешивания

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Кафедра химии Курсовая работа по физической химии ИЗУЧЕНИЕ КИНЕТИКИ СОРБЦИИ ЛЕТУЧИХ ЖИРНЫХ КИСЛОТ МЕТОДОМ ПЬЕЗОКВАРЦЕВОГО МИКРОВЗВЕШИВАНИЯ по специальности 50 101.65 «Химия»

Выполнила: студентка 4 курса естественно-географического факультета отделения «Химия — География»

Ишкова Лидия Воронеж — 2014 г.

Содержание Введение

1. Литературный обзор

1.1 Анаэробные инфекции человека

1.2 Метод пьезокварцевого микровзвешивания

2. Методика эксперимента

3. Анализ результатов Выводы Литература

Введение

Исследование кинетики сорбции летучих жирных кислот (ЛЖК) нормального и изомерного строения, являющихся метаболитами анаэробной инфекции человека и животных, с помощью пьезокварцевого микровзвешивания актуально для разработки альтернативного экспресс-способа ее диагностики, осуществляемой в настоящее время длительными и дорогостоящими микробиологическими и хроматографическими методами.

В связи с этим целью работы было создание пьезосенсоров наиболее селективных в отношении ЛЖК с числом атомов водорода от 2 до 6 и установление особенностей сорбции нормальных и изокислот.

Для достижения поставленной цели решались основные задачи:

1. Изготовить пьезосенсоры, путем нанесения пленок модификаторов, различных по полярности, строению и назначению (универсальные, специфические, полярные).

2. Определить чувствительность приготовленных пленок по отношению к ЛЖК и установить наиболее подходящие для эксперимента сорбенты.

3. Исследовать кинетику сорбции ЛЖК на наиболее чувствительном пьезосенсоре.

Апробация работы: результаты работы докладывались на научной студенческой конференции ВГПУ по химии. Тезисы доклада (занявшего II место) приняты к печати в сборнике трудов конференции.

1. Литературный обзор

1.1 Анаэробные инфекции человека Анаэробные микроорганизмы составляют абсолютное большинство нормальной микрофлоры человеческого тела. Кожа заселена анаэробами в десятки раз больше, чем аэробами. Главное место обитания анаэробов — пищеварительный тракт, где нет стерильных отделов. Флора во рту на 99% состоит из анаэробов, что близко к толстой кишке. Толстая же кишка — основное место обитания анаэробов вследствие отсутствия кислорода и очень низкого окислительно-восстановительного потенциала (-250 мВ). Содержание их в кишечнике составляет 20 — 40% от всех микроорганизмов. Из них 97% - строгие анаэробы. Доля кишечной палочки составляет, вопреки общераспространенному мнению, всего 0,1 — 0,45[26].

Для жизни неспоровых анаэробов необходимы определенные условия. Во-первых, отрицательный окислительно-восстановительный потенциал среды, обусловленный суммой всех окислительно-восстановительных процессов, имеющих место в данной ткани. Он существенно понижается в присутствии крови. Например, наличие крови в брюшной полости, является очень опасным фактором. Во-вторых, отсутствие кислорода. В-третьих, определенные способствующие росту бактерий явления: снижение иммунитета при сахарном диабете, онкологических заболеваниях, после тяжелых оперативных вмешательств. Кроме того, аэробы покровительствуют анаэробам, способствуя созданию бескислородной среды [26, 27].

Анаэробные инфекции развиваются при разрушении гармоничных взаимоотношений между макрои микроорганизмом. Любой орган чувствителен к этим, постоянно вегетирующим в организме микроорганизмам при повреждении слизистых барьеров или кожи при операциях, после травм, при опухолях или таких состояниях, как ишемия или некроз, способствующих снижению местного окислительно-восстановительного потенциала тканей. В связи с тем, что в участках вегетации бактерий разрастаются разнообразные их виды, повреждение анатомических барьеров создает возможности для внедрения в ткани многих микроорганизмов, что нередко приводит к развитию смешанных инфекций разными видами анаэробов, факультативных или микроаэрофильных бактерий. Подобные инфекции встречаются в области головы и шеи (хронические синусит и средний отит, ангина Людвига, периодонтальный абсцесс). К наиболее частым анаэробным инфекциям центральной нервной системы относятся абсцесс мозга и субдуральная эмпиема. Анаэробы вызывают плевролегочные заболевания, играют важную роль в развитии внутрибрюшных процессов, таких как перитонит и абсцессы, печеночные абсцессы. Их часто обнаруживают при инфекционных заболеваниях женских половых органов. Анаэробные бактерии определяют при инфекциях кожи, мягких тканей, костей, бактериями.

Установлено, что анаэробные микроорганизмы в процессе метаболизма продуцируют в среду роста или в патологически измененные ткани летучие ЛЖК — уксусную, пропионовую, масляную, изомасляную и другие, в то же время аэробы этих соединений не образуют. Эти кислоты называются метаболическими маркерами жизнедеятельности анаэробных бактерий.

Учитывая особую опасность анаэробной инфекции для жизни человека, в настоящее время рекомендуется использовать для диагностики все доступные способы, несмотря на малую точность одних — цитологии раневых отпечатков; громоздкость и длительность других — микроскопический; неотработанность методик третьих — газожидкостной хроматографии [22,23].

В связи с этим, актуальным является поиск новых методов диагностики анаэробных инфекций, таковым может стать метод пьезокварцевого микровзвешивания.

1.2 Метод пьезокварцевого микровзвешивания Одним из современных экспресс-методов анализа газовой фазы является метод пьезокварцевого микровзвешивания. Кварцевые кристаллические микровесы — это устройство, используемое для измерения незначительного приращения массы с помощью пьезоэлектрического кристалла.

Изучены пьезосвойства лишь нескольких десятков монокристаллов и поликристаллических веществ. Однако наиболее предпочтительным материалом является кварц, отличающийся многочисленными достоинствами: большой механической и термической прочностью, малым внутренним трением, высокой стабильностью электрофизических параметров[1−4].

Колебательная система, состоящая из четырех основных элементов: вибратора — пластины кварца диаметром 5 — 16 мм, на обе грани которой в центре напылены электроды возбуждения (материал — золото, серебро, никель, алюминий), элементов крепления кварцевой пластины и окружающей среды называется пьезокварцевым резонатором (ПКР) (рис. 1).

Рис. 1. Пьезокварцевый резонатор.

Отличительная черта селективных масс-чувствительных резонаторов (сенсоров) — наличие сорбционного покрытия, характеризующегося ярко выраженной избирательностью в отношении сорбции — десорбции различных компонентов окружающей среды.

Аналитическим сигналом пьезокварцевого сенсора, служит изменение частоты колебаний пьезокварцевого резонатора (?F) при увеличении или уменьшении массы покрытия за счет образования или разрушения на его поверхности определенного соединения[3,18].

Теоретической основой метода пьезокварцевого микровзвешивания послужила физическая модель G.G. Sauerbrey (Зауэрбрея), устанавливающая связь между? F и массой вещества на электродах резонатора:

?F = - 2,3· 10^-6·(F_к²·М_f)/A, (1)

где ?F — изменение частоты колебания резонатора, вызванное нанесением плёночного покрытия, Гц; F_к — собственная резонансная частота колебания кварца, МГц; М_f — масса плёночного покрытия, г; A — площадь плёнки, см²; 2,3· 10^-6 — градуировочная константа пьезоэлектрических микровесов, см²/(Гц•г)[1].

Уравнение (1) получено для идеализированной модели колебаний нагруженного пленочным покрытием резонатора и имеет ограничения при описании связи отклика сенсора и массы вещества на его электродах. Для получения адекватных теории Sauerbrey результатов необходимо учитывать вклад в изменение массы покрытия процессов старения, испарения и растекания пленки.

Кварцевые микровесы — измерительные автогенераторные устройства, предназначенные для преобразования изменений массы, присоединенной к поверхности кварцевого пьезорезонатора, в приращение выходной частоты автогенератора [2−4].

В настоящее время для исследования газовых фаз используются системы пьезосенсоров, с компьютерным обеспечением, получившие название «электронный нос».

К достоинствам метода пьезокварцевого микровзвешивания относятся: 1) высокая чувствительность кварцевых микровесов; 2) малые габариты применяемого оборудования и его мобильность; 3) быстрота выполнения анализа; 4) невысокая стоимость оборудования; 5) возможность проведения работы неспециалистом. Подобные преимущества послужили причиной тому, что системы типа «электронный нос» способные определять качественный и количественный состав газовых и жидких фаз, начинают использоваться в различных областях деятельности человека (в пищевой промышленности, при экологическом мониторинге, в медицине и т. д.).

2. Методика эксперимента В качестве тестируемых веществ (тест-веществ) были выбраны газы-маркеры анаэробной инфекции человека — ЛЖК[13]. Общая характеристика анализируемых веществ, представлена в таблице 2.

Таблица 2 Характеристики газов-маркеров анаэробной инфекции

Для измерений готовили серию сенсоров на основе серийно выпускаемых пьезокварцевых резонаторов АТ-среза с диаметром кварцевой пластины 8,0 мм, диаметром электродов 4,5 мм, с базовой частотой колебаний 10,0 ± 0,5 МГц (ОАО «Пьезо», Москва) путем нанесения пленок модификаторов, различных по полярности, строению и назначению (универсальные, специфические, полярные). В таблице 2 приведены данные по приготовленным и нанесенным пленкам, чувствительным к ЛЖК.

Тонкие пленки на электродах ПКР формировали способом «статического испарения капли» из ацетоновых или толуольных растворов выбранных сорбентов и ультразвукового суспензирования (УЗС) хлороформного раствора углеродных нанотрубок (УНТ). Полноту удаления растворителя контролировали по постоянству частоты колебания ПКР с пленкой. Массу пленочного покрытия рассчитывали по изменению частоты колебаний пьезосенсора и уравнению Зауэрбрея. Оптимальная масса пленок для всех сорбентов кроме УНТ составила 10 — 15 мкг. Масса покрытия из УНТ не превышала 5 мкг [9,10].

Пробы отбирались шприцом на 2 см³ из равновесной газовой фазы ЛЖК. Содержимое шприца вводили в ячейку детектирования «САГО» в момент, когда сигнал сенсора стабилизировался и его колебания не превышали 4 Гц. Проба вводилась без нагнетания, но достаточно быстро. Измерения прекращали, когда сигнал сенсора снова стабилизировался до колебаний, не превышающих 4 Гц.

Исследование сорбции тест-веществ проводили в односенсорной ячейке детектирования (одноканальном газоанализаторе «САГО» объемом (V_яч) 20 см³ (рис. 2).

При подготовке сенсоров минимальное количество вводов тест-веществ для тренировки сорбционной пленки составило в среднем 8−12. При этом перед каждым новым использованием сенсора его просушивали. После полной подготовки пленок на каждой из них было осуществлено одинаковое количество вводов тест-веществ. При этом многие сорбенты аналогично реагировали как на нормальные (линейные) ЛЖК, так и на кислоты с разветвленным углеродным скелетом. Отличительные характеристики в сигнале были только у одного сорбента — Tween-40. Tween-40 (Е434) — это смесь сложных эфиров пальмитиновой кислоты с сорбитом и его монои диангидридами, конденсированная с примерно 20 молями этиленоксида на моль сорбита и его ангидридов, которая представляет собой маслянистую жидкость или полугель от жёлтого до оранжевого цвета с тонким характерным запахом и горьковатым вкусом и служит эмульгатором, стабилизатором, пенообразователем или антивспенивателем (в зависимости от среды) и диспергирующим агентом.

Рис. 2. Одноканальный пьезокварцевый газоанализатор «САГО».

Покрытие ПКР из Tween-40 со временем адаптировалось к исследуемым веществам, результаты повторялись с точностью до 0,5 гГц. Ошибка в точности связана с техникой проведения эксперимента, влияние могло оказать: быстрое введение газовой фазы в аналитическую ячейку (силовое воздействие на сенсор потоком воздуха), временное нарушение герметичности камеры после продувки, незаконченная очистка сенсора и т. д. Погрешность незначительна, поскольку измерения проводились с целью выявления различной сорбционной активности, количественный результат не оценивался.

Таблица 2 Характеристики сорбентов-модификаторов ПКР

3. Анализ результатов На рис. 3 — 10 представлены хроночастотограммы исследуемых ЛЖК на пьезосенсоре с покрытием Tween-40.

Резкое уменьшение частоты колебания сенсора (?F) обусловлено сорбцией определяемого вещества, последующая стабилизация во времени? F свидетельствует о прочном его удерживании сорбентом.

Рис. 3. Хроночастотограмма пьезосенсора с сорбентом Tween-40 в парах уксусной кислоты.

Рис. 4. Хроночастотограмма пьезосенсора с сорбентом Tween-40 в парах пропионовой кислоты.

Пропионовая кислота оседает на пленке сильнее остальных (сильно изменяется частота колебаний), что может позволить отличить ее в смеси с другими кислотами.

Рис. 5. Хроночастотограмма пьезосенсора с сорбентом Tween-40 в парах масляной кислоты.

Рис. 6. Хроночастотограмма пьезосенсора с сорбентом Tween-40 в парах изомасляной кислоты.

Из рисунков видно, что форма хроночастотограмм нормальных и изокислот отличается. Для первых вне зависимости от числа атомов в углеродной цепочке характерна S-образная кривая.

Отличительная особенность изокислот состоит в том, что после осаждения на сорбенте, не все вещество удерживается им, причем чем тяжелее кислота, тем меньше ее остается на сенсоре. Частичный «сброс» адсорбированных изокислот определяет характерный «пикообразный» вид хроночастотограмм.

Рис. 7. Хроночастотограмма пьезосенсора с сорбентом Tween-40 в парах валериановой кислоты.

Рис. 8. Хроночастотограмма пьезосенсора с сорбентом Tween-40 в парах изовалериановой кислоты.

Рис. 9. Хроночастотограмма пьезосенсора с сорбентом Tween-40 в парах капроновой кислоты.

Рис. 10. Хроночастотограмма пьезосенсора с сорбентом Tween-40 в парах изокапроновой кислоты.

инфекция пьезосенсор микровзвешивание кислота

Выводы

1. Изготовлено 8 пьезосенсоров, путем нанесения пленок модификаторов: МО и УНТ, Tween-40, БТС, ДНФ, ПЭГ-2000, ПС и SnCl₄, БТС, ДЦГ-18-К-6.

2. Определена чувствительность приготовленных пленок по отношению к ЛЖК и показано, что наиболее подходящим покрытием для пьезосенсора является Tween-40.

3. Установлено, что изокислоты характеризуются большей степенью сорбции, по сравнению с нормальными ЛЖК, но с течением времени, масса вещества на сенсоре стабилизируется «сбрасыванием» и становится близкой к массе нормальной кислоты с аналогичным количеством атомов, что на хроночастотограмме определяется резким пикообразным скачком. Тем не менее, различный вид хроночастотограмм позволяет различить в смеси кислоты нормального и изомерного строения.

1. Смагин А. Г., Ярославский М. И. Пьезоэлектричество кварца и кварцевые резонаторы. — М.: «Энергия», 1970. — 488 с.

2. Альтшуллер Г. Б. Кварцевая стабилизация частоты. — М.: «Связь», 1974. — 272 с.

3. Андросова В. Г., Банков В. Н., Дикиджи А. Н. и др. Справочник по кварцевым резонаторам / Под ред. П. Г. Позднякова. — Связь, 1978. — 288 с.

4. Глюкман Л. И. Пьезоэлектрические кварцевые резонаторы. — 3-е изд., перераб. и доп. — М.: Радио и связь, 1981. — 232 с.

5. Зеленка И. Пьезоэлектрические резонаторы на объёмных и поверхностных акустических волнах: Материалы, технология, конструкция, применение: Пер. с чешск. — М.: Мир, 1990. — 584 с.

6. Ладик А. И., Сташкевич А. И. Изделия электронной техники. Пьезоэлектрические и электромеханические приборы: Справочник. — М.: Радио и связь, 1993. — 104 с.

7. Верхоланцев В. В. Физико-химия пленкообразующих систем. Л.: Ленуприз-дат. 1973. — 128 с.

8. Tonouke M. Тенденции в разработках сенсоров для распознования запахов // MOL. — 1989. — V. 27, № 11. Р. 86 — 91.

9. Xing Wan-Li. Анализ смеси паров органических веществ с использованием матрицы из пьезоэлектрических сенсоров и методологии распознования образов / Wan-Li Xing, Xi-Wen Не, Yan-Hong Fang, Hong-Mei Wei //Acta chim. sin. 1997. — V. 55, № 11. — P. 1130 — 1137

10. Кери Ф. Углубленный курс органической химии / Ф. Кери, Р. Сандберг / М.: Химия. 1981. — 520 с.

11. Аналитическая химия. В 3 т. Т.3. Химический анализ / [И.Г.Зенкевич и др.]; под ред. Л. Н. Москвина. — М.: «Академия», 2010. — 368 с.

12. Асанова Ю.А.//Определение легколетучих органических веществ в газовых средах с помощью тонких пленок краун-эфиров. Канд. дис. … хим. наук, Воронеж, 2009. — 176 с.

13. Баженов Л. Г., Исхакова Х. И. // Микробиологическая диагностика гнойно-воспалительных процессов, вызванных строго анаэробными микроорганизмами. Лаб. дело. 1989. N 6. с. 37 — 42.

14. Борисов Л. Б.// Медицинская микробиология, вирусология и иммунология. — МИА, 2005. — С. 154 — 156.

15. Бочков И. А., Покровский В. И. // Анаэробные инфекции в гнойно-септической патологии человека и основные принципы их диагностики. Сов. медицина, 1983. N 6. с. 59 — 64.

16. Васильев В. П. Аналитическая химия: учеб. для вузов / В. П. Васильев. — 1 том. М.: Дрофа, 2004. — 368 с.

17. Витенберг А. Г. и соавт. // Газожидкостный парофазный анализ летучих жирных кислот в клиническом материале для экспресс-диагностики анаэробных инфекций. Лаб. дело, 1985, N 3, с. 151 — 154.

18. Власов Ю. Г. Мультисенсорные системы типа «электронный язык» — новые возможности создания и применения химических сенсоров / Ю. Г. Власов, А. В. Легин, А. М. Рудницкая. //Успехи химии. — Т.75. — № 2. — 2006. — с. 141 — 149.

19. Грош (Grosch). // Рентгенодиагностика газообразующих и инфекционных процессов мягких тканей. Рад. диагн. 1971, т. 12. — N 6, с. 659 — 667.

20. Колесов А. П. и соавт. // Анаэробные инфекции в хирургии. Л. Медицина, 1989. — с. 100 — 101.

21. Кучменко Т. А. Применение метода пьезокварцевого микровзвешивания в аналитической химии / Т. А. Кучменко. — Воронеж: ВГТА, 2001. — 280 с.

22. Кучменко Т. А. Инновационные решения в аналитическом контроле / Т. А. Кучменко. — Воронеж: ВГТА, 2009. — 252 с.

23. Махмудов Ю. И. и соавт. // Люминесцентная микроскопия в экспресс-диагностике анаэробной инфекции. Мед. журн. Узбекистана, 1982. — № 3, c. 44 — 46.

24. Маякова Т. И. и соавт. // Количественное определение летучих жирных кислот газохроматографическим методом для экспресс-диагностики возбудителей неклостридиальной анаэробной инфекции. Вопр. мед. химии, 1989, N 5. с. 71 — 75.

25. Мельников В. Н., Мельников Н. И. // Анаэробные инфекции. М. Медицина, 1973. — с. 49 — 52.

26. Микробиология: учебник для студентов биологических специальностей вузов/М.В. Гусев, Л. А. Минеева. — 4-е изд., стер. — М.: Издательский центр «Академия», 2003. — 464 с.

27. Основы аналитической химии. Кн. 2. Методы химического анализа: Учеб. для вузов / Ю. А. Золотов, Е. Н. Дорохова, В. И. Фадеева и др. //под ред. Ю. А. Золотова — М.: Высш. шк.: 2000. — 494 с.