Магнитные сорбенты на основе гидрофобизированных кремнеземов: влияние структурных параметров матрицы на магнитные и сорбционные свойства

全文:

Сорбционное извлечение различных соединений является одним из эффективных способов пробоподготовки в аналитической практике. В настоящее время получены новые сорбционные материалы, меняется технология проведения сорбционного процесса. Одно из развивающихся направлений − получение и использование магнитных наноматериалов, преимущественно магнетита (Fe₃O₄) и магнитных сорбентов на его основе.

Синтезировано большое число магнитных сорбентов, в основном это магнитные наночастицы с иммобилизованными на их поверхности различными неорганическими или органическими соединениями со структурой “ядро–оболочка” [1−3]. Особый интерес представляют магнитные нанокомпозитные сорбенты, которые можно синтезировать относительно простыми способами: инкапсулированием МНЧ в исходную матрицу или формированием МНЧ на поверхности сорбента.

Магнитные сорбенты сочетают сорбционные свойства исходных материалов с возможностью отделять сорбент от матричного раствора при помощи магнита. В зависимости от типа основной матрицы, занимающей бóльшую часть объема нанокомпозитного материала, применяют углеродсодержащие [4] или органополимерные магнитные сорбенты, например на основе сверхсшитого полистирола [5].

Разработан способ получения магнитных сорбентов на основе кремнеземов, химически модифицированных гексадецильными группами. Это коммерчески доступные сорбенты, которые эффективно извлекают многие органические соединения [6].

Отличительной особенностью этих сорбционных материалов является наличие образцов с широким спектром структурных параметров матрицы: диаметр пор, площадь удельной поверхности, размер частиц. Перспективно использовать магнитные сорбенты для упрощения определения токсикантов, лекарственных средств или загрязнителей в сложных матрицах, используя возможность управлять перемещением сорбентов в двухфазных системах с помощью внешнего постоянного магнитного поля [7−11].

Цель работы состояла в изучении влияния структурных характеристик кремнеземной матрицы на магнитные и сорбционные свойства полученных магнитных сорбентов по отношению к различным органическим соединениям, а также установлении возможности применения этих сорбентов для определения действующих веществ лекарственных средств и их метаболитов в почках животных.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Реагенты и оборудование. В качестве сорбентов использовали кремнеземы, химически модифицированные гексадецильными группами (“БиоХимМак СТ”, Россия) и полученные на их основе магнитные сорбенты по методике, приведенной в работе [6].

Использовали спиртовые растворы пирена и нафталина (0.25 мг/мл, Sigma-Aldrich, США), водный раствор красителя “Желтый солнечный закат” FCF (1 г/л, Sigma-Aldrich, США). Также применяли растворы стандартов в метаноле с концентрацией 1 мг/мл: дифлубензурон (98%, TRC, Канада), дельтаметрин (99.7%, Dr. Ehrenstorfer, Германия), пиперонил бутоксид (95.8%, LGC, Великобритания), 4-хлорфенилмочевина (98%, TRC, Канада), дифлубензорон-Д4 (99%, Pharmaffiliates, Индия), дельтаметрин-Д5 (98%, TRC, Канада), пиперонил бутоксид-Д9 (96%, TRC, Канада).

Оптические плотности растворов регистрировали на спектрофотометре СФ-103 (“Аквилон”, Россия). Значения pH растворов контролировали на рН-метре-иономере “Эксперт 001” (“Эконикс-Эксперт”, Россия). Магнитную твердофазную экстракцию проводили на электромеханическом шейкере “Экрос-6500” (“Экросхим”, Россия). Магнитный сорбент отделяли от раствора, используя Nd–Fe–B магнит (20×20×20 мм). Удельную поверхность и характеристики пористой структуры образцов определяли методом низкотемпературной адсорбции азота на автоматическом сорбтометре ASAP 2010 N (Micromeritics, США). В работе использовали хромато-масс-спектрометр жидкостной LCMS-8050 (Shimadzu Corporation, Япония).

Методика сорбции в статическом режиме. В градуированные пробирки емк. 15 мл вносили раствор исследуемого вещества и разбавляли смесь водой до 10 мл. Измеряли оптическую плотность раствора до сорбции. Затем в полученный раствор помещали навеску сорбента (0.07 г). Перед внесением в раствор навеску сорбента обрабатывали небольшим количеством этанола (3−4 порции по 50 мкл). Пробирки встряхивали на вибросмесителе в течение времени, необходимого для установления сорбционного равновесия. После этого сорбент отделяли от раствора декантацией (в случае магнитных сорбентов с помощью магнита). Распределение аналитов контролировали, определяя равновесную концентрацию в водной фазе спектрофотометрическим методом. Содержание на сорбенте рассчитывали по разности между исходной и равновесной концентрацией в водной фазе.

Ранее нами разработан способ модифицирования сорбентов на основе кремнезема путем сорбции МНЧ из метанола [6]. В выбранных условиях получены магнитные сорбенты на основе гидрофобизированных кремнеземов: ХМК-С₁₆-100/Fe₃O₄ (размер частиц 100–200 мкм) и ХМК-С₁₆-130/Fe₃O₄ (размер частиц 7 мкм) с различными структурными параметрами (табл. 1).

 

Таблица 1. Характеристики исходных и полученных магнитных сорбентов

Сорбент	Sуд, м2/г	Vпор, см3/г	dпор, нм
ХМК-С16-130, размер частиц 7μ	198	0.58	11.3
ХМК-С16-130/Fe3O4	183	0.52	11.4
ХМК-С16-100, размер частиц 100−200μ	198	0.47	9.4
ХМК-С16-100/Fe3O4	191	0.45	9.4

 

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Свойства полученных сорбентов. Синтезированные сорбенты являются суперпарамагнитными. Намагниченность насыщения сорбентов, полученных в одинаковых условиях при соотношении по массе магнетит−сорбент (1:4), составила 0.8 э.м.е./г для сорбентов крупной фракции и 5.7 э.м.е./г для мелкозернистого сорбента. Определили, что при соотношении в диапазоне 1:30−1:5 содержание МНЧ значительно меньше, а сорбенты обладают менее выраженными магнитными свойствами, что затрудняет разделение фаз.

Магнитные свойства сорбентов зависят от содержания магнетита в фазе сорбента. Установлено, что при увеличении диаметра пор (от 10 до 50 нм) исходных гексадецильных силикагелей содержание железа незначительно уменьшается (от 0.49 до 0.43%), что связано, по-видимому, с уменьшением удельной поверхности матрицы [12]. Для сорбента мелкой фракции ХМК-С₁₆-130/Fe₃O₄ содержание железа составляет 1.5%, т.е. в три раза больше. Присутствие железа на поверхности кремнеземных сорбентов подтверждали данными энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии; оно составило для одного из образцов сорбента ХМК-С₁₆-100/Fe₃O₄ 0.45 мас. % (0.19 ат. %).

Методом низкотемпературной адсорбции азота при 77 К на установке ASAP 2010 N исследовали пористую структуру и определили удельную поверхность исходных и магнитных сорбентов. Модифицирование магнетитом практически не приводит к изменению общей площади поверхности и удельного объема пор для сорбента крупной фракции ХМК-С₁₆-100/Fe₃O₄, для мелкозернистого сорбента ХМК-С₁₆-130/Fe₃O₄ эти величины уменьшаются незначительно (см. табл. 1).

Вероятно, наночастицы магнетита сорбируются только на внешней поверхности гранул. В этом случае содержание МНЧ и намагниченность насыщения больше для мелкодисперсного сорбента. Это объясняется более высокой сорбционной способностью мелкодисперсного сорбента за счет в 15–30 раз большего значения S_уд (м²/г) внешней поверхности его гранул по сравнению с сорбентом крупной фракции (соотношение S_уд сорбентов крупной и мелкой фракций пропорционально отношению радиусов гранул).

Из сравнения электронных микрофотографий (рис. 1) можно видеть, что МНЧ на поверхности сорбента присутствуют в виде агломератов, так как с учетом масштаба снимка размер частиц составляет не менее 1 мкм.

 

Рис. 1. Электронные микрофотографии ХМК-С16-100 (а) и ХМК-C16-100/Fe3O4 (б)

 

Таким образом, структурные параметры гидрофобизированных кремнеземов практически не меняются при их модифицировании магнетитом, а содержание МНЧ зависит в большей степени от размера частиц исходных сорбентов.

Сорбционные свойства магнитных сорбентов. Отличительной особенностью практически всех магнитных сорбентов является их ограниченное применение в области рН < 2, так как магнетит в этих условиях начинает растворяться. В работе [12] нами установлено, что магнитные гидрофобизированные кремнеземы устойчивы в области рН 3–7, что создает определенные ограничения при их использовании для сорбционного концентрирования различных аналитов. Проведено сравнение сорбционной способности ХМК-С₁₆/Fe₃O₄ по отношению к пищевым красителям, фенолам и некоторым полициклическим ароматическим углеводородам (ПАУ). Определение этих соединений, отличающихся размерами молекул и гидрофобностью, является важной экологической задачей.

В работе [12] установлено, что сорбция пищевого красителя “Желтый солнечный закат” (ЖСЗ) в виде ассоциата с бромидом цетилтриметиламмония (ЦТАБ) на магнитных сорбентах проходит медленнее и менее эффективно по сравнению с исходными сорбентами. Среди сорбентов крупной фракции наиболее эффективным оказался ХМК-С₁₆-100/Fe₃O₄, поэтому его выбрали для дальнейших исследований. Кроме того, он наиболее близок по структурным параметрам к мелкодисперсному сорбенту ХМК-С₁₆-130/Fe₃O₄, что позволяет изучить зависимость сорбции от размера частиц сорбента.

Установили, что размер частиц существенным образом влияет на сорбцию ЖСЗ (рис. 2). Как видно, сорбция на ХМК-С₁₆-130/Fe₃O₄ проходит быстрее и более эффективно, чем на ХМК-С₁₆-100/Fe₃O_4, однако и в этом случае степень извлечения красителя на магнитном сорбенте ниже, чем на исходном.

 

Рис. 2. Зависимость степени извлечения красителя “Желтый солнечный закат” на магнитных сорбентах ХМК-C₁₆-130/Fe₃O₄ (1) и ХМК-C₁₆-100/Fe₃O₄ (2) от времени контакта фаз. V_в.ф. = 5 мл, m_{сорбента} = 0,05 г

 

Далее приведены степени извлечения (R, %) ЖСЗ на немагнитных (a) и магнитных (б) сорбентах (m_c = 0.07 г, с_кр = 0.01 г/л, с_ЦТАБ = 4.6×10^–4 M, V = 10.0 мл, t = 60 мин.):

 

ХМК-С16-130		ХМК-С16-100
90 (а)	75 (б)	90 (а)	65 (б)

 

Одно из возможных объяснений этого эффекта – большой размер молекулы ЖСЗ (площадь проекции молекулы ЖСЗ составляет 1.8 нм², а его ионного ассоциата с ЦТАБ – еще больше).

Для проверки этого предположения изучили сорбцию пирена и нафталина, размеры молекул которых различаются (площадь проекции молекул пирена и нафталина составляет 2.0 и 1.4 нм² соответственно) на ХМК-С₁₆-100 и ХМК-С₁₆-100/Fe₃O₄. Сорбция пирена на магнитном сорбенте менее эффективна по сравнению с исходным (рис. 3). По сравнению с пиреном разница в сорбционном выделении нафталина на этих сорбентах незначительна, что, вероятно, связано с меньшим (почти в два раза) размером молекулы нафталина.

 

Рис. 3. Зависимость сорбции ПАУ от времени контакта фаз на сорбентах ХМК-С₁₆-100 (1) и ХМК-С₁₆-100/Fe₃O₄ (2). (а): Пирен: m_{сорбента} = 10 мг, 20%-ный водно-спиртовой раствор пирена (с = 1.25 мкг/мл, V = 10 мл, λ = 335 нм); (б): Нафталин: m_{сорбента} = 20 мг, 1%-ный водно-спиртовой раствор нафталина. с = 5×10^-5 М, V = 10 мл, λ = 275 нм

 

Предположение о зависимости сорбции от размера молекул сорбатов подтверждается также результатами изучения сорбционной способности магнитных сорбентов по отношению к фенолу и его хлор- и нитропроизводным, у которых площадь проекции молекул составляет 0.2–0.7 нм². Установлено что сорбционная способность магнитного сорбента не отличается от исходного [13].

Таким образом, структурные характеристики ХМК при их модифицировании МНЧ, установленные методом низкотемпературной адсорбции азота, практически не изменяются, поэтому сорбционная способность магнитных сорбентов сохраняется по отношению к молекулам малого размера (площадь проекции сорбатов менее 1 нм²). Уменьшение сорбционной способности магнитных сорбентов для более крупных молекул может быть связано с частичной блокировкой пор сорбента наночастицами магнетита.

Определение дельтаметрина (ДМ), пипероил бутоксида (ПБО), дифлубензурона (ДФБ) и 4-хлорфенилмочевины (4-ХФМ) в почках животных. Гидрофобизированные кремнеземы используют не только для извлечения определяемого аналита, но и для очистки пробы от сопутствующих неполярных соединений методом QuEChERS. При этом определяемый компонент остается в органической фазе [14, 15]. Таким образом, возможно определение действующих веществ лекарственных препаратов в органах и тканях животных [10, 16, 17].

Изучили возможность применения магнитного сорбента ХМК-С₁₆-100/Fe₃O₄ для определения лекарственных веществ (ЛВ) по методике [18], в которой используют сорбент Chromabond С₁₈. В табл. 2 приведены характеристики использованных сорбентов.

 

Таблица 2. Характеристики гидрофобизированных кремнеземных сорбентов, используемых в методе QuEChERS

Характеристика	Chromabond С18	ХМК-С16-100/Fe3O4
Sуд, м2/г	500	191
Размер пор, нм	6.0	9.4
ω(С), %	14−15	16.5
ω(Fe), %	–	0.45

 

Для определения лекарственных препаратов в почках животных в полипропиленовую пробирку емк. 15 мл помещали 1.0 г предварительно измельченного образца почек и проводили экстракцию 2 мл ацетонитрила. Экстракт отделяли методом декантации. В полученный раствор добавляли 0.1 г сорбента. Определяемые аналиты оставались в ацетонитрильном экстракте, в то время как мешающие компоненты матрицы (например, жиры) удерживались на сорбенте.

Далее сорбент отделяли от раствора центрифугированием, магнитный сорбент – методом магнитной сепарации, супернатант фильтровали в виалу через шприцевый мембранный фильтр. Полученную пробу использовали для ВЭЖХ-МС/МС-анализа.

Условия: колонка ZORBAX Eclipse Plus C18 (2.1×50 мм, 5 мкм); предколонка ZORBAX Eclipse Plus C18 (2.1×12.5 мм, 5 мкм); подвижная фаза А – деионизованная вода; подвижная фаза Б – 5 мМ раствор формиата аммония в метаноле. Градиент: 0–0.5 мин. – 50% Б; 0.5–10 мин. – –100% Б, 10–13 мин. – 100% Б, 13–13.05 мин. – 0% Б, 13.05–19 мин. – 0% Б. Инжектируемый объем – 5 мкл, температура колонки – 30°C, скорость потока − 0.3 мл/мин.

Для построения градуировочных графиков с использованием референтного сорбента Chromabond С₁₈ в образцы почек добавляли стандартные растворы ЛВ. Градуировочные зависимости площади хроматографического пика от концентрации ЛВ линейны в диапазонах: 10–500 нг/г (ДФБ, ДМ, 4-ХФМ) и 1–50 нг/г (ПБО). Уравнения градуировочных графиков приведены в табл. 3.

 

Таблица 3. Уравнения градуировочных зависимостей площади хроматографического пика от концентрации (нг/г) лекарственного вещества в почках

Действующее вещество	Наиболее интенсивный MRM-переход Q1/Q3	Уравнение градуировочной зависимости	Диапазон линейности, нг/г	R2
Дифлурбензурон (ДФБ)	311.00 > 158.10 (+)	y = 0.22x + 0.30	10−500	0.992
Дельтаметрин (ДМ)	523.20 > 280.90 (+)	y = 0.03x + 0.03	10−500	0.995
Пиперонилбутоксид (ПБО)	356.20 > 149.10 (+)	y = 0.06x + 0.004	1−50	0.995
4-Хлорфенилмочевина (4-ХФМ)*	169.00 > 126.00 (–)	y = 1 850.x + 2680	10−500	0.987

^* Градуировочная зависимость получена без использования внутреннего стандарта.

 

Анализировали искусственные смеси ЛВ, добавленные в образцы почек, с использованием для очистки экстрактов магнитного сорбента ХМК-С₁₆-100/Fe₃O₄. Концентрации рассчитывали с помощью полученных градуировочных графиков. Результаты представлены в табл. 4. Хроматограмма смеси изученных ЛВ при использовании сорбента ХМК-С₁₆-100/Fe₃O₄ приведена на рис. 4.

 

Таблица 4. Результаты (нг/г) совместного определения дифлубензурона (ДФБ), дельтаметрина (ДМ), пиперонилбутоксида (ПБО), 4-хлорфенилмочевины (4-ХФМ) в почках животных (n = 3, P = 0.95)

Соединение	Найдено (введено)
ДФБ	52±4 (50)	104±6 (100)	192±11 (200)
ДМ	51±3 (50)	105±6 (100)	190±10 (200)
4-ХФМ*	53±4 (50)	102±7 (100)	195±10 (200)
ПБО	5.2±0.5 (5)	10.7±0.9 (10)	19±3 (20)

^* Определение без использования внутреннего стандарта.

Примечание: при определении действующих веществ без введения в исходную матрицу определяемые концентрации в матрице были ниже уровня нижнего предела количественного определения: 1 нг/мл – для ПБО, 10 нг/мл – для ДМ, ДФБ, 4-ХФМ.

 

Рис. 4. Хроматограмма лекарственных веществ при использовании для стадии пробоподготовки ХМК-С₁₆-100/Fe₃O₄: 1 – 4-хлорфенилмочевина (500 нг/г), 2 – дифлубензурон (500 нг/г), 3 – пиперонил бутоксид (50 нг/г), 4 – дельтаметрин (500 нг/г)

 

Полученные данные свидетельствуют о возможности применения магнитного сорбента в данном методе как альтернативу Chromabond-C₁₈ без потери эффективности извлечения веществ. При этом упрощается и ускоряется стадия пробоподготовки, так как в случае Chromabond-C₁₈ для отделения сорбента применяют центрифугирование в течение 15 мин. при 4 500 об/мин, в то время как при использовании магнитного сорбента разделение фаз происходит в течение 1 мин. и не требуется специальное оборудование.

作者简介

Ю. Карсакова

Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова

Email: tikhomirova-tatyana@yandex.ru
俄罗斯联邦, Москва

Е. Гончарова

ООО “НВЦ Агроветзащита”

Email: tikhomirova-tatyana@yandex.ru
俄罗斯联邦, Москва

Т. Тихомирова

Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова

编辑信件的主要联系方式.
Email: tikhomirova-tatyana@yandex.ru
俄罗斯联邦, Москва

参考

补充文件