Том 336 № 11 (2025)
DOI https://doi.org/10.18799/24131830/2025/11/5300
Колориметрическое определение тиоцианата в пластовой воде
Актуальность. Определяется необходимостью простого определения содержания неорганического тиоцианата в воде и водно-нефтяных эмульсиях для решения гидрологических задач и трассерных исследований нефтяных меcторождений. Цель. Поиск экологически чистого и устойчивого внелабораторного метода определения тиоцианата и минимизация пробоподготовки с одновременным повышением специфичности его обнаружения, а также изучение нового метода регистрации цифрового сигнала по изменению цвета сенсора. Методы. Цифровая колориметрия, твердофазная спектрофотометрия, сенсорное определение. Результаты и выводы. Разработан новый колориметрический сенсор на основе наночастиц золота, иммобилизованных в полиметилметакрилатную матрицу, для определения тиоцианата в пластовых водах нефтяных месторождений. Процесс получения наночастиц золота в твердой полимерной фазе путем восстановления солей металлов является экологически устойчивым и соответствует концепции зеленой химии. Требования к содержанию золота в полиметилметакрилатной матрице на уровне 10–6 мас. % снимает ограничения на стоимость колориметрических оптических сенсоров. Метод сочетает твердофазную экстракцию и цифровую колориметрию, что позволяет минимизировать пробоподготовку и повысить чувствительность анализа. Оптимальные условия экстракции и детектирования установлены с помощью однофакторного и многофакторного анализа. Сенсор демонстрирует линейный отклик в диапазоне концентраций тиоцианата 0,3–25,0 мг/л с пределом обнаружения 0,1 мг/л и высокой селективностью. Сенсор устойчив к мешающим фоновым анионам и сохраняет стабильность в течение 8 месяцев. Использование полимерной матрицы позволяет визуализировать и количественно оценивать изменение окраски, связанное с присутствием тиоцианата. Метод успешно апробирован на реальных пробах пластовой воды с хорошей точностью и воспроизводимостью. Разработка открывает перспективы для создания портативных экспресс-систем мониторинга.
Ключевые слова:
тиоцианат, цифровая колориметрия, наночастицы золота, твердофазная экстракция, полиметилметакрилатная матрица
Библиографические ссылки:
1. Apyari V.V., Gorbunova M.V., Isachenko A.I., Dmitrienko S.G., Zolotov Yu.A. Use of household color-recording devices in quantitative chemical analysis. Journal of Analytical Chemistry, 2017, vol. 72, no. 11, pp. 1127–1137.
2. Bragina S.K., Bazhenova O.A., Gavrilenko M.M., Chubik M.V., Saranchina N.V., Volgina T.N., Gavrilenko N.A. Digital image colorimetry method for determination of glucose using silver nanoparticles immobilized into polymethacrylate matrix. Mendeleev Communications, 2023, vol. 33, no. 2, pp. 261–263.
3. Chang C.-C., Chen C.-P., Wu T.-H., Yang C.-H., Lin C.-W., Chen C.-Y. Gold nanoparticle-based colorimetric strategies for chemical and biological sensing applications. Nanomaterials, 2019, vol. 9, no. 6, pp. 861.
4. Gavrilenko N.A., Volgina T.N., Gavrilenko M.A. Colorimetric sensor for determination of thiocyanate in fossil and drill waters. Mendeleev Communications, 2017, vol. 27, no. 5, pp. 529–530.
5. Deng H.-H., Wu C.-L., Liu A.-L., Li G.-W., Chen W., Lin X.-H. Colorimetric sensor for thiocyanate based on anti-aggregation of citrate-capped gold nanoparticles. Sensors and Actuators B: Chemical, 2014, vol. 191, pp. 479–484.
6. Serres-Piole C., Preud’homme H., Moradi-Tehrani N., Allanic C., Jullia H., Lobinski R. Water tracers in oilfield applications: Guidelines. Journal of Petroleum Science and Engineering, 2012, vol. 98–99, pp. 22–39.
7. Ahmed S.R., Sherazee M., Srinivasan S., Rajabzadeh A.R. Positively charged gold quantum dots: an nanozymatic “off-on” sensor for thiocyanate detection. Foods, 2022, vol. 11, no. 9, 1189.
8. Gavrilenko N.A., Volgina T.N., Urazov E.V., Gavrilenko M.A. Transparent polymer sensor for visual and photometrical detection of thiocyanate in oilfield water. Journal of Petroleum Science and Engineering, 2019, vol. 172, pp. 960–963.
9. Ahmed S.R., Sherazee M., Srinivasan S., Rajabzadeh A.R. Nanozymatic detection of thiocyanate through accelerating the growth of ultra-small gold nanoparticles/graphene quantum dots hybrids. Food Chemistry, 2022, vol. 379, 132152.
10. Song J., Huang P.-C., Wan Y.-Q., Wu F.-Y. Colorimetric detection of thiocyanate based on anti-aggregation of gold nanoparticles in the presence of cetyltrimethyl ammonium bromide. Sensors and Actuators B: Chemical, 2016, vol. 222, pp. 790–796.
11. Wang H., Rao H., Luo M., Xue X., Xue Z., Lu X. Noble metal nanoparticles growth-based colorimetric strategies: from monocolorimetric to multicolorimetric sensors. Coordination Chemistry Reviews, 2019, vol. 398, 113003.
12. Yong L., Wang Y., Yang D., Liu Z., Abernethy G., Li J. Investigation of concentration of thiocyanate ion in raw cow’s milk from China, New Zealand and the Netherlands. Food Chemistry, 2017, vol. 215, pp. 61–66.
13. Yu L., Song Z., Peng J., Yang M., Zhi H., He H. Progress of gold nanomaterials for colorimetric sensing based on different strategies. TrAC Trends in Analytical Chemistry, 2020, vol. 127, 115880.
14. Sun J., Lu Y., He L., Pang J., Yang F., Liu Y. Colorimetric sensor array based on gold nanoparticles: Design principles and recent advances. TrAC Trends in Analytical Chemistry, 2020, vol. 122, 115754.
15. Ali R., Saleh S.M. Design a friendly nanoscale chemical sensor based on gold nanoclusters for detecting thiocyanate ions in food industry applications. Biosensors, 2024, vol. 14, no. 5, 223.
16. Guo X., Zhang Q., Sun Y., Zhao Q., Yang J. Lateral etching of core–shell Au@metal nanorods to metal-tipped Au nanorods with improved catalytic activity. ACS Nano, 2012, vol. 6, no. 2, pp. 1165–1175.
17. Kelly K.L., Coronado E., Zhao L.L., Schatz G.C. The optical properties of metal nanoparticles: The influence of size, shape, and dielectric environment. The Journal of Physical Chemistry B, 2003, vol. 107, no. 3, pp. 668–677.
18. Kumari Y., Kaur G., Kumar R., Singh S.K., Gulati M., Khursheed R., Clarisse A., Gowthamarajan K., Karri V.V.S.N.R., Mahalingam R., Ghosh D., Awasthi A., Kumar R., Yadav A.K., Kapoor B., Singh P.K., Dua K., Porwal O. Gold nanoparticles: new routes across old boundaries. Advances in Colloid and Interface Science, 2019, vol. 274, 102037.
19. Nehl C.L., Hafner J.H. Shape-dependent plasmon resonances of gold nanoparticles. Journal of Materials Chemistry, 2008, vol. 18, no 21, pp. 2415–2419.
20. Saha K., Agasti S.S., Kim C., Li X., Rotello V.M. Gold nanoparticles in chemical and biological sensing. Chemical Reviews, 2012, vol. 112, no. 5, pp. 2739–2779.
21. Qin L., Zeng G., Lai C., Huang D., Xu P., Zhang C., Cheng M., Liu X., Liu S., Li B., Yi H. “Gold Rush” in modern science: Fabrication strategies and typical advanced applications of gold nanoparticles in sensing. Coordination Chemistry Reviews, 2018, vol. 359, pp. 1–31.
22. Zhao D., Chen C., Lu L., Yang F., Yang X. A dual-mode colorimetric and fluorometric “light on” sensor for thiocyanate based on fluorescent carbon dots and unmodified gold nanoparticles. Analyst, 2015, vol. 140, no. 24, pp. 8157–8164.
23. Bhamore J.R., Gul A.R., Kailasa S.K., Kim K.-W., Lee J.S., Park H., Park T.J. Functionalization of gold nanoparticles using guanidine thiocyanate for sensitive and selective visual detection of Cd2+. Sensors and Actuators B: Chemical, 2021, vol. 334, 129685.
24. Gavrilenko N.A., Saranchina N.V. Solid phase spectrophotometric determination of silver using dithizone immobilized in a polymethacrylate matrix. Journal of Analytical Chemistry, 2010, vol. 65, no. 2, pp. 148–152.
25. Gavrilenko N.A., Saranchina N.V., Sukhanov A.V., Fedan D.A. Reversible pH-sensitive element based on bromocresol purple immobilized into the polymethacrylate matrix. Mendeleev Communications, 2018, vol. 28, no. 4, pp. 450–452.
26. Chen Y., Xianyu Y., Jiang X. Surface modification of gold nanoparticles with small molecules for biochemical analysis. Accounts of Chemical Research, 2017, vol. 50, no. 2, pp. 310–319.
27. Gavrilenko N.A., Saranchina N.V., Mokrousov G.M. A sensitive optical element for mercury(II). Journal of Analytical Chemistry, 2007, vol. 62, no. 9, pp. 832–836.
28. Scroccarello A., Della Pelle F., Del Carlo M., Compagnone D. Optical plasmonic sensing based on nanomaterials integrated in solid supports. A critical review. Analytica Chimica Acta, 2023, vol. 1237, 340594.
29. Sattler P., Rosenbaum M. Choice of the hypothesis matrix for using the anova-type-statistic. Statistics & Probability Letters, 2025, vol. 219, 110356.
30. Oliveira J.T.d., Costa L.R.d.C., Agnol G.D., Féris L.A. Experimental design and data prediction by bayesian statistics for adsorption of tetracycline in a gac fixed-bed column. Separation and Purification Technology, 2023, vol. 319, 124097.
31. Saleh D.I., Mahmoud S.F., Etaiw S.E.H. Ultrasound-assisted synthesis and biological activity of nanosized supramolecular coordination polymers of silver(I) with chloride, thiocyanate, and 4,4′-bipyridine ligands. Journal of Molecular Structure, 2022, vol. 1261, 132940.
32. Zhang J., Yang C., Wang X., Yang X. Colorimetric recognition and sensing of thiocyanate with a gold nanoparticle probe and its application to the determination of thiocyanate in human urine samples. Analytical and Bioanalytical Chemistry, 2012, vol. 403, no. 7, pp. 1971–1981.
33. Zhang Z., Zhang J., Qu C., Pan D., Chen Z., Chen L. Label free colorimetric sensing of thiocyanate based on inducing aggregation of Tween 20-stabilized gold nanoparticles. Analyst, 2012, vol. 137, no. 11, pp. 2682–2686.
34. Zhang Z., Wang H., Chen Z., Wang X., Choo J., Chen L. Plasmonic colorimetric sensors based on etching and growth of noble metal nanoparticles: Strategies and applications. Biosensors and Bioelectronics, 2018, vol. 114, pp. 52–65.
35. Xia J., Dong Z., Cai Y., Guan G., Zhang S., Kovács A., Boothroyd C., Phang I.Y., Liu S., Wu M., Zhang Y.W., Hu X., Han M. Morphological growth and theoretical understanding of gold and other noble metal nanoplates. Chemistry – A European Journal, 2018, vol. 24, no. 58, pp. 15589–15595.
36. Zhao Y., Liu R., Cui X., Fu Q., Yu M., Fei Q., Feng G., Shan H., Huan Y. Colorimetric sensor for thiocyanate based on anti-aggregation of gold nanoparticles in the presence of 2-aminopyridine. Analytical Sciences, 2020, vol. 36, no. 10, pp. 1165–1169.
37. Yu P., Deng M., Yang Y., Nie B., Zhao S. 3D microfluidic devices in a single piece of paper for the simultaneous determination of nitrite and thiocyanate. Sensors, 2020, vol. 20, no 15, 4118.
38. Peters F.T., Drummer O.H., Musshoff F. Validation of new methods. Forensic Science International, 2007, vol. 165, no. 2–3, pp. 216–224.
39. Gegenschatz S.A., Chiappini F.A., Teglia C.M., Muñoz de la Peña A., Goicoechea H.C. Binding the gap between experiments, statistics, and method comparison: a tutorial for computing limits of detection and quantification in univariate calibration for complex samples. Analytica Chimica Acta, 2022, vol. 1209, 339342.
