[1]Изобретение относится к области нанотехнологий и материаловедения, а также к экологии, биологии, экспериментальной фармакологии и касается способа количественного определения углеродных наноструктур (УН), в частности углеродных нанотрубок, в твердых и жидких образцах и различных средах, включая органические и биологические, методами оптической атомно-эмиссионной спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой.
[2]В последние годы УН получают все большее применение в промышленности и предметах потребления. В этой связи, а также в связи с необходимостью исследования их экологического воздействия на окружающую среду и возможными медицинскими применениями вопросы количественного определения УН в различных средах становятся весьма актуальными [Омельянчук Л.В., Гурова О.А., Окотруб А.В. Генотоксическое действие неорганических наночастиц на клетку. // Российские нанотехнологий 2014. Т. 9, N 3-4. С.90-971; Purtov K.V., Petunin A.I., Burov А.Е., Puzyr A.P., Bondar V.S. Nanodiamonds as Carriers for Address Delivery of Biologically Active Substances // Nanoscale Res. Let. 2010. V. 5. P. 631-636].
[3]В силу специфики химических и ядерно-физических свойств УН их детектирование в различных средах, особенно в органической матрице является сложной задачей. В нескольких десятках существующих патентов и публикаций описаны разнообразные способы детектирования, визуализации и измерения содержания УН в различных средах. В этих технических решениях используется широкий спектр методов: детектирование тепловой эмиссии при нагреве УН электромагнитным излучением, детектирование рамановского рассеяния на УН, измерения в образцах поглощения частоты возбуждения ядерного магнитного резонанса изотопа углерода 13С, оптические методы с использованием конфокальной флуоресцентной или интерференционно-контрастной микроскопии [Kam N.W., Liu Z., Dai Н. // Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 2006. V. 45. P. 577-581; S. Chaudhary, J.H. Kim, K.V. Singh, M. Ozkan. Fluorescence Microscopy Visualization of Single-Walled Carbon Nanotubes Using Semiconductor Nanocrystals // Nano Lett. 2004 V. 4.], электронной микроскопии [Д.В. Штанский, Просвечивающая электронная микроскопия высокого разрешения в нанотехнологических исследованиях // Российский химический журнал (Журнал Рос. хим. об-ва им. Д.И. Менделеева), 2002, т. XLVI, №5 стр 81-884]. Большое число технических решений основано на введение в исследуемые УН различных меток-маркеров в виде атомов других элементов, изотопных (в том числе и радиоактивных), магниторезонансной томографии гадолиниевых меток в УН, конъюгация с биологически активными структурами или введение иных, легко обнаруживаемых меток [L.M. Manus, D.J. Mastarone, Е.А. Waters et al. Gd(III)-nanodiamond conjugates for MRT contrast enchancement // Nano Lett. 2010. V. 10. P. 484-489.]. Например, модифицирование поверхности УН флуоресцирующими веществами или увеличение дефектности кристаллоподобных (наноалмазы) УН высокоэнергетическими воздействиями. При этом следует иметь ввиду, что сильное поглощение электромагнитного излучения видимого и ближнего инфракрасного диапазона в биологической матрице, воде и других плотных затрудняет их использование для количественных измерений.
[4]Например, в патенте US 9417198 приводится метод и устройство для детектирования углеродных нанотрубок (УН) в биологических образцах путем облучения образцов микроволновым излучением и последующего детектирования теплового излучения УН.
[5]В патенте РФ №2582286 предложен способ детекции проникновения углеродных нанотрубок (УН) в биологическую ткань, геном клеток которой содержит промотор гена теплового шока, сшитый с кодирующей областью дрожжевого транскрипционного фактора Gal4, и генетическую репортерную конструкцию UAS-GFP. Вывод о наличии или отсутствии проникновения отдельных УНТ в ткань образца делают на основе распределения флуоресценции в клетках образца. Изобретение обеспечивает эффективную детекцию проникновения УНТ в биологическую ткань, однако о количественных измерениях речь не идет.
[6]В патенте US 8501152 описывается метод изотопного мечения УНТ, содержащих карбоксильные группы. Данные УНТ помещаются в органический раствор, где в присутствии палладия происходит реакция УНТ с 13С или 14С меченым цианидом, в результате чего происходит замена поверхностных карбоксильных групп на меченые нитрильные группы. Далее эти нитрильные группы гидролизуют в кислоте или основании, в результате чего на поверхности УНТ остается одна или более карбоксильных групп, в которых несущий кислотный остаток атом углерода является изотопом 13С или 14С, которые можно детектировать и измерять с помощью масс-спектрометрического анализа (изотоп 13С) или радиометра бета-излучения (14С).
[7]В заявке № WO 2010102984 предлагается функционализировать УНТ (по сути вводить метку) последовательностями нуклеиновых кислот, способных в определенных условиях к репликации. Образцы, содержащие функционализированные УНТ помещаются в условия инициирующие репликацию метки-последовательности нуклеиновых кислот. В результате даже единственная меченая такой меткой УНТ может быть обнаружена.
[8]Известно техническое решение - патент РФ №2528096, где описывается способ количественного определения УН, в частности наноалмазов и нанотрубок, в биологических образцах и их распределение в организме ex vivo, Способ характеризуется тем, что поверхность углеродных наноструктур модифицируют (2,4,5-трийодфенил)-метанолом, определяют количество йода в модифицированных углеродных наноструктурах, и измеряют в полученной пробе количества йода методом масс-спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой, определением в полученной пробе количества йода методом масс-спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой и расчетом содержания углеродных наноструктур в пробе по разности содержания йода в пробе до введения модифицированных углеродных наноструктур и после их введения в организм и пересчетом этого количества йода в содержание углеродных наноструктур в образце, используя исходное содержание йода в модифицированной углеродной наноструктуре. Способ обеспечивает мониторинг распределения углеродных наноносителей в организме in vivo.
[9]Все обнаруженные технические решения можно условно разделить на две группы. К первой группе относятся методы, использующие специфические физико-химические свойства УН (например, способность эффективно поглощать высокочастотное электромагнитное излучение, характерные спектры комбинационного рассеяния, селективность поглощения электромагнитного излучения). Недостатками этих методов являются сложность практической реализации и низкая точность, соответственно, малая пригодность для количественных измерений и, высокая трудозатратность из-за сложности методики и отсутствия коммерчески доступных приборных комплексов, а также разрушение образцов в процессе пробоподготовки.
[10]Вторая, относительно многочисленная группа, основана на внесении меток-маркеров в исследуемые УН путем модификации их физико-химической структуры. Основным недостатком является неизбежное влияние этих изменений на потребительские свойства УН и результаты научных экспериментов с их использованием. Использование изотопной углеродной метки-маркера не имеет этих недостатков, однако практическая реализация этого наиболее совершенного технического решения дорога и трудозатратна.
[11]Предлагаемое авторами решение позволяет количественно измерять массу УН в любых жидких и твердых средах (в том числе углеродосодержащих и биологических), используя естественные метки-маркеры, которыми являются трудноудалимые остатки технологических катализаторов. Важнейшей особенностью этого технического решения является отсутствие трудоемких процессов внесения метки-маркера в исследуемые УН и отсутствие каких-либо изменений в физико-химических свойствах УН, обусловленных внесением какой-либо специальной метки-маркера. При этом сохраняется основное достоинство метода меченых УН - возможность измерений в углеродосодержащей (органической) среде.
[12]Проблемой решаемой предлагаемым изобретением является создание универсального и несложного способа измерения массы УН в образцах различного химического и фазового состава.
[13]Технический результат - расширение функциональных возможностей количественного измерения УН в образцах различного состава, в том числе и биологических без изменения физико-химических свойств образцов, что повышает достоверность измерения.
[14]Для достижения указанного результат предложен способ количественного определения массы углеродных наноструктур (УН) в образце путем измерения в исследуемом образце с неизвестным массовым содержанием УН массы присутствующих в УН сопутствующих примесей катализаторов методами масс-спектрометрии с индуктивно-связаной плазмой или атомно-эмиссинной спектрометрией с индуктивно-связаной плазмой, а искомую массу УН в исследуемом образце определяют путем сравнения массы технологической примеси в исследуемом образце с массой этой примеси в эталонном образце, содержащем известную массу УН.
[15]Кроме того, в качестве образцов могут быть использованы твердые и жидкие образцы органических веществ.
[16]На фиг. 1-2 показаны:
[17]Фиг. 1 Углеродные нанотрубки с наконечниками из металла-катализатора, полученные на электронном микроскопе при увеличении 11000. Фотография выполнена в Мичиганском технологическом институте и доступна по ссылке: http://www.phy.mtu.edu/nue/fundamentals_labtour.htm)
[18]Фиг. 2 Многостенные углеродные нанотрубки марки "ТАУНИТ-М производства ООО НаноТехЦентр, Россия, Тамбов с фрагментами кобальтового катализатора (темные участки). Фотография выполнена в РНЦ «Курчатовский институт».
[19]Технический результат достигается тем, что для детектирования и измерения массы изучаемых УН в образце используется естественная примесь в виде прочно связанных с углеродной наноструктурой атомов технологического катализатор, например, показанная на фиг. 1. Такие технологические примеси имеются в большинстве коммерчески производимых УН (за исключением детонационных алмазов и некоторых технологий производства графена). Это связано с тем, что, основными технологиями получения УН типа углеродная нанотрубка и фуллеренов являются:
[20]- разрядно-дуговой метод с вводимыми в электроды примесями редкоземельных металлов, лазерная абляция в присутствии катализаторов (никеля и кобальта);
[21]- осаждение из газовой фазы в присутствии катализатора (например, кобальта, никеля, молибдена, железа, или иных металлов, из группы переходных элементов таблицы Менделеева).
[22]Ряд технологий получения наноалмазов также включает использование металлических катализаторов (лития, калия).
[23]Способ осуществляется следующим образом:
[24]Измерение массы УН в образце начинается с идентификации примеси катализатора в УН, изготовления эталонного образца (содержащего известную массу УН) и измерения массы идентифицированной примеси в эталонном образце. Масса упомянутых выше примесей в образцах, содержащих УН, может быть измерена методами оптической или масс-спектрометрией с индуктивно-связанной плазмой. Определение массы УН в образце Мх по результатам измерения массы примесей в образце производится методом эталонов, т.е. сравнением массы примеси обнаруженной в измеряемом образце Мпр, с массой этой же примеси в эталонном образце Мпр эт по формуле:
[25]
[26]где: Мх - искомая масса УН в образце;
[27]Мпр - измеренная в образце масса примесей;
[28]МпрЭТ - известная масса примеси в эталонном образце;
[29]МунЭТ - известная масса УН в эталонном образце.
[31]В ходе эксперимента по изучению возможности измерения массы УН в образце с помощью атомно-эмиссионной спектроскопии с индуктивно-связанной плазмой были изготовлены три серии образцов взвеси УН в дистиллированой воде с примесью ПАВ полисорбат 80 (менее 0,01%). В эксперименте использовались многостенные углеродные нанотрубки марки "ТАУНИТ-М производства ООО НаноТехЦентр, Россия, Тамбов. При изготовлении образцов использовались предельно малые концентрации УН что обусловлено необходимостью избежать агрегации исследуемых взвесей УН. Для многостенных углеродных нанотрубок марки "ТАУНИТ-М агрегация в водной взвеси становится заметной начиная с 0,05% и резко возрастает с увеличением их концентрации. Изготовленные образцы в различных сериях (по 10 образцов в каждой серии) имели концентрации УН 0,0035% или 35 ppm. 0,00035% (3,5 ppm) и 0,0000035%) (0,35 ppm), четвертая контрольная серия содержала дистиллят с примесью ПАВ без УН. С помощью атомно-эмиссионного спектрометра с индуктивно-связаной плазмой (ИСП-АЭС) «ULTIMA 2» фирмы «HORIBA Jobin Yvon» были измерены концентрации технологической примеси-катализатора (кобальта) в каждой серии. Минимальная измеряемая величина концентрации кобальта в данном приборе (при использованной методике измерений) составляет 0,001 ppm. Усредненные значения концентраций кобальта в каждой серии показаны в Таблице 1. В контрольной серии кобальт не был обнаружен в пределах чувствительности прибора.
[32]
[33]Выбирая в качестве эталона образец №1 (с концентрацией УН 35 ppm), и считая заданные при изготовлении образцов концентрации УН за истинные, можно рассчитать коэффициент пересчета концентрации примеси кобальта в концентрацию УН, а именно K=35ppm/0,33ppm=106. Из этого также следует, концентрация кобальта в УН составляет около 1%, что хорошо совпадает с спецификацией производителя. Вычисленные по измеренной концентрации кобальта концентрации УН в образцах №2 и №3 показаны в Таблице 2.
[34]
[35]Данный пример демонстрирует возможность измерения концентрации УН в водной взвеси с помощью атомно-эмиссионной спектроскопии с индуктивно-связанной плазмой.
[36]Таким образом, в предлагаемом способе за счет использования для измерений массы УН присутствующих в них естественных примесей катализаторов, используемых в процессе изготовления УН и отсутствия изменения физико-химических свойств образцов в процессе пробоподготовки удалось предложить простой, универсальный и достоверный способ измерения количественного содержания УН в различных образцах.
