4.6. Магнитные сорбенты на основе сверхсшитого полистирола: синтез, свойства и применение для концентрирования тетрациклинов и сульфониламидов

В.В. Толмачёва, С.Г. Дмитриенко,
В.В. Апяри, Е.В. Кочук, Ю.А. Золотов

В последние годы идет активный поиск наноразмерных сорбционных материалов и расширение областей их практического применения для разработки новых схем пробоподготовки различных объектов. К числу наиболее перспективных наноразмерных сорбентов относятся магнитные наночастицы оксидов железа (преимущественно Fe₃O₄), и магнитные сорбенты на их основе, нашедшие применение в методе магнитной твердофазной экстракции (МТФЭ). Публикации в области МТФЭ указывают, что поиск новых магнитных сорбентов продолжается [1]. Во многом этому способствует значительное упрощение процесса пробоподготовки за счет применения МТФЭ, практически неограниченная возможность изменения сорбционных свойств МНЧ оксидов железа путем модифицирования их поверхности, а также относительная простота и дешевизна получения магнитных сорбентов, позволяющая осуществлять их синтез в научных лабораториях силами исследователей, работающих в этой области.

Подавляющее число работ, связанных с МТФЭ органических соединений, посвящено синтезу и применению в анализе магнитных сорбентов со структурой «ядро – оболочка», которые получают нековалентной или ковалентной иммобилизацией на поверхности предварительно синтезированных наночастиц оксидов железа различных неорганических или органических соединений. Начаты работы по синтезу и применению в МТФЭ магнитных композитных материалов на основе углеродсодержащих или полимерных сорбентов с включёнными наночастицами оксидов железа [1].

Среди полимерных магнитных сорбентов большой научный и практический интерес представляют магнитные сверхсшитые полистиролы (ССПС), так как они сочетают уникальные сорбционные свойства ССПС с возможностью отделения сорбента от раствора c помощью магнита. В последние годы описаны два способа получения таких сорбентов. Первый (наиболее трудоёмкий) заключается в синтезе ССПС в присутствии наночастиц Fe₃O₄ [3, 4]. Другой способ состоит в химическом осаждении магнетита в матрице сверхсшитого полистирола [4]. В качестве альтернативного мы предложили новый способ получения магнитных ССПС, основанный на сорбции предварительно синтезированных наночастиц магнетита на ССПС.

Наша цель состояла в разработке и синтезе новых магнитных сорбентов на основе коммерчески доступного образца сверхсшитого полистирола, исследовании их структурных, магнитных и сорбционных свойств, а также оценке возможности применения этих сорбентов для группового сорбционного концентрирования тетрациклинов и сульфаниламидов методом МТФЭ. Интерес, проявляемый в последние годы к разработке методов выделения, концентрирования и определения тетрациклинов [5] и сульфаниламидов [6] в различных объектах, обусловлен широким, а зачастую и неконтролируемым применением этих лекарственных препаратов в ветеринарной практике, что приводит к их накоплению в продуктах питания животного происхождения и объектах окружающей среды и представляет потенциальную угрозу здоровью человека.

Синтез и исследование магнитных ССПС. Магнитные сорбенты на основе коммерчески доступного образца ССПС получали в два этапа: сначала синтезировали наночастицы Fe₃O₄, Fe₃O₄@SiO₂, Fe₃O₄@ПВП (ПВП – поливинилпирролидон), а затем сорбировали их на ССПС.

Согласно данным просвечивающей электронной микроскопии синтезированные частицы Fe₃O₄ представляют собой систему сросшихся частиц округлой формы примерно равных размеров. Диаметр этих частиц составляет 15 нм. Электронограмма подтвердила наличие в образце наночастиц Fe₃O₄. Средний диаметр наночастиц магнетита, покрытых оксидом кремния и поливинилпирролидоном составляет 12 и 16 нм соответственно Площадь поверхности сухих образцов синтезированных наночастиц составляет 70, 203 и 174 м²/г соответственно. Магнитные измерения показали, что все синтезированные наночастицы Fe₃O₄ являются суперпарамагнитными. На кривых намагничивания образцов отсутствует петля магнитного гистерезиса, что характерно для магнитных частиц в наноразмерном состоянии (< 25 нм). Установлено, что наночастицы Fe₃O₄, покрытые SiO₂ или ПВП, более устойчивы к окислению.

Наночастицы магнетита сорбировали на ССПС из воды, ацетонитрила, ацетона, изопропанола, метанола и гексана. Содержание Fe₃O₄ в матрице сорбента контролировали методом спектроскопии диффузного отражения. Основными качественными параметрами при выборе условий получения магнитного сорбента являлись структурная однородность магнитного композита, способность к намагничиванию, отсутствие следов в растворе после магнитного отделения сорбента. Установлено, что частицы Fe₃O₄ лучше всего сорбируются и удерживаются на ССПС при сорбции из метанольных растворов. Сорбционная ёмкость ССПС по отношению к наночастицам магнетита увеличивается в ряду Fe₃O₄@SiO₂ < Fe₃O₄@ПВП < Fe₃O₄ и составляет 50, 70 и 135 мг/г соответственно.

Синтезированы четыре образца магнитных сорбентов, содержащих 5, 12, 20 и 30% Fe₃O₄, и два образца, содержащие наночастицы Fe3O4@SiO2 и Fe3O4@ПВП. Сорбенты представляют собой порошки черно-коричневого цвета. В спектрах диффузного отражения магнитных сорбентов наблюдается полоса с максимумом при 400–410 нм, амплитуда которой возрастает с увеличением содержания Fe₃O₄ в ССПС. Методом сканирующей электронной микроскопии установлено, что наночастицы Fe3O4 располагаются на поверхности сферических частиц ССПС в виде агломератов. Присутствие железа на поверхности ССПС подтверждено данными энергодисперсионной рентгеноэмиссионной спектроскопии.

Сравнение удельной поверхности сорбентов и объёма пор указывает на то, что введение наночастиц Fe₃O₄, Fe₃O₄@SiO₂ и Fe₃O₄@ПВП магнетита в матрицу ССПС, а также увеличение их содержания сопровождается незначительным уменьшением этих характеристик. Магнитные сорбенты на основе ССПС проявляют магнитные свойства лишь при приложении внешнего магнитного поля, на кривых намагничивания образцов отсутствует петля магнитного гистерезиса. В зависимости от содержания Fe₃O₄ намагниченность насыщения (при 300 К) возрастает от 1,7 до 8,5 э.м.е./г, что достаточно для извлечения сорбента из раствора под действием магнитного поля постоянного магнита. Уменьшение удельной намагниченности композитов ССПС/Fe₃O₄ по сравнению с Fe₃O₄ – естественное следствие присутствия диамагнитного ССПС в составе композитов. Композиты характеризуются низкой остаточной намагниченностью, что важно для сохранения стабильности водной суспензии. В противном случае после воздействия магнитным полем частицы образовывали бы крупные устойчивые агрегаты, практически не поддающиеся суспендированию.

Выбор магнитного сорбента для группового концентрирования тетрациклинов и сульфаниламидов. Предварительную оценку сорбционных свойств синтезированных магнитных сорбентов проводили на примере окситетрациклина (ОТЦ) и сульфаметоксазола (СМЗ) – наиболее распространённых представителей этих классов соединений. Сопоставление степеней извлечения ОТЦ и СМЗ на ССПС и магнитных ССПС указывает, что введение наночастиц Fe₃O₄ в матрицу сверхсшитого полистирола не влияет на его сорбционную способность: степени извлечения составляют 95–99%. Однако степени десорбции ОТЦ уменьшаются по мере увеличения содержания Fe₃O₄ в матрице ССПС, что, по-видимому, связано с взаимодействием окситетрациклина с оксидами железа. Для дальнейших исследований сорбционной способности магнитного ССПС по отношению к сульфаниламидам и тетрациклинам был выбран сорбент, содержащие 5% Fe₃O₄, Fe₃O₄@SiO₂ или Fe₃O₄@ПВП.

Изучена возможность повторного использования синтезированных сорбентов с учетом стадий сорбции-десорбции. Прочность удерживания магнитных наночастиц в матрице ССПС оценили при помощи спектроскопии диффузного отражения. Установлено, что хуже всего в матрице ССПС удерживаются наночастицы Fe₃O₄, покрытые SiO₂; уже после третьего цикла они практически полностью вымываются со ССПС, при этом образец полностью теряет свои магнитные свойства, что делает его использование в качестве магнитного сорбента нецелесообразным. В случае ССПС, модифицированного наночастицами Fe₃O₄, покрытыми ПВП, также, хотя и в меньшей степени, наблюдается тенденция к вымыванию магнитных частиц от цикла к циклу. Лучше всего в матрице ССПС удерживаются немодифицированные наночастицы Fe₃O₄, по крайней мере, по истечении 10 циклов сорбции-десорбции сорбент сохраняет структурную целостность и магнитные свойства. Этот сорбент и был выбран нами для дальнейших исследований.

Сорбция тетрациклинов и сульфаниламидов на магнитном ССПС, ССПС и наночастицах Fe₃O₄ [7, 8]. Сравнивали сорбционное поведение тетрациклинов (тетрациклина, окситетрациклина, хлортетрациклина и доксициклина) и сульфаниламидов (сульфаметоксазола, сульфаметоксипиридазина, сульфаметазина и сульфахлорпиридазина) на магнитном сорбенте ССПС/Fe₃O₄ (5%), ССПС и наночастицах Fe₃O₄ в зависимости от времени контакта фаз, рН раствора и концентрации извлекаемых соединений.

Установлено, что переход к магнитному сорбенту ССПС/Fe₃O₄ позволил сократить время установления сорбционного равновесия для тетрациклинов с 20 до 10 мин. по сравнению со ССПС. Тетрациклины сорбируются и на частицах Fe₃O₄, но в меньшей степени. Характер зависимости степени извлечения от рН указывает на то, что в отличие от ССПС, на котором тетрациклины сорбируются в цвиттер-ионной и катионной формах, на магнитном сорбенте ССПС/Fe₃O₄ и частицах Fe₃O₄ они сорбируются только в цвиттер-ионной форме. Сорбция максимальна в интервале рН 3–8 в области доминирования этой формы тетрациклинов. Уменьшение сорбции в кислой среде по сравнению с сорбцией на ССПС можно объяснить электростатическим отталкиванием протонированных форм тетрациклинов и положительно заряженных магнитных наночастиц Fe₃O₄. Согласно литературным данным, изоэлектрическая точка магнетита находится при pH 7.9±0.1. Изотермы сорбции свидетельствуют о высоком сродстве исследуемых сорбентов к тетрациклинам. В интервале равновесных концентраций 0.002–0.45 мМ изотермы сорбции описываются уравнением Лэнгмюра. Величины предельной адсорбции увеличиваются от 0,05 для Fe₃O₄ до 0,42 и 0,44 ммоль/г для ССПС и ССПС/Fe₃O₄. соответственно.

В отличие от тетрациклинов сульфаниламиды не сорбируются на наночастицах Fe₃O₄. На магнитном ССПС и ССПС сорбционное равновесие устанавливается в течение 5 мин. Максимальная сорбция достигается в области доминирования нейтральных форм этих соединений при рН 3–8.

В одинаковых условиях сопоставлены сорбционные свойства магнитного ССПС, ССПС и наночастиц Fe₃O₄ по отношению к тетрациклинам и сульфаниламидам, перечисленным выше. ССПС и магнитный ССПС сорбируют все выбранные соединения количественно на 94–99%. На частицах магнетита сорбируются только тетрациклины, степени извлечения которых варьируют от 52 до 57%.

При выборе условий десорбции в качестве элюентов использовали ацетонитрил, метанол, а также смесь (1:1) ацетонитрила с метанолом. Количественная десорбция тетрациклинов достигается 4 мл смеси ацетонитрил – метанол (1:1) при проведении десорбции в статических условиях или 2 мл – при проведении десорбции в УЗ-ванне. В отличие от тетрациклинов сульфаниламиды количественно десорбируются с магнитного сверхсшитого полистирола 2 мл всех выбранных растворителей.

На примере ОТЦ и СМЗ показано, что количественное выделение соединений может быть достигнуто при увеличении объема анализируемого раствора, по крайней мере, до 100 мл.

Концентрирование и определение тетрациклинов и сульфаниламидов методом ВЭЖХ [7, 8]. Реализовано сочетание сорбционного концентрирования и определения тетрациклинов и сульфаниламидов методом ВЭЖХ. Хроматографическое разделение проводили на хроматографе «Цвет-Яуза» с амперометрическим детектором (E = 1,2 В). Использовали колонку Luna C18, подвижной фазой служила смесь ацетонитрила с водным раствором фосфорной кислоты. Сочетание МТФЭ с ВЭЖХ определением позволяет определять тетрациклины и сульфаниламиды на уровне целых и десятых нг/мл при сорбции из 100 мл водного раствора. Результаты, полученные в рамках настоящей работы, указывают и на возможность одновременного концентрирования тетрациклинов и сульфаниламидов на магнитном ССПС и их последующем определении в элюате методом ВЭЖХ. При использовании в качестве подвижной фазы смеси ацетонитрил – 0,3%-й водный раствор H₃PO₄ (20:80; pH 3,1) за 26 мин. удается разделить семикомпонентную смесь тетрациклинов и сульфаниламидов. Степени выделения соединений составили 90–98%.

Применение магнитного ССПС для выделения сульфаниламидов из молока [8, 9]. Основанием для постановки такого исследования послужили единичные литературные данные по применению ССПС для сорбции ряда органических соединений непосредственно из плазмы крови и других биологических жидкостей, а также наши данные [10], указывающие на то, что пониженное сродство поверхности этого сорбента к белкам и другим макромолекулам и повышенное – к сульфаниламидам позволяет использовать ССПС для группового концентрирования этих соединений из цельного молока, минуя стадию депротеинизации.

Схема сорбционного выделения и концентрирования сульфаниламидов из молока включает сорбцию аналитов из 50 мл цельного молока, промывание сорбента водой и десорбцию 2 мл ацетонитрила. Разработаны два варианта методик, позволяющих с одной стороны оценивать суммарное содержание сульфаниламидов в ацетонитрильном элюате спектрофотометрическим методом и осуществлять скрининг проб молока на наличие этих нормируемых компонентов, а с другой – проводить их раздельное хроматографическое определение.

Спектрофотометрическое определение суммарного содержания сульфаниламидов проводили по реакции с n-диметиламинокоричным альдегидом по методике, разработанной нами ранее [11]. В качестве стандартного вещества для оценки суммарного содержания сульфаниламидов использовали смесь сульфаниламидов в равных соотношениях. Спектрофотометрическому определению сульфаниламидов не мешают сопоставимые количества триметоприма и антибиотиков других классов: окситетрациклина, неомицина, ампициллина и эритромицина. Сочетание МТФЭ со спектрофотометрическим определением позволяет определять сульфаниламиды на уровне нг/мл, что ниже максимально допустимых уровней СА в молоке, которые составляют 25 и 100 мкг/кг для России и стран ЕС. Методика успешно апробирована при оценке суммарного содержания сульфаниламидов в молоке с разной массовой долей жира. Для оценки содержания в молоке индивидуальных сульфаниламидов проведено их хроматографическое определение в ацетонитрильном элюате [8].

Таким образом, в рамках проведенного исследования удалось не только предложить новый подход к получению магнитных ССПС и осуществить их синтез, но и провести систематическое изучение их структурных, магнитных и сорбционных свойств, а также применить эти сорбенты на практике для группового концентрирования тетрациклинов и сульфаниламидов. Более подробные сведения об этой работе приведены в публикациях [7–9] и кандидатской диссертации В.В. Толмачёвой [12].

---

Вы можете обсудить книгу, и возможно задать вопрос автору в
Facebook группе "Книги. Издательство. Репринт.".
Также в этой группе можно узнать о новостях Издательства книг PRESS-BOOK.RU.

Наши книги  |  Наши авторы