8 Zolotov

Наноаналитика.Наноструктуры и

наноматериалы в химическом анализе

Ю.А. Золотов

Химический факультет МГУ им. М.В. Ломоносова

Институт общей и неорганической химииим. Н.С. Курнакова РАН

Москва, 2008

Аналитическое исследование нанообъектов как таковых.

Использование наноструктур и наноматериалов для создания новых средств химического анализа обычных объектов.

Наноаналитика, два направления

Первый симпозиум по наноаналитике: Саратов, 2007

Наноаналитика I

НанотехнологииНанонаука Нанопроизводство

Наноаналитика II

Методы исследования нанообъектов

Сканирующая зондовая микроскопия: сканирующая туннельная, атомно-силовая

Электронная микроскопия: растровая, просвечивающая

Электронная спектроскопия: рентгеновская фотоэлектронная, Оже

Оптическая спектроскопия в видимой и УФ областях Дифракция электронов: медленных и отраженных

быстрых Рентгеновская спектроскопия и дифракция:

малоугловое рентгеновское рассеяние, рентгеновская спектроскопия поглощения

Методы и средства анализа,ОСНОВАННЫЕ на использованиинаноструктур

Спектроскопические, электрохимические и другие методы анализа, наносенсоры, основанные на использовании функционализированых наночастиц металлов.

Оптические сенсоры на основе золь-гель материалов и др.

Люминесцентные, хроматографические и другие методы анализа, базирующиеся на нанореакторах с супрамолекулярными самоорганизующимися системами (мицеллами, наноэмульсиями и др).

Сорбенты и фильтры с нанопорами.

Используемые наночастицы

Наночастицы металлов – Au, Ag (фотометрия, люминесценция, хроматография и др. методы)

Квантовые точки (спектрофотометрия, люминесценция)

Углеродные наночастицы – фуллерены, нанотрубки (сорбенты и др.)

Наночастицы силикагеля (хроматография и др.) Супрамолекулярные агрегаты – мицеллы и др. (фотометрия,

люминесценция, хроматография и др.) Наночастицы различных химических соединений для

модификации электродов в электрохимических методах анализа

Наночастицы в химическом анализе

Использование различных свойствнаночастиц

Используемые свойства

Наночастицы металлов

Углеродные наночастицы

Наночастицы силикагеля

Наномицеллы и др.

Химические

Электрические

Оптические

Термические

Магнитные

+

+ +

+ +

+ +

+ +

+ +

+ +

+ + + +

+ +

Наночастицы в химическом анализе

В оптических методаханализа используют

Поверхностный плазмонный резонанс Спектроскопию комбинационного рассеяния, усиленную

поверхностью Люминесценцию Фотометрию в видимой области

Наночастицы в спектроскопических методах анализа

Коллоидное золото

Функционализация нековалентная и ковалентная. Наночастицы на основе Au и Ag применяют для оптического (поглощение, флуоресценция, рассеяние света), а также электрохимического обнаружения биомолекул. Чувствительность фотометрического определения при осаждении серебра на поверхности наночастиц золота – до 50 фмолей. Есть пример определения зептомолей ДНК (10-21 моля)!

Тысячелетняя история. Первый пример (?) нанотехнологий. Первая книга о коллоидном золоте – 1618 г.


Квантовые точки

CdS, CdSe, CdTe; ZnS, ZnSe; PbS, PbSe, PbTe

Сверхвысокий квантовый выход люминесценции. Относительно узкие спектральные полосы (7-40 нм). В 10-100 раз большая яркость люминесценции по

сравнению с Родамином 6G. В 100 раз большая устойчивость к

фотообесцвечиванию. Длительная стабильность фотолюминесценции

(несколько месяцев).


Оптические сенсоры на основезоль-гель материалов

Используемые эффекты: поглощение, отражение, рассеяние, дифракция, поляризация.

Сенсоры на газы (CO, CО2, O2, H2, H2S, NO, NO2, NH3, SO2)

Сенсоры на неорганические катионы и анионы, в том числе рН-сенсоры

Сенсоры на растворители Биосенсоры (особенно с глюкозоксидазой) Другие применения (на пары воды,

нитроорганические соединения, фосфорорганику)


SiO2

- Au

- SCH2(NH2)COOH

Au(< 5 нм)

Материал, содержащий адсорбированные наночастицызолота

Наночастицы золота ковалентнозакреплены на силикагелес помошью лигандов на основеL-цистеина.

Наночастицы в хроматографии

Разделение оптических изомеров пиндолола на материале,содержащем наночастицы золота


Микроэмульсионная электрокинетическая хроматография

-

-

-

-

-

-

-

-

-

--

-

-

--

-

ЭОП+ -

Фаза «масла» (гептан)


Сорбенты для ионной хроматографиис нанослоями катионных полиэлектролитовна наночастицах силикагеля и др.

-

Силикагель,стирол-ДВБ,ПММА,ZrO2, TiO2

Сульфирование(получение

промежуточного катионообменника)

N-Алкил-ПЭВП,ионены

виологеныи др.

5

Полимер

30-50 нм


Наночастицы в электрохимических методах анализа

Наноструктурирование электро-катализатора на инертной подложке

Наносистемы электродов


АСМ-изображения берлинской лазуриНано-структурированная

жидкие кристаллы

золь алкоксисиланов

Обычная

нуклеация роста


Берлинская лазурь FeIII4[FeII(CN)6]3 -

активный и селективный электроката-лизатор восстановления Н2О2

4.10-60.1Платина

Электро-химическаяконстанта,

cm/с

Селектив-ность,jH2O2

/jO2

Электро-катализатор

1.10-330-40Пероксидазный электрод

1.10-2400-600Берлинская лазурь


10-9 10-8 10-7 10-6 10-5 10-4 10-3 10-2 10-1

10-8

10-6

10-4

10-2

i, A

cm

-2

[H2O

2], mol L-1

0 5 10 15 20 25 300

5

10

15

i, nA

cm

-2

[H2O

2], nmol L-1

Рекордный электрохимическийсенсор на пероксид водорода


Определение пероксида для неинвазивной диагностики окислительного стресса по анализу конденсата выдыхаемого воздуха


Биосенсор на основе берлинской лазури

элек

трод

Берлинская лазурь

Nafion

Глю козооксидаза

глюк. к та

H O2 2

-H O2

Глюкоза

Кислород

Глюконолактон

Берлинская лазурь Глюкозооксидаза

Эле

ктро

д


Идентификация фальсифицированных вин

Виноград не содержит сахарозы

[глюкоза],mM

[сахароза], mM

Шампанское «Брют», Россия 52 0.2

Цинандали, Грузия (белое) 41 0.5

Baron de Valls, Франция (красное) 45 0.05

La Bifora, Италия (красное) 42 0.05

Le Chabrote, Франция (красное) 48 0.05

Каберне, Россия (красное) 36 13

Свадебное, Россия (белое) 20 10


Полимеры с наноразмерными молекуляр-ными отпечатками как сорбенты и реагенты.Молекулярный импринтинг

Создание материалов, содержащих полости (отпечатки), которые комплементарны молекулам-формователям (темплатам), используемым при синтезе.

После удаления темплатов из готового полимера он сохраняет память на соединение-темплат.

Такие полимеры способны селективно «узнавать» молекулы темплатов.

Различные наноструктуры в химическом анализе

Молекулярный импринтингРазличные наноструктуры в химическом анализе

Направления использования ПМОв химическом анализе

Сорбция органических соединений из растворов и биологических жидкостейСелективное разделение структурно сходных органических соединений, включая энантиомерыСелективное связывание и последующее определение содержания различных веществ с помощью сенсоровИммуноанализ


Достоинства ПМО

Можно получать сорбенты, обладающие управляемой и высокой селективностью по отношению к практически любому органическому соединениюПМО отличаются высокой устойчивостью к химическим и физическим воздействиям. Их можно хранить в течение нескольких лет без потери «памяти»Их просто получать, и они относительно дешевы


Синтезированы и исследованыПМО на основе:

4-Винилпиридина4-Винилпиридина АкриламидаАкриламида Метакриловой кислотыМетакриловой кислоты

Темплаты: Пестициды, например 2,4-ДПестициды, например 2,4-Д Антиоксиданты, например кверцетинАнтиоксиданты, например кверцетин Лекарственные вещества, напримерЛекарственные вещества, например

сульфаниламиды, барбиталсульфаниламиды, барбитал


Примеры повышения селективности

Сорбируемое соединение Функциональный мономер D IF

Никотинамид4-Винилпиридин 59 5,4

Метакриловая к-та 136 6,2

Гистамин Метакриловая к-та 125 3,8

2,4-Дихлорфеноксиуксусная кислота

Акриламид3000 35


Спасибоза

внимание!

Documents

8 Zolotov