Евстрапов А.А. Нанотехнологии в экологии и медицине. Курс лекций. Для УМКД Нанотехнологии в экологии

Подождите немного. Документ загружается.

А.А. Евстрапов. Курс лекций «Нанотехнологии в экологии и медицине»

определяемого компонента его экстрагируют органическими растворителями или

сорбируют на различных твердых веществах. Для иных компонентов в биопробу до-

бавляют различные консерванты (чаще всего, кислоты и вещества, образующие

комплексные соединения).

2. Общие вопросы анализа.

2.1.Классификация аналитических методов.

Все аналитические методы основаны на получении и измерении аналитического

сигнала – проявления химических или физических свойств вещества, которые можно

использовать для установления качественного состава измеряемых объектов

(качественный анализ) или для количественной оценки содержащихся в нем

компонентов (количественный анализ).

Подготовленный для анализа объект называют образцом или пробой. Образцы

могут быть однородными или неоднородными. К однородным относят такие

гомогенные системы, как воды, почвенные растворы, воздух.

Неоднородные –

гетерогенные системы, состоящие из нескольких частей в разном агрегатном

состоянии. Каждая часть может включать до нескольких гомогенных систем (фаз),

отделенных друг от друга поверхностью раздела. Один и тот же элемент может

находится в образце в разных формах (например, углерод). В зависимости от

поставленной задачи проводят элементный анализ образца или его

отдельных фаз. При

элементном анализе определяют общее содержание элемента независимо от формы, в

которой он присутствует, при анализе фаз – содержание элемента в каждой фазе или в

его отдельных химических формах.

Цель качественного анализа – обнаружение элементов анализируемого объекта

в виде атомов, молекул, ионов или идентификация индивидуального соединения. Для

обнаружения и идентификации используют химические реакции с характерным

внешним эффектом – выделение газа, появление осадка или окраска, а также

физические свойства вещества – температура плавления или кипения, коэффициент

преломления, характерный спектр. Свойства, используемые для обнаружения и

идентификации, не зависят от количества вещества. Каждый метод характеризуется

пределом обнаружения – минимальным количеством вещества, которое можно

обнаружить или идентифицировать с допустимой погрешностью.

Цель количественного анализа – определение содержания компонентов в пробе

по величине аналитического сигнала, зависящего от концентрации (интенсивность

линии в спектре, количество осадка продукта реакции). Следует различать методы,

основанные на измерении интенсивности сигнала в единственной измерительной

позиции (например, при одной длине волны) и методы, в которых используется

несколько позиций (спектр измерений). Методы первой группы – одномерные, методы

второй группы – двумерные. Классические методы (гравиметрия и титрометрия)

относятся к одномерным, а спектроскопические, хроматографические и

электрохимические – к двумерным.

Свойства веществ, не зависящие от их количества, называют интенсивными,

зависящие – экстенсивными. Особенностью экстенсивных свойств является

аддитивность – способность суммироваться; интенсивные свойства не складываются,

а выравниваются или усредняются. Интенсивными свойствами является температура,

давление, потенциал, частота линии в спектре, экстенсивными – масса, объем,

энтропия, сила тока, интенсивность спектральной линии.

А.А. Евстрапов. Курс лекций «Нанотехнологии в экологии и медицине»

Обычно качественный анализ основан на интенсивных свойствах,

количественный – на экстенсивных свойствах веществ.

Классификация анализов также может базироваться на масштабе работы, объеме

или массе пробы: макро-, полумикро-, микро-, ультрамикро- и субмикроанализы [см.

Приложение 1].

Аналитический сигнал по своей природе специфичен, присущ только данным,

вполне определенным атомам, молекулам, частицам. На практике аналитические

сигналы разных веществ часто бывают настолько близки, что даже с помощью

приборов их сложно различить. На аналитический сигнал могут накладываться сигналы

от растворителя, реагентов, других компонентов, присутствующих в анализируемом

объеме. Для получения сигнала, наиболее близкого к истинному, используют разные

приемы, например, предварительное разделение (определяемый компонент выделяют в

чистом виде). Для учета

посторонних, мешающих сигналов, используют прием,

называемой холостой пробой или холостым опытом. Холостая проба, содержащая все

компоненты, кроме определяемого, должна быть проведена через все стадии анализа, а

сигнал, полученный от этой пробы, вычитают из общего сигнала. Получение идеальной

пробы на практике затруднено. Обычно проводят холостую пробу на растворитель и

реагенты, в

растворитель вводят все реагенты в тех же количествах, что и в

анализируемой пробе.

По происхождению аналитического сигнала все методы подразделяются на

химические, физико-химические и физические.

В химических методах используют донорно-акцепторные реакции с переносом

протона (кислотно-основные), электрона (окислительно-восстановительные),

электронной пары (комплексообразование), процессы осаждения – растворения и

экстракции. Аналитический сигнал (выделение газа, осадка, окраска) обычно

фиксируют визуально.

Физико-химические методы включают электрохимические, спектроскопические

(оптические), люминесцентные, кинетические, термометрические методы. В этих

методах измеряют аналитический сигнал, возникающий с участием внешних

(валентных) электронов и функционально связанный с природой и концентрацией

вещества. Сигнал возникает при взаимодействии вещества с различными видами

энергии (электрическая, тепловая

, электромагнитное излучение и др.). В физико-

химических методах анализа как правило используют растворы веществ.

Физические методы включают спектроскопические (не оптические), ядерно-

физические и радиохимические методы. В этих методах возникновение аналитического

сигнала связано с участием внутренних электронов или ядер атомов, агрегатное

состояние и химическая форма веществ в большинстве случаев не имеет

значения.

Четких границ между химическими и физико-химическими, физическими и

физико-химическими методами нет.

Физико-химические и физические методы иногда называют

инструментальными.

К особым методам следует отнести гибридные методы, сочетающие два или более

метода анализа, например, хромато-масс-спектрометрия – сочетание хроматографии и

масс-спектрометрии.

Особенности инструментальных методов – необходимость калибровки

(градуировки) шкалы приборов с помощью эталонов, обязательное проведение

холостой пробы и т.д.

А.А. Евстрапов. Курс лекций «Нанотехнологии в экологии и медицине»

2.2.Требования, предъявляемые к аналитическим методам.

Требования, предъявляемые к методам анализа биологических проб, в

значительной степени обусловлены особенностью самой пробы.

• Низкий энергетический уровень внутренних взаимодействий, определяющих

устойчивость структурных комплексов на молекулярном и субмолекулярном

уровнях (стабильность исследуемого материала),

• Гетерогенность пробы, сохранение ее специфичности (особенно для биопроб),

• Низкие концентрации

активных компонентов при большом количестве примесей,

• Минимальные изменения физико-химических свойств пробы,

• Ограниченный объем пробы или измерения on-line,

• Экспрессность определения (возможно разрушение пробы),

• Возможность учета посторонних факторов, влияющих на результаты измерения,

• Высокая чувствительность и селективность метода,

• Простая пробоподготовка,

• Возможность полной автоматизации (минимизация ошибок),

• Безопасность,

• Независимость от квалификации обслуживающего персонала,

• Доступная стоимость,

• Минимальные массо-габаритные характеристики,

• Достаточная универсальность.

2.3. Основные стадии анализа.

Процесс анализа включает: пробоотбор, пробоподготовку, транспортные

операции с пробой, измерение и обработку результатов (рис. 2.2.1).

Принцип анализа – явление природы, которое может предоставить аналитику

интересующую его информацию (взаимодействие излучения с веществом, разделение в

хроматографии). Метод анализа – ход анализа с точки зрения его важнейших стадий.

Методика анализа – полное описание всего хода анализа с указанием всех деталей,

включая отбор пробы, измерение, обработку и представление результатов.

Рисунок 2.2.1. Основные стадии анализа жидкой пробы

2.4.Критерии отбора пробы.

В общем случае могут быть сформулированы следующие критерии отбора

биологической пробы.

А.А. Евстрапов. Курс лекций «Нанотехнологии в экологии и медицине»

1. Проба должна быть представительной по отношению к объекту анализа (т.е.

количество пробы должно обеспечивать возможность обнаружения аналита).

2. Отбор пробы должен быть сделан в нужном месте и в нужное время

(биологические пробы зависят от биоритмов пациента),

3. Проба не должна содержать загрязнений,

4. Проба должна быть устойчивой до выполнения анализа (иногда ее

консервируют с целью предотвращения протекания химических реакций –

окисления, восстановления, с участием бактерий и т.п.).

В количественном анализе необходимое количество пробы зависит от диапазона

определяемых содержаний компонента. Диапазон от наименьшего до наибольшего

содержания, определяемого данным методом, называется рабочим диапазоном.

Диапазон количеств определяемого компонента m

, называемый абсолютным, и

диапазон количества матрицы m

, в сумме представляют диапазон количеств пробы P:

mmP +=

Диапазон содержаний компонента представляет собой отношение количества

компонента к количеству пробы:

Содержание макрокомпонентов в твердом образце выражают в виде

соотношений г/г (кг/кг) или массовых процентов. Диапазон их содержаний составляет

от 0.01 до 1 г/г (1-100%). Содержание сопутствующих компонентов составляет 0.0001-

0.01 г/г (0.01-1%). Если содержание компонента меньше 0.01%, то он называется

следовым (это может быть единичный атом). Содержание следовых количеств

вещества выражают в следующих единицах: 1 part per million (ppm) =1/10

(10

-4

1 part per billion (ppb) =1/10

(10

-7

1 part per trillion (ppt) =1/10

(10

-10

2.5. Характеристики аналитических методов

Основная задача аналитических исследований — получение точной и

адекватной информации о количественном, качественном и структурном составе

пробы. Поэтому основными характеристиками аналитического метода являются:

точность определения, разрешающая способность, чувствительность,

помехоустойчивость, воспроизводимость, специфичность.

Чувствительность определяет минимальную концентрацию исследуемого

компонента, статистически достоверно отличающуюся от аналогичного показателя

контрольной (холостой) пробы, которая может быть определена данным методом.

Фактически, эта величина эквивалентна пределу обнаружения искомого компонента в

пробе, т. е. минимальному количеству вещества, которое может быть обнаружено с

достаточно высокой достоверностью.

Воспроизводимость - соответствие результатов повторных измерений

(определений) в одной и той же пробе. Величина, обратная воспроизводимости,

характеризует разброс результатов (аналитическую вариацию), которая зависит от

наличия случайных погрешностей.

Специфичность характеризует возможность выявления искомого компонента

в условиях мешающего влияния других компонентов среды, а также близких, но не

идентичных по своей структуре ингредиентов.

Необходимо учитывать, что исследуемая проба всегда представляет собой

совокупность различных веществ, среди которых находится и аналит. Среди

А.А. Евстрапов. Курс лекций «Нанотехнологии в экологии и медицине»

остальных компонентов пробы обязательно присутствуют составляющие, дающие

неспецифические реакции, близкие к реакциям аналита. Такие реакции искажают

результаты исследований и могут рассматриваться как помехи — примеси (фон).

Выделяют два типа помех: аддитивные (представляют собой некоторый компонент

пробы, количество которого не связано с количеством аналита) и

мультипликативные (образующие прочное химическое соединение с полезной

составляющей, количество которого пропорционально количеству аналита). Если для

удаления аддитивных примесей иногда достаточно включить в технологическую

процедуру, например, операцию фильтрования пробы, которая позволит отделить

мешающие компоненты, то для выделения мультипликативных примесей необходимо

применять более сложные методы трансформирования пробы (например, диализ,

электрофорез и др.).

3. Основы микро- и нанофлюидики.

Огромное количество веществ анализируется методами жидкофазного анализа.

Наиболее важными и требующими решения проблемами при создании современных

высокочувствительных аналитических систем являются проблемы обеспечения

сверхвысокой производительности анализа и достижения предельной

чувствительности определения компонентов пробы (на уровне “одно-молекулярного”

детектирования). Средние значения кинетической и потенциальной энергий молекул

жидкости близки по величине между собой, а структура жидкости характеризуется

наличием ближнего порядка, т.е. такой корреляцией соседних молекул, при которой

координационное число и взаимное расположение ближайших молекул в среднем

одинаковы. Повышение температуры среды и уменьшение давления приводит к

уменьшению координационного числа и увеличению радиуса первой

координационной сферы, вплоть до возникновения хаотического распределения

скоростей молекул, свойственного веществам в газообразном состоянии. Понижение

температуры и повышение давления увеличивает степень ближнего порядка, и при

температурах, близких к точке плавления, структура жидкостей становится подобной

той, что имеет место в соответствующем твердом теле. Молекулы жидкости находятся

в непрерывном тепловом движении, а именно, вращение,

нерегулярные вращательные

и возвратно-поступательные движения, скачки через потенциальные барьеры,

разделяющие возможные положения частиц. Действие постоянной или медленно

изменяющейся внешней силы приводит к появлению преимущественной

направленности активированных переходов молекул из одного пространственного

положения в другое – так появляется жидкостный поток, подчиняющийся законам

гидромеханики.

Фундаментальные законы природы, лежащие в основе нашего понимания

действия

микро- и наноструктур хорошо известны. Новым является иное

взаимодействие между элементами, частицами – изменение относительной важности

сил в микро масштабе по сравнению с макро масштабом. Поверхностные эффекты,

которыми часто пренебрегают в макро масштабе, оказываются доминирующими в

микро- и наносистемах.

3.1. Флюиды: жидкости и газы. Гидродинамические и реологические

свойства жидкости. Ньютоновские и неньютоновские жидкости.

3.1.1. Флюиды: жидкости и газы

А.А. Евстрапов. Курс лекций «Нанотехнологии в экологии и медицине»

Два главных класса флюидов - жидкостей и газов, отличаются, прежде всего,

удельным весом и степенью взаимодействия между составляющими молекулами.

Плотность газа низка, по крайней мере в 10

меньшая, чем твердого тела, и молекулы

двигаются как свободные частицы, которые только взаимодействуют прямыми

столкновениями на атомных расстояниях ~ 0.1 нм. Относительно большое расстояние

между газовыми молекулами ~ 3 нм, делает газ сжимаемым. Плотность жидкости 10

кгÿм

-3

сопоставима с плотностью твердого тела, то есть, молекулы упакованы настолько

плотно, насколько возможно с типичным средним межмолекулярным расстоянием ~0.3

нм, и жидкость может для многих практических целей рассматриваться несжимаемой.

Межмолекулярные силы в жидкости имеют весьма запутанную квантовую и

электрическую природу, так как каждая молекула всегда окружается множеством

молекул в пределах атомных расстояний.

В модельных вычислениях для простых жидкостей множество особенностей

взаимодействия пары молекул могут быть воспроизведены путем вычисления

потенциала Ленарда-Джонса:

⎥

⎦

⎤

⎢

⎣

⎡

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

−

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

⋅=

612

)r(V

σσ

где r - расстояние между молекулами,

- максимальная энергия притяжения,

диаметр столкновения. Соответствующая межмолекулярная сила дается производной:

)r(F

−= .

В интервалах до нескольких молекулярных диаметров молекулы в жидкости

взаимодействуют почти также, как в твердых телах. Однако, значительные тепловые

флуктуации вызывают дополнительные молекулярные взаимодействия, что и является

особенностью жидких сред.

Для малых расстояний, r < r

~ 0.3 nm силы взаимодействия носят сильно

отталкивающий характер (рис. 3.2.1 а), в то время, как для больших расстояний, r > r

они слабо притягиваются. Зависимость измеряемой физической величины жидкости

как функции объема V

probe

, будет иметь сложную форму, на которой можно выделить

три участка (рис. 3.1.1 б). Для микроскопических объемов анализа будут наблюдаться

большие молекулярные колебания величины. Для мезоскопических объемов анализа

может быть определена точная оценка величины, а для макроскопических объемов

анализа небольшие вариации изменений флюидов могут наблюдаться при воздействии

внешних сил.

Рисунок 3.1.1. Потенциал Ленарда-Джонса (а) и зависимость измеряемой физической

величины жидкости как функции объема пробы V

probe

(б)

А.А. Евстрапов. Курс лекций «Нанотехнологии в экологии и медицине»

3.1.2. Факторы, определяющие процессы в микро- и нанофлюидике.

Помимо размерных эффектов, имеющих место в микро- и нанофлюидике, следует

отметить следующие факторы, определяющие процессы в низкоразмерных системах:

• шероховатость поверхности (эффекты сопротивления потоку, взаимодействия

с частицами и т.п.);

• растворенные газы (образование пузырьков, прилипание к поверхности и т.п.);

• химические свойства поверхности (химические реакции и т.д.);

• гидрофобность – гидрофильность поверхности;

• загрязняющие примеси;

• нагрев из-за неконтролируемых процессов;

• электрические свойства поверхности (двойной электрический слой, изменение

поверхностного и объемного заряда, перенос заряда и т.д.).

Вязкие силы в жидкости могут приводить к большой дисперсии потока

по оси

его движения. Они оказывают существенное влияние, как в масштабе отдельных

молекул, так и в масштабе микропотоков - вблизи границ раздела жидкость-твердое

тело (вне нескольких молекулярных слоев), при движении по сложным и гетерогенным

границам.

Влияние граничных областей на частицы и потоки экспериментально

наблюдались в диапазоне от молекулярных толщин до

сотен нм. Если поверхность

имеет супергидрофобные свойства, то этот диапазон может простираться до

микронных толщин. Молекулярная теория способна предсказать влияние гидрофобных

свойств поверхности в системах только до десятков нм.

Флюиды, потоки жидкости или газа, характеризуются свойствами, которые

меняются непрерывно при действии внешних сил. В жидкости присутствие сил сдвига,

малых по величине, влечет большие изменения в относительном положение элемента

флюида. Напротив, изменения в относительных положениях атомов в твердых телах

остаются маленькими при действии любой маленькой внешней силы. Прекращение

действия внешних сил на флюид не обязательно приводит к восстановлению его

начальной форме.

3.1.3. Реология жидких сред

Слово реология происходит от греческого rew –

течение. Реологические явления

проявляются во многих природных процессах и в большом числе технологических.

Реология - наука о деформациях и текучести сплошных сред, обнаруживающих

упругие, пластические и вязкие свойства в различных сочетаниях.

При течении реальных жидкостей в них возникают силы внутреннего трения.

Для большего класса жидких сред, так называемых ньютоновских жидкостей,

справедлив закон

внутреннего трения, линейно связывающий касательное напряжение

(напряжение сдвига, напряжение внутреннего трения)

с градиентом скорости потока

/dn:

ητ

−= , где

- динамический коэффициент вязкости,

- скорость потока, n –

координата, перпендикулярная к потоку.

А.А. Евстрапов. Курс лекций «Нанотехнологии в экологии и медицине»

Для ньютоновских жидкостей динамическая вязкость не зависит от режима

движения, но при этом существенно зависит от температуры. Для характеристики

движения жидкости вводят кинематический коэффициент вязкости

, где ρ -

плотность жидкости.

К неньютоновским жидкостям (еще их называют аномально-вязкими или

структурно-вязкими) относятся, в частности, суспензии, эмульсии, растворы и

расплавы полимеров и т.п. Их динамическая вязкость зависит от характера движения,

то есть,

(

)

= даже для малых чисел Рейнольдса:

Re =

, где U и d —

характерные скорость потока и геометрический размер канала,

— плотность и

коэффициент динамической вязкости среды соответственно.

Различие между текучими свойствами ньютоновских и неньютоновских

жидкостей, можно пояснить, рассмотрев жидкость между двумя параллельными

поверхностями, отстоящими друг от друга на расстояние d. Если к верхней приложить

силу F, действующую в направлении x, то пластина начнет двигаться с постоянной

скоростью u. При этом жидкость просто увлекается в направлении x вследствие своего

сцепления с верхней пластиной. Результирующее касательное напряжение

определяется формулой

, где А – площадь поверхности верхней пластины. Для

ньютоновской жидкости характерно линейное распределение скоростей (рис. 3.1.2),

причем градиент скорости (скорость сдвига поперек слоя жидкости)

остается

постоянным. Угловой коэффициент графика зависимости напряжения сдвига от

градиента скорости соответствует

. Он зависит только от температуры и давления и не

зависит от скорости сдвига. В случае неньютоновских жидкостей график зависимости

от

уже не является прямой линией, проходящей через начало координат. При этом

кажущаяся вязкость, определяемая как отношение касательного напряжения к

результирующей скорости сдвига, меняется в зависимости от величины скорости

сдвига

. Для некоторых жидкостей она может зависеть от продолжительности

действия касательного усилия.

А.А. Евстрапов. Курс лекций «Нанотехнологии в экологии и медицине»

Рисунок 3.1.2. Течение жидкости между параллельными пластинами.

Так псевдопластичные жидкости характеризуются нелинейным реологическим

уравнением

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

−=

ητ

, где

– кажущая вязкость, m – константа (0<m<1), n – координата (x,

y, z).

Это уравнение справедливо для большинства коллоидов, полимеров, суспензий с

асимметричными частицами. На практике оказывается, что при постоянных

температуре и давлении, внутреннее трение неньютоновских жидкостей зависит от их

гидромеханической предыстории.

Вязкопластичные неньютоновские (бингамовские) жидкости

(концентрированные суспензии, пасты) характеризует наличие предела текучести

только при превышении которого жидкость начинает течь, согласно уравнению

Ньютона. При уменьшении напряжения и обратном переходе через значение

называемое предельным напряжением сдвига, бингамовске жидкости обратимо

восстанавливают свою структуру. Реологическое уравнение для бингамовских

жидкостей имеет вид:

ηττ

=−

, где

– пластическая вязкость.

Для группы дилатантных жидкостей, к числу которых относятся некоторые

концентрированные суспензии, в отличие от псевдопластичных сред характерно

возрастание кажущейся вязкости с увеличением градиента скорости потока при m>1.

Рассмотренные типы неньютоновских жидкостей объединены общим свойством

стационарности, т.е. независимостью функции d

/dn=f(

) от времени.

Имеются также два типа неньютоновских жидкостей, кажущаяся вязкость

которых зависит от продолжительности сдвига: тиксотропные и реопектантные. У

тиксотропных жидкостей (многие краски и кисломолочные продукты) вязкость

понижается с увеличением продолжительности воздействия постоянных напряжений

сдвига вследствие разрушения структуры. После снятия силовых воздействий

А.А. Евстрапов. Курс лекций «Нанотехнологии в экологии и медицине»

первоначальная структура восстанавливается и вязкость возрастает. Вязкость

реопектантных жидкостей повышается с ростом длительности сдвиговых воздействий.

Вязкоупругие (максвелловские) жидкости (смолы, расплавленные полимеры,

теста) обладают свойствами частичного восстановления своей формы после снятия

напряжений, напоминая этим упругие твердые тела. Характерно, что кажущиеся

вязкости всех неньютоновских жидкостей, как правило, значительно превышают

вязкость воды.

Реологическая классификация неньютоновских жидкостей и зависимость

касательного напряжения от скорости сдвига для жидкостей приведены на рис. 3.1.3 и

рис. 3.1.4.

Рисунок 3.1.3. Реологическая классификация неньютоновских жидкостей

3.1.4. Модели жидкости

Характер жидкости формализовано определяется характеристическим числом

Шмидта:

. Принято считать, что для водоподобных жидкостей это число