Наноструктурированные покрытия на основе Ленгмюра–Блоджетт плёнок перфтордекановой кислоты для гибких датчиков анализа ионов свинца в воде

В результате антропогенной деятельности в окружающую среду поступает большое количество тяжёлых металлов. Важнейшей задачей является поиск методов контроля их  содержания  в воде. Трековые мембраны могут быть относительно легко модифицированы нанометровыми слоями функциональных материалов с использованием метода Ленгмюра‒Блоджетт, что позволяет направленно изменять структурные, селективные свойства поверхности мембран и получать новые материалы с заданными характеристиками. Цель работы ‒ разработка гибких сенсоров на основе трековых мембран из полиэтилентерефталата с нанослоями перфтордекановой кислоты для анализа ионов свинца в воде. Разработаны методики модификации полиэтилентерефталатных трековых мембран (ПЭТФ ТМ) монослойным покрытием на основе перфтордекановой кислоты (ПФДК) методом Ленгмюра–Блоджетт, а также двухслойными покрытиями ПФДК/ксиленоловый оранжевый (КО) путём выдерживания ПЭТФ ТМ/ПФДК в растворах красителя. Методом атомно-силовой микроскопии изучена микроструктура и локальные физико- механические свойства поверхности датчиков, методом «лежащей» капли оценена смачиваемость и значения удельной поверхностной энергии ПЭТФ ТМ до и после модификации. На основании измерения вольт-амперных характеристик установлено, что ПЭТФ ТМ/ПФДК имеют более высокий отклик электрохимических характеристик по сравнению с ПЭТФ ТМ и ПЭТФ ТМ/ПФДК/КО. Предельно допустимая концентрация обнаружения ионов свинца в водных растворах при рН = 12 составила 0,652 мкг/л в пределах 5 измерений.

1. Pujol L, Evrard D, Groenen-Serrano K, Freyssinier M, Ruffien-Cizsak A, Gros P. Electrochemical sensors and devices for heavy metals assay in water: the French groups' contribution. Front. Chem. 2014;2(19):24. DOI: 10.3389/fchem.2014.00019

2. Ulbricht M. Advanced functional polymer membranes. Polymer. 2006;47(7):2217-2262. DOI: 10.1016/j.polymer.2006.01.084

3. Chamani Н, Woloszyn J, Matsuura Т, Rana D, Chr. Lan Q. Pore wetting in membrane distillation: A comprehensive review. Progress in Materials Science. 2021;122:100843. (46 p.). DOI: 10.1016/j.pmatsci.2021.100843

4. Zhdanov GS. [et al.] Main approaches to the modification of track membranes from polyethylene terephthalate. Series. Critical technologies. Мembranes. 2004;2(22):3-8. (In Russ.).

5. Vakulyuk PV. [et al.] Influence of modifying track membranes with oligomeric bianker compounds on their separating characteristics. Series. Сritical technology. Мembranes. 2003;17:9-15. (In Russ.).

6. Rossouw A. [et al.] Modification of polyethylene terephthalate track etched membranes by planar magnetron sputtered Ti/TiO2 thin films. Thin Solid Films. 2021; 725:138641. (9 p.). DOI: 10.1016/j.tsf.2021.138641

7. Pronin V. [et al.] A. Ion-beam method for modifying the surface of track membranes. Journal of Technical Physics. 2001;46:1444-1447. DOI: 10.1134/1.1418510

8. Kravets LI. [et al.] Study of the surface and electrochemical properties of a polypropylene track membrane modified in the plasma of non-polymerizing gases. JINR Preprint. P18-2012-59. 2012. 23 p.

9. Bessbousse H. Poly(4-vinyl pyridine) radiografted PVDF track etched membranes as sensors for monitoring trace mercury in water. Radiat. Phys. Chem. 2016;118: 48-54. DOI: 10.1016/j.radphyschem.2015.03.011

10. Pinaeva U. Bis[2-(methacryloyloxy) ethyl]phosphate radiografted into track-etched PVDF for uranium (VI) determination by means of cathodic stripping voltammetry. React. Funct. Polym. 2019;142:77-86. DOI: 10.1016/j.reactfunctpolym.2019.06.006

11. Zhumanazar NN. [et al.] Sensors based on track membranes for electrochemical detection of cadmium ions. Bulletin of NNC RK. 2021;(1):4-8. (In Russ.).

12. Zhumanazar N. [et al.] Electrochemical detection of lead and cadmium ions in water by sensors based on modified track-etched membranes. Sensors and Actuators A: Physical. 2023;354:114094. DOI: 10.1016/j.sna.2022.114094

13. Korolkov IV. [et al.] Enhancement of electrochemical detection of Pb2+ by sensor based on track-etched membranes modified with interpolyelectrolyte complexes. Journal of Materials Science: Materials in Electronics. 2020;31:20368-20377. (10 р.). DOI: 10.1007/s10854-020-04556-4

14. Korolkov IV. [et al.] Photo-induced graft (co)polymerization of glycidyl methacrylate and acrylonitrile on PET ion-track membranes for electrochemical detection of uranyl ions. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects. 2022;648:129086. DOI: 10.1016/j.colsurfa.2022.129086

15. Zdorovets MV. [et al.] Functionalization of PET Track-Etched Membranes by UV-Induced Graft (co)Polymerization for Detection of Heavy Metal Ions in Water. Polymers. 2019;11(11):1876. (16 р.). DOI: 10.3390/polym11111876

16. Zawisza I. [et al.] Complexation of metal ions by azocrown ethers in Langmuir-Blodgett monolayers. Journal of the Chemical Society, Dalton Transactions. 2000: 499-503. DOI: 10.1039/A907063J

17. Kalinina MA, Arslanov VV, Vatsadze SZ. IonSensitive Monolayers and Langmuir–Blodgett Films of Amphiphilic Cyclen : Selectivity and Regeneration. Colloid Journal. 2003;65(2):177-185. DOI: 10.1023/A:1023365108235

18. Kalinina MA. [et al.] Conformational tuning of sensing Langmuir – Blodgett membranes for selective determination of metal ions, anions, and molecular fragments. IEEE Sensors journal. 2006;6(2):450-457. DOI: 10.1109/JSEN.2006.870165

19. Erbach R. [et al.] Application of rod-like polymers with ionophores as Langmuir Blodgett membranes for Si-based ion sensors. Sensors and Actuators B. 1992;6:211-216. DOI: 10.1016/0925-4005(92)80058-6

20. Kalinina MA. [et al.] Langmuir-Blodgett composite films for the selective determination of calcium in aqueous solutions. Russian Journal of Physical Chemistry. 2008;82(8):1334-1342. DOI: 10.1134/S0036024408080165

21. Mashentseva AA. [et al.] Cu/CuO Composite Track-Etched Membranes for Catalytic Decomposition of Nitrophenols and Removal of As(III). Nanomaterials. 2020;10:1552. DOI: 10.3390/nano10081552

22. Mashentseva AA. [et al.] Application of SilverLoaded Composite Track-Etched Membranes for Photocatalytic Decomposition of Methylene Blue under Visible Light. Membranes. 2021;11:60. DOI: 10.3390/membranes11010060