XV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2023

Трековые мембраны (ТМ) – полимерные пленки, обладающие порами с разной геометрией, полученных при пропускании через них потока высокоэнергетических частиц или осколков деления за счет которых осуществляются процессы разделения и концентрирования веществ на их поверхности. Дополнительная обработка позволяет приобрести ТМ новые свойства, которые используются для идентификации простых и сложных веществ, в том числе биологических объектов [1]. В данной работе рассматриваются особенности модификации поверхности ТМ на основе полиэтилентерефталата (ПЭТФ) раствором 3-аминопропилтриэтоксисилана (АПТЭС) [2] с последующей иммобилизацией наночастиц серебра (НЧ Ag). Получив представление о механизмах модификации, можно разработать методику получения биосенсора [3], работающего на эффекте гигантского комбинационного рассеяния (ГКР) света, применяемого в водных и воздушных средах. Анализ материалов был осуществлен методами сканирующей электронной микроскопии (СЭМ), спектроскопией поглощения в УФ видимой области и определением потенциала протекания с последующим расчетом -потенциала.

В ранних исследованиях [4, 5] было изучено, что АПТЭС не взаимодействует с поверхностью ТМ, и для успешной модификации АПТЭС необходимо дополнительное нанесение на поверхность якорных групп, в качестве которых могут выступать ионы поливалентных металлов.

В данной работе были рассмотрены водные растворы солей алюминия, с добавлением K₂CO₃, с целью получения золя Al(OH)₃ [6]_. Предполагается, что ионы Al³⁺ гидролизуются в растворе с образованием большого числа гидроксо-катионов, которые связываются с поверхностью ТМ. Для устранения стерического эффекта и удалению влаги из пор ТМ, пленки были высушены в сушильном шкафу. Схема связывания Al с поверхностью ТМ выглядит следующим образом (рис. 1.)

Рисунок 1. Химическое связывание: а) без цикла, b) с циклом [7]

Модификация АПТЭС проводилась на водяной бане, в растворе АПТЭС. Для иммобилизации, через фильтрационную ячейку пропускали НЧ Ag, полученные цитратным химическим методом [8] и предварительно очищенные центрифугированием.

Обсуждение результатов

В

(1)

результате измерения -потенциала, наилучшее связывание с поверхностью ПЭТФ ТМ показали образцы ТМ, обработанные в смеси AlCl₃ + K₂CO₃. Успешное протекание модификации растворами Al³⁺ и АПТЭС характеризуется изменением величины -потенциала поверхности ТМ (рис.2., табл.1.), рассчитанного по формуле Гельмгольца-Смолуховского

где – объемная скорость частицы [м/с] (, S – площадь капилляров мембраны [м²])
– вязкость среды [Па*с], – коэффициент, учитывающий форму границы раздела фаз. — диэлектрическая постоянная вакуума; — относительная диэлектрическая проницаемость среды [Ф/м]; — ионная сила раствора по теории Дебая — Хюккеля.

Рисунок 2. График зависимости U/P ТМ до и после модификации

На каждом этапе модификации значение -потенциала поверхности увеличивалось, что позволило снизить электростатическое отталкивание с отрицательно заряженными НЧ Ag и тем самым увеличить их сорбцию на ТМ.

Таблица 1. Значения -потенциала и плотности поверхностного заряда

	ТМ	ТМ+Al3+	ТМ+Al3++АПТЭС
U/p	-0,0002	-0,00003	-0,00001
ζ, мВ	-35,6	-5,3	-1,8

Свободная аминогруппа АПТЭС служит активным центром сорбции НЧ Ag. Методом УФ-спектроскопии определено содержание НЧ Ag в растворах исходных и после пропускания через модифицированные ТМ (рис. 3.)

Рисунок 3. Спектр поглощения растворов НЧ Ag (химические, очищенные) до и после обработки ТМ

Методом СЭМ подтверждён процесс осаждение НЧ Ag на поверхность ТМ. На снимках видны зернистые структуры НЧ, однако покрываема ими площадь мала, что может свидетельствовать о плохом связывании с АПТЭС или его малой концентрации на поверхности ТМ.

Рисунок 4. Снимки СЭМ ТМ+AlCl₃+АПТЭС+НЧ(Ag), с увеличением x20K и x50K

Модифицированные ТМ исследованы на наличие эффекта гигантского комбинационного рассеяния (ГКР) света на тестовом веществе 4-аминотиофеноле (С = 10^-5М). Как видно (рис.5.), происходит гашение основных полос поглощения ПЭТФ и появление новых в области 1430 см^-1 и 1572 см^-1.

Рисунок 5. Спектр ГКР ТМ исходной и с иммобилизованными НЧ Ag и 4-аминотиофенолом

Слабое усиление ГКР сигнала может быть вызвано либо малой концентрацией НЧ на поверхности ТМ, из-за сильного разбавления при приготовлении раствора НЧ.

Выводы

Результаты эксперимента показали, что модификация трековых мембран АПТЭС возможна при дополнительно обработке ТМ якорными группами, содержащими ионы поливалентного металла Al³⁺, которые формируют прочные ковалентные связи с поверхностью ПЭТФ. Данный метод модификации позволил провести иммобилизацию НЧ Ag на ТМ. На каждом этапе обработки были отобраны образцы ТМ для определения величины - потенциала, величина которого составила -35,6; -5,3; -1,8 мВ соответственно.Были сняты спектры поглощения растворов наночастиц до и после пропускания через модифицированные трековые мембраны, интенсивность полос поглощения уменьшилась на 38,85% в результате сорбции НЧ на поверхности. Также этот процесс подтверждается снимками СЭМ, на поверхности ТМ явно видны НЧ Ag. Обнаружение эффекта ГКР света при использовании 4-АТФ проявляется в появлении новых пиков в области 1430 и 1572 см^-1 и снижении интенсивности основных пиков полимера.

Литература

[1] Saedi, S. et al. Silver ion loaded 3-aminopropyl trimethoxysilane-modified Fe₃O₄ nanoparticles for the fabrication of carrageenan-based active packaging films // Colloids and Surfaces B: Biointerfaces. – 2021. – V. 208. – P. 112085.

[2] Arkles B. et al. Silane Coupling Agents: Connecting Across Boundaries, Gelest // Inc. – 2014. – V. 3. – P. 9-12.

[3] Hsiao V. K. S. et al. Aminopropyltriethoxysilane (APTES)-functionalized nanoporous polymeric gratings: fabrication and application in biosensing // Journal of Materials Chemistry. – 2007. – V. 17. – №. 46. – P. 4896-4901.

[4] Гринь К.Н. Исследование влияния АПТЭС на процессы травления и модификации трековых мембран для последующего создания биосенсоров на их основе // Материалы Международного молодежного научного форума «ЛОМОНОСОВ-2022» / Отв. ред. И.А. Алешковский, А.В. Андриянов, Е.А. Антипов, Е.И. Зимакова. [Электронный ресурс] – М.: МАКС Пресс. – 2022. – ISBN 978-5-317-06824-0.

[5] Гринь К.Н. Особенности травления и модификации трековых мембран 3-аминопропилтриэтоксисиланом для изготовления биосенсоров // ХХХII Менделеевская школа-конференция молодых ученых 11–13 мая 2022, Москва, Сборник тезисов. - М.: [Электронное издание]. – 2022. – С. I-55.

[6] Березкин В.В., Нечаев А.Н., Митрофанова Н.В. Влияние адсорбции поливалентных металлов на электроповерхностные и ион-селективные свойства трековых нанофильтров // Коллоидный журнал. – 2003. – Т. 65. – № 3. – С. 311-315.

[7] Sandrin L., Sacher E. X-ray photoelectron spectroscopy studies of the evaporated aluminum/corona-treated polyethylene terephthalate interface // Applied surface science. – 1998. – V. 135. – №. 1-4. – P. 339-349.

[8] Lee, P. C. Adsorption and surface-enhanced Raman of dyes on silver and gold sols // J. Phys. Chem. – 1982. – V. 86. – № 17. – P. 3391–3395.

Код для цитирования: Скопировать