Актуальность темы. В современном индустриальном обществе с каждым годом возрастает влияние техногенных и антропогенных факторов на состояние окружающей среды и здоровье человека. В ряде случаев такое влияние приводит к необратимым изменениям биосферы и, как следствие, является одной из причин различных генетических отклонений у живых организмов. Глобальный характер современных экологических проблем требует проведения постоянного мониторинга техногенных загрязнителей и миграции токсичных веществ в окружающей среде.
Одним из высокоэффективных методов анализа является инверсионная вольтамперометрия (ИВ), где в качестве рабочего широко используют ртутьсодержащие электроды. Тенденция полного запрета применения ртути и ее солей в анализе требует разработки новых нетоксичных электродов, приближенных по аналитическим характеристикам к используемым ртутьсодержащим электродам.
Значительно расширить возможности метода ИВ можно, изменяя свойства рабочих электродов путем их модифицирования. Поиск и применение новых электродных материалов, расширение круга исследуемых реагентов- модификаторов смогут привести к созданию новых электрохимических сенсоров, существенно улучшить селективность измерений и обеспечить снижение предела обнаружения определяемых элементов. Появление и использование наноматериалов в электроаналитической химии произвело революцию в этой области, привело к появлению нового поколения химических и биохимических сенсоров.
Актуальность диссертационной работы определяется созданием новых сенсоров, на основе наноструктур, расширяющих возможности инверсионной вольтамперометрии.
Диссертационная работа является частью исследований, проводимых на кафедре физики и химии ГОУ ВПО «Уральский государственный экономический университет» в рамках проекта РФФИ-Урал № 07-03-96070 «Нанокристаллы металлов как новые модификаторы электрохимических сенсоров» (2007-2009 гг.) и заданий Министерства промышленности и науки Свердловской области «Нанотехнологии в био- и химических сенсорах для мониторинга окружающей среды и здоровья человека» (2008-2010 гг.).
Целью диссертационного исследования является разработка высокочувствительных, селективных, экологически безопасных электрохимических сенсоров для вольтамперометрического определения /п (II), Сб (II), РЬ (II), N1 (II) и 8 (II) в водах, почвах, растительных и пищевых объектах.
Для достижения поставленной цели необходимо решить задачи:
1. Синтезировать наночастицы висмута (В1н.1но-.7/.1/) с воспроизводимыми целевыми характеристиками.
2. Исследовать распределение наночастиц по размерам в золях и на поверхности трансдьюсера.
3. Изучить электрохимические свойства наночастиц разного размера, иммобилизованных на поверхность толстопленочного графитсодержащего электрода (ТГЭ), используя для интерпретации результатов и предсказания сенсорных свойств предложенную проф. Брайниной Х.З. математическую модель, описывающую электроокисление наночастиц металлов.
4. Разработать вольтамперометрический сенсор на основе наночастиц висмута для определения /п (II), Сб (II), РЬ (II) (С-1).
5. Разработать вольтамперометрический сенсор на основе наночастиц висмута, чувствительный к сульфид-ионам (С-2), и методику их определения.
6. Разработать вольтамперометрический сенсор (С-3) на основе наночастиц висмута, чувствительного к ионам никеля, и выбрать оптимальные условия его определения.
7. Применить разработанные сенсоры для вольтамперометрического определения /п (II), Сб (II), РЬ (II), N1 (II) и 8 (II) в модельных растворах и реальных объектах.
Научная новизна работы
•Впервые изучено электрохимическое поведение наночастиц висмута различного размера, локализованных на поверхности ТГЭ. Установлено, что при уменьшении размера наночастиц висмута происходит смещение потенциала максимального тока окисления (1тах) висмута в катодную область, что указывает на увеличение электрохимической активности более мелких частиц по сравнению с объёмным металлом или крупными частицами. Показана взаимосвязь этого эффекта с величиной АС1°.
•Получена новая информация о взаимосвязи массы, размера и распределения наночастиц на поверхности трансдьюсера и свойствами сенсоров, предназначенных для реализации основных вариантов концентрирования в методе ИВ: для концентрирования в результате разряда ионов металлов тронсдьюсер должен быть модифицирован золем, содержащим 0,14 мкг наночастиц, размер которых равен 30 ± 5 нм; для концентрирования в виде малорастворимого соединения с материалом сенсора, тронсдьюсер должен быть модифицирован золем, содержащим 1 ,4 мкг наночастиц, размер которых равен 181 ± 7 нм; при адсорбционном концентрировании тронсдьюсер должен быть модифицирован золем, содержащим 5,6 мкг наночастиц, размер которых равен 380 ± 76 нм.
Практическая значимость работы
•Разработан быстрый и простой способ химического синтеза, позволяющий получить Б1нано-хим размером 30 ± 5 нм в золе.
•Разработаны экологически безопасные, имеющие длительный период хранения и эксплуатации, высокочувствительные вольтамперометрические сенсоры на основе Б'нано-хим, для определения /п (II), Сб (II), РЬ (II), N1 (II) и 8 (II).
•Разработан способ одновременного определения /п (II), Сб (II) РЬ (II) методом анодной ИВ (АИВ) в интервале определяемых содержаний 1 - 50 мкг/дм3. Предел обнаружения (ПрО) для /п (II), Сб (II) и РЬ (II) равен 0,52, 0,50 и 0,56
мкг/дм3, соответственно, что позволяет оценивать их содержание в водах с использованием С-1 в качестве рабочего электрода.
•Разработан способ определения сульфид-ионов в модельных растворах, методом катодной ИВ (КИВ) в интервале содержаний 0,03 - 0,2 мг/дм3 с применением С-2 в качестве рабочего электрода. ПрО составляет 5 мкг/дм3.
•Разработан способ определения N1 (II) методом адсорбционной катодной ИВ (АдКИВ) с применением С-3 в качестве рабочего электрода для анализа почв, растительных и пищевых объектов. ПрО никеля составил 0,11 мкг/дм3.
Автор выносит на защиту следующие положения:
1. Способ получения наночастиц висмута со стабильными целевыми характеристиками.
2. Результаты микроскопических исследований золей наночастиц висмута.
3. Результаты электронномикроскопических исследований поверхности ТГЭ, модифицированного наночастицами висмута (ТГЭ/В1нано), структуры и размеров формирующихся ансамблей наночастиц.
4. Результаты исследований электрохимического поведения частиц висмута разного размера, иммобилизованных на поверхность ТГЭ, и их интерпретация на основе ранее опубликованной математической модели.
5. Результаты исследований разряда-ионизации 7п'2/7п°, Сб+2/Сб°, РЬ+2/РЬ° на электродах, модифицированных В1нано-хим.
6. Методы определения /п (II), Сб (II), РЬ (II), N1 (II) и сульфид-ионов в модельных растворах, водах, почвах, растительных и природных объектах с использованием вольтамперометрических сенсоров на основе В1нано-хим.
7. Результаты исследования влияния массы частиц на поверхности сенсора на тип концентрирования определяемых элементов.
Апробация работы. Результаты исследований представлены на Втором и Третьем международных конкурсах научных работ молодых ученых в области нанотехнологий (Москва, 2009 г, 2010 г), ХХ и XXI Российских молодежных научных конференциях (Екатеринбург, 2010 г, 2011 г), Съезде аналитиков «Аналитическая химия - новые методы и возможности» (Москва, 2010 г), Симпозиуме с международным участием «Теория и практика электроаналитической химии» (Томск, 2010 г), VII Всероссийской конференции по анализу объектов окружающей среды «Экоаналитика - 2011» (Архангельск, 2011 г), XVII Российскому симпозиуму по растровой электронной микроскопии и аналитическим методам исследования твердых тел «РЭМ-2011» (Черноголовка, 2011 г), XIV Всероссийском экономическом форуме научно-исследовательских работ молодых ученых и студентов «Конкурентоспособность территорий» с международным участием, III Всероссийском симпозиуме «Разделение и концентрирование в аналитической химии и радиохимии» с международным участием (Краснодар, 2011 г),
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 16 работ, в том числе 4 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК, и тезисы 12 докладов.
Личное участие автора состоит в проведении экспериментальной работы для решения поставленных задач, систематизации, анализе, обобщении и интерпретации полученных данных.
Структура работы. Работа состоит из введения, литературного обзора, 5 экспериментальных глав, выводов и списка литературы, включающего 169 ссылок на отечественные и зарубежные работы. Работа изложена на 132 страницах машинописного текста, содержит 23 таблицы и 33 рисунка.
Во Введении раскрыта актуальность темы исследования, определены цели и задачи, сформулированы научная новизна, практическая значимость и положения, выносимые на защиту. В Литературном обзоре (глава 1) рассмотрены работы, посвященные модифицированным висмутом сенсорам, используемым для определения 2п (II), Сй (II) и РЬ (II) и различных металлов в АдКИВ. Представлены литературные данные, касающиеся электрохимического определения 8 (II). Дан обзор способов получения наночастиц висмута. Проанализированы работы, посвященные изучению особенностей физических и химических свойств наночастиц. Проведен анализ работ , посвященных использованию сенсоров, модифицированных наночастицами висмута в ИВ. В Экспериментальной части (глава 2) описаны используемые химические
реактивы, аппаратура, конструкции и способы изготовления индикаторных электродов, методика проведения эксперимента, приготовления и анализа растворов. Глава 3 посвящена разработке метода синтеза наночастиц висмута и изучению их электрохимических свойств. В главе 4 изучены процессы ионизации 2п (II), Сй (II) и РЬ (II) с поверхности С-1 и разработан сенсор на основе наночастиц висмута для их одновременного определения. Глава 5 посвящена разработке метода определения сульфид-ионов в модельных растворах. В главе 6 описана разработка вольтамперометрического сенсора на основе наночастиц висмута для определения никеля.
1. Предложен химический метод синтеза наночастиц висмута, заключающийся в восстановлении его ионов из раствора соли сильным восстановителем. Методом ПЭМ установлено, что размер полученных наночастиц висмута составляет 30 ± 5 нм (в золе).
2. Методом СЭМ установлено, что на поверхности ТГЭ В1нано-гф распределены равномерно и не образуют больших агломератов, а В1нано-хим объединяются в достаточно большие агломераты.
3. Методами ПЭМ и СЭМ выявлены различия в размерах получаемых различными методами В1нано в золях и на поверхности ТГЭ после их нанесения.
4. Изучены электрохимические свойства В1макро, В1нано-хим и В1нано-гф, иммобилизованных на поверхность ТГЭ. Установлено, что при уменьшении размера частиц происходит сдвиг потенциала электрохимического окисления висмута в катодную область, что обусловлено увеличением ДС°, т.е. возрастанием их активности, что согласуется с предложенной проф. Брайниной Х.З. математической моделью.
5. Предложен новый безртутный сенсор на основе В1нано-хим и разработан способ одновременного определения цинка, кадмия и свинца в диапазоне концентраций 1 - 50 мкг/дм3. Пределы обнаружения элементов составляют 0,52 (/п), 0,50 (Сй) и 0,56 (РЬ) мкг/дм3. Разработанный способ применен для анализа сточных вод. Получено хорошее соответствие результатов анализа разработанным способом и независимым методом ААС.
6. Показана принципиальная возможность использования сенсора, модифицированного Б1нано-хим, для определения S (II) методом КИВ. Диапазон определяемых концентраций составляет 0,03 - 0,2 мг/дм3.
7. Разработан способ определения Ni (II) методом АдКИВ с использованием сенсора на основе Bi^^-xuM.Предел обнаружения никеля составляет 0,11 мкг/дм3. Способ применен для анализа CO. Наблюдается хорошее совпадение результатов, полученных разработанным способом, с аттестованными значениями содержания никеля в анализируемых СО.
8. Получена новая информация о взаимосвязи массы, размера и распределения
наночастиц на поверхности трансдьюсера и свойствами сенсоров, предназначенных для реализации основных вариантов концентрирования в методе ИВ: при разряде ионов металлов на поверхности электрода (определение Zn (II), Cd (II) и Pb (II)); при образовании малорастворимого химического соединения с материалом сенсора (определение S (II)); при адсорбционном концентрировании (определением (II)).
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
