ОПТОВОЛОКОННЫЙ СЕНСОР, МОДИФИЦИРОВАННЫЙ ГРАФТИНГОМ МОЛЕКУЛЯРНО-ИМПРИНТИРОВАННОГО ПОЛИМЕРА ДЛЯ ДЕТЕКТИРОВАНИЯ АММОНИЯ В ВОДНЫХ СРЕДАХ

Предмет исследования. Предложены новые химические сенсоры на основе оптических волокон, модифицированных графтингом молекулярно-импринтированного полимера, для детектирования аммония в водных растворах. Повышенные концентрации аммония в природных водах способствуют эвтрофикации, поэтому контроль его содержа-

ния в природных водоемах имеет большое значение для экологического мониторинга. В настоящее время такой мониторинг практически не проводится в связи с отсутствием соответствующих сенсоров. Привлекательным подходом к разработке химических сенсоров для удаленного контроля является использование полимерных оптических волокон. К преимуществам полимерных оптоволокон относятся высокая механическая устойчивость к ударам и вибрации, возможность реализации мультиплексирования и дистанционных измерений, низкая стоимость. Метод. Полимерный слой импринтированный ионами аммония наносился методом графтинга на поверность метилметакрилатного оптоволокна. Метакриловая кислота использовалась в качестве мономера, диметакрилат этиленгликоля в качестве кросслинкера, 2,2′-азобис(2-метилпропионамидин) дигидрохлорид в качестве радикального инициатора, аммоний в качестве импринтируемой молекулы и смесь воды с этанолом 4:1 в качестве растворителя. Были оптимизированы условия синтеза полимера с использованием интенсивности прошедшего через оптоволокно света, равномерности полимерного слоя и отклика в растворах аммония в качестве критериев оптимизации. Основные результаты. Разработаны химические сенсоры на основе полимерных оптических волокон, модифицированных графтингом молекулярно-импринтированного полимера, для детектирования ионов аммония в воде. Разработана методика графтинга молекулярно-импринтированного полимера на поверхность оптических волокон. Установлено, что высокие концентрации мономера и кросслинкера приводят к повреждению оптоволокна, а продолжительное время полимеризации к уменьшению его светопропускающей способности. Использование полимеризационной смеси следующего состава: метакриловая кислота – 2,1 ммоль/л, диметакрилат этиленгликоля – 7,7 ммоль/л и NH4Cl – 0,3 ммоль/л – и времени полимеризации 15 мин позволяет получить оптический сенсор, обладающий откликом к ионам аммония в водных растворах. Практическая значимость. Результаты работы могут найти применение в экологическом мониторинге аммония в природных водах, в частности, в дистанционных in situ системах измерения. Кроме того, разработанная и оптимизированная схема графтинга молекулярно-импринтированного полимера может быть использована для разработки оптоволоконных сенсоров для определения других веществ.

1. Camargo J.A., Alonso A. Ecological and toxicological effects of inorganic nitrogen pollution in aquatic ecosystems: a global assessment // Environment International. 2006. V. 32. N 6. P. 831-849. doi: 10.1016/j.envint.2006.05.002

2. Molins-Legua M., Meseguer-Lloret S., Moliner-Martinez Y., Campins-Falco P. A guide for selecting the most appropriate method for ammonium determination in water analysis // Trends in Analitical Chemistry. 2006. V. 25. N 3. P. 282–290. doi: 10.1016/j.trac.2005.12.002

3. Zadorojny C., Saxton S., Finger R. Spectrophotometric determination of ammonia // Journal of the Water Pollution Control Federation. 1973. V. 45. N 5. P. 905–912.

4. Kuo C.-T., Wang P.-Y., Wu C.-H. Fluorometric determination of ammonium ion by ion chromatography using postcolumn derivatization with o-phthaldialdehyde // Journal of Chromatography A. 2005. V. 1085. N 1. P. 91–97. doi: 10.1016/j.chroma.2005.05.042

5. Thomas D.H., Rey M., Jackson P.E. Determination of inorganic cations and ammonium in environmental waters by ion chromatography with a high-capacity cation-exchange column // Journal of Chromatography A. 2002. V. 956. N 1–2. P. 181–186. doi: 10.1016/S0021-9673(02)00141-3

6. McDonagh C., Burke C.S., MacCraith B.D. Optical chemical sensors // Chemical Review. 2008. V. 108. N 2. P. 400–422. doi: 10.1021/cr068102g

7. Polishuk P. Plastic optical fibers branch out // IEEE Communications Magazine. 2006. V. 44. N 9. P. 140– 148. doi: 10.1109/MCOM.2006.1705991

8. Cennamo N., Zeni L. Bio and chemical sensors based on surface plasmon resonance in a plastic optical fiber / In: Optical Sensors - New Developments and Practical Applications. Eds. M. Yasin, S. Wadi Harun, H. Arof. InTech, 2014. 230 p. doi: 10.5772/57077

9. Cennamo N., D'Agostino G., Galatus R., Bibbo L., Pesavento M., Zeni L. Sensors based on surface plasmon resonance in a plastic optical fiber for the detection of trinitrotoluene // Sensors and Actuators B. 2013. V. 188. P. 221–226. doi: 10.1016/j.snb.2013.07.005

10. Chen L., Xu S., Li J. Recent advances in molecular imprinting technology: current status, challenges and highlighted applications // Chemical Society Reviews. 2011. V. 40. N 5. P. 2922 2942. doi: 10.1039/c0cs00084a

11. Bossi A., Bonini F., Turner A.P.F., Piletsky S.A. Molecularly imprinted polymers for the recognition of proteins: the state of the art // Biosensors and Bioelectronics. 2007. V. 22. N 6. P. 1131–1137. doi: 10.1016/j.bios.2006.06.023

12. Pasparakis G., Alexander C. Synthetic polymers for capture and detection of microorganisms // Analyst. 2007. V. 132. N 11. P. 1075–1082. doi: 10.1039/b705097f

13. Lanza F., Hall A.J., Sellergren B., Bereczki A., Horvai G., Bayoudh S., Cormack P.A.G., Sherrington D.C. Development of a semiautomated procedure for the synthesis and evaluation of molecularly imprinted polymers applied to the search for functional monomers for phenytoin and nifedipine // Analytica Chimica Acta. 2001. V. 435. N 1. P. 91–106. doi: 10.1016/S0003-2670(01)00905-9

14. Kim H., Spivak D.A. New insight into modeling non-covalently imprinted polymers // Journal of the American Chemical Society. 2003. V. 125. N 37. P. 11269–11275. doi: 10.1021/ja0361502

15. Piletska E.V., Guerreiro A.R., Whitcombe M.J., Piletsky S.A. Influence of the polymerization conditions on the performance of molecularly imprinted polymers // Macromolecules. 2009. V. 42. N 14. P. 4921–4928. doi: 10.1021/ma900432z

16. Lu Y., Li C., Wang X., Sun P., Xing X. Influence of polymerization temperature on the molecular recognition of imprinted polymers // Journal of Chromatography B. 2004. V. 804. N 1. P. 53–59. doi: 10.1016/j.jchromb.2003.10.013

17. Piletsky S.A., Piletska E.V., Karim K., Freebairn K.W., Legge C.H., Turner A.P.F. Polymer cookery: influence of polymerization conditions on the performance of molecularly imprinted polymers // Macromolecules. 2002. V. 35. N 19. P. 7499–7504. doi: 10.1021/ma0205562

18. Sellergren B., Dauwe C., Schneider T. Pressure-induced binding sites in molecularly imprinted network polymers // Macromolecules. 1997. V. 30. N 8. P. 2454–2459.

19. Hattori K., Hiwatari M., Iiyama C., Yoshimi Y., Kohori F., Sakai K., Piletsky S.A. Gate effect of theophylline-imprinted polymers grafted to the cellulose by living radical polymerization // Journal of Membrane Science. 2004. V. 233. N. 1–2. P. 169–173. doi: 10.1016/j.memsci.2003.12.013

20. Sulitzky C., Ruckert B., Hall A.J., Lanza F., Unger K., Sellergren B. Grafting of molecularly imprinted polymer films on silica supports containing surface-bound free radical initiators // Macromolecules. 2002. V. 35. N 1. P. 79–91. doi: 10.1021/ma011303w

21. Евчук И.Ю., Мусий Р.И., Макира Р.Ж., Пристанский Р.Е. Растворимость полиметилметакрилата в органических растворителях // Журнал прикладной химии. 2005. Т. 78. № 10. С. 1605–1609.

This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License