Презентация - "Презентация "Обзор тест-средств, применяемых в мониторинге качества природных вод""

Возможности и перспективы тест-средств для внелабора-торного химического анализа воды, почвы и других объектов

Проблемы анализа воды:

Отбор проб (ГОСТ 17.1.5.05-85, ГОСТ Р 51592-2000, ГОСТ Р 51593-2000, Р 52.24.353-94, ПНД Ф 12.15.1-08)
Хранение проб до анализа (спец.посуда, охлаждение);
Перечень определяемых показателей;
Многообразие форм нахождения определяемых компонентов;
Методическая база (технические возможности);
Выбор метода
Куцева Н.К. Материалы конференции «МЕТОДЫ АНАЛИЗА И КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА ВОДЫ», Москва, 2012

ТЕСТ-МЕТОДЫ: АНАЛИЗ "НА МЕСТЕ"
Экономия времени и средств
Принятие решения без промедлений 
Снижение требований к квалификации оператора 
Не изменяется состав пробы

ТЕСТ-МЕТОДЫ: ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ
Водоотведение и водоподготовка
Сельское хозяйство  
Строительство и геологоразведка
Экологический мониторинг
Медицина, санитария
Фармацевтический анализ

ТЕСТ-МЕТОДЫ: ПРИРОДА ПРОЦЕССА
Физические
Химические (аналитические реагенты)
Биохимические (ферменты и иммуносистемы)
Биологические (микроорганизмы, органы, ткани, популяции)

ТЕСТ-СРЕДСТВА НА ОСНОВЕ ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ
Чувствительность
Селективность
Скорость
Контрастность
Удобные, безопасные и устойчивые к хранению формы реагентов
Стабильность аналитического эффекта
определения
с помощью
тест-средств

ТЕСТ-СРЕДСТВА НА ОСНОВЕ ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ
По природе и способу измерения аналитического сигнала 
По форме использования тест-реагента (по числу фаз):
Гомогенные системы
Гетерогенные системы

ПРИРОДА И СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ АНАЛИТИЧЕСКОГО СИГНАЛА
Изменение окраски
Визуально-колориметрические
Инструментальные
Длина изменившей окраску зоны в индикаторной трубке
Время изменения окраски
Число капель реагента, необходимое для
изменения окраски

Портативные фотометры, люминометры, фотоаппараты
ИНСТРУМЕНТАЛЬНОЕ ИЗМЕРЕНИЕ АНАЛИТИЧЕСКОГО СИГНАЛА
Определение K, Mg, жесткости в питьевых водах и напитках
K: 3,210-7 – 0,1 M, sr: 3,3-4%, Mg: 2,710-6 – 1,5 M, sr: 4,7-7,8%, Жесткость: 4,310-1-200 мг/л в CaCO3, sr: 5,1-7%
Lapresta-Fernandez A., Capitan-Vallvey L.F., Anal. Chim. Acta. 2011. V. 706. P.328-337

Бумаги и ткани
Полимеры
Силикагели и золь-гель материалы
Наночастицы


ТЕСТ-СРЕДСТВА НА ОСНОВЕ ГЕТЕРОГЕННЫХ СИСТЕМ

Целлюлоза – природный полимер. Звенья – гликозидные остатки

ТЕСТ-СРЕДСТВА
Индикаторные полоски

Способы иммобилизации реагентов
Адсорбция
Одностадийная
Многостадийная
Реакции синтеза

Аналитический сигнал:
Интенсивность окраски
 визуально-колориметрические
 инструментальные (СДО)
Длина изменившей цвет зоны
Время

Прокачивание для повышения чувствительности!
Бумажная хроматография
БУМАГИ (1767 г – рН)

БУМАГИ
Без растворения таблетки в воде
Бумажные полоски, содержащие необходимые реагенты и разделеннные гидро-фобными барьерами (воск)
активные компоненты препаратов (ампициллин, амоксициллин и др.)
компоненты поддельных лекарств (хлорохин, ацетаминофен)
наполнители (мел, тальк, крахмал)
12 показателей
Weaver A.A., Reiser H., Barstis T. et al., Anal. Chem. 2013.V. 85. P. 6453-6460.
Скрининг -лактамных антибиотиков и противо-
туберкулезных препаратов

Мультигабаритные многофункциональные бумажные устройства
Многомерность бумажных устройств включает в себя несколько функций при малых размерах

Доставка реагентов по каналам, образовавшиеся путем пропитки целлюлозной матрицы

Обнаружение антител, разделение и концентрирование крови
a
b
Separation zone
Separation zone
Detection zone
Josephine C. Cunningham, Paul R. DeGregory, Richard M. Crooks. New Functionalities for Paper-Based Sensors Lead to Simplified User Operation, Lower Limits of Detection, and New Applications. Annu. Rev. Anal. Chem. 2016. 9:4.1–4.20;

Бумажные микрофлюидные устройства
(A) Настраиваемая бумага задерживает поток жидкости, контролируя ширину шунта, высоту и размещение в пористом канале.
(B) Разрушаемый мост действует как цифровой переключатель “вкл/выкл”. Как только мост растворяется в несущей жидкости, поток прекращается.
(С) резьба микродорожек на пути потока может ускорить поток (продольные каналы) или замедление потока
(D) Нанопористые мембраны с рисунком в бумажном каналы для направленного транспорта аналита
David M. Cate, Jaclyn A. Adkins, Jaruwan Mettakoonpitak, Charles S. Henry. Recent Developments in Paper-Based Microfluidic Devices. Fundamental and Applied Reviews in Analytical Chemistry 2015, 87, с.19-41;

Бумажные устройства на основе микрофлюидов
Схема процесса изготовления тест-устройства
Yang Lin a, Dmitry Gritsenko a, Shaolong Feng b, Yi Chen Teh b, Xiaonan Lu b,n, Jie. Detection of heavy metal by paper-based microfluidics. Biosensors and Bioelectronics. 83, 2016, с.256-266

Бумажные микрофлюидные диагностические устройства
Большинство из этих тестов бывают разных размеров, форм и конфигурации.

(А–C) – ИБ без защитной оболочки (каркас);

(D-G) – имеют пластмасовые каркасы;

(Н) – мультитест (формат бокового потока, разделяющий каждый из них боковая прокладка испытания подачи в множественные каналы.

Анализ мультиплексируется в том смысле, что анализируется один образец одновременно, но на самом деле тестовые полосы имеют отдельные реакции происходящие независимо друг от друга
Yetisen, A. K.; Akram, M. S.; Lowe, C. R. Paper-based microfluidic point-of-care diagnostic devices. Lab Chip 2013, 13, 2210−2251.

Коммерческие считывающие устройства
(А) iPhone быстрой диагностики латерального потока считывания.
(Б) Android-смартфон на основе латерального потока считывания.
(С) Программа визуализации.
(Д) Программа обработки.
(E) Сбор устройства
(F) Приведенный в действие цифровой читатель.

Программируемые микрофлюидные устройства на основе бумаги с использованием кнопки push

A) Схема слоев в жидком мультиплексоре

B) Использование жидкого мультиплексора

C) Схема креста - раздел кнопки

D) фотографии креста - участков до и после использования

Hossain, S. M.; Luckham, R. E.; Smith, A. M.; Lebert, J. M.; Davies, L. M.; Pelton, R. H.; Filipe, C. D.; Brennan, J. D. Anal. Chem. 2009, 81, 5474– 5483.

ТКАНИ:
"ПОЛОСАТЫЕ" ИНДИКАТОРНЫЕ ТРУБКИ
Определение 0,5-50 мг/л N-NH4 в природных водах
Реакция в растворе
Трубка содержит нетканый материал с зонами, содержащими ионообменные группы
Количество голубых полос – концентрация аммония
Hori T., Niki K., Kiso Y. et al. Talanta. 2010. V.81. P.1467-1471.

ЗОЛЬ-ГЕЛЬ МАТЕРИАЛЫ
Синтез новых материалов на основе оксида кремния с заданными физико-химическими свойствами

Включение более 40 анали-
тических реагентов

Варьирование прекурсоров
Ормосилы: фенильные,
аминные группы
Si-Ti

Morosanova E.I. Silica and silica-titania sol-gel materials: synthesis and analytical application. Talanta, 2012, V. 102, P. 114-122.

ЗОЛЬ-ГЕЛЬ МАТЕРИАЛЫ: твердофазноспектрофотометрическое и визуально-колориметрическое определение
В тонком слое оптически прозрачны!
Разработаны тест-системы для определения:
Ag(I), Cd, Fe(III), Mn(II), Mo(VI), Ni, Pb, Zn, Хлоридов, Фторидов, Иодидов, Гидразинов, Анилинов, Сложных эфиров, Нафтолов, Фенолов в объектах окружающей среды;
Пероксида водорода в дезинфицирующих средствах;
Аскорбиновой кислоты, Кофейной кислоты,
Галловой кислоты, Дигидрокверцетина,
Кверцетина, Рутина в фармацевтических
препаратах и биологически активных добавках.
Время анализа 2-20 мин
sr: ТФС определение 0,07-0,20
Визуальное 0,25-0,35
Morosanova E.I. Silica and silica-titania sol-gel materials: synthesis and
analytical application. Talanta, 2012, V. 102, P. 114-122.

ЗОЛЬ-ГЕЛЬ МАТЕРИАЛЫ: индикаторные трубки
Метод развит в отношении анализа растворов!
Kuselman I., Lev O., Talanta 40 (1993) 749-756.
Разработаны ИТ для определения:
Fe(II,III), Co(II), Cu(II), Pb, Cd, Ni, Sn(II), Мo (VI), Cуммы тяжелых металлов, хлоридов, иодидов, нитритов, нитратов, гидразинов, фенолов, анионных ПАВ в объектах окружающей среды,
Пероксида водорода в дезинфицирующих средствах
Sn(II) в радиофармпрепаратах;
Нитрат-ионов в биологических жидкостях.
Объем пробы 100-200 мкл
Время анализа: 2-20 мин
sr : 0,02 -0,07
Morosanova E.I. Silica and silica-titania sol-gel materials:
synthesis and analytical application. Talanta, 2012, V. 102,
P. 114-122.

Визуальное определение 9,610-8 - 6,410-6 М ртути(П) в
природной и водопроводной воде
Цвет золей зависит от степени агрегации наночастиц:



Одноцепочечная ДНК стабилизирует мелкие частицы
В присутствии ртути(II) эта способность пропадает!

Lee, J.-S.; Han, M. S.; Mirkin, C. A. // Angew. Chem., Int. Ed. 2007, V. 46. P. 4093
Liu, C.-W.; Hsieh, Y.-T.; Huang, C.-C etc. // Chem.Commun. 2008. P. 2242
Xue, X. J.; Wang, F.; Liu, X. G. // J. Am. Chem. Soc. 2008. V. 130. P. 3244
Wang H., Wang Y., Jin J., Yang R.// Anal. Chem. 2008. V. 80. P. 9021
НАНОЧАСТИЦЫ ЗОЛОТА
Агрегация

НАНОЧАСТИЦЫ СЕРЕБРА И МЕДИ
Визуальное определение Ag(I): 0,06 – 60 nM,
Cu(II): 0,3 – 60 nM в растворах
Самокатализирующаяся система с использованием наночастиц, реакция с о-фенилендиамином
Для детектирования УФ-излучение
Yang X., Wang E. Anal. Chem. 2011. V. 83. P. 5005-5011.

НАНОЧАСТИЦЫ СЕРЕБРА
Визуальное определение Hg(II): 5-75 мг/л в объектах окружающей среды
Тест-полоски для определения с использованием наночастиц серебра (10, 30, 35, 45, 50 нм)
2 мкл пробы, высокая селективность: не мешают As(III), Ni, Fe(III), Cu(II), Zn, Mg, Cd, Pb

Apilux A., Siangproh W., Praphairaksit N., Chailapakul O. Talanta. 2012. V.97. P. 388-394.
Концентрация ртути(II), мг/л
0 1 100

Новые реакции и системы
Совершенствование систем детектирования
Формирование законодательной базы для визуально-колориметрических определений
ПЕРСПЕКТИВЫ
ТЕСТ-МЕТОДЫ НЕЗАМЕНИМЫ ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ МАССОВОГО И ОПЕРАТИВНОГО ХИМИЧЕСКОГО АНАЛИЗА