ХІМІЯ, ФІЗИКА ТА ТЕХНОЛОГІЯ ПОВЕРХНІ

ISSN 2518-1238 (Online), ISSN 2079-1704 (Print)

Мета цієї роботи – вивчення можливості створення гідролітично і хімічно стійких рН-чутливих матеріалів з використанням кремнезему як носія та кислотно-основного індикатора, що змінює забарвлення при варіюванні рН середовища. Синтез рН-чутливих матеріалів було здійснено шляхом ковалентного зв'язування барвника метиловий червоний з амінопропілкремнеземом у присутності 1,1¢‑карбонілдиімідазолу як зшиваючого агента. Пориста структура, хімічний склад поверхні та протолітичні властивості синтезованих кремнеземних матеріалів охарактеризовано за допомогою низькотемпературної адсорбції-десорбції азоту, кількісного хімічного аналізу, термогравіметрії, електронної спектроскопії дифузного відбиття, рН-метрії. Встановлено, що хімічна іммобілізація метилового червоного на поверхні кремнезему не спричиняє суттєвого впливу на пористу структуру вихідного кремнезему. Вміст кислотно‑основного індикатора, хімічно іммобілізованого на поверхні кремнезему, визначено шляхом кількісного хімічного аналізу синтезованих матеріалів, а також методами термогравіметрії та електронної спектроскопії дифузного відбиття в ультрафіолетовій та видимій області. Продемонстровано, що електронна спектроскопія дифузного відбиття може бути надійним методом кількісного визначення індикаторного барвника, хімічно прищепленого до поверхні кремнезему. Доведено, що іммобілізований барвник зберігає здатність до протонування третинної аміногрупи і утворення резонансного іона азонію, який відповідає за зміну кольору метилового червоного. Встановлено, що протонування метилового червоного, хімічно закріпленого на поверхні кремнезему, здійснюється при більш високих значеннях рН у порівнянні з індивідуальним індикаторним барвником. Тому зміна забарвлення прищепленого метилового червоного відбувається в менш кислих розчинах. Запропонований синтетичний підхід може бути використаний для одержання екологічно чистих рН-чутливих матеріалів багаторазового використання.

1. Shamansky L.M., Yang M., Olteanu M., Chronister E.L. A spectroscopic study of the pH sensor response of fluorescein doped silica and aluminosilica sol-gel glasses. Mater. Lett. 1996. 26(3): 113. https://doi.org/10.1016/0167-577X(95)00214-6

2. Yang L., Saavedra S.S. Chemical sensing using sol-gel derived planar waveguides and indicator phases. Anal. Chem. 1995. 67(8): 1307. https://doi.org/10.1021/ac00104a002

3. Lee J.E., Saavendra S.S. Evanescent sensing in doped sol-gel glass films. Anal. Chim. Acta. 1994 285(3): 265. https://doi.org/10.1016/0003-2670(94)80064-2

4. Kraus S.C., Czolk R., Reichert J., Ache H.J. Optimization of the sol-gel process for the development of optochemical sensors. Sens. Actuators, B. 1993. 15–16(1–3): 199. https://doi.org/10.1016/0925-4005(93)85051-B

5. Bambot S.B., Sipior J., Lakowicz J.R., Rao G. Lifetime-based optical sensing of pH using resonance energy transfer in sol-gel films. Sens. Actuators, B. 1994. 22(3): 181. https://doi.org/10.1016/0925-4005(94)87019-5

6. Butler T.M., MacCraith B.D., McDonagh C. Leaching in sol-gel-derived silica film for optical pH sensing. J. Non-Cryst. Solids. 1998. 224(3): 249. https://doi.org/10.1016/S0022-3093(97)00481-X

7. Lee S.T., Gin J., Nampoori V.P.N., Vallabhan C.P.G., Unnikrishnan N.V., Radhakrishnan P. A sensitive fibre optic pH sensor using multiple sol-gel coatings. Journal of Optics A: Pure and Applied Optics. 2001. 3(5): 355. https://doi.org/10.1088/1464-4258/3/5/307

8. Wang E., Chow K.-F., Kwan V., Chin T., Wong C., Bocarsly A. Fast and long term optical sensors for pH based on sol-gels. Anal. Chim. Acta. 2003. 495(1–2): 45. https://doi.org/10.1016/S0003-2670(03)00904-8

9. Kowada Y., Ozeki T. Preparation of silica-gel film with pH indicators by the sol-gel method. J. Sol-Gel Sci. Technol. 2005. 33(2): 175. https://doi.org/10.1007/s10971-005-5612-7

10. Wu Z., Jiang Y., Xiang H., You L. Understanding the mechanisms of reaction and release of acid-base indicators entrapped in hybrid gels. J. Non-Cryst. Solids. 2006. 352(52–54): 5498. https://doi.org/10.1016/j.jnoncrysol.2006.09.008

11. Capeletti L.B., dos Santos J.H.Z., Moncada E. Quantification of indicator content in silica-based pH solid sensors by diffuse reflectance spectroscopy. Anal. Methods. 2011. 3: 2416. https://doi.org/10.1039/c1ay05235g

12. Capeletti L.B., Radtke C., dos Santos J.H.Z., Moncada E., Da Rocha Z.N., Pepe I.M. On the interaction of encapsulated pH indicator species within a silica matrix produced by three sol-gel routes. Colloids Surf., A. 2011. 392(1): 256. https://doi.org/10.1016/j.colsurfa.2011.10.002

13. Chauhan S.S., Jasra R.V., Sharma A.L. Dye immobilized mesoporous silica thin film as optical pH sensor. Int. J. Nanosci. 2012. 11(3): 1240001. https://doi.org/10.1142/S0219581X12400017

14. Zajic J., Traplova L., Matejec V., Pospisilova M., Barton I. Optical pH detection with U-shaped fiber-optic probes and adsorption transducers. Conference Papers in Science. 2015. 2015: 513621.

15. Yamaguchi A., Namekawa M., Kamijo T., Itoh T., Teramae N. Acid-base equilibria inside amine-functionalized mesoporous silica. Anal. Chem. 2011. 83(8): 2939. https://doi.org/10.1021/ac102935q

16. Oberg K.I., Hodyss R., Beauchamp J.L. Simple optical sensor for amine vapors based on dyed silica microspheres. Sens. Actuators, B. 2006. 115(1): 79. https://doi.org/10.1016/j.snb.2005.08.021

17. Nivens D.A., Zhang Y., Angel S.M. A fiber-optic pH sensor prepared using a base-catalyzed organo-silica sol-gel. Anal. Chim. Acta. 1998. 376(2): 235. https://doi.org/10.1016/S0003-2670(98)00505-4

18. Aigner D., Borisov S.M., Fernandez F.J.O., Sanchez J.F.F., Saf R., Klimant I. New fluorescent pH sensors based on covalently linkable PET rhodamines. Talanta. 2012. 99: 194. https://doi.org/10.1016/j.talanta.2012.05.039

19. Tertykh V.A., Belyakova L.A. Chemical reactions with the participation of silica surface. (Kiev: Naukova Dumka, 1991). [in Russian].

20. Belyakova L.A., Besarab L.N., Roik N.V., Lyashenko D.Yu., Vlasova N.N., Golovkova L.P., Chuiko A.A. Designing of the centers for adsorption of bile acids on a silica surface. J. Colloid Interface Sci. 2006. 294(1): 11. https://doi.org/10.1016/j.jcis.2005.06.081

21. Tawarah K.M., Abu-Shamleh H.M. A spectrophotometric study of the acid-base equilibria of o-methyl red in aqueous solutions. Dyes Pigm. 1991. 17(3): 203. https://doi.org/10.1016/0143-7208(91)80027-7

22. Kolthoff I.M. Acid-base indicators. (New York: The Macmillan Company, 1953).

23. Tobey S.W. The acid dissociation constant of methyl red. J. Chem. Educ. 1958. 35(10): 514. https://doi.org/10.1021/ed035p514

24. Schirmer R.E. Modern methods of pharmaceutical analysis. V. 1. (Boca Raton: CRC Press, 1982).

25. Tian Y., Wang G., Li F., Evans D.G. Synthesis and thermo-optical stability of methyl red intercalated Ni-Fe layered double hydroxide material. Mater. Lett. 2007. 61(8–9): 1662. https://doi.org/10.1016/j.matlet.2006.07.094