close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Электрохимические сенсоры для определения нейротрансмиттеров

код для вставкиСкачать
САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
На правах рукописи
МУРАТОВА
Ирина Сергеевна
Электрохимические сенсоры для определения нейротрансмиттеров
Специальность 02.00.04 – физическая химия
АВТОРЕФЕРАТ
диссертация на соискание учёной степени
кандидата химических наук
САНКТ-ПЕТЕРБУРГ
2016
Работа выполнена на кафедре физической химии Института химии
Санкт-Петербургского государственного университета
Научный руководитель:
доктор химических наук, профессор
Михельсон Константин Николаевич
Официальные оппоненты:
доктор химических наук, профессор,
ФГАОУ ВО «Казанский (Приволжский)
федеральный университет»
Евтюгин Геннадий Артурович
кандидат химических наук, доцент,
ФГБОУ ВО «Санкт-Петербургский
горный университет»
Лобачева Ольга Леонидовна
Ведущая организация:
ФГБОУ ВО Московский
государственный университет имени
М.В. Ломоносова
Защита диссертации состоится ……… 2016 г. в …….. часов на заседании
Диссертационного Совета Д-212.232.40 по защите докторских и кандидатских
диссертаций при Санкт-Петербургском государственном университете по
адресу: 199004, Санкт-Петербург, Средний проспект В.О., д. 41/43, БХА.
С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке
им. А.М. Горького, 199034, СПбГУ, Университетская наб., д. 7/9.
Автореферат разослан «
» ………………… 2016 г.
Учёный секретарь
диссертационного совета
кандидат химических наук, доцент
Н.Г. Суходолов
2
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы
Нейротрансмиттеры (нейромедиаторы) – вещества, ответственные за передачу
нервного импульса. Контроль содержания нейротрансмиттеров в
биологических образцах имеет огромное практическое значение для
клинической диагностики таких заболеваний как феохромоцитома (опухоль
хромафинных клеток надпочечников), нейробластома (злокачественная
опухоль, обычно обнаруживаемая у детей), ганглиома (доброкачественная
опухоль сухожильных нервных ганглиев), болезнь Паркинсона, а также при
различных психических заболеваниях и болевых синдромах.
Типичным и важнейшим представителем нейротрансмиттеров является
дофамин. Он служит важной частью «системы поощрения» мозга, вызывает
чувство удовлетворения, влияет на процессы мотивации и обучения. Известно
большое количество электрохимических и оптических сенсоров дофамина.
Электрохимические сенсоры дофамина основаны на различных принципах
получения аналитического сигнала: вольтамперометрия, электрохимический
импеданс, потенциометрия. Число научных публикаций по сенсорам
дофамина за последние 15 лет превышает 1600 (по данным Scopus), и
продолжает экспоненциально расти: 137 публикаций за первые 5 месяцев 2016
г. Эта статистика свидетельствует об огромной потребности в таких сенсорах, и о
том, что существующие варианты недостаточно хороши для практического
применения. Основные проблемы определения дофамина в реальных объектах
(кровь, моча) связаны с необходимостью измерений при низких
концентрациях (10-9 – 10-8 М) в присутствии веществ, препятствующих
анализу, прежде всего аскорбиновой и мочевой кислот, в образцах малых
объемов. Таким образом, требуется сенсор, сочетающий крайне низкие
пределы обнаружения, высокую селективность и миниатюрность.
Анализ публикаций по сенсорам дофамина показывает, что в большинстве
случаев исследователи используют какой-то один подход, чаще всего –
вольтамперометрию с модифицированными электродами. Представляется
актуальным рассмотреть проблему создания такого сенсора шире, сопоставить
возможности нескольких электрохимических методов, функционирование
которых основано на разных физико-химических процессах.
Цель работы:
на основе сопоставления достоинств и недостатков электрохимических
сенсоров дофамина с различными принципами действия выявить наиболее
перспективный подход к созданию сенсора, пригодного для анализа на
дофамин в пробах объемом до 1 мл, при физиологических концентрациях
целевого аналита и сопутствующих ему веществ.
Задачи работы
3
1.
Исследование возможности потенциометрического определения
дофамина с помощью ионоселективных электродов на основе ионофоров:
использование способности дофамина к протонированию и участию в
процессах ионного обмена между фазами исследуемого образца и сенсора.
2.
Создание хемирезистора с массивом (сетью) золотых нанопроволок и
исследование возможностей резистометрического определения дофамина:
использование способности дофамина к адсорбции на поверхности золота.
3.
Исследование возможностей определения дофамина с помощью
вольтамперометрических ячеек с планарными золотыми и графитовыми
электродами известных и новых конструкций: использование способности
дофамина к участию в окислительно-восстановительных процессах на
электродах.
4.
Сопоставление полученных результатов, выявление наилучшего на
данный момент подхода к созданию сенсора дофамина и возможных
перспектив.
Научная новизна
1.
Продемонстрирована возможность резистометрического определения
галогенидов, пиридина и дофамина.
2.
Получены
данные,
свидетельствующие
о
перспективности
использования потенциала распределения для создания электрода сравнения
без жидкостного соединения, пригодного для потенциометрических
измерений.
3.
Обнаружено значительное увеличение разделения пиков окисления и
восстановления в циклических вольтамперограммах на электроде из сети
нанопроволок,
по
сравнению
с
макроскопическим
золотом,
свидетельствующее о нарушении эквипотенциальности нанопроволок
вследствие их высокого сопротивления.
4.
Полученные зависимости тока пика окисления дофамина от скорости
развертки потенциала, а также вид спектров электрохимического импеданса,
дают дополнительные свидетельства того, что лимитирующей стадией
окисления дофамина на золоте является диффузия дофамина в растворе.
Практическая значимость работы
1.
Разработана новая конструкция проточной мультисенсорной ячейки для
потенциометрического анализа и технология ее изготовления.
2.
Разработан способ формирования сети металлических нанопроволок на
электроде путем их прямого синтеза на подложке кремний/оксид кремния, и
создания хемирезистора для измерений в пробах объемом 20 мкл.
3.
Разработана конструкция вольтамперометрической ячейки для
измерений в объемах до 200 мкл, а также способ ее изготовления с
использованием планарных печатных электродов.
4
4.
Разработана
процедура
вольтамперометрического
определения
дофамина в реальных образцах мочи с помощью электрохимически
активированных планарных графитовых электродов в пробах объемом 200
мкл.
Методика эксперимента и использованное оборудование
Потенциометрия (8-ми канальная компьютеризованная станция Экотест-120),
циклическая
вольтамперометрия,
дифференциальная
импульсная
вольтамперометрия, амперо- и хроноамперометрия, электрохимический
импеданс, (потенциостат-гальваностат Autolab 302N с приставкой частотного
анализатора FRA-2, Metrohm) проведены в лаборатории ионометрии кафедры
физической химии Института химии СПбГУ. Изготовление хемирезисторов
(оборудование «чистой комнаты») и резистометрия (анализатор
электрических свойств Keithly 4200 SCS) проведены в Forschungs Zentrum Julich,
Юлих, Германия. Материаловедческие исследования: UV-Vis спектроскопия
(Lambda 900, PerkinElmer), эллипсометрия (Sentech SE800), СЭМ и АСМ
микроскопия (Zeiss Gemini 1550) проведены в Forschungs Zentrum Julich, Юлих,
Германия и РЦ «Геомодель» приборного парка СПбГУ.
Использованы планарные печатные золотые и графитовые электроды Gwent
Group Advanced Material Systems, Великобритания, чипы с массивами
платиновых «микро» электродов Biomedical Microsensors Lab. NC State Univ.
США.
Препаративное
обрудование:
электронные
весы
ВЛ-210,
ультразвуковая баня Elmasonic, «ELMA-Hans Schmidbauer Gmb», Германия,
роллер-миксер «MOVIL-ROD», Испания, деионизатор «Milli-Q Reference»,
Франция, дозаторы Ленпипет.
Связь работы с научными программами, планами, темами
Работа
выполнена
в
Институте
химии
Санкт-Петербургского
государственного университета (2013–2016 гг.) в рамках НИР 12.0.16.2010
«Физическая химия ионообменных материалов на основе стекол, полимеров,
керамики. Установление и уточнение закономерностей, связывающих их
состав и степень дисперсности с физико-химическими свойствами», НИР
12.38.17.2011
«Влияние
гальваностатической
поляризации
на
электрохимические и оптические свойства систем на основе ионофоров», НИР
12.38.235.2014 «Стабилизация электрического Гальвани-потенциала в области
границы раздела фаз водных растворов и сенсорных слоев (мембран)
электрохимических и оптических сенсоров на основе ионофоров – путь к
созданию твердого электрода сравнения и ионных оптодов», проекта РФФИ
«Вклады ионного обмена и необменной сорбции электролитов в величины
электрического
потенциала
и
проводимости
в
системах
раствор/мембрана/раствор», грант 15-03-04514 и при финансовой поддержке
Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической
сфере, грант «УМНИК» 7016GU/2015. Резистометрическая часть работы
5
выполнена в ходе стажировки И.С. Муратовой в Forschungs Zentrum Julich,
Юлих, Германия в 2014 г.
На защиту выносятся следующие положения
1.
Разработанная проточная мультисенсорная потенциометрическая
ячейка представляет самостоятельный интерес, в том числе в качестве блока
для клинического анализатора для диагностических целей, а также для
фундаментальных исследований в области медицины и биологии.
2.
Метод изготовления хемирезисторов путем прямого синтеза
ультратонких золотых нанопроволок на чипах обладает преимуществом по
сравнению с размещением нанопроволок с помощью микрофлюидного
канала.
3.
Адсорбция дофамина на поверхности золотых нанопроволок
подчиняется теории адсорбции Ленгмюра.
4.
Сильное разделение пиков окисления и восстановления циклических
вольтамперограмм электрода, представляющего собой сеть золотых
нанопроволок, обусловлена нарушением эквипотенциальности такого
электрода вследствие высокого омического сопротивления нанопроволок.
5.
Электрохимическая активация поверхности немодифицированных
печатных планарных графитовых электродов дает возможность
вольтамперометрического определения дофамина в реальных образцах мочи.
Апробация работы
Результаты работы доложены на следующих российских и международных
конференциях: VII Всероссийская конференция молодых ученых, аспирантов
и студентов с международным участием по химии и наноматериалам
«Менделеев-2013», 2013 г., Санкт-Петербург, Россия, IX Международная
конференция молодых ученых по химии «Менделеев-2015», Неорганические
материалы и нанотехнология, 2015 г., Санкт-Петербург, Россия, 4th
International Conference on Biosensor Technologies, 2015, Лиссабон,
Португалия, XXIII International Symposium on Bioelectrochemistry and
Bioenergetics of the Bioelectrochemical Society, 2015, Мальмё, Швеция, I
Всероссийская конференция с международным участием «Химический анализ
и медицина», 2015, Москва, Россия, ХХ Санкт-Петербургская Ассамблея
молодых ученых и специалистов, 2015, Санкт-Петербург, Россия.
Публикации
По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ, из них 2 статьи в
журналах из перечня ВАК, 1 патент и 6 тезисов докладов на конференциях.
6
Объём и структура работы
Диссертация состоит из Введения, шести глав, Заключения, Выводов и Списка
литературы. Она изложена на 147 страницах, содержит 5 таблиц, 92 рисунка и
158 наименований цитируемой литературы.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во Введении кратко обоснована актуальность темы, кратко обозначена цель
работы,
аргументирован
выбор
объектов
исследования,
кратко
охарактеризованы основные результаты.
Глава I представляет собой обзор литературных данных, относящихся к
дофамину как важнейшему и типичному представителю нейротрансмиттеров,
а также данных о существующих сенсорах для его определения, прежде всего
– электрохимических, с кратким обсуждением достоинств и недостатков ряда
конкретных
сенсоров.
Изложены
физико-химические
основы
функционирования потенциометрических сенсоров: ионоселективных
электродов (ИСЭ) и измерительных блоков клинических анализаторов.
Обсуждается
возможность
создания
электрода
сравнения,
функционирующего на основе потенциала распределения электролита
умеренной липофильности. Кратко описаны эффекты, лежащие в основе
резистометрического отклика сенсоров из наноструктурных материалов
(хемирезисторов). Изложены основы вольтамперометрических измерений:
циклической вольтамперометрии в условиях планарной и полусферической
диффузии, хроноамперометрии и электрохимического импеданса. Глава
заканчивается развернутой постановкой цели и задач работы.
Глава II содержит основные сведения о реактивах, материалах,
препаративном и измерительном оборудовании, и методах, применявшихся в
работе. Описана методика изготовления ионоселективных мембран и
электродов на их основе. Особые методические детали эксперимента, прежде
всего те, которые содержат элементы новизны и являются, по сути,
результатами работы, изложены в соответствующих главах.
Глава III посвящена потенциометрическим сенсорам (ИСЭ) в составе
предложенной в работе проточной мультисенсорной потенциометрической
ячейки. Ячейка представляла собой отрезок поливинилхлоридного (ПВХ)
катетера внешним диаметром 2,5 мм, в стенках которого были сформированы
ионоселективные (сенсорные) зоны, допированные ионофорами и отделенные
друг от друга изолирующими (недопированными) зонами. Длина ячейки
колебалась от 8 до 15 см, а ее объем от 240 до 450 мкл, в зависимости от числа
сенсоров. Ионоселективные зоны с наружной стороны катетера покрывали
электронопроводящим композитом из сажи + ПВХ, тем же композитом
7
приклеивали провода для подключения к иономеру. Таким образом, сенсоры
представляли собой твердоконтактные ИСЭ. В качестве ионофора на дофамин
на основе литературных сведений был выбран дициклогексил-18-краун-6
(ДЦГ-18-6). В ячейке были сформированы также ионоселективные зоны,
допированные валиномицином и нонактином. В составе всех этих зон был
также ионообменник тетра(п-Cl-фенил)борат калия (KClTФБ). Была также
сформирована сенсорная зона, содержавшая только KClTФБ. Электрод
сравнения (ЭС) был либо выносным: насыщенный хлорсеребряный электрод
ЭВЛ-1М3, помещенный в сосуд со сливом, либо полимерный «твердый»
электрод сравнения, сформированный в стенке катетера аналогично ИСЭ.
Этот ЭС функционировал на основе постоянства его потенциала по
отношению к раствору в катетере за счет межфазного распределения
внесенного в состав мембраны ЭС тетрабутилбората тетрабутиламмония
(TBATBB) или тетра(п-Cl-фенил)бората тетрадодециламмония (ETH 500).
Как известно из работ школ A.
Lewenstam’а и D. Diamond’а,
этот
потенциал
имеет
достаточно
постоянное
значение
при
широкой
вариации состава раствора.
Использование
«твердого»
ЭС
конструктивно
и
технологически полностью
совместимого
с
разработанной
ячейкой
делает ее по-настоящему
миниатюрной, в отличие от
варианта с выносным ЭС, см.
Рис. 1 - Проточная ячейка с 8-ю электродами и
выносным ЭС, прикрепленная к стеклянной трубке и
Рис. 1.
зафиксированная в штативе.
Потенциометрический сенсор дофамина основан на его способности к
протонированию с образованием катиона, до некоторой степени
липофильного по сравнению с неорганическими ионами натрия, калия и
другими.
HO
+
HO
NH
2
H+
logK=10.6
HO
HO
+
3
NH
Потенциометрическое определение дофамина с помощью ионоселективных
электродов на основе ионофоров оказалось малоперспективным, предел
обнаружения составил всего 10-5 М, что недостаточно для практического
применения, а селективность сенсора, содержавшего только KClTФБ,
оказалась даже несколько выше, чем в случае ДЦГ-18-6, который оказался
селективнее к ионам K+. Мембраны на основе валиномицина и нонактина, как
и следовало ожидать, проявили обычные для них селективности к ионам K+ и
8
NH4+. Существенно, что измерения э.д.с. относительно полимерных ЭС дали
результаты, аналогичные полученным с обычным ЭС, см. Рис. 2, 3,
подтверждая перспективность таких электродов сравнения.
700
650
Калибровки электродов на основе TBATBB и ETH 500
в растворах KCl (кружки) и NaCl (треугольники)
600
Калибровки K+-ИСЭ в растворах KCl по отношению
к насыщенному хлорсеребряному электроду сравнения
и к электродам сравнения на основе TBATBB и ETH 500
(средние значения)
500
600
400
TBATBB + o-NPOE + THF
ETH 500 + o-NPOE + THF
TBATBB + o-NPOE + THF
ETH 500 + o-NPOE + THF
500
200
Э.д.с. (мВ)
Э.д.с. (мВ)
550
300
100
150
0
100
-100
50
-5.5
-5.0
-4.5
-4.0
-3.5
-3.0
lg aM
+
-2.5
-2.0
-1.5
-1.0
TBATBB
ETH 500
Ag/AgCl, KCl
200
-200
-5.5
-5.0
-4.5
-4.0
-3.5
-3.0
-2.5
-2.0
-1.5
-1.0
lg aM
+
Рис. 2. Калибровки электродов на основе Рис. 3. Калибровки K+-ИСЭ в растворах KCl по
TBATBB и ETH 500 в растворах KCl (кружки) отношению к насыщенному хлорсеребряному
и NaCl (треугольники).
электроду сравнения и к электродам сравнения
на основе TBATBB и ETH 500 (средние
значения).
Глава IV 1 посвящена исследованию резистометрического отклика сенсоров
на основе ультратонких золотых нанопроволок на галогениды, пиридин и
дофамин - вещества, ранее не изученные применительно к ультратонким
золотым нанопроволокам. Поэтому, хотя галогениды и пиридин не были
целевыми аналитами для данной работы, полученные сведения полезны в
обще-академическом смысле, а также для оценки селективности
резистометрического отклика на дофамин, что важно с практической точки
зрения.
В ходе работы были синтезированы ультратонкие золотые нанопроволоки
(НП) диаметром 2-5 нанометров, изготовлены сенсоры (хемирезисторы),
опробованы два способа нанесения проволок на субстраты: с помощью
микрофлюидного канала, и непосредственный синтез НП на чипах (Рис. 4, 5).
Синтез нанопроволок непосредственно на
поверхности чипа обеспечил существенно
лучший контакт между НП и электродами, а
также хорошую адгезию НП к поверхности чипа
(субстрата), по сравнению с «микрофлюидными
НП». С ними и проводились дальнейшие
исследования в плане применения их в качестве
Рис. 4. Общий вид чипа для
резистометрических измерений. хемирезисторов. Вклад в проводимость металла,
Часть работы, описанная в этой главе, была выполнена в лаборатории Ю.Г. Мурзиной (Yu. Mourzina) в
Forschungs Zentrum Julich в Германии.
1
9
связанный с рассеянием электронов на его
поверхности,
зависит
от
наличия/отсутствия тех или иных частиц,
адсорбированных на этой поверхности. В
свою очередь, вклад поверхности в
общую
проводимость
становится
значительным по мере перехода к наноразмерам. Именно это является физикохимической основой функционирования
хемирезисторов из НП. В работе
Рис. 5. Сеть золотых НП, соединяющих
показано, что адсорбция галогенидов и,
контактные электроды чипа (СЭМ).
соответственно, резистометрический
отклик на содержание этих анионов возрастает в ряду F− < Cl− < Br-, пиридин
сорбируется еще сильнее, а адсорбция дофамина позволяет регистрировать его
при содержаниях в диапазоне от 10-8 до 10-5 М, в пробах объемом 20 мкл (Рис.
6, 7). Нанопроволоки как хемирезисторы характеризуют величинами
относительного изменения сопротивления: разница между сопротивлениями в
контакте с образцом: RSample и с раствором фонового электролита: RRef ,
отнесенная к сопротивлению, измеренному в контакте с фоновым
электролитом: R R  RSample  RRef  RRef . Деление на RRef позволяет частично
скомпенсировать индивидуальные свойства каждого из массивов НП в чипе.
Cl−
1,0
R/R
4,0x10-8
1
0,6
2
0,2
Ток, A
2,0x10
-5
-4
-3
1x10
4
log(CNaCl)
5
0,0
-2,0x10
1 Воздух
2 NaF 10-3 M
3 NaCl 10-5 M
4 NaCl 10-4 M
5 NaCl 10-3 M
-8
-4,0x10-8
-6,0x10-8
-0,10
-0,05
0,00
0,05
4,5
3,5
-8
2
3,0
2,0
-5
-4
0
1 Воздух
2 NaF 10-3 M
3 NaBr 10-5 M
4 NaBr 10-4 M
5 NaBr 10-3 M
-1x10-8
-2x10-8
-3x10-8
-0,10
0,10
-0,05
Py
Cl−
1,0x10-8
1
4,0
1,0x10-8
2
5,0x10-9
3,5
-9
-5
-4
-3
3
logCПиридина
5
1 Воздух
2 NaF 10-3 M
3 Py 10-5 M
4 Py 10-4 M
5 Py 10-3 M
-1,0x10-8
-1,5x10-8
-0,10
-0,05
0,00
Потенциал, В
0,05
0,10
0,8
0,10
DА
0,6
0,4
PB
10-8
DA
10-2
0,2
-8
4
0,0
-5,0x10-9
0,05
0,0
Ток, A
Ток, A
5,0x10
0,00
Потенциал, В
R/R
R/R
1,5x10-8
3
4
5
-3
log(CNaBr)
Потенциал, В
4,5
1
4,0
2,5
3
0,0
-8
2x10-8
0,4
-8
Br−
5,0
3x10
Ток, A
6,0x10
5,5
0,8
R/R
1,2
-8
-7
-6
-5
-4
-3
-2
PB
DA 10-8 M
DA 10-7 M
DA 10-6 M
DA 10-5 M
DA 10-4 M
DA 10-3 M
DA 10-2 M
log(CДопамин)
0,0
-5,0x10-9
-1,0x10-8
-0,10
-0,05
0,00
0,05
0,10
Потенциал, В
Рис. 6. Зависимости ток / напряжение для хемирезисторов в контакте с воздухом и растворами NaCl,
NaBr, пиридина и дофамина на фоне фосфатного буфера. Врезки показывают зависимости R R от
логарифма концентрации раствора (средние данные для всего чипа). Треугольники относятся к I-V
зависимостям, полученным на том массиве НП, данные которого приведены на основном рисунке.
10
Средние значения R R растут от 0,3 для 10−5 M NaCl до 0,8 для 10−3 NaCl, в то
время как в случае с NaBr соответственно изменяется от 3,3 до 4,2. Таким образом,
относительное изменение сопротивления в случае NaBr выше, чем в случае NaCl,
однако увеличение этого значения с ростом концентрации в случае NaBr ниже. По
всей видимости, сильная адсорбция Br‒ способствует более полному покрытию
поверхности золота уже при низких концентрациях бромида в растворе. При
контакте с иодидами НП постепенно разрушаются. Относительное изменение
сопротивления при переходе от NaF к пиридину велико: приблизительно в 4 раза, но
изменение этой величины с увеличением концентрации пиридина не превышает
погрешность измерения. Видимо, поверхность золотых НП сильно покрыта
адсорбированными молекулами пиридина уже при контакте с раствором 10−5 M. В
случае дофамина величина R R варьирует примерно от 0,1 для 10−8 M до 0,7 для
10−5 M дофамина. Таким образом, относительное изменение сопротивления
значительно ниже, чем в случае бромида и пиридина, но уже при R R  0,7
происходит насыщение, что, по-видимому, обусловлено полным покрытием
поверхности золотых нанопроволок молекулами дофамина. Объяснить вид кривой,
полученной для дофамина, удобнее в терминах проводимости (Рис. 7). Для этого в
работе предложена простая модель. Мы
полагаем, что экспериментально измеренная
PB
9,5x10
2
проводимость массива НП на чипе (G)
9,0x10
состоит из постоянного вклада объема
8,5x10
нанопроволоки и переменного, связанного со
8,0x10
1
степенью покрытия поверхности НП
7,5x10
-8
Проводимость, См
-8
-8
-8
-8
7,0x10-8
6,5x10-8
-8
-7
-6
-5
-4
-3
-2
-1
log(CДопамин)
Рис 7. Проводимость нанопроволок в водных
растворах дофамина с фосфатным буфером
рН 7. Прямая линия 1 - линейная регрессия
данных для 10-8 - 10-5 М дофамина.
Сигмоидная линия 2 - результат фиттинга по
предложенной модели.
адсорбатом: G  GPB 1    GDA . GPB проводимость НП в равновесии с фосфатным
буфером, а GDA - проводимость НП,
полностью покрытых дофамином, Θ – доля
поверхности НП, занятой дофамином.
Применяя уравнение изотермы Ленгмюра


получим   K DA CDA / 1  K DA CDA , KDAads постоянная адсорбции Ленгмюра для
дофамина на золоте, и CDA - концентрация
дофамина в растворе. Наилучшее соответствие экспериментальным данным было получено при следующих значениях
параметров: GPB = 9,0∙10−8 См, GDA = 6,8∙10−8 См и KDAads = 1,8∙106 M−1. Оценка KDAads
по порядку величины близка к KDAads = 4,36∙105 M−1 для адсорбции дофамина на
макроскопическом золоте.
ads
ads
Глава V посвящена особенностям электрохимии массива ультратонких
золотых нанопроволок. Представляло интерес исследовать сеть НП в качестве
электрода в режиме циклической вольтамперометрии. Прежде всего, провели
циклирование в 0,1 М серной кислоте, что часто используется для
электрохимической очистки и оценки площади электрохимически активной
11
поверхности. Результаты представлены на Рис. 8, там же приведены данные,
полученные с тонкопленочным золотым электродом.
При регистрации сигнала в циклической
вольтамперометрии, в отличие от
резистометрических измерений, контактные площадки хемирезистора были
соединены накоротко и, соответственно,
всегда были эквипотенциальны. Можно
было ожидать ЦВА на электроде из сети
золотых НП той же формы, как и на
Рис. 8. ЦВА массива НП в 0,1 М H2SO4,
тонкопленочном золотом электроде.
сканы 1-9. Вставка: то же для
Однако результаты, представленные на
тонкопленочного золотого электрода,
рисунке 5, указывают иное. ЦВА,
скорость сканирования 20 мВ/с.
полученные на электроде из массива НП,
оказались гораздо более гладкими по сравнению с ЦВА тонкопленочного
золотого электрода. Кроме того, разделение пиков для тонкопленочного
электрода составило 0,4 В, в то время как для НП-электрода разделение пиков
составило 0,74 В для начального скана и увеличилась до 1,18 В для последнего
(9-го). Это различие мы объясняем следующим образом. Если на НП
происходит электрохимический процесс, то соответствующий ток окисления
или восстановления протекает по НП к контактным площадкам, и,
следовательно, возникает падение напряжения IR между этой конкретной
точкой в сети НП и контактной площадкой. Из-за большого сопротивления
сети НП это IR падение является значительным, и изменяет форму ЦВА.
Возникновение падения IR по сети НП электрода может объяснить все
большее разделение окислительно-восстановительных пиков по мере
сканирования, т.к. НП становятся более тонкими и потому более
резистивными при каждом последующем сканировании. Это падение
потенциала может рассматриваться как резистивное перенапряжение:
параметр, который в некоторой степени похож на омическое падение
потенциала между электродом сравнения и рабочим электродом в
электрохимических ячейках из-за некомпенсированного сопротивления
раствора, например, при низких концентрациях электролита. Результаты,
полученные с серной кислотой, подтвердились в экспериментах с
ферроценметанолом и гексацианоферратом. Изменение формы ЦВА к форме
с менее выраженными пиками можно объяснить следующим образом:
первоначально сеть НП плотная и диффузионные слои вокруг отдельных НП
перекрывают друг друга. Но по мере сканирования некоторые соединения
между НП, да и сами НП, разрываются, количество активных НП-электродов
уменьшается, а расстояние между ними увеличивается. Соответственно,
начальная линейная диффузия постепенно заменяется полусферической.
5.0x10-5
2.0x10-6
I/A
3.0x10-6
Скан
0.0
1
-5.0x10-5
Ток (А)
-1.0x10-4
0.0
1.0x10-6
0.5
1.0
1.5
E / V (Ag/AgCl)
9
0.0
-1.0x10-6
0.0
0.5
1.0
1.5
Потенциал (В)
12
Глава VI посвящена вольтамперометрическим сенсорам, работа которых
основана на способности дофамина к окислению на подходящем электроде
под действием приложенного напряжения.
А
B
C
Рис. 9. Золотые (A) и графитовые (B) электроды Gwent Group, чип с массивом платиновых «микро»
электродов Biomedical Microsensors Lab (C).
В работе использовали планарные электроды (Рис. 9 A) и специально созданные ячейки типа «бочонок» (Рис. 10). На
пластинках (Рис. 9 A) фиксировали полимерные цилиндры Ø 7 мм. В их стенки вставляли
серебряную проволоку, которую хлорировали,
создавая электроды сравнения в каждом из
цилиндров («бочонков»). Раствор всегда
содержал фон 0,01 M KCl. Вспомогательным
электродом служила нанесенная на стенку
Рис. 10. Пластинка с ячейками
цилиндра полоска композита сажа + ПВХ.
типа «бочонок»
Рабочий объем этих цилиндров составлял
200 мкл.
Пластинки с золотыми электродами (Рис. 9 A) дали возможность
амперометрического определения дофамина до концентрации 10-7 М (метод
добавок, Рис. 11). Но размеры пластинок диктуют большие объемы проб (40
мл). Использование ячеек типа «бочонок» устраняет этот недостаток, они
позволяют определять дофамин в режиме дифференциальной импульсной
вольтамперометрии до 10−7 М, Рис. 12.
1.50E-008
-6
8,0x10
Ток (А)
1.00E-008
-6
3,0x10
-6
2,5x10
-6
2,0x10
-6
1,5x10
-6
1,0x10
-6
5.00E-009
Добавки Допамина
от 10-7 до 9*10-7 М
0.00E+000
1,0x10
3,5x10
-6
6,0x10
-7
-3
10
-5.00E-009
200
300
400
Ток, А
Ток, А
Время (с)
-0,2
-7
10
-0,1
0,0
0,1
0,2
0,3
-6
4,0x10
-6
2,0x10
-7
10
0,0
0,0
-6
0
200
400
600
800
1000
Время, c
Рис. 11. Амперограмма в растворе
фосфатного буфера + 0,01М KCl с
добавками растворов дофамина при
постоянном перемешивании.
-2,0x10
-0,2
-0,1
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
Потенциал, В
Рис. 12. Дифференциальные импульсные
вольтамперометрические кривые сенсора типа
«бочонок» в растворах дофамина на фоне
фосфатного буфера с 0,01 М KCl.
13
В ходе амперометрических измерений методом добавок выяснилось, что
прекращение перемешивания раствора приводит к резкому падению силы
тока, что предполагает транспортные ограничения процесса окисления
дофамина. Зависимость тока пика от скорости развертки в циклической
вольтамперометрии, а также вид спектров импеданса подтвердили
диффузионную природу лимитирующей стадии окисления дофамина на золоте. Это затрудняет работу в пробах малого
объема, которые трудно перемешивать.
Использование чипа с массивом микроэлектродов (Рис. 9 C) - переход от планарной
к полусферической диффузии, позволил
обойти это затруднение, удается определять
дофамин до концентрации 10−6 М, Рис. 13.
В работе исследовалась возможность
С, М
модификации поверхности золотого элекРис. 13. Калибровочная кривая
трода композитным материалом, сочетаюмассива «микро» электродов в
щим полиамидокислоту и бихинолильный
растворах дофамина в фосфатном
буфере с фоном 0,01 М KCl.
комплекс Cu (I), о котором известно, что этот
композит катализирует окисление катехоламинов. К сожалению, адгезия
композита к золоту оказалась настолько малой, что даже слой толщиной 4 мкм
отделился от электрода в процессе испарения растворителя. В литературе
имеются данные о том, что вместо модификации поверхность электрода
можно активировать электрохимически, путем циклирования на скоростях 500
мВ/с. Этот подход был нами использован на примере графитовых планарных
электродов, показанных на Рис. 9 B.
Активация путем циклирования привела к некоторому
увеличению шероховатости
поверхности электродов: размеры
бугорков
на
поверхности до обработки
составляют около 2 мкм, а
Рис. 14. СЭМ микрофотографии рабочей поверхности
после нее уменьшаются до 0,5
печатного графитового электрода до (слева) и после
обработки (справа).
- 1 мкм (Рис. 14). Токи на
электроде увеличились в 20DA UA
AA
40 раз (Рис. 15).
Измерения с этими электродами в реальных
2
образцах мочи в режиме дифференци1
альной импульсной вольтамперометрии методом добавок (Рис. 16) показали работоспособность электродов в диапазоне
концентраций дофамина 10−8 - 10−5 M.
Потенциал, В
5,0x10-11
Ток, А
0,0
-5,0x10-11
-1,0x10-10
-1,5x10-10
0,0
2,0x10-6 4,0x10-6 6,0x10-6 8,0x10-6 1,0x10-5 1,2x10-5
-5
2.0x10
-5
1.0x10
Ток, А
0.0
-5
UA
-6
-1.0x10
2.0x10
DA
AA
-6
1.0x10
Ток, А
-5
-2.0x10
0.0
-6
-1.0x10
-5
-3.0x10
-6
-2.0x10
-0.4
-5
-4.0x10
-0.2
0.0
0.2
0.4
0.6
Потенциал, В
-0.4
-0.2
0.0
0.2
0.4
0.6
Рис. 15. ЦВА кривые в растворе, содержащем DA, AA и UA, все в концентрации 10-5 M.
Кривая 1 и вставка соответствуют измерениям до обработки, кривая 2 – после.
14
-5
3.5x10
-5
3.0x10
-5
3.5x10
Ток, А
-5
-5
10 M
2.5x10
-5
2.0x10
-5
1.5x10
-5
3.0x10
-5
1.0x10
-6
5.0x10
-0.4
Ток, А
-5
2.5x10
-0.2
0.0
0.2
0.4
0.6
Потенциал, В
-5
2.0x10
-5
1.5x10
0
Стандартные добавки позволили оценить
концентрации DA в двух исследованных
образцах волонтерской мочи: 6,6 и 1,6
мкм соответственно, что является
разумными величинами для здоровых
волонтеров.
-5
1.0x10
-0.05
0.00
0.05
0.10
0.15
0.20
Потенциал, В
Рис. 16. Измерения в образце мочи с добавками DA от 10−8 до 10−5 M. Вставка:
полные ДИВ кривые, полученные при
измерениях.
В Заключении отмечается, что в
настоящее
время
наиболее
перспективным подходом к определению
нейротрансмиттеров, прежде всего –
дофамина, следует считать применение
вольтамперометрии
с
планарными
печатными электродами, подвергнутыми
электрохимической
активации
поверхности.
ВЫВОДЫ
1. Для определения нейротрансмиттеров, прежде всего – дофамина, в
настоящее время наилучшим подходом, является применение
вольтамперометрии с планарными печатными электродами.
2. Электрохимическая активация поверхности графитового печатного
электрода дает возможность вольтамперометрического определения
дофамина в реальных образцах мочи.
3. Резистометрическое определение дофамина возможно, но сдерживается
малым сроком жизни существующих хемирезисторов, недостаточным
для их практического применения.
4. Потенциометрическое определение дофамина требует создания
ионофора с очень высокой селективностью комплексообразования.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ
СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:
ДИССЕРТАЦИИ
ОПУБЛИКОВАНО
В
Статьи в журналах ВАК
1.
Irina S. Muratova Voltammetric vs. potentiometric sensing of dopamine:
Advantages and disadvantages, novel cell designs, fundamental limitations and
promising options / Irina S. Muratova, Liudmila A. Kartsova, Konstantin N.
Mikhelson // Sensors and Actuators B, -2015. -V. 207. -P. 900–906.
2.
Irina S. Muratova Chemiresistors based on ultrathin gold nanowires for
sensing halides, pyridine and dopamine / Irina S. Muratova, Konstantin N.
15
Mikhelson, Yuri E. Ermolenko, Andreas Offenhäusser, Yulia Mourzina // Sensors
and Actuators B, -2016. -V. 232. -P. 420–427.
Патенты:
Михельсон К.Н. Проточная мультисенсорная потенциометрическая ячейка
для анализа малых объемов жидких образцов / Михельсон К.Н., Муратова
И.С.// Патент РФ № 2537094, 2014.
Тезисы докладов
1.
Муратова И.С. Электрохимические сенсоры для определения
дофамина // Тезисы докладов. VII Всероссийская конференция молодых
ученых, аспирантов и студентов с международным участием по химии и
наноматериалам «Менделеев-2013». Санкт-Петербург, Россия, 2-5 апреля
2013. С. 75-77.
2.
Muratova I.S., Mourzina Y.G., Offenhäusser A., Mikhelson K.N. Gold
nanowire based chemiresistor // Book of abstracts. IX International conference of
young scientists on chemistry «Mendeleev-2015». Saint Petersburg, Russia, 7-10
April 2015. P. 97.
3.
Muratova I.S., Mourzina Y.G., Offenhäusser A., Mikhelson K.N.
Chemiresistor dopamine sensor based on ultrathin gold nanowires // 4th
International conference on bio-sensing technology. Lisbon, Portugal, 10-13 May
2015.
4.
Muratova I.S., Mourzina Y.G., Offenhäusser A., Kartsova L.A., Mikhelson
K.N. Dopamine Electrochemical Sensors: Potentiometric, Voltammetric and
Resistometric // Book of abstracts. XXIII International Symposium
Bioelectrochemistry and Bioenergetics. Malmö, Sweden, 14-18 June 2015. P. 236.
5.
И.С.
Муратова,
К.Н.
Михельсон.
Мультисенсорная
потенциометрическая проточная ячейка для клинического анализатора //
Тезисы докладов. I Всероссийская конференция с международным участием
«Химический анализ и медицина», 9-12 ноября 2015, Москва, Россия. С. 45.
6.
Муратова И.С. Ультратонкие золотые нанопроволоки как
хемирезисторы // ХХ Санкт-Петербургская Ассамблея молодых ученых и
специалистов, Санкт-Петербург, Россия, 18 декабря 2015. С.99.
Благодарности:
Автор выражает благодарность Ю.Г. Мурзиной за возможность стажироваться
в Forschungs Zentrum Julich, Юлих, Германия; А.А. Карцовой за ценные
консультации, советы и поддержку; РЦ «Геомодель» приборного парка
СПБГУ за СЭМ-микрофотографирование.
Работа была выполнена при финансовой поддержке СПбГУ – проекты
12.0.16.2010, 12.38.17.2011, 12.38.235.2014, РФФИ – проект 15-03-04514, и
Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической
сфере – проект 7016GU/2015.
16
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
4
Размер файла
1 042 Кб
Теги
электрохимической, определение, нейротрансмиттеров, сенсор
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа