Введение к работе
Актуальность темы. Требования современного анализа - это чувствительность, избирательность, дешевизна, простота и экспрессность. Электрохимические методы как нельзя лучше удовлетворяют указанным требованиям. По сравнению с другими аналитическими методами (спектрофотометрия, флуориметрия, люминесцентные методы) они просты и удобны в применении, не требуют пробоподготовки, а также позволяют осуществлять непрерывный мониторинг анализируемого вещества. Все эти преимущества позволяют отдавать предпочтение электрохимическим сенсорам в клинической диагностике, пищевой промышленности и контроле состояния окружающей среды.
С 80-х годов XX века для изготовления электрохимических сенсоров используют трафаретную печать. Этот дешевый и простой в исполнении метод обеспечивает простоту массового производства, низкую стоимость и высокую воспроизводимость получаемого продукта. За один шаг трафаретной печати можно получать целую матрицу не отличающихся друг от друга по свойствам сенсорных структур, электрохимические характеристики которых при этом приближены к свойствам классических торцевых дисковых электродов, дорогих в изготовлении и неудобных в применении.
Современные медицина и биология рассматривают пероксид водорода как важнейший метаболит, являющийся индикатором окислительного стресса и воспалительных процессов в организме. Кроме того, сенсоры на пероксид водорода находят широкое применение при конструировании биологических сенсоров, содержащих иммобилизованные оксидазы в качестве биочувствительного элемента. Эти ферменты катализируют окисление специфического субстрата кислородом воздуха, при этом кислород восстанавливается до пероксида водорода, концентрация которого позволяет судить о концентрации исходного субстрата. Таким образом, потребность в чувствительных, стабильных и воспроизводимых сенсорах на пероксид водорода чрезвычайно велика.
Наиболее чувствительным и селективным методом определения пероксида водорода является амперометрия с использованием электрохимически модифицированных берлинской лазурью электродов, позволяющих определять концентрации Н202 в широком (до 7 порядков) диапазоне. Для реализации массового производства пероксидных сенсоров возникает необходимость в исключении трудоемких электрохимических стадий модификации и в их замене на
неэлектрохимический синтез берлинской лазури на поверхности электрода. Такой метод позволит модифицировать одновременно целую матрицу электродов и, следовательно, автоматизировать процесс изготовления сенсоров. Кроме того, существует необходимость в дополнительной стабилизации каталитического покрытия, связанная с недостаточной для некоторых приложений операционной и механической стабильностью берлинской лазури. Этот процесс также целесообразно проводить без привлечения электросинтеза, ориентируясь на массовое производство.
Цель работы состояла в создании научных основ технологии производства высокоэффективных амперометрических сенсоров и биосенсоров, пригодной для массового производства, то есть лишенной трудоемких электрохимических стадий.
Достижение поставленной цели предусматривало решение следующих задач:
создание планарных трехэлектродных сенсорных структур, обладающих максимальной проводимостью, а также электроактивностью в нейтральных растворах;
разработка бестокового метода синтеза берлинской лазури на поверхности электрода и создание амперометрических сенсоров для определения пероксида водорода;
стабилизация покрытий берлинской лазури на поверхности планарных электродов;
иммобилизация ферментов на поверхности пероксидных сенсоров и создание соответствующих биосенсоров;
адаптация сенсоров для применения в реальных объектах;
изучение поведения сенсоров в тонкослойной ячейке для создания сенсорных систем, пригодных для анализа малых объемов биологических жидкостей, например, крови.
Научная новизна. Разработан метод межфазного химического синтеза берлинской лазури для исключения электрохимических стадий модификации электрода. Сенсоры на пероксид водорода, изготовленные с использованием предложенного метода, не уступают ни по аналитическим, ни по электрохимическим свойствам электродам, модифицированным электрохимическим осаждением. Предложены неэлектрохимические методы стабилизации пероксидных сенсоров с использованием проводящих полимеров, полиэлектролитов и гексацианоферратов переходных металлов. Показано, что совместный синтез берлинской лазури с органическими полимерами (полианилин, полипиррол, замещенные полипирролы) позволяет существенно улучшить как чувствительность, так и операционную
стабильность сенсоров на Н2О2. Путем послойного синтеза берлинской лазури и гексацианоферрата никеля на поверхности планарного электрода получен высокостабильный сенсор, демонстрирующий неизменный сигнал в жестких условиях непрерывной регистрации 1 мМ пероксида водорода в течение 50 минут.
Увеличением плотности ферментсодержащей мембраны создан глюкозный биосенсор, рабочий диапазон которого составляет от 1 до 20 мМ глюкозы. Разработан метод изготовления тонкослойной ячейки на поверхности биосенсора для уменьшения объема пробы до 1 мкл.
Практическая значимость. Получено несколько типов сенсоров для определения пероксида водорода, обладающих следующими преимуществами: низким пределом обнаружения (1-Ю" М), высокой чувствительностью (до 0.55 AM" см" ), широким диапазоном линейности градуировочного графика (1-Ю" - 1-Ю" М) и высокой стабильностью (сенсор демонстрирует неизменный сигнал в присутствии 1 мМ Н2О2 в течение 50 минут). Показана применимость предложенных сенсоров на пероксид водорода для неинвазивной диагностики легочных заболеваний путем анализа конденсата выдыхаемого воздуха, а также для исследования общей антиоксидантной активности пищевых продуктов. Создан лактатный биосенсор, пригодный для методов неивазивного анализа, в частности, для определения лактата в поте человека. Разработан глюкозный биосенсор с верхним пределом обнаружения глюкозы 20 мМ и система экспрессного анализа малых объемов (1 мкл) цельной (неразбавленной) крови на данном биосенсоре. Показана возможность применения разработанной системы для создания персональных глюкозных тестов.
Апробация работы. Результаты работы были представлены на Четвертом московском международном конгрессе «Биотехнология: состояние и перспективы развития» (Москва, 2007), Международной научно-практической конференции «Биотехнология. Вода и пищевые продукты (Москва, 2008), Симпозиуме «The 11 International and The 1st Sino-Japan Bilateral Symposium on Electroanalytical Chemistry» (Changchun, 2007), Всероссийских конференциях по аналитической химии с международным участием «Аналитика России» (Краснодар, 2007, 2009), Международных научных конференциях студентов, аспирантов и молодых учёных «Ломоносов» (Москва, 2007, 2010), конференции «Meeting of the Electrochemical Section of the Polish Chemical Society» (Wlodowice, Poland, 2007), Первом Международном форуме по нанотехнологиям (Москва, 2008), Международных конференциях «Modern Electroanalytical Methods 2009» (Prague, Czechia, 2009) и
«Electrochemistry 2010: From microscopic understanding to global impact» (Bochum, Germany, 2010), Съезде аналитиков России и Школе молодых ученых «Аналитическая химия - новые методы и возможности» (Москва, 2010).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 24 печатные работы, в том числе 5 статей в российских и зарубежных научных журналах и 19 тезисов докладов на всероссийских и международных научных конференциях.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех основных разделов (литературный обзор, экспериментальная часть, результаты и их обсуждение), выводов и списка цитируемой литературы из 185 ссылок. Работа изложена на 130 страницах машинописного текста, включая 59 рисунков и 15 таблиц.
