Электрохимические сенсоры для определения нейротрансмиттеров Муратова Ирина Сергеевна

Содержание к диссертации

Введение

ГЛАВА I. Обзор литературных данных о дофамине и сенсорах для его определения 7

1.1. Общая характеристика нейротрансмиттеров (нейромедиаторов) 7

1.2. Химические сенсоры 9

1.3. Cенсоры для определения дофамина 10

1.4. Электрохимические сенсоры и теоретические основы их применения 22

1.4.1. Ионоселективные электроды и принципы потенциометрических измерений 22

1.4.1.1. Принципы конструирования и применения сенсорных блоков клинических анализаторов 25

1.4.1.2. Электрод сравнения 28

1.4.2. Резистометрические сенсоры и принципы резистометрических измерений

1.4.3. Вольтамперометрические сенсоры и принципы вольтамперометрических измерений 34

1.4.3.1. Циклическая вольтамперометрия с линейной разверткой потенциала 35

1.4.3.2. Закономерности диффузии в случае «макро» и «микро» электродов 37

1.4.3.3. Дифференциальная импульсная вольтамперометрия 42

1.4.3.4. Хроноамперометрия 43

1.4.4. Электрохимический импеданс 45

1.5. Цель и задачи работы 47

ГЛАВА II. Методика эксперимента 49

11.1. Реактивы и материалы 49

11.2. Оборудование 51

11.3. Приготовление мембранных коктейлей 54

ГЛАВА III. Потенциометрические сенсоры 56

111.1. Изготовление проточной потенциометрической ячейки 56

111.2. Проточная мультисенсорная потенциометрическая ячейка с выносным электродом сравнения 56

111.3. Проточная мультисенсорная потенциометрическая ячейка с полимерным электродом сравнения 64

ГЛАВА IV. Резистометрические сенсоры 69

IV.1. Изготовление резистометрических сенсоров 69

IV.1.1. Синтез золотых нанопроволок 69

IV.1.2. Изготовление электродов (чипов) 72

IV.1.3. Изготовление микрофлюидного канала 75

IV.1.4. Способы нанесения золотых нанопроволок на электроды 76

IV.1.4.1. Способ 1: нанесение золотых нанопроволок на электроды с помощью микрофлюидного канала 76

IV.1.4.2. Способ 2: прямой синтез золотых нанопроволок на электродах 82

IV.1.5. Вольтамперная характеристика нанопроволок 83

IV.2. Чувствительность хемирезистора, основанного на ультратонких золотых нанопроволоках, к галогенидам и пиридину 84

IV.3. Чувствительность хемирезистора, основанного на ультратонких золотых нанопроволоках, к дофамину 89

ГЛАВА V. Особенности электрохимии массива ультратонких золотых нанопроволок 96

ГЛАВА VI. Вольтамперометрические сенсоры 106

VI.1. Изготовление вольтамперометрических сенсоров 106

VI.2. Результаты исследований с печатными золотыми «макро» электродами в

ячейке большого объема 107

VI.3. Золотые «макро» электроды в ячейках типа «бочонок» 111

VI.4. Выявление лимитирующей стадии процесса окисления дофамина 121

VI.5. Измерения с массивами «микро» электродов 122

VI.6. Попытка модификации золотых «макро» электродов Cu (I)-полимерным композитом 125

VI.7. Результаты исследований с графитовыми электродами. Измерения в капле 125

Заключение 132

Выводы 132

Список цитируемой литературы

• Электрохимические сенсоры и теоретические основы их применения
• Приготовление мембранных коктейлей
• Проточная мультисенсорная потенциометрическая ячейка с полимерным электродом сравнения
• Способ 1: нанесение золотых нанопроволок на электроды с помощью микрофлюидного канала

Введение к работе

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

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

5. Продемонстрирована возможность резистометрического определения галогенидов, пиридина и дофамина.

6. Получены данные, свидетельствующие о перспективности использования потенциала распределения для создания электрода сравнения без жидкостного соединения, пригодного для потенциометрических измерений.

7. 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.

8. 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

9. Разработана новая конструкция проточной мультисенсорной ячейки для потенциометрического анализа и технология ее изготовления.

10. 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.

11. Разработана конструкция вольтамперометрической ячейки для измерений в объемах до 200 мкл, а также способ ее изготовления с использованием планарных печатных электродов.

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

выполнена в ходе стажировки И.С. Муратовой в Forschungs Zentrum Julich, Юлих, Германия в 2014 г.

На защиту выносятся следующие положения

12. 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.

13. Метод изготовления хемирезисторов путем прямого синтеза ультратонких золотых нанопроволок на чипах обладает преимуществом по сравнению с размещением нанопроволок с помощью микрофлюидного канала.

14. Адсорбция дофамина на поверхности золотых нанопроволок подчиняется теории адсорбции Ленгмюра.

15. Сильное разделение пиков окисления и восстановления циклических вольтамперограмм электрода, представляющего собой сеть золотых нанопроволок, обусловлена нарушением эквипотенциальности такого электрода вследствие высокого омического сопротивления нанопроволок.

16. 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, 4^th 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.

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.

Электрохимические сенсоры и теоретические основы их применения

Здесь мы кратко опишем современный уровень достижений в области сенсоров дофамина, опираясь на литературные данные последних лет, найденные нами при помощи базы Scopus. Основные усилия исследователей направлены на достижение чувствительности к дофамину при все более низких его концентрациях, и на обеспечение селективности отклика в присутствии агентов, мешающих его определению, прежде всего – аскорбиновой и мочевой кислот.

Как уже отмечалось, известно огромное количество работ, посвященных сенсорам для определения дофамина, причем число таких работ из года в год возрастает практически экспоненциально. Новые публикации по таким сенсорам появляются постоянно. Поэтому мы не пытаемся охватить в этом обзоре весь массив литературы по сенсорам дофамина, а постараемся выделить те работы, результаты которых показались нам наиболее важными.

Известны оптические сенсоры дофамина, в том числе флуоресцентные. Предложен флуоресцентный сенсор дофамина на основе Cu (II) комплекса производной бензимидазола [17]. Сообщалось об успешном определении дофамина в моче на уровне 50 нМ с помощью флуоресцентного сенсора [18]. Сенсор, сочетающий флуоресцентный и колориметирический отклик, на основе нанокластеров золота, стабилизированных бычьим альбумином, описан в работе [19]. Этот сенсор позволяет селективно определять дофамин до концентрации 210 7 М. Флуоресцентные сенсоры дофамина используются, в том числе, как детекторы в капиллярном электрофорезе [20]. Другие оптические сенсоры обладают существенно худшими пределами определения. Например, спектрофотометрия позволяет определять дофамин до концентрации 2,5106 М [21].

Переходя к электрохимическим сенсорам, отметим, что огромное число работ по электрохимическим сенсорам дофамина в значительной мере связано с тем, что регистрация электрохимического сигнала, как правило, требует существенно менее дорогостоящего оборудования, электрохимические измерения легко поддаются автоматизации, их результаты обычно легче обрабатывать соответствующим математическим обеспечением.

Начнем с потенциометрических сенсоров дофамина. Описан ионоселективный электрод (ИСЭ), содержащий в качестве дофамин-селективного ионообменника поли-N-фенилглицин [22]. Также был разработан твердоконтактный ИСЭ с полимерной мембраной, содержащей гептакис (2,3,6-трио-метил) - –циклодекстрин в качестве ионофора и тетракис-[3,5-бис (трифторметил) фенил] борат натрия в качестве ионной добавки [23]. Кроме того, потенциометрически можно определить содержание дофамина с помощью электродов, селективных не только к нему, но и к ионам, участвующим в процессе окисления дофамина, например IO4- [24, 25].

Однако из-за недостаточной селективности и чувствительности, эти измерения пригодны только для контроля фармацевтических лекарственных форм, но не для биологических объектов. Поэтому в подавляющем большинстве работ речь идет о вольтамперометрических сенсорах. В качестве рабочих электродов применяют, главным образом, электроды из инертных материалов, модифицированные теми или иными покрытиями. Сенсор, по замыслу авторов, имитирующий работу ионного канала, описан в работе [26]. Поверхность золотого электрода модифицировали самособирающимися монослоями, состоящими из SH-коррола и додекантиола (см. Рис. 4). Кольца коррола образовывали с катионом протонированного дофамина соединения типа хозяин-гость, что приводило к появлению положительного заряда на поверхности электрода. Заряд препятствовал доступу катионов [Ru(NH3)6]3+ к электроду и, таким образом, снижал ток по катиону [Ru(NH3)6]3+. Методом квадратно-волновой вольтамперометрии авторам удалось определять дофамин до концентрации 10-12 М. Это, по-видимому, рекордное достижение (на настоящее время) в плане нижнего предела определения дофамина. Однако, из текста работы не ясно, насколько обратимы процессы, вовлеченные в формирование отклика. В случае необратимости, такой сенсор является, по сути дела, одноразовым. Калибровка одноразовых сенсоров состоит в измерении сигналов нескольких индивидуальных сенсоров – по числу калибровочных растворов с различными концентрациями аналита. Поэтому такие сенсоры требуют очень высокой воспроизводимости свойств от образца к образцу, в противном случае их практически невозможно калибровать.

Приготовление мембранных коктейлей

При выполнении экспериментальной работы было использовано следующее оборудование.

Все навески взвешивали на лабораторных весах ВЛ-210. Приготовленный для изготовления электродов электронопроводящий композит, а также мембранные коктейли доводили до однородной консистенции с помощью ультразвуковой бани – соникатор Elmasonic, «ELMA-Hans Schmidbauer Gmb», Германия и роллер-миксер «MOVIL-ROD», Испания.

Все водные растворы были приготовлены на основе деионизованной воды с сопротивлением 18.2 M, «Milli-Q Reference Water Purification System», Франция. При приготовлении жидких композиций (мембран и калибровочных растворов) аликвоты отбирали при помощи механических дозаторов (Ленпипет, Россия), (объем дозирования 0.5-5 мкл, 2-20 мкл, 20-200 мкл, 200-1000 мкл, 1-5 мл, 1-10 мл).

Все измерения проводились при комнатной температуре 18-22 С. Значения pH растворов измеряли с помощью стеклянного электрода, насыщенного хлорсеребряного электрода сравнения («Измеритель», Беларусь). Все измерения э.д.с. проводили в гальванических ячейках с жидкостным соединением, электродом сравнения служил насыщенный хлорсеребряный электрод. Потенциометрический сигнал регистрировали с помощью многоканального компьютеризованного рН-метра – иономера «Экотест-120» (Россия) или аналогового иономера И-120, служившего усилителем сигнала, и дополненного вольтметром В-3-34 для его цифровой регистрации.

Чипы для резистометрических измерений (Рис. 19) были изготовлены в так называемой «чистой комнате», в Исследовательском центре Юлих (Forschungscentrum Julich) в Германии. Чистая комната - это сложное техническое сооружение, в котором регулируется концентрация взвешенных в воздухе частиц пыли, микроорганизмов, аэрозольных частиц и т.д., и поддерживается специфический микроклимат, регулируется влажность, давление и температура. Для определения уровня чистоты в таких помещениях используют понятие "класса чистоты", определяемого по количеству частиц в единице объема воздуха. Резистометрические измерения были выполнены с помощью анализатора электрических свойств полупроводниковых материалов Keithly 4200 SCS. УФ-видимые спектры были записаны с помощью спектрометра Lambda 900, PerkinElmer. Толщина слоев резистов была измерена с помощью эллипсометра Sentech SE800. Подготовка поверхности микрофлюидных каналов была выполнена с помощью плазменной кислородной печи, Diener electronic GmbH. Изображения золотых нанопроволок были получены с помощью сканирующего электронного микроскопа Zeiss Gemini 1550 и атомно-силового микроскопа.

Вольтамперометрические «макро» сенсоры формировали, пользуясь печатными планарными золотыми электродами (Gwent Electronic Materials Ltd. Великобритания), предоставленными доктором Юханом Бубакой (Abo Akademi University, Турку, Финляндия). На керамической пластине размером 40x40 мм методом фотолитографии были сформированы круглые контактные площадки из золота диаметром 4 мм с подводящими дорожками. Поверхность пластины (исключая контактные площадки) была покрыта полимерной электроизоляционной пленкой (см. Рис. 20).

Чипы с массивами платиновых «микро» электродов производства Biomedical Microsensors Laboratory North Carolina State University были предоставлены профессором Эрно Линднером (University of Memphis, Мемфис, США) (см. Рис. 21).

Для удобства подключения к прибору, к контактным панелям чипов подсоединяли тонкие провода, облуженные припоем ПОС-61 с канифолью, фиксировали их на контактных панелях чипов электропроводящим клеем Контактол, Keller, Россия, или композитом сажа + ПВХ. После этого всю область контактных панелей покрывали силиконовой изоляцией, пользуясь силиконовым герметиком DoneDeal AdhesivesLab, USA или Tytan, Carina Sealants Sp. z.o.o. S.K.A., Польша.

Изображения поверхности графитовых электродов были получены в ресурсном центре «Геомодель» приборного парка СПбГУ с помощью сканирующего электронного микроскопа HITACHI S-3400N.

Вольтамперометрические и импедансные измерения проводили на потенциостате-гальваностате Autolab PGstat 302N с модулем для измерения импеданса FRA2 (Metrohm, Швейцария). Спектры импеданса записывали в диапазоне частот 100 кГц - 0.01 Гц, применяя синусоидальный поляризующий сигнал амплитудой ±5 мВ. Результаты измерений импеданса анализировали с помощью фиттинговых программ, встроенных в прибор Autolab. Для перемешивания растворов в ячейке применяли магнитную мешалку.

Коктейли для приготовления электродных мембран (как сенсоров дофамина и других ионов, так и для электродов сравнения) готовили путем растворения навесок компонентов в подходящем пластификаторе. В некоторых случаях коктейли содержали также тетрагидрофуран или циклогексанон. В случаях, когда навески составляли бы менее 10 мг, вместо них брали соответствующие аликвоты растворов этих компонентов в циклогексаноне. Составы мембранных коктейлей для будущих электродов сравнения были выбраны на основе литературных данных [67, 74, 75]. Этим достигалась достаточная точность приготовления композиций. В отличие от обычных мембранных коктейлей, полимерного связующего (ПВХ) не добавляли, т.к. мембраны формировали непосредственно в стенке поливинилхлоридного катетера, чтобы получить единую целостную проточную потенциометрическую ячейку. Составы сенсорных мембран приведены в Табл. 1, а мембран электродов сравнения – в Табл. 2.

Проточная мультисенсорная потенциометрическая ячейка с полимерным электродом сравнения

Эта часть работы2 посвящена исследованию резистометрического отклика сенсоров на основе ультратонких золотых нанопроволок на галогениды, пиридин и дофамин. Выбор именно этих веществ обусловлен тем, что они рассматриваются в литературе как типичные примеры для изучения адсорбции на тонких пленках металлов [127-129]. С другой стороны, эти вещества, в том числе и дофамин (о нем пойдет речь ниже) еще не изучались в применении к ультратонким золотым нанопроволокам. Поэтому, хотя галогениды и пиридин не были целевыми аналитами для данной работы, сведения о поведении сенсоров в присутствии этих веществ, с одной стороны, полезны в обще-академическом смысле, а с другой – дают возможность оценить селективность резистометрического отклика на дофамин, что важно с практической точки зрения.

Золотые наноструктуры были синтезированы по методу, описанному в [130, 131] с незначительными изменениями. Этот метод обеспечивает соединение золотых наночастиц, примерно 2 нм в диаметре, друг с другом, с образованием протяженных одномерных агломератов – нанопроволок длиной порядка 4 мкм. Процесс этот происходит либо в фазе раствора, с последующим нанесением на подложку, либо нанопроволоки синтезируют непосредственно на подложке. Механизм такого спонтанного возникновения нанопроволок в системах с наночастицами называют ориентированным присоединением (oriented attachment). Запускается этот механизм внесением в систему добавок аскорбиновой кислоты. Оба процесса обеспечивают селективное удаление примесей с определенных кристаллографических граней, что в свою очередь способствует формированию длинных ультратонких нанопроволок с одинаковым диаметром благодаря механизму ориентированного присоединения [113, 131].

Для синтеза золотых нанопроволок 4 мг HAuCl43H2O добавляли в 10 мл толуола. Далее к этой смеси добавляли 80 мкл олеиламина и обрабатывали ультразвуком в течение 10-15 секунд. Олеиламин в данном случае служил в качестве восстанавливающего и стабилизирующего агента. Смесь имела ярко-желтую окраску, указывающую на то, что соль золота растворялась, образуя Au (III)-аминовый комплекс. После этого раствор нагревали от комнатной температуры до 100 0С, а затем выдерживали при этой температуре в течение 30-35 мин, пока цвет раствора не стал бледно-розовым, что свидетельствовало о возникновении небольших наночастиц золота. Далее раствор охлаждали со 100 до 40 0С, поместив колбу с раствором НП на 5-7 минут в водяную баню, нагретую до 40 0С. После этого, к раствору добавляли 16 мг аскорбиновой кислоты. Это заставляло наночастицы группироваться в нанопроволоки по механизму ориентированного присоединения [113, 131]. Раствор выдерживали при 40 0С в течение 3 часов при легком встряхивании на термостатируемом шейкере. В течение этого времени, раствор менял цвет с бледно-розового до темно-фиолетового. Затем раствор оставляли охлаждаться до комнатной температуры. УФ-видимый спектр (Рис. 36) подтверждает наличие нанопроволок в растворе. Узкий пик при 550 нм показывает наличие золотых наночастиц в растворе, а широкий пик при 1300 нм - золотых нанопроволок [132]. Формирование нанопроволок видно также невооруженным глазом по появлению темно-фиолетовой окраски, характерной для систем с нанопроволоками [130]. Диаметр полученных нанопроволок составляет 2-5 нм, как показано на фотографии, сделанной с помощью сканирующего электронного и атомно-силового микроскопов (Рис. 37 и 38).

Фотография золотых нанопроволок, синтезированных прямо на поверхности чипа, выполненная с помощью сканирующего электронного микроскопа. Рис. 38. Фотография золотых нанопроволок на Si/SiO2 субстрате, выполненная с помощью атомно-силового микроскопа.

Чипы, используемые в данной работе, были изготовлены в «чистой комнате» с помощью метода электронно-лучевой литографии. Они содержали пары электродов с расстояниями в 400, 600, 800 нм или 1 мкм между электродами в паре (30 пар электродов на одном чипе), для дальнейшего размещения между ними контактной сети золотых нанопроволок или отдельных золотых нанопроволок (Рис. 39). Отметим, что в контексте этой главы под электродом понимается часть чипа, которая по сути выполняет роль контактной площадки, к которой присоединены концы нанопроволок. Именно такая терминология применяется специалистами по хемирезисторам, и мы следуем этой принятой терминологии.

Чип (слева), центральная часть чипа с парами контактных электродов (посередине) и пара контактных электродов (справа). Зеленая линия показывает канал, который был открыт после изоляции чипа, и где нанопроволоки контактируют с раствором электролита. Кремниевую подложку покрывали слоем оксида кремния толщиной 1 мкм, который получали путем влажного окисления. Затем с помощью спин-коатера при скорости 2000 об/мин на субстрат наносили слой поли (метилметакрилат метакрилата) 33% (ПММА-МА 33%), используемого в качестве резиста для электронно-лучевой литографии. Толщина резиста контролировалась с помощью эллипсометра и составляла 200 нм. После этого резист обжигали для полимеризации в течение 10 минут. Затем на эту поверхность с помощью спин коатера (2000 об/мин) наносили ПММА 50K, снова обжигали в течение 5 минут, толщина этого слоя ПММА составляет 40 нм. После этого с помощью электронно лучевой литографии (доза 200 мкКл/см2) рисовали полосы будущих контактных линий и контактных площадок, проявляли полученный рисунок в проявителе ПММА 600-55 K в течение 2 минут и прерывали процесс проявления погружением в изопропанол в течение 30 секунд. Затем образцы сушили в потоке азота. Дальше следовал процесс металлизации, а именно, на имеющейся подложке электронно лучевым испарением осаждали слой титана толщиной 10 нм и слой золота толщиной 50 нм. Таким образом, после удаления лишнего металла с помощью растворителя, на подложке оставались нарисованные ранее электронно-лучевой литографией необходимые контактные электроды, контактные линии и контактные площадки. После этого наносили ультратонкие золотые нанопроволоки и формировали изоляционный слой ПММА 600K, в виде раствора в этиллактате, в котором с помощью электронно-лучевой литографии (доза 180 мкКл/см2) открывались участки для последующего контакта проволок с растворами электролитов (Рис. 40). Толщина изоляционного слоя составляла 220 нм. Из-за термической нестабильности и плавления нанопроволок при высоких температурах, чипы оставляли для медленного испарения этиллактата в течение 36 ч, при комнатной температуре. Области контактных площадок и области между парами электродов, где находились нанопроволоки, открывали с помощью электронно-лучевой литографии, с использованием дозы, равной 180 мкКл / см2. Удаление ПММА с этих областей выполняли аналогично тому, как описано выше. Микрофотография участка чипа, на которой видны открытые нанопроволоки и изоляция, закрывающая контактные линии представлена

Способ 1: нанесение золотых нанопроволок на электроды с помощью микрофлюидного канала

Как отмечено выше, при регистрации сигнала в циклической вольтамперометрии оба провода в ячейке, контактирующие с сетью НП, были соединены накоротко. Таким образом, контактные площадки всегда были эквипотенциальны. Поэтому может показаться, что, при снятии циклических вольтамперограмм (ЦВА), все НП в сети НП имеют один и тот же потенциал. Если это было бы верно, то электрод из сети золотых НП производил бы ЦВА такой же формы, как и тонкопленочный золотой электрод. Однако результаты, представленные на Рис. 60, указывают иное. ЦВА, полученные на электроде, представляющем собой массив 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).

Мы считаем, что это различие можно объяснить следующим образом. Несмотря на то, что контактные провода в ячейке при измерениях ЦВА были закорочены, НП в сети НП в электрохимической ячейке, изображенной на Рисунке 58, находятся при одном и том же потенциале только при отсутствии электрохимических процессов на таком электроде. Если в какой-то момент времени в сети НП происходит какой-нибудь 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.

Было показано, что удельное сопротивление золотой сети НП существенно выше, чем у объемного металла (2,44х10"8 Q м) и тонких пленок [113, 139, 140]. По нашим данным, представленным на Рис. 59, сопротивление нашей сети НП было около 2 M, что соответствует омическому падению напряжения в 2 В при токе 1 мкА. Фактическое омическое падение IR должно быть меньше, так как части сети НП, расположенные ближе к контактным площадкам, вносят вклад в общий ток больший, чем те, которые расположены в центральной части сети (см. Рис. 61). Тем не менее, возникновение падения IR по сети НП электрода может объяснить все большее разделение окислительно-восстановительных пиков и пики, сдвигающиеся при сканировании, в то время как НП становятся более тонкими и потому более резистивными при каждом последующем сканировании.

Схема возникновения неравномерности протекания окислительно восстановительного процесса на рабочем электроде из массива нанопроволок. Концы нанопроволоки находятся при одном и том же потенциале E относительно электрода сравнения, однако интенсивность окислительно-восстановительного процесса (вертикальные стрелки) по мере удаления от контактных площадок снижается из-за омического падения напряжения в нанопроволоке. Электрический ток в нанопроволоке (горизонтальные стрелки) также снижается по мере удаления от контактных площадок.

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 [141, 142] (например, в низких концентрациях электролита). Г. Буман и его коллеги опубликовали серию статей по IR падению в трехэлектродных ячейках, а также об их компенсации с помощью потенциостата с положительной обратной связью [143]. Совсем недавно было показано, что эффект нескомпенсированного сопротивления может быть количественно описан для равномерного распределения потенциала по поверхности рабочего электрода [144]. Тем не менее, наш случай значительно отличается от ранее описанных тем, что нескомпенсированное сопротивление нанопроволоки в настоящем исследовании приводит к градиенту потенциала вдоль самих НП. Следовательно, трудно сказать, как меняется величина этого параметра вдоль индивидуальной нанопроволоки и по 101 всей сети нанопроволок, так как эта величина зависит от расстояния между точкой контакта и конкретной НП, на ней сказываются также эффекты перколяции [145]. В итоге, различные точки сети НП как рабочего электрода имеют разные значения потенциала относительно электрода сравнения. Таким образом, электрохимический процесс начинается в той части НП, которая ближе к контактной площадке, продолжается вдоль НП по мере увеличения приложенного потенциала, и, наконец, прекращается на тех сегментах НП, где потенциал недостаточен для продолжения реакции из-за его падения по сети НП. Таким образом, мы предполагаем, что электрохимические процессы, показанные на Рис. 60, происходят в основном на поверхности НП, расположенных вблизи точек контакта, но вряд ли в середине рабочего электрода. Сдвиг Е составляет около -169 мВ и -209 мВ для 2-го и 7-сканов, соответственно, но точная оценка сдвига окислительно-восстановительного потенциала золотой сети НП по сравнению с объемным металлом [146-148] не представляется возможной. Применение более высоких потенциалов приводит к разрыву соединения НП, Рис. 60 (сканы 8, 9), вероятно, из-за окисления нанопроволок и Джоулева нагрева. Кроме того, электроды с большими расстояниями (5 мм) между контактными площадками и открытой части НП, контактирующей с раствором электролита, вообще не дают электрохимического отклика, поскольку при таких расстояниях для проведения электрохимической реакции должны применяться еще более высокие напряжения.

Поэтому мы хотели бы подчеркнуть, что более детальное исследование, например, с изменением скорости сканирования для количественной интерпретации данных вряд ли возможно в этом случае. Конкретные величины токов и потенциалов приведены здесь скорее для качественной оценки, поскольку сети нанопроволок неустойчивы даже в узком диапазоне напряжений и по самой своей природе недостаточно воспроизводимы.

Результаты, полученные с серной кислотой, подтверждаются измерениями ЦВА с ферроценметанолом и гексацианоферратом, Рис. 62(верх) и 62(низ), соответственно. Перед записью ЦВА электроды предварительно обрабатывали в течение 6 секунд при катодном потенциале: -0.2 В, с которого и начинали сканирование.