Оценка сорбционных свойств фазы Eu2O3-SiO2 к парам органических соединений методом высокочувствительно-го пьезокварцевого микровзвешивания

Арина Геннадьевна Харланова; Татьяна Анатольевна Кучменко; Ирина Владимировна Кузнецова

Арина Геннадьевна Харланова Воронежский государственный университет инженерных технологий, Воронеж, Россия
Татьяна Анатольевна Кучменко Воронежский государственный университет инженерных технологий, Воронеж, Россия
Ирина Владимировна Кузнецова Воронежский государственный университет инженерных технологий, Воронеж, Россия

Ключевые слова: оксид европия, наноматериалы, пьезокварцевое микровзвешивание, сорбция, летучие органические биомолекулы

Аннотация

Работа объединяет результаты оценки сорбционных свойств твердотельной фазы оксида европия малых масс. Методом прямого пьезокварцевого микровзвешивания изучены особенности сорбции паров индивидуальных летучих органических соединений различных классов на потенциально обладающей люминесцентными свойствами микрофазе Eu₂O₃-SiO₂ малой массы (от 0.3 до 2.2 мкг). Изучены особенности сорбции паров в зависимости от массы покрытия. Показано, что покрытия меньше 1 мкг характеризуются малой эффективностью сорбции веществ и их применение нецелесообразно. Кроме того, малые массы фазы не позволяют получить сплошное покрытие и не могут применяться для изготовления сенсоров. Сенсорами с большей массой фазы Eu₂O₃-SiO₂ возможно обнаружение паров кетонов C₃-C₄, спиртов C₃-C₄, ацетальдегида, метанамина, бутоксибутана-1 и бутановой кислоты. Для нахождения качественных параметров для распознавания веществ в смесях применяли разные алгоритмы обработки выходных кривых сенсоров с разными массами оксида европия. Наиболее информативными являются кинетические параметры, отражающие изменение скорости сорбции паров в разных временных интервалах нагрузки сенсора парами. По кинетическим параметрам сорбции, рассчитанным по нормированным хроночастотограммам сенсоров, осуществима идентификация метанамина (C_min=3.1 мг/дм³) на фоне паров воды (C_min=1.7 мг/дм³). Алифатические амины отличаются от других паров специфической сорбцией на фазе. С увеличением времени детектирования сигнал сенсоров в парах этого вещества постоянно растет длительное время. Это позволяет снизить чувствительность пьезосенсора с покрытием Eu₂O₃-SiO₂ при увеличении времени накопления паров метанамина из реальных проб. Оценили пределы обнаружения и определения метанамина и других изученных паров в оптимальных условиях сорбции и на выделенных фазах сорбента. Данные сопоставлены с литературными данными для определения метанамина в биопробах для решения задач клинической диагностики. Сорбционные и потенциально люминесцентные свойства расширяют возможности применения наночастиц Eu₂O₃-SiO₂ для диагностика биопроб с видимым эффектом реакции на аналит. Однако чувствительность пьезосенсоров на основе наночастиц оксида европия превышает чувствительность люминесценции этой фазы.

Скачивания

Данные скачивания пока не доступны.

Биографии авторов

Арина Геннадьевна Харланова, Воронежский государственный университет инженерных технологий, Воронеж, Россия

студентка факультета экологии и химической технологии ВГУИТ, Воронеж

Татьяна Анатольевна Кучменко, Воронежский государственный университет инженерных технологий, Воронеж, Россия

д.х.н., профессор, профессор РАН, заведующая кафедрой физической и аналитической химии ВГУИТ, Воронеж

Ирина Владимировна Кузнецова, Воронежский государственный университет инженерных технологий, Воронеж, Россия

к.х.н., доцент кафедры неорганической химии и химической технологии ВГУИТ, Воронеж

Литература

Oh S.Y., Hong S.Y., Jeong Y.R., Yun J., Park H., Jin S.W., Lee G., Oh J. H., Lee H., Lee S.S., Ha J.S. A Skin-Attachable, Stretchable Electrochemical Sweat Sensor for Glucose and pH Detection. ACS Appl Mater Interfaces. 2018; 10(16): 13729-1374. https://doi.org/10.1021/acsami.8b03342

Mazzara F., Patella B., D’Agostino C., Bruno M.G., Carbone S., Lopresti F., Aiello G., Torino C., Vilasi A., O’Riordan A., Inguanta R. PANI-Based Wearable Electrochemical Sensor for pH Sweat Monitoring. Chemosensors. 2021; 9(7): 169. https://doi.org/10.3390/chemosensors9070169

Silva R.R., Raymundo-Pereira P.A., Campos A.M., Wilson D., Otoni C.G., Ba-rud H.S., Costa C., Domeneguetti R.R., Balogh D.T., Ribeiro S., Oliveira O.N. Mi-crobial nanocellulose adherent to human skin used in electrochemical sensors to detect metal ions and biomarkers in sweat. Talanta. 2020; 2018: 121153. https://doi.org/10.1016/j.talanta.2020.121153

Li M., Wang L., Liu R., Li J., Zhang Q., Shi G., Li Y., Hou C., Wang H. A high-ly integrated sensing paper for wearable electrochemical sweat analysis. Biosensors and Bioelectronics. 2020; 174: 112828. https://doi.org/10.1016/j.bios.2020.112828

Parlak O., Keene S.T., Marais A., Curto V.F., Salleo A. Molecularly selective na-noporous membrane-based wearable organic electrochemical device for noninvasive cortisol sensing. Science Advances. 2018; 4: 2904. https://doi.org/10.1126/sciadv.aar2904

Yeo S.Y., Park S., Yi Y.J., Kim D.H., Lim J.A. Highly Sensitive Flexible Pressure Sensors Based on Printed Organic Transistors with Centro-Apically Self-Organized Organic Semiconductor Microstructures. ACS Applied Materials and Interfaces. 2017; 9: 42996-43003. https://doi.org/10.1021/acsami.7b15960

Di X., Ma Q., Xu Y., Yang M., Wu G., Sun P. High-performance ionic conduc-tive poly(vinyl alcohol) hydrogels for flexible strain sensors based on a universal soaking strategy. Materials Chemistry Frontiers. 2021; 5: 315-323. https://doi.org/10.1039/D0QM00625D

Goding J., Gilmour A., Martens P., Poole-Warren L., Green R. Interpenetrating Conducting Hydrogel Materials for Neural Interfacing Electrodes. Advanced Healthcare Materials. 2017; 6(9): 1601177. https://doi.org/10.1002/adhm.201601177

Shen B., Li J., Tang Y., Xu H., Li F. An Ultra-Stretchable Sensitive Hydrogel Sensor for Human Motion and Pulse Monitoring. Micromachines. 2021; 12(7): 789. https://doi.org/10.3390/mi12070789

Kang H.K., Kim H., Hong C.S., Kim J., Kim J.S., Kim D.W. Development and Performance Evaluation of Wearable Respiratory Self-Training System Using Patch Type Magnetic Sensor. Frontiers in Oncol-ogy. 2021; 11: 680147. https://doi.org/10.3389/fonc.2021.680147

Wang A., Maharjan S., Liao K., McElhenny B., Wright K.D., Dillon E.P. Poly(octadecyl acrylate)-Grafted-Multiwalled Carbon Nanotube Composites for Wearable Temperature Sensors. ACS Applied Nano Materials. 2020; 3: 2288-2301. https://doi.org/10.1021/acsanm.9b02396

Sappati K.K., Bhadra S. Printed Acoustic Sensor for Low Concentration Volatile Organic Compound Monitoring. IEEE Sensors Journal. 2021; 21(8): 9808-9818. https://doi.org/10.1109/JSEN.2021.3056002

Markina M.G. Assessment of the to-tal content of thiols in the skin by colorimetric method of Competitiveness of Terri-tories. Competitiveness of Territories (Konkurentosposobnost' territorij. Materialy XX Vserossijskogo ekonomicheskogo fo-ruma molodyh uchenyh i studentov). 2017; 87-89.

Escobedo P., Ramos-Lorente C. E., Martinez-Olmos A., Carvajal M.A., Ortega-Muñoz M., Orbe-Paya I.D., Hernandez-Mateo F., Santoyo-Gonzalez F., Capitan-Vallvey L.F., Palma A.J., Erenas M.M. Wireless wearable wristband for continuous sweat pH monitoring. Sensors and Actuators B Chemical. 2020; 128948. https://doi.org/10.1016/j.snb.2020.128948

Tang Z., Yang J., Yu J., Cui B. A colorimetric sensor for qualitative discrimination and quantitative detection of volatile amines. Sensors (Basel, Switzerland). 2010; 10(7): 6463-6476. https://doi.org/10.3390/s100706463

Zhou Z., Shu T., Sun Y., Si H., Peng P., Su L., Zhang X. Luminescent wearable biosensors based on gold nanocluster networks for "turn-on" detection of Uric acid, glucose and alcohol in sweat. Biosensors and bioelectronics. 2021; 192: 113530. https://doi.org/10.1016/j.bios.2021.113530

Chen M.M., Cheng S.B., Ji K., Gao J., Liu Y.L., Wen W., Zhang X., Wang S., Huang W.H. Construction of a flexible electrochemiluminescence platform for sweat detection. Chemical Science. 2019; 10(25): 6295-6303. https://doi.org/10.1039/C9SC01937E

Lim C.J., Lee S., Kim J.H., Kil H.J., Kim Y.C., Park J.W. Wearable, Lumines-cent Oxygen Sensor for Transcutaneous Oxygen Monitoring. ACS Applied Materials and Interfaces. 2018; 10(48): 41026-41034. https://doi.org/10.1021/acsami.8b13276

Guo J., Zhou B., Yang C., Dai Q., Kong L. Stretchable and upconversion-luminescent polymeric optical sensor for wearable multifunctional sensing. Optics letters. 2019; 44(23): 5747-5750. https://doi.org/10.1364/OL.44.005747

Ren Y., Feng J. Skin-Inspired Multi-functional Luminescent Hydrogel Contain-ing Layered Rare-Earth Hydroxide with 3D Printability for Human Motion Sensing. ACS Appl Mater Interfaces. 2020; 12(6): 6797-6805. https://doi.org/10.1021/acsami.9b17371

Sekine Y., Kim S.B., Zhang Y., Bandodkar A.J., Xu S., Choi J., Irie M., Ray T.R., Kohli P., Kozai N., Sugita T., Wu Y., Lee K., Lee K.T., Ghaffari R., Rogers J.A. A fluorometric skin-interfaced micro-fluidic device and smartphone imaging module for: In situ quantitative analysis of sweat chemistry. Lab on a Chip. 2018; 18(15): 2178-2186. https://doi.org/10.1039/C8LC00530C

Yao J., Ji P., Wang B., Wang H., Chen S. Color-tunable Luminescent Macrofibers Based on CdTe QDs-loaded Bacteri-al Cellulose Nanofibers for pH and Glucose Sensing. Sensors and Actuators B: Chemical. 2017; 254: 110-119. https://doi.org/10.1016/j.snb.2017.07.071

Gao B.B., Elbaz A., He Z.Z., Xie Z.Y., Xu H., Liu S.Q., Su E., Liu H., Gu Z.Z. Bioinspired Kirigami Fish-Based High-ly Stretched Wearable Biosensor for Human Biochemical-Physiological Hybrid Monitoring. Advanced materials and technologies. 2018; 3: 1700308. https://doi.org/10.1002/admt.201700308

Engel L., Tarantik K.R., Pannek C., Wöllenstein J. Screen-Printed Sensors for Colorimetric Detection of Hydrogen Sulfide in Ambient Air. Sensors. 2019; 19(5): 1182. https://doi.org/10.3390/s19051182

O'Toole M., Shepherd R., Wallace G.G., Diamond D. Inkjet printed LED based pH chemical sensor for gas sensing. Analytica chimica acta. 2009; 652: 308-314. https://doi.org/10.1016/j.aca.2009.07.019

Engel L., Tarantik K.R., Pannek C., Wöllenstein J. Screen-Printed Sensors for Colorimetric Detection of Hydrogen Sul-fide in Ambient Air. Sensors. 2019; 19(5): 1182. https://doi.org/10.3390/s19051182

Su B., Zhang Z., Sun Z., Tang Z., Xie X., Chen Q., Cao H., Yu X., Xu Y., Liu X., Hammock B.D. Fluonanobody-based nanosensor via fluorescence resonance energy transfer for ultrasensitive detection of ochratoxin A. Journal of hazardous materials. 2022; 422: 126838. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2021.126838

Zhang R.R., Li X.J., Sun A.L., Song S.Q., Shi X.Z. A highly selective fluorescence nanosensor based on the dual-function molecularly imprinted layer coated quantum dots for the sensitive detection of diethylstilbestrol/cypermethrin in fish and seawater. Food Control. 2022; 132: 108438. https://doi.org/10.1016/J.FOOD-CONT.2021.108438

Zhu W.T., Zhou Y.S., Liu S., Luo M., Du J., Fan J.P., Xiong H., Peng H.L. A novel magnetic fluorescent molecularly im-printed sensor for highly selective and sen-sitive detection of 4-nitrophenol in food samples through a dual‐recognition mechanism. Food Chem. 2021; 348: 129126. https://doi.org/10.1016/j.foodchem.2021.129126

Luo Z., Cai Kaiyong, Zhang Beilu, Duan L., Liu A., Gong D. Application of Mesoporous Silica Nanoreservoir in Smart Drug Controlled Release Systems. Progress in Chemistry. 2011; 23: 2326-2338.

Qi H., Peng Y., Gao Q., Zhang C. Applications of Nanomaterials in Electrogenerated Chemiluminescence Biosensors. Sensors. 2009; 9: 674-695. https://doi.org/10.3390/s90100674

Yu H., Xia L., Feng D., Dong X., Zhao X. The preparation and luminescent characters of mesoporouss SiO2/Sm composite materials. Main Group Chemistry. 2015; 14: 255-265. https://doi.org/10.3233/MGC-150168

Human Metabolome Database: Showing metabocard for Acetaldehyde. Available at: https://hmdb.ca/metabolites/HMDB0000990 (accessed: 23 November 2021).

Human Metabolome Database: Showing metabocard for Propyl alcohol. Available at: https://hmdb.ca/metabolites/HMDB0000820 (accessed: 23 November 2021).

Human Metabolome Database: Showing metabocard for 1-Butanol. Avail-able at: https://hmdb.ca/metabolites/HMDB0004327 (accessed: 23 November 2021).

Human Metabolome Database: Showing metabocard for Acetone. Availa-ble at: https://hmdb.ca/metabolites/

HMDB0001659(accessed: 23 November 2021).

Human Metabolome Database: Showing metabocard for Butanone. Availa-ble at: https://hmdb.ca/metabolites/

HMDB0000474 (accessed: 23 November 2021).

Human Metabolome Database: Showing metabocard for Butyric acid. Available at: https://hmdb.ca/metabolites/

HMDB0000039 (accessed: 23 November 2021).

Human Metabolome Database: Showing metabocard for L-Lactic acid. Available at: https://hmdb.ca/metabolites/

HMDB0000190 (accessed: 23 November 2021).

Human Metabolome Database: Showing metabocard for Dipropyl ether. Available at: https://hmdb.ca/metabolites/HMDB0251471 (accessed: 23 November 2021).

Human Metabolome Database: Showing metabocard for Methylamine. Available at: https://hmdb.ca/metabolites/HMDB0000164 (accessed: 23 November 2021).

Kuznetsova I.V., Niftaliev S.I., Lygina L.V., Sinelnikov A.A., Avdalyan A.S. Synthesis and Properties of Nanosized Silicate Compositions Containing Oxides of Rare Earth Metals. "Physico-chemical pro-cesses in condensed media and at F50 in-terphase boundaries (PHAGRAN-2021)", proceedings of the IX All-Russian Conference with international participation dedi-cated to the 100th anniversary of the birth of Ya.A. Ugai, October 4-7, 2021, Voronezh, 2021, P. 359-360.

Sauerbrey G.G. Messung von plat-tenschwingungen sehr kleiner amplitude durch lichtsttrom-modulation. Zeitschrift für Physik. 1964; 178: 457-471. https://doi.org/10.1007/bf01379475

Kuchmenko T.A., Umarkhanov R.U., Grazhulene S.S., Glyadova S.V., Shkinev V.M. Microstructural Studies of Sorption Layers of Mass-Sensitive Sensors for the Detection of Nitrogen-Containing Compounds. Journal of Surface. X-ray, synchrotron and neutron studies. 2014; 4: 9-17. https://doi.org/10.7868/S0207352814040155

Kuchmenko T.A., Umarkhanov R.U., Menzhulina D.A. Biohydroxyapatite is a new phase for selective microbalancing of vapors of organic compounds, markers of inflammation, in the nasal mucus of calves and humans Message 1. Sorption in model systems. Sorptsionnye I kromatograficheskie protsessy. 2021; 21(2): 142-152. https://doi.org/10.17308/sorpchrom.2021.21/3348

Kuchmenko T.A., Umarkhanov R.U., Grazhulene S.S., Zaglyadova S.V., Shkinev V.M. Microstructural investiga-tions of sorption layers in mass-sensitive sensors for the detection of nitrogencontaining compounds. Journal of Surface Investigation. X-ray, Synchrotron and Neu-tron Techniques. 2014; 8: 312-320. https://doi.org/10.1134/S1027451014020372

Duranton F., Cohen G., De Smet R., Rodriguez M., Jankowski J., Vanholder R., Argiles A. Normal and Pathologic Concen-trations of Uremic Toxins. Journal of the American Society of Nephrology. 2012; 23(7): 1258-1270. https://doi.org/10.1681/ASN.2011121175

Li H., Luo W., Lin J., Lin Z., Zhang Y. Assay of plasma semicarbazide-sensitive amine oxidase and determination of its en-dogenous substrate methylamine by liquid chromatography. Journal of chromatog-raphy. B, Analytical technologies in the bi-omedical and life sciences. 2004; 810(2): 277-282. https://doi.org/10.1016/j.jchromb.2004.08.011

Silwood C.J., Lynch E., Claxson A.W., Grootveld M.C. 1H and 13C NMR Spectroscopic Analysis of Human Saliva. Journal of dental research. 2002; 81: 422-427. https://doi.org/10.1177/154405910208100613

Kutyshenko V.P., Molchanov M., Beskaravayny P., Uversky V.N., Timchen-ko M.A. Analyzing and Mapping Sweat Metabolomics by High-Resolution NMR Spectroscopy. PloS one. 2011; 6: pp. e28824. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0028824