Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 7
ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ 11
Глава 1. Электрокатализатор восстановления пероксида водорода 11
1.1 Пероксид водорода как важный аналит для современного анализа 11
1.2 Физико-химические характеристики электрокатализаторов восстановления
пероксида водорода 16
1.3 Аналитическое приложение сенсоров на основе Берлинской лазури и ее аналогов 26
1.4 Проточно-инжекционный анализ 27
Глава 2. Микроэлектроды и системы микроэлектродов 28
2.1 Микроэлектроды 28
2.2 Системы микроэлектродов 31
2.3 Методы наноструктурирования 32
2.3.1 Использование лиотропных жидких кристаллов для наноструктурирования 35
2.3.1.1 Электронанесение наноструктурированных материалов 39
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ 46
Глава 3. Материалы 46
Глава 4. Оборудование 47
4.1 Электроды 47
4.2 Электрохимические измерения 48
4.3 Проточно-инжекционный анализ 48
4.4 Спектрофотометрические измерения 50
4.5 Сбор конденсата выдыхаемого воздуха 50
Глава 5. Методы 50
5.1 Электрохимическая предобработка золотых рабочих электродов 50
5.2 Модификация рабочего электрода Берлинской лазурью 50
5.3 Модификация золотых микроэлектродов Берлинской лазурью 51
5.4 Модификация рабочего электрода наноструктурированной Берлинской лазурью с помощью жидкокристаллических матриц 52
5.5 Модификация рабочего электрода наноструктурированной Берлинской лазурью с помощью этоксисилановых и силоксановых матриц 53
5.6 Модификация рабочего электрода наноструктурированной БЛ путем остановки электроосаждения на начальной стадии 55
5.7 Исследование пленок Берлинской лазури методом атомно-силовой микроскопии...55
5.8 Спектрофотометрическое определение концентрации пероксида водорода 56
5.9 Амперометрическое определение пероксида водорода 56
5.9.1 Определения пероксида водорода с использованием микроэлектродов 57
5.10 Электрохимическое определение пероксида водорода в конденсате вьщыхаемого
воздуха с использованием электродов, модифицированных Берлинской лазурью 57
5.11 Спектрофотометрическое определение пероксида водорода в конденсате вьщыхаемого воздуха с использованием пероксидазы 58
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ 59
Глава 6. Берлинская лазурь как наилучший электрокатализатор восстановления пероксида водорода 59
6.1 Электроосаждение пленок Берлинской лазури и свойства полученных покрытий...59
6.1.1 Электроосаждение Берлинской Лазури 59
6.1.2 Исследование покрытий Берлинской лазури методом атомно-силовой микроскопии 62
6.1.3 Проточно-инжекционное определение пероксида водорода с использованием электродов, модифицированных Берлинской лазурью 64
6.1.4 Аналитические характеристики электродов, модифицированных Берлинской лазурью 66
62 Понижение предела обнаружения 67
6.2.1 Увеличение потенциала рабочего электрода при измерении концентрации пероксида водорода 67
Глава 7. Получение и исследование микроэлектродов, модифицированных Берлинской Лазурью 70
7.1 Электроосаждение Берлинской Лазури на микроэлектроды 70
7.2 Аналитические характеристики микроэлектродов, модифицированных БЛ 73
Глава 8. Получение и исследование систем наноэлектродов на основе Берлинской лазури 79
8.1 Наноструктурирование Берлинской лазури путем электроосаждения через жидко
кристаллические матрицы 80
8.1.1 Электроосаждение Берлинской лазури через жидко-кристаллические матрицы.80
8.1.2 Исследование покрытий Берлинской лазури, электроосажденной через жидкокристаллические матрицы методом атомно-силовой микроскопии 84
8.1.3 Аналитические характеристики систем наноэлектродов, полученных
электроосаждением Берлинской лазури через жидко-кристаллические матрицы 87
8.2 Наноструктурирование Берлинской лазури путем остановки электроосаждения на начальной стадии 89
8.2.1 Остановка электроосаждения Берлинской лазури на стадии нуклеации 89
8.2.2 Исследование покрытий Берлинской лазури, полученных остановкой
электроосаждения на стадии нуклеации методом атомно-силовой микроскопии 93
8.2.3 Аналитические характеристики электродов, модифицированных наноструктурированной БЛ при остановке электроосаждения на стадии нуклеации „95
8.3 Использование силоксановых матриц для электроосаждения наноструктурированной Берлинской лазури 97
8.3.1 Электроосаждение Берлинской лазури через матрицы на основе этоксисиланов и силоксанов 97
8.3.1.1 Изучение различных силанов и силоксанов для получения наноструктурированной Берлинской лазури 97
8.3.1.2 Влияние концентрации винилтриэтоксисилана в исходном растворе на аналитические характеристики получаемых покрытий 102
8.3.1.3 Исследование условий для гидролиза этоксисилана в исходном растворе на аналитические характеристики получаемых покрытий Берлинской лазури 104
8.3.2 Исследование пленок наноструктурированной Берлинской лазури, полученных электроосаждением через матрицы на основе винилтриэтоксисилана в оптимальных условиях, методом атомно-силовой микроскопии 105
8.3.3 Аналитические характеристики систем наноэлектродов на основе Берлинской лазури, полученных путем электроосаждения через матрицы на основе винилтриэтоксисилана 109
Глава 9. Анализ образцов конденсата выдыхаемого воздуха 114
9.1 Электрохимическое определение концентрации пероксида водорода в образцах конденсата выдыхаемого воздуха у здоровых людей 117
9.2 Спектрофотометрическое определение пероксида водорода в конденсате выдыхаемого воздуха здоровых людей с использованием пероксидазы 119
9.3 Электрохимическое определение концентрации пероксида водорода в образцах конденсата выдыхаемого воздуха у людей с различными заболеваниями органов дыхания 121
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 128
Введение к работе
Требования современного анализа - это чувствительность, избирательность, дешевизна, простота и экспрессность. Электрохимические сенсоры как нельзя лучше удовлетворяют указанным требованиям. Они просты, удобны в применении, а также позволяют осуществлять непрерывный контроль ключевых аналитов, что является важным для клинической диагностики, контроля промышленного производства и состояния окружающей среды. Кроме того, требования современной медицины делают необходимым анализ крови или тканевой жидкости непосредственно в исследуемом органе, поскольку анализ, проводимый при использовании современных экспериментальных методов (при отборе кусочка ткани и доставке его к аналитическому прибору), в ряде случаев становится неинформативным из-за разложения некоторых ключевых метаболитов, в частности, активных форм кислорода. Очевидно, такой клинический анализ может быть осуществлен только с использованием химических или биологических сенсоров.
Важным маркером для современной медицины, контроля экологии и различных областей промышленности является пероксид водорода. В клинической диагностике в последнее десятилетие большое внимание уделяется проблеме окислительного стресса, который заключается в дисбалансе окислительной и восстановительной систем организма [1-5]. Пероксид водорода может служить маркером окислительного стресса и при определении степени воспалительного процесса.
Более 90% всех коммерчески значимых биосенсоров и аналитических наборов на основе ферментов основаны на действии оксидаз. Эти ферменты катализируют окисление специфического субстрата кислородом воздуха. При этом кислород восстанавливается до пероксида водорода. Таким образом, для создания биосенсоров необходим чувствительный датчик на пероксид водорода [6].
Накопление пероксида водорода в грунтовых и дождевых водах в качестве отходов производства и атомных станций негативно сказывается на экологии и здоровье людей [7, 8]. Также пероксид водорода используется для дезинфекции воды и тары пищевых продуктов [9, 10], что делает важным определение его остаточных концентраций.
Наиболее чувствительным и селективным методом определения концентрации пероксида водорода является амперометрическая детекция с использованием электродов, модифицированных Берлинской Лазурью [11-14]. Тем не менее, такие датчики позволяют осуществлять анализ только до концентраций 10"7 М. Однако, для целей клинической диагностики и при экологическом мониторинге требуется дальнейшее понижение предела определения.
Понизить предел определения электрохимического датчика можно за счет увеличения соотношения сигнал/шум при минимизации размера электрода. В случае микроэлектродов большую роль играют краевые эффекты, связанные с полусферической диффузией определяемого вещества к поверхности электрода. При этом уменьшение радиуса электрода приводит к возрастанию плотности регистрируемого тока. Миниатюризация сенсоров также необходима для проведения анализа крови или тканевой жидкости непосредственно в исследуемом органе.
В настоящей работе предложив создание высокоэффективных микросенсоров на основе Берлинской лазури для определения пероксида водорода.
Однако отдельные микроэлектроды трудно использовать, так как величина регистрируемого тока очень мала. С целью увеличения общего тока используют системы микроэлектродов, состоящие из множества отдельных электродов, вмонтированных в общую изолирующую основу и соединенных с одним общим токоотводом. Для получения систем микроэлектродов используются методы микроэлектроники [15], электроннолучевые и ионно-лучевые технологии [16, 17], рентгеновская литография [18], высокотемпературная литография [19-22], фотолитография [23-27]. Следует отметить, что физические методы изготовления систем микроэлектродов довольно дороги и трудоемки и кроме того не всегда пригодны.
Целью работы было создание высокоэффективных сенсоров для определения пероксида водорода на основе наноразмерных пленок и нано-структур электрокатализатора. В данной работе, в качестве альтернативы физическим методам, предложено создание систем наноэлектродов путем наноструктурирования высокоэффективного электрокатализатора на относительно инертной поверхности электрода. Создание наноструктур электрокатализатора на инертной поверхности электрода позволяет рассматривать отдельные образования Берлинской лазури как систему наноэлектродов в отношении определения пероксида водорода.
