Digital colorometric analysis of aqueous and water-organic systems using hydrophilic crosslinked polyvinyl alcohol–magnetite composite films

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

The use of the crosslinked polyvinyl alcohol–magnetite composite films as sensitive elements for determining the composition of aqueous solutions by digital colorimetry is described. A new approach to the production of composite materials of the composition hydrophilic polymer–magnetite by precipitation of Fe3O4 particles in ammonia vapor is proposed. The sensor films obtained in this way were used to determine the volume fraction of alcohol in products with a high alcohol content. The limit of ethanol determination was 63 vol.% isopropanol – 24 vol.%. The proposed sensory materials have been tested in the analysis of liquid hand antiseptics.

Full Text

Restricted Access

About the authors

I. S. Shemelev

Lomonosov Moscow State University

Author for correspondence.
Email: shchemelev_93@mail.ru

Faculty of Chemistry

Russian Federation, Moscow, Leninskie gory, 1, p. 3, GSP-3, 119991

T. V. Zinoviev

Lomonosov Moscow State University

Email: shchemelev_93@mail.ru

Faculty of Chemistry

Russian Federation, Moscow, Leninskie gory, 1, p. 3, GSP-3, 119991

A. V. Ivanov

Lomonosov Moscow State University; Kurnakov Institute of General and Inorganic Chemistry of the Russian Academy of Sciences

Email: shchemelev_93@mail.ru

Faculty of Chemistry

Russian Federation, Moscow, Leninskie gory, 1, p. 3, GSP-3, 119991; Moscow, Leninsky Prospekt, 31, 119991

N. B. Ferapontov

Lomonosov Moscow State University

Email: shchemelev_93@mail.ru

Faculty of Chemistry

Russian Federation, Moscow, Leninskie gory, 1, p. 3, GSP-3, 119991

References

  1. Дмитриенко С.Г., Апяри В.В., Свиридова О.А., Бадакова С.А., Золотов Ю.А. Использование реакций диазотирования и азосочетания с участием пенополиуретана для определения нитрит-ионов с помощью спектроскопии диффузного отражения и цветометрических сканер-технологий // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 2. 2004. Т. 45. № 2. С. 131. (Dmitrienko S.G., Apyari V.V., Sviridova O.A., Badakova S.A., Zolotov Yu. A. On the new approach to the theory of preferential wetting of heterogeneous solid surfaces // Moscow Univ. Chem. Bull. 2004. V. 45. № 2. P. 131.)
  2. Горбунова М.О., Баян Е.М., Шевченко А.В., Кулягинова М.С. Цветометрическое определение хлоридов в воде с использованием газовой экстракции и метилового оранжевого // Аналитика и контроль. 2017. Т. 21. № 3. С. 274. https://doi.org/10.15826/analitika.2017.21.3.007
  3. Химченко С.В., Экспериандова Л.П. Цветометрия в инструментальном и визуальном тест-анализе. Саарбрюккен: Lap Lambert Academic Publishing, 2014. 221 с.
  4. Золотов Ю.А., Иванов В.М., Амелин В.Г. Химические тест-методы анализа. М.: УРСС, 2002. 302 с.
  5. Шаока З.А. Ч. Развитие методологии цифровой цветометрии с использованием смартфона для определения органических веществ и идентификации объектов анализа. Дис. … канд. хим. наук. Владимир: Владимирский государственный университет, 2022. 185 с.
  6. Амелин В.Г., Шаока З.А. Ч., Большаков Д.С. Твердофазно-флуориметрическое определение тетрациклинов в лекарственных препаратах на целлюлозной бумаге и тонком слое силикагеля с использованием смартфона // Хим.-фарм. журн. 2021. Т. 55. № 3. С. 52. https://doi.org/10.30906/0023-1134-2021-55-3-52-57 (Amelin V.G., Shogah Z.A. C., Bol’shakov D.S. Solid-phase fluorimetric determination of tetracyclines in medicinal preparations on cellulose paper and in thin-layer silica gel using a smartphone // Pharm. Chem. J. 2021. V. 55. № 3. P. 303. https://doi.org/10.1007/s11094-021-02416-x)
  7. Амелин В.Г., Шаока З.А. Ч., Большаков Д.С. Использование смартфона для определения тетрациклинов в воде и молоке по сенсибилизированной твердофазной флуоресценции европия на его гидроксиде // Журн. аналит. химии. 2021. Т. 76. № 10. С. 952. https://doi.org/10.31857/S0044450221080028 (Amelin V.G., Shogah Z.A. C., Bol’shakov D.S. Using a smartphone foe determining tetracyclines in water and milk by the sensitized solid state fluorescence of europium on its hydroxide // J. Anal. Chem. 2021. V. 76. № 10. P. 1211. https://doi.org/10.1134/S1061934821080025)
  8. Monisha, Shrivas K., Kant T., Patel S., Devi R., Dahariya N.S., Pervez Sh., Deb M.K., Rai M.K., Rai J. Inkjet-printed paper-based colorimetric sensor coupled with smartphone for determination of mercury (Hg2+) // J. Hazard. Mater. 2021. V. 414. Article 125440. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2021.125440
  9. Mahmoudian N., Zamani A., Fashi A., Richter P., Abdolmohammad-Zadeh H. Ultra-trace determination of cadmium in water and food samples by a thin-film microextraction using a supported liquid membrane combined with smartphone-based colorimetric detection // Food Chem. 2023. V. 421. 136193. https://doi.org/10.1016/j.foodchem.2023.136193
  10. Vargas-Muñoz M.A., Morales J., Cerdà V., Ferrer L., Palacio E. Paper sensor-based method using a portable 3D-printed platform and smartphone-assisted colorimetric detection of ammonia and sulfide monitoring in anaerobic digesters and wastewater // Microchem. J. 2023. V. 188. Article 108469. https://doi.org/10.1016/j.microc.2023.108469
  11. Jain B., Jain R., Jha R.R., Bajaj A., Sharma Sh. A green analytical approach based on smartphone digital image colorimetry for aspirin and salicylic acid analysis // Green Anal. Chem. 2022. V. 3. Article 100033. https://doi.org/10.1016/j.greeac.2022.100033
  12. Амелин В.Г., Шаока З.А. Ч., Большаков Д.С. Микроэкстракционно-цветометрическое определение анионных ПАВ в природных и сточных водах // Заводск. лаборатория. Диагностика материалов. 2020. Т. 86. № 12. С. 5. https://doi.org/10.26896/1028-6861-2020-86-12-5-14 (Amelin V.G., Shogah Z.A. C., Bolshakov D.S. Microextraction-colorimetric determination of anionic surfactants in natural and waste waters // Ind. Lab. Diagn. Mater. 2020. V. 86. № 12. P. 5.)
  13. Амелин В.Г., Шаока З.А. Ч., Большаков Д.С. Микроэкстракционно-цветометрическое (флуориметрическое) определение катионных и анионных поверхностно-активных веществ в пищевых продуктах // Журн. аналит. химии. 2021. Т. 76. № 3. С. 234. https://doi.org/10.31857/S0044450221030038 (Amelin V.G., Shogah Z.A. C., Bol’shakov D.S. Microextraction-colorimetric (fluorimetric) determination of cationic and anionic surfactants in food products // J. Anal. Chem. 2021. V. 76. № 3. P. 330. https://doi.org/10.1134/S1061934821030035)
  14. Lima M.J. A., Sasaki M.K., Marinho O.R., Freitas T.A., Faria R.C., Reis B.F., Rocha F.R. P. Spot test for fast determination of hydrogen peroxide as a milk adulterant by smartphone-based digital image colorimetry // Microchem. J. 2020. V. 157. Article 105042. https://doi.org/10.1016/j.microc.2020.105042
  15. Marinho O.R., Lima M.J. A., Rocha F.P. R., Reis B.F. A green, fast and cost-effective smartphone-based digital image procedure for quantification of ethanol in distilled beverages // Microchem. J. 2019. V. 147. P. 437. https://doi.org/10.1016/j.microc.2019.03.054
  16. Li X., Liu B., Hu Zh., Liu P., Ye K., Pan J., Niu X. Smartphone-assisted off–on photometric determination of phosphate ion based on target-promoted peroxidase-mimetic activity of porous CexZr1-xO2 (x≥0.5) nanocomposites // Environ. Res. 2020. V. 189. Article 109921. https://doi.org/10.1016/j.envres.2020.109921
  17. Shrivas K., Sahu B., Deb M.K., Thakur S.S., Sahu S., Kurrey R., Kant T., Patle T.K., Jangde R. Colorimetric and paper-based detection of lead using PVA capped silver nanoparticles: experimental and theoretical approach // Microchem. J. 2019. V. 150. Article 104156. https://doi.org/10.1016/j.microc.2019.104156
  18. Qian Sh., Cui Yu, Cai Zh., Li L. Application of smartphone-based colorimetric biosensors // Biosens. Bioelectron. X. 2022. V. 11. Article 100173. https://doi.org/10.1016/j.biosx.2022.100173
  19. Ruttanakorn K., Phadungcharoen N., Laiwattanapaisal W., Chinsriwongkul A., Rojanarata Th. Smartphone-based technique for the determination of a titration equivalence point from an RGB linear-segment curve with an example application to miniaturized titration of sodium chloride injections // Talanta. 2021. V. 233. Article 122602. https://doi.org/10.1016/j.talanta.2021.122602
  20. Park H., Koh Y.G., Lee W. Smartphone-based colorimetric analysis of structural colors from pH-responsible photonic gel // Sens. Actuators B. 2021. V. 345. Article 130359. https://doi.org/10.1016/j.snb.2021.130359
  21. Qin J., Li X., Cao L., Du Sh., Wang W., Yao Sh. Q. Competition-based universal photonic crystal biosensors by using antibody-antigen interaction // J. Am. Chem. Soc. 2020. V. 142. № 1. P. 417. https://doi.org/10.1021/jacs.9b11116
  22. Крайский А.В., Постников В.А., Денискин В.В., Султанов Т.Т., Тихонов В.Е., Хамидулин А.В. Разработка сенсорных голографических датчиков на основе гидрогелей для количественного определения компонентов в биологических жидкостях // Альманах клинической медицины. 2008. № 17-2. С. 108.
  23. Крайский А.В., Постников В.А., Султанов Т.Т., Хамидулин А.В. Голографические сенсоры для диагностики компонентов растворов // Квантовая электроника. 2010. Т. 40. № 2. С. 178. (Kraiskii A.V., Postnikov V.A., Sultanov T.T., Khamidulin A.V. Holographic sensors for diagnostics of solution components // Quantum Elect. 2010. V. 40. № 2. P. 178. https://doi.org/10.1070/QE2010v040n02ABEH014169)
  24. Большаков Е.С., Иванов А.В., Козлов А.А., Абдуллаев С.Д. Сенсор на основе фотонного кристалла для обнаружения паров бензола, толуола и о-ксилола // Журн. физ. химии. 2018. Т. 92. № 8. С. 1283. https://doi.org/10.7868/S0044453718080137 (Bol’shakov E.S., Ivanov A.V., Kozlov A.A., Abdullaev S.D. Photonic crystal sensor for detecting vapors of benzene, toluene and o-xylene // Russ. J. Phys. Chem. A. 2018. V. 92. № 8. P. 1530. https://doi.org/10.1134/S0036024418080083)
  25. Иванов А.В., Большаков Е.С., Апяри В.В., Козлов А.А., Горбунова М.В., Абдуллаев С.Д. Аналитический отклик сенсорных матриц на основе фотонных кристаллов: измерение диффузного отражения // Журн. аналит. химии. 2019. Т. 74. № 2. С. 154. https://doi.org/10.1134/S0044450219020075 (Ivanov A.V., Bol’shakov E.S., Apyari V.V., Kozlov A.A., Gorbunova M.V., Abdullaev S.D. Analytical response of sensor arrays based on photonic crystals: measurement of diffuse reflectance // J. Anal. Chem. 2019. V. 74. № 2. P. 198. https://doi.org/10.1134/S1061934819020072)
  26. Kou D., Zhang Yo., Zhang Sh., Wu S., Ma W. High-sensitive and stable photonic crystal sensors for visual detection and discrimination of volatile aromatic hydrocarbon vapors // Chem. Eng. J. 2019. V. 375. Article 121987. https://doi.org/10.1016/j.cej.2019.121987
  27. Zhang J.-T., Cai Zh., Kwak D.H., Liu X., Asher S.A. Two-dimensional photonic crystal sensor for visual detection of lectin concanavalin A // Anal. Chem. 2014. V. 86. № 18. P. 9036. https://doi.org/10.1021/ac5015854
  28. Крайский А.В., Миронова Т.В., Султанов Т.Т. Измерение поверхностного распределения длины волны узкополосного излучения колориметрическим методом // Квантовая электроника. 2010. Т. 40. № 7. С. 652. (Kraiskii A.V., Mironova T.V., Sultanov T.T. Measurement of the surface wavelength distribution of narrow-band radiation by a colorimetric method // Quantum Elect. 2010. V. 40. № 7. P. 652. https://doi.org/10.1070/QE2010v040n07ABEH014288).
  29. Крайский А.В., Миронова Т.В., Султанов Т.Т. Измерение длины волны узкополосного излучения при обработке цифровых фотографий в raw-формате // Квантовая электроника. 2012. Т. 42. № 12. С. 1137. (Kraiskii A.V., Mironova T.V., Sultanov T.T. Narrow-band radiation wavelength measurement by processing digital photographs in raw-format // Quantum Elec. 2012. V. 42. № 12. P. 1137. https://doi.org/10.1070/QE2012v042n12ABEH014914)
  30. Гагарин А.Н., Ферапонтов Н.Б., Иванов А.В., Тиханова О.А., Смирнова М.А., Иконникова И.С. Применение композитного материала “поливиниловый спирт – магнетит” для анализа растворов методом оптической микрометрии / Роль фундаментальных исследований при реализации стратегических направлений развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 г. / Под ред. Дуюновой В.А., Оглодкова М.С., Шеина Е.А., Закржевской М.С.М.: ВИАМ, 2019. С. 339.
  31. Ivanov A.V., Smirnova M.A., Tikhanova O.A., Gagarin A.N., Ferapontov N.B., Tokmachev M.G. Granulated metamaterial cross-linked polyvinyl alcohol – Magnetite for use in optical micrometry // Theor. Found. Chem. Eng. 2021. V. 55. № 5. P. 1023. https://doi.org/10.1134/S0040579521050067
  32. Щемелев И.С., Ферапонтов Н.Б., Иванов А.В. Кинетические аспекты определения содержания углеводов в водных растворах методом оптической микрометрии// Науч. вестн. СамГ У. 2021. № 3 (127). С. 14.
  33. Щемелев И.С., Староверова А.В., Ферапонтов Н.Б., Иванов А.В. Определение сахарозы в растворах методом оптической микрометрии с применением нового композита “сшитый поливиниловый спирт – магнетит” / Инновационные материалы и технологии – 2021 / Под ред. Войтова И.В. Минск: БГТУ, 2021. С. 394.
  34. Каримов Х.Р., Староверова А.В., Токмачев М.Г., Ферапонтов Н.Б., Тробов Х.Т. Применение композита поливиниловый спирт – магнетит для повышения точности метода оптической микрометрии // Сорбционные и хроматографические процессы. 2023. Т. 23. № 2. С. 216. https://doi.org/10.17308/sorpchrom.2023.23/11145
  35. Большаков Е.С. Сенсорные матрицы на основе трехмерных фотонных кристаллов для экспрессного обнаружения летучих органических соединений. Дис. … канд. хим. наук. Москва: Московский государственный университет, 2021. 171 с.
  36. Большаков Е.С., Иванов А.В., Гармаш А.В., Самохин А.С., Козлов А.А., Золотов Ю.А. Комплексный подход к мониторингу летучих органических соединений сенсорными фотонно-кристаллическими матрицами // Журн. неорг. химии. 2021. Т. 66. № 2. С. 220. https://doi.org/10.31857/S0044457X21020033 (Bol’shakov E.S., Ivanov A.V., Garmash A.V., Samokhin A.S., Kozlov A.A., Zolotov Yu. A. Integrated approach to monitoring volatile organic compounds by photonic-crystal sensor matrices // Russ. J. Inorg. Chem. 2021. V. 66. № 2. P. 217. https://doi.org/10.1134/S0036023621020030)
  37. https://www.xrite.com/ (03.12.2023).
  38. https://imagej.net/ (03.12.2023).
  39. Lu X., Chen Ch., Wen X., Han P., Jiang W., Liang G. Highly charged, magnetically sensitive magnetite/polystyrene colloids: synthesis and tunable optical properties // J. Mater. Sci. 2019. V. 54. № 10. P. 7628. https://doi.org/10.1007/s10853-019-03445-4
  40. Токмачев М.Г., Ферапонтов Н.Б., Тробов Х.Т., Гавлина О.Т. Моделирование кинетики набухания гелей гидрофильных полимеров // Учен. записки физ. фак-та Моск. ун-та. 2018. № 5. 1850303.
  41. Староверова А.В., Токмачев М.Г., Гагарин А.Н., Ферапонтов Н.Б. Определение погрешностей результатов измерений, получаемых методом оптической микрометрии // Заводск. лаборатория. Диагностика материалов. 2023. Т. 89. № 6. С. 42. https://doi.org/10.26896/1028-6861-2023-89-6-42-50 (Staroverova A.V., Tokmachev M.G., Gagarin A.N., Ferapontov N.B. Determination of the error of measurements obtained by the optical micrometry // Ind. Lab. Diagn. Mater. 2023. V. 89. № 6. P. 42.)
  42. Heshmat M., Li P.C. H. Construction of an array of photonic crystal films for visual differentiation of water/ethanol mixtures // ACS Omega. 2019. V. 4. № 22. P. 19991. https://doi.org/10.1021/acsomega.9b02947
  43. Yang J., Zhu Z., Feng J., Xue M., Meng Z., Qiu L., Mbola N.M. Dimethyl sulfoxide infiltrated photonic crystals for gas sensing // Microchem. J. 2020. V. 157. Article 105074. https://doi.org/10.1016/j.microc.2020.105074
  44. Смирнова М.А., Гагарин А.Н., Токмачев М.Г., Тробов Х.Т., Ферапонтов Н.Б. Использование смешанных растворителей для определения концентрации растворенных веществ методом оптической микрометрии // Сорбционные и хроматографические процессы. 2021. Т. 21. № 5. С. 661.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Schematic diagram of the setup for introducing magnetite particles into films. 1 – motor, 2 – fan, 3 – film, 4 – aqueous ammonia solution, 5 – magnetic platform.

Download (53KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Setup for measuring the colorimetric signal (intensity of color parameters Ar) of films. See text for explanations.

Download (131KB)
Indexing metadata
4. Fig.1

Download (33KB)
Indexing metadata
5. Fig.2

Download (34KB)
Indexing metadata
6. Fig.3

Download (38KB)
Indexing metadata
7. Fig.4

Download (36KB)
Indexing metadata
8. Fig.5

Download (34KB)
Indexing metadata
9. Fig.6

Download (38KB)
Indexing metadata
10. Fig. 3. Transmission (a) and reflection (b) spectra of films obtained by keeping them for different periods of time in iron salts: cFe(III) = 0.10 M, cFe(II) = 0.05 M, ultrasound power 60 W, frequency 40 kHz.

Download (135KB)
Indexing metadata
11. Fig. 4. Concentration dependences of the intensity of the color parameters of Ar films with different impregnation times with iron salts in KCl (a) and MgCl2 (b) solutions.

Download (212KB)
Indexing metadata
12. Fig. 5. Dependence of the intensity of the color parameters Ar on the volume fraction of alcohols in individual water-alcohol solutions (a) and photographs of the film after exposure to solutions (b).

Download (322KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences