Ионофоры с поверхностно-активными веществами и фосфорномолибденовой кислотой в потенциометрических сенсорах на синтетические пищевые красители и основные α-аминокислоты

Состояние дисперсных систем СПК-ЦП. Варьирование
гидрофильно-липофильного баланса кПАВ – критерий подбора
оптимального ПАВ-противоиона для ионообменников.
Водные растворы СПК устойчивы в диапазоне рН 1-12. В
водных средах при добавлении ЦП к СПК фиксируется образование
осадков (рис.1).

а)б)в)г)д)
Рисунок 1. Окраска высушенных препаратов ионных ассоциатов красителей с
ЦП: а) Е102(ЦП)2, б) Е110(ЦП)2, в) Е124(ЦП)2, г) Е129(ЦП)2, д) Е133(ЦП)2.

Методом потенциометрического титрования с ЦП-селективным
электродом показано, что в ассоциатах практически во всех случаях
молярное соотношение СПК:ЦП составляет 1:2 (рис.2а).

а)б)
Рисунок 2. Кривые потенциометрического титрования раствора красителя Е129
раствором ЦП (СЕ129=СЦП=1×10-3М, 1 – 1мл, 2 – 2мл) (а); электродная функция
ИСЭ в растворах Е129 (б)
В зависимости от соотношения СПК:ЦПХ и исходной
концентрации реактантов, фиксируется три разных дисперсных
состояния исследуемой системы: образование осадка, его агрегация во
времени и растворение в избытке ЦПХ. Совокупность процессов,
приводящих к образованию и растворению осадка ассоциата СПК с ЦП,
можно представить следующим образом: изначально в растворе
присутствуют отрицательно заряженные ионы СПК вследствие
диссоциации сульфогрупп и катионы ЦП, далее образуется
гидрофобно-гидратированная ионная пара, имеющая нулевой заряд,
затем х таких ионных пар с нулевым зарядом агрегируют и выпадают в
осадок. При небольших избытках заряженного ЦП+ за счет
гидрофобного взаимодействия образуются «субстехиометрические
соединения», что приводит к растворению осадка. При избытке в
системе катионов ЦП становится возможным присоединение еще
одного ЦП+, что находит отражение на кривых титрования СПК
раствором ЦП в виде небольшого скачка при соотношении
СПК:ЦП=1:3 (рис.2а).
Образовние ассоциатов СПК:ЦП косвенно подтверждено
методами ИК- и ЯМР-спектроскопии. В ИК-спектре ионофора,
выделенного в виде осадка, присутствуют все характеристические
полосы, свойственные Е129 и ЦПХ. Имеет место обменная реакция.
Данные ЯМР 1Н спектроскопии позволяют судить об
образовании ионного ассоциата красителя с цетилпиридиний-катионом,
о чем говорит смещение сигналов последнего в более сильное поле на
0.2-0.3 м.д. для протонов пиридиниевого кольца и 0.05-0.15 м.д. для
метиленовых протонов и их уширение. Удвоение их интегральной
интенсивности говорит о связывании в ассоциате двух молекул
алкилпиридиния с одной молекулой азокрасителя.
Анализ совокупности сигналов спектра диффузионно-
упорядоченнойспектроскопии(DOSY) позволил установить
коэффициент диффузии (D) ассоциата (2.110-10 м2/с) и ЦПХ (3.910-10
м2/с).
Одним из преимуществ применения кПАВ в ионообменниках с
СПК является легкость получения противоиона с заранее
прогнозируемыми гидрофобными свойствами. Так, варьируя длину
углеводородного радикала кПАВ можно получать противоионы разной
гидрофобности: чем длиннее углеводородный радикал, тем менее
растворим кПАВ и образуемый им ионообменник, как это следует из
рис.3.
Рисунок 3. Зависимость произведения
растворимости ионных ассоциатов Е129-
кПАВ от числа углеродных атомов (nC)
в молекулах кПАВ.

Для оценки морфологии СПК Е102, Е110, Е124, Е129, Е133,
ЦПХ и их ионных ассоциатов использовали СЭМ (рис. 4).
аб)в)
Рисунок 4. СЭМ-изображения а) Е129, б) ионофор, в) ЦП

Проведенный анализ результатов показал, что кристаллы Е129
размером от 5 до 120 мкм, шарообразной формы. Кристаллы ЦПХ – это
образования различной формы размером от 120 до 450 мкм. Кристаллы
ионного ассоциата Е129-ЦПХ имеют формы прямоугольников размеров
от 50 до 200 мкм, что отличается как размером, так и формой от
веществ, образующий данный ассоциат.
Результатытермогравиметрическогоисследования
свидетельствуют о том, что ионофоры несколько менее устойчивы, чем
исходный СПК – начало температуры удаления Н2О происходит при
более низкой температуре (на 20-60oС). Механизм разложения
ионофоров также отличен от механизма разложения исходных СПК.
Высушивание ионофоров СПК(ЦП)2 следует проводить при 60-80oС.
Получение электродов методом наклеенной пленки при
использовании оптимальных мембран обеспечивает быстрое время
отклика, допустимый дрейф потенциала, больший диапазон
линейности, стабильный срок службы в течение 1.5 месяцев, низкие
коэффициенты потенциометрической селективности к посторонним
ионам (Кi/j). Так, Кi/j для Е133 по отношению к Cl составляет 1.7410-4,
SO42 – 1.2210-3, PO43 – 7.4210-7, цитратам – 1.6810-5, фруктозе –
2.5610-2, красителю Е102 – 1.5510-5, что свидетельствует о высокой
селективности сенсора к основному иону Е133. Пример электродной
функции ИСЭ в растворах Е129 показан на рисунке 2б, а
электрохимические характеристики ион-селективных электродов,
чувствительных к исследуемым красителям, приведены в табл.3.
В связи с тем, что в системах СПК:ЦП возможно образование
ионофоров 1:2 и 1:3 за счет электростатических и гидрофобных
взаимодействий – механизм возникновения мембранного потенциала
является сложным, угловые коэффициенты электродных функций (S)
имеют неоднозначные значения, отличаются для двухзарядных ионов и
соответствуют переносу трехзарядных ионов. У реальных ИСЭ* могут
наблюдаться значения тангенса угла наклона, отличающиеся от
теоретического, как правило, в меньшую сторону. Причины: влияние
неизвестных примесей, кислотности, ионов фонового электролита,
собственных ионов, образующихся в результате саморастворения
электродно-активного вещества (ЭАВ) мембраны. В этих случаях
говорят о субнерстовской функции. Если величина углового
коэффициента устойчиво воспроизводится, такой ИСЭ можно
использовать в прямой потенциометрии. Величины произведения
растворимости (Кs) ионофоров рассчитывали по первому скачку кривых
потенциометрического титрования, соответствующему образованию
ионного ассоциата СПК(ЦП)2.

Таблица 3. Основные электрохимические характеристики ИСЭ на СПК,
рН=4-9, t 15-60С (n=6, P=0.95).
СПКИнтервалS±∆S,ВремяКs ± ∆ КsДрейфСmin
линейноймВ/рСоткликапотенци-
зависимости(110-3ала,
Е=f(C), MМ), смВ/сут.
Е102110-5 – 110-219.2±0.250(1.6±0.1)10-83±16.0×10-6
Е110110-6 – 110-217.7±0.260(3.5±0.3) 10-83±12.0×10-7
Е124110-6 – 110-218.2±0.260(6.5±0.4) 10-103±13.0×10-6
Е129110-6 – 110-322.2±0.270(1.3±0.2) 10-102±12.0×10-7
Е133110-5 – 110-217.6±0.350(2.2±0.2) 10-82±18.0×10-6

Фосфоромолибдат-ион как альтернатива тетрафенилборат-иону
при создании ИСЭ на протонированные азотсодержащие
соединения
При создании ИСЭ на протонированные азотсодержащие
соединения, к числу которых относятся многие лекарственные вещества
(анестетики, папаверин, стрептоцид, сульфамидные препараты,
прометадин, дибазол, дипразин и др.) в качестве противоионов
применяют гидрофобные соединения, число которых не велико.
Наиболее часто применяют тетрафенилборат натрия (ТФБ). Анионы
фосфорномолибденовой кислоты (ФМК) изучены крайне мало. Нами
исследована возможность получения ионообменников по типу ионных
ассоциатов на примере местных анестетиков (новокаина и лидокаина),
путем замены в ионофоре противоиона ТФБ (-logP=6.2) на противоион

*
Белюстин А.А. Потенциометрия: физико-химические основы и применения. СПб.: Изд-во
«Лань». 2015.336 с.
ФМК, поскольку известно, что менее растворимое электродноактивное
соединение обеспечивает лучшие характеристики ИСЭ.

а)б)
Рисунок 5. Кривые потенциометрического титрования новокаина (V=1мл) (1),
лидокаина (V=1мл) раствором ТФБ (Сnov=СТФБ=1×10-2 М) (2), электродная
функция ИСЭ в растворах лидокаина (б).

Получен ряд ионофоров новокаина, лидокаина и ультракаина с
ФМК, различающихся по цвету и структуре.
По результатам термогравиметрического анализа можно
заключить, что ионофоры, чувствительные к новокаину, лидокаину с
ТФБ, ФМК и мембраны на их основе термически устойчивы.
Высушивание ионофоров возможно при температуре до 100ºС.
Известно, что ФМК является трехосновной кислотой и в водном
растворе существует в виде трехзарядного аниона [PMo12O40]3-.
Потенциометрическим титрованием установлено, что новокаин
образует с ФМК ионофор с молярным соотношением 3:1. Методами
ЯМР 1Н, ИК-спектроскопии подтверждена ассоциативная природа
связи между гетерополианионом ФМК и катионом новокаина. ЯМР 1Н-
спектры образующихся ассоциатов аналогичны ЯМР 1Н-спектрам
исходных веществ, что свидетельствует об отсутствии донорно-
акцепторной связи в образующемся соединении. В ИК-спектре
ассоциата сохраняются полосы 1100-500 см-1, обусловленные
валентными колебаниями связи металл-кислород и подтверждающие
сохранение структуры гетерополианиона. Найденное соотношение
компонентов 3:1, т.е. электронейтральность образующегося соединения,
также подтверждает образование ионного ассоциата.
Разработаны электроды с пластифицированными мембранами,
содержащими ионофоры ТФБ(Nov)3, ТФБ(Lid)3, ФМК(Nov)3,
ФМК(Lid)3 и оценены их электроаналитические характеристики
(табл.4). Согласно теории мембранных электродов потенциал на
границе мембрана/исследуемый раствор является основополагающей
величиной и концентрационная зависимость потенциала формируется
на этой границе, Кдис электродно-активных веществ в мембранной фазе
имеют близкие значения (для ионного ассоциата NovТФБ–1.6×10-2†),
т.е. исследуемые соединения находятся в мембранной фазе в
диссоциированном состоянии, природа катиона в составе ЭАВ
практически не изменяет свойств мембран на их основе (табл. 4).
Таблица 4. ЭлектроаналитическиехарактеристикиИСЭна
анестетики . (n=6, 1=0.95).
ЭАВАнестетикДиапазонS±∆S,ВремяРабочийДрейфСрок
линейноймВ/рСоткликаинтервал рН, потенци- службы
Зависимости,(110-3областьала,мес.
Е=f(С), ММ), минt, oСмВ/сут.
Nov-ТФБНовокаин110-5 –110-244.6±0.22.0рН=4-71.81.5
t 5-55
Lid-ТФБЛидокаин110-6 –110-248.6±0.81.0рН=2-72.11.0
t 5-55
Nov-ФМКНовокаин110-6 –110-158.0±2.01.0рН=4-62.41.0
t 8-65
Lid-ФМКЛидокаин110-6 –110-2 17.5±0.31.0рН=2-72.51.0
t 5-55

Угловые коэффициенты электродных функций свидетельствует
о переносе однозарядного иона Nov-ТФБ ⇄ Nov++ТФБ- (диссоциация
ионообменника в фазе мембраны), Nov+(м) ⇄ Nov+(р) (ионообменный
процесс на границе раздела мембрана-раствор), φм=Const+νlgCNov.
Пределы обнаружения соответствуют произведениям растворимости
ЭАВ, которые близки и соответственно равны 3.710-9 (Nov-ТФБ),
4.610-10 (Lid-ТФБ). Электроды характеризуются небольшим временем
установления стационарного потенциала (1-2 мин), следовательно,
обладают высокой ионообменной способностью. Показано, что
электрод с ионофором ФМК(Nov)3 оказывается более чувствительным к
новокаину: возрастает угловой коэффициент и увеличивается интервал
линейности электродных функций. Однако выявлены и негативные
факторы: с рядом лекарственных веществ ФМК вступает в
окислительно-восстановительные реакции, образуя молибденовую
синь, что препятствует использованию таких систем для получения
ионофоров. Так, например, ассоциат (Lid)3ФМК при высушивании
обнаруживает кольцо молибденовой сини, со временем окислительно-

†
Кулапина Е.Г., Баринова О.В. Электрохимия. 2001. Т.37. №8.С. 935-940
восстановительный процесс усиливается и мембрана синеет.
Аналогичный процесс замечен и для ультракаина. Ассоциат новокаина
с ФМК устойчив, чему способствует индексы гидрофобности logPNOV–
1.9; для лидокаина 2.3.
Методом биионных потенциалов определены коэффициенты
потенциометрической селективности электродов на основе ТФБ(Nov):
Кновок/лидок=1.0;Кновок/ультр=6.82;Клидок/новок=0.53;Клидок/ультр=4.82;
Клидок/витам.В6=0.01;Клидок/цефаз,цефтр<<10-5. Коэффициенты селективности электродов на основе ФМК(Nov)3 имеют аналогичные значения. Новые ионообменники с фосфромолибдат-ионом для создания ИСЭ на оснόвные α-аминокислоты До настоящего времени в ионометрии α-аминокислот (α-АК) не описаны сенсоры на основе малорастворимых ионных ассоциатов. Для этого имеются объективные основания: фактически не известны труднорастворимые соединения для гидрофильных α-АК. Кроме того, при разных рН, они существуют в растворах во взаимопревращаемых формах катионов, анионов, цвиттерионов (рис.6). Рисунок 6 – Типичная для оснόвных α-АК диаграмма распределения ионизированных форм (на примере гистидина) в зависимости от рН. Как видно из рис. 6, в катионной протонированной форме оснόвные α-АК существуют при рН меньше 6 и в более кислых средах. Нами исследован мало изученный в ионометрии как лиганд-противоион сложный гидрофобный фосфорномолибдат-ион. ФМК является сильным окислителем и подвергается многократным обратимым одно- и двух-электронным восстановлениям, образуя интенсивно окрашенные смешанно-валентные соединения гетерополисини. Такие побочные процессымынаблюдаливпоследствииприобразовании ионообменников ФМК с лизином и некоторыми местными анестетиками в полученных ассоциатах. Визуализированная поверхность кристаллов ФМК (рис. 7а) и ассоциатов с гистидином (рис. 7б) показало различие их структур. Проведенное термогравиметрическое исследование препарата ФМК подтвердило наличие воды по-разному связанной в соединении. Так, при 114С удаляется вода слабо связанная, при 164С удаляется координационно связанная вода и образуется безводный продукт, сохраняющий все свойства ФМК. При 450С остаются устойчивые оксиды, Р2О5 и МоО3. а)б) Рисунок 7. СЭМ-изображения: а) ФМК, б) ассоциат ФМК с гистидином. Известно, что раствор ФМК имеет кислую реакцию (рН=2.24) за счет диссоциации и образования трехзарядного аниона. При рН=2.24 оснόвные α-АК протонированы по атому азота и являются катионами. Нами исследована возможность образования твердой фазы в ряду всех 20 α-АК при разных значениях рН. Было установлено, что из всех исследованных α-АК только 4 (аргинин, гистидин, лизин, тиразин) образуют труднорастворимые соединения с ФМК. В нейтральной среде (рН 7) образуются студнеобразные осадки, не являющиеся ионообменниками и лишь при рН 2 образуется обильный мелкокристаллический желтый осадок, проявляющий свойства ионофора. Методом потенциометрического титрования гистидина, лизина и аргинина раствором ФМК (рис.8), было показано, что молярные соотношения компонентов в ассоциатах составляют [α- АК]H+:ФМК3-=3:1. Образующиеся ассоциаты оснόвных α-АК могут бытьпредставлены общей формулой: [α- АК]3⁺[ФМК]3-. Рисунок 8. Кривые потенциометрического титрования гистидина (C=0.09 М), раствором ФМК (С=0.03М), мл: 1-1, 2-2, 3-3 (а); зависимость объема ФМК в к.т.т. от содержания гистидина (б) ИК-спектроскопическое исследование полученных ассоциатов ФМК с лизином, аргинином, гистидином показало, что спектры всех ассоциатов содержат характерные фрагменты как ФМК (связь -Mo-O с характеристической частотой ν=1090-500 cм⁻¹), так и оснόвных α-АК, что свидетельствует о ионном типе связи (рис. 9). Рисунок 9. а) ИК-спектр ФМК, б) ИК-спектр [ННis]3+[ФМК]3-. Полученные ионообменники использованы для разработки ИСЭ на оснόвные α-аминокислоты (табл. 5). Коэффициент селективности ИСЭ на оснόвные α-АК по отношению к пролину, валину и триптофану Кi/j≤1. Таблица 5. Некоторые электрохимические характеристики ИСЭ на гистидин, лизин, аргинин (n=3, 1=0.95). ЭлектрохимическиеГистидинЛизинАргинин характеристики ИСЭ Интервал линейной зависимости110-5–110-2110-5–110-2110-6–110-3 Е=f(C), М S±∆S, мВ/рС12.4±0.213.1±0.215.6±0.3 Время отклика (1×10-3 М), с303030 Дрейф потенциала, мВ/сут.1.51.82.5 Срок службы, мес.3.03.03.0 ДРУГИЕ ПОДХОДЫ К ОПРЕДЕЛЕНИЮ ОСНОВНЫХ α-АМИНОКИСЛОТ НамирассмотренавозможностьэкспрессногорН- потенциометрического определения Lys, His и Arg со стеклянным индикаторным электродом, основанная на специфическом поведении этих аминокислот в водных растворах. Наличие основных групп в структуре этих соединений приводит к щелочной реакции среды их растворов вследствие переноса протона от растворителя к растворенному веществу (по теории Бренстеда-Лоури). В зависимости от рК кислоты, рН их водных растворов имеют значения: лизина (9.79); гистидина (7.61); аргинина (10.06). Значения рН других α-АК близки к рН 6. Учитывая, что при протолизе выделяется эквивалентное количество протонов, открывается возможность рН-потенциометрического определения оснόвных α-АК в смешанных растворах с «нейтральными» α-АК. Впервые применен хемометрический метод ПЛС для обработки титриметрических данных плохо разделенных смесей (на примере смеси Lys и Arg). Близость значений рН водных растворов Lys и Arg (соответственно 9.79 и 10.06) не позволяет получить четкие скачки титрования для каждой из этих α-АК. Многомерный подход позволяет существенно расширить возможности количественного анализа смесей в случае сильного перекрывания аналитических сигналов. Исследовано 24 бинарные смеси Lys–Arg при введении 0.0005–12 мл 1М НСL с шагом 0.05 мл. Размерность матрицы 24 × 2682. Точность градуировки охарактеризована величиной среднеквадратичной ошибки обучения (RMSEC) и R2. Проверка данных проводилась методом тест–валидации. Среднеквадратичные ошибки предсказания (RMSEP) составили 9.810-4 М и 9.110-4 М для аргинина и лизина соответственно. Рисунок 10. Кривые титрования смесей аргинина и лизина Аналитическое применение разработанных сенсоров Проанализированы напитки, белково-сахаристые изделия, лекарственные формы, модельные смеси (табл.6). Для контроля правильности определения применяли экстракционно-фотометрический метод (табл.7) и метод «введено-найдено». Сравнение результатов определения Е133 и новокаина по F и t критериям показало отсутствие систематической погрешности. Таблица 6. Результаты определения СПК и местных анестетиков в объектах (n=3, 1=0.95). СПК,Исследуемый объектНайденоSr анестетик±∆m, мг/л, (г) Напиток Powerade ION4 "Ледянаябуря" 4.00 ± 0.600.06 Напиток «Energyt GO Ice»4.20 ± 0.800.08 Е133Энергетический напиток «Burn»1.10 ± 0.300.12 Жевательный мармелад «Дельфин»1.20 ± 0.090.03 Красители пищевые «Перцов»49 ± 3.80.02 Напиток Powerade «ORANGE»4.60 ± 0.500.07 Е129 Мармелад от «Джелли Бин»10 ± 2.50.12 Е102Напиток «MountainDew»3.90 ± 0.800.03 Раствор для инъекций(0.0503 ± 0.0003)0.0014 Новокаин В смеси с цефтриаксоном6.70±0.500.02 Стоматологический гель «Лидоксор»6.50±0.150.02 Лидокаин В смеси с цефазолином7.20±0.100.01 Таблица 7. Оценка правильности определения Е133 объектах (n=3, 1=0.95). АнализируемыеНайдено(m±Δm), мг/л объектыПотенциометрия Спектрофото- метрияtэкспFэксп с мицеллярной экстракцией Напиток Powerade ION4 «Ледяная буря»4.0±0.63.6±0.71.61.2 Е133 Напиток «Energyt GO 4.2±0.84.4±0.50.63.1 Ice» Е133 Выводы 1. Разработаны мембранные селективные электроды на основе ионофоров с дифильными и гидрофобными компонентами (цетилпиридиний хлоридом, фосфорно-молибденовой кислотой и тетрафенилборатом натрия), чувствительные к синтетическим пищевым красителям, анестетикам и оснόвным α-аминокислотам. Теоретически обоснован выбор дифильных ионов кПАВ, ионов (Мо12О40)3- и тетрафенилбората натрия с целью получения ионофоров для пластифицированных мембран электродов, селективных к СПК и азотсодержащим протонируемым лигандам (α-аминокислоты и местные анестетики). 2. Синтезированы и исследованы ионофоры на синтетические пищевые красители, анестетики и α-аминокислоты. Показано, что ионные ассоциаты СПК-ЦП являются малорастворимыми соединениями (концентрационное произведение растворимости Ks = n·10-8 – n·10-10). Установлено соотношение реагирующих компонентов в ионофорах. Обсуждены результаты термогравиметрии, элементного анализа, ИК-, ЯМР 1Н спектроскопии, СЭМ ионофоров на синтетические пищевые красители, анестетики и α-аминокислоты. 3. Определены электроаналитические и эксплуатационные свойства разработанных электродов: интервалы линейной зависимости потенциала от концентрации 110-6 (110-5) – 110-3 (110-2) M, угловые коэффициенты электродных функций 18–22 мВ/рС (СПК); 45–58 (анестетики), 12–16 (α-аминокислоты), время отклика 0.5–2 мин, дрейф потенциала 2–3 мВ/сут., срок службы 1–3 мес., пределы обнаружения 2.010-7 – 8.010-6 М, 3.010-7 – 7.010-6 М, 8.010-7 – 2.010-6 М на СПК, анестетики и α-аминокислоты, соответственно. 4. Предложено раздельное определение α-аминокислот методом потенциометрического титрования со стеклянным электродом с последующей обработкой данных методом ПЛС (24 бинарные смеси Lys–Arg, размерность матрицы 24×2682, средние квадратичные ошибки предсказания (RMSEP) – 9.810-4 М и 9.110-4 М для аргинина и лизина соответственно. 5. Разработаны методики экспрессного ионометрического определения синтетических пищевых красителей, α-аминокислот и местных анестетиков в различных объектах (Sr 0.02-0.12). Правильность результатов подтверждена методом «введено-найдено», мицеллярно- экстракционным фотометрическим методом (СПК). Достоинствами предложенных способов являются экспрессность, широкий диапазон определяемых содержаний, низкий предел обнаружения.