Автореферат (Электрохимические сенсоры для определения нейротрансмиттеров)

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТНа правах рукописиМУРАТОВАИрина СергеевнаЭлектрохимические сенсоры для определения нейротрансмиттеровСпециальность 02.00.04 – физическая химияАВТОРЕФЕРАТдиссертация на соискание учёной степеникандидата химических наукСАНКТ-ПЕТЕРБУРГ2016Работа выполнена на кафедре физической химии Института химииСанкт-Петербургского государственного университетаНаучный руководитель:доктор химических наук, профессорМихельсон Константин НиколаевичОфициальные оппоненты:доктор химических наук, профессор,ФГАОУ ВО «Казанский (Приволжский)федеральный университет»Евтюгин Геннадий Артуровичкандидат химических наук, доцент,ФГБОУ ВО «Санкт-Петербургскийгорный университет»Лобачева Ольга ЛеонидовнаВедущая организация:ФГБОУ ВО Московскийгосударственный университет имениМ.В.

ЛомоносоваЗащита диссертации состоится ……… 2016 г. в …….. часов на заседанииДиссертационного Совета Д-212.232.40 по защите докторских и кандидатскихдиссертаций при Санкт-Петербургском государственном университете поадресу: 199004, Санкт-Петербург, Средний проспект В.О., д. 41/43, БХА.С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотекеим. А.М.

Горького, 199034, СПбГУ, Университетская наб., д. 7/9.Автореферат разослан «» ………………… 2016 г.Учёный секретарьдиссертационного советакандидат химических наук, доцентН.Г. Суходолов2ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность работыНейротрансмиттеры (нейромедиаторы) – вещества, ответственные за передачунервного импульса. Контроль содержания нейротрансмиттеров вбиологических образцах имеет огромное практическое значение дляклинической диагностики таких заболеваний как феохромоцитома (опухольхромафинных клеток надпочечников), нейробластома (злокачественнаяопухоль, обычно обнаруживаемая у детей), ганглиома (доброкачественнаяопухоль сухожильных нервных ганглиев), болезнь Паркинсона, а также приразличных психических заболеваниях и болевых синдромах.Типичным и важнейшим представителем нейротрансмиттеров являетсядофамин.

Он служит важной частью «системы поощрения» мозга, вызываетчувство удовлетворения, влияет на процессы мотивации и обучения. Известнобольшое количество электрохимических и оптических сенсоров дофамина.Электрохимические сенсоры дофамина основаны на различных принципахполучения аналитического сигнала: вольтамперометрия, электрохимическийимпеданс, потенциометрия.

Число научных публикаций по сенсорамдофамина за последние 15 лет превышает 1600 (по данным Scopus), ипродолжает экспоненциально расти: 137 публикаций за первые 5 месяцев 2016г. Эта статистика свидетельствует об огромной потребности в таких сенсорах, и отом, что существующие варианты недостаточно хороши для практическогоприменения. Основные проблемы определения дофамина в реальных объектах(кровь, моча) связаны с необходимостью измерений при низкихконцентрациях (10-9 – 10-8 М) в присутствии веществ, препятствующиханализу, прежде всего аскорбиновой и мочевой кислот, в образцах малыхобъемов.

Таким образом, требуется сенсор, сочетающий крайне низкиепределы обнаружения, высокую селективность и миниатюрность.Анализ публикаций по сенсорам дофамина показывает, что в большинствеслучаев исследователи используют какой-то один подход, чаще всего –вольтамперометрию с модифицированными электродами. Представляетсяактуальным рассмотреть проблему создания такого сенсора шире, сопоставитьвозможности нескольких электрохимических методов, функционированиекоторых основано на разных физико-химических процессах.Цель работы:на основе сопоставления достоинств и недостатков электрохимическихсенсоров дофамина с различными принципами действия выявить наиболееперспективный подход к созданию сенсора, пригодного для анализа надофамин в пробах объемом до 1 мл, при физиологических концентрацияхцелевого аналита и сопутствующих ему веществ.Задачи работы31.Исследование возможности потенциометрического определениядофамина с помощью ионоселективных электродов на основе ионофоров:использование способности дофамина к протонированию и участию впроцессах ионного обмена между фазами исследуемого образца и сенсора.2.Создание хемирезистора с массивом (сетью) золотых нанопроволок иисследование возможностей резистометрического определения дофамина:использование способности дофамина к адсорбции на поверхности золота.3.Исследование возможностей определения дофамина с помощьювольтамперометрических ячеек с планарными золотыми и графитовымиэлектродами известных и новых конструкций: использование способностидофамина к участию в окислительно-восстановительных процессах наэлектродах.4.Сопоставление полученных результатов, выявление наилучшего наданный момент подхода к созданию сенсора дофамина и возможныхперспектив.Научная новизна1.Продемонстрирована возможность резистометрического определениягалогенидов, пиридина и дофамина.2.Полученыданные,свидетельствующиеоперспективностииспользования потенциала распределения для создания электрода сравнениябез жидкостного соединения, пригодного для потенциометрическихизмерений.3.Обнаружено значительное увеличение разделения пиков окисления ивосстановления в циклических вольтамперограммах на электроде из сетинанопроволок,посравнениюсмакроскопическимзолотом,свидетельствующее о нарушении эквипотенциальности нанопроволоквследствие их высокого сопротивления.4.Полученные зависимости тока пика окисления дофамина от скоростиразвертки потенциала, а также вид спектров электрохимического импеданса,дают дополнительные свидетельства того, что лимитирующей стадиейокисления дофамина на золоте является диффузия дофамина в растворе.Практическая значимость работы1.Разработана новая конструкция проточной мультисенсорной ячейки дляпотенциометрического анализа и технология ее изготовления.2.Разработан способ формирования сети металлических нанопроволок наэлектроде путем их прямого синтеза на подложке кремний/оксид кремния, исоздания хемирезистора для измерений в пробах объемом 20 мкл.3.Разработана конструкция вольтамперометрической ячейки дляизмерений в объемах до 200 мкл, а также способ ее изготовления сиспользованием планарных печатных электродов.44.Разработанапроцедуравольтамперометрическогоопределениядофамина в реальных образцах мочи с помощью электрохимическиактивированных планарных графитовых электродов в пробах объемом 200мкл.Методика эксперимента и использованное оборудованиеПотенциометрия (8-ми канальная компьютеризованная станция Экотест-120),циклическаявольтамперометрия,дифференциальнаяимпульснаявольтамперометрия, амперо- и хроноамперометрия, электрохимическийимпеданс, (потенциостат-гальваностат Autolab 302N с приставкой частотногоанализатора FRA-2, Metrohm) проведены в лаборатории ионометрии кафедрыфизической химии Института химии СПбГУ.

Изготовление хемирезисторов(оборудование «чистой комнаты») и резистометрия (анализаторэлектрических свойств Keithly 4200 SCS) проведены в Forschungs Zentrum Julich,Юлих, Германия. Материаловедческие исследования: UV-Vis спектроскопия(Lambda 900, PerkinElmer), эллипсометрия (Sentech SE800), СЭМ и АСМмикроскопия (Zeiss Gemini 1550) проведены в Forschungs Zentrum Julich, Юлих,Германия и РЦ «Геомодель» приборного парка СПбГУ.Использованы планарные печатные золотые и графитовые электроды GwentGroup Advanced Material Systems, Великобритания, чипы с массивамиплатиновых «микро» электродов Biomedical Microsensors Lab. NC State Univ.США.Препаративноеобрудование:электронныевесыВЛ-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, темамиРаботавыполненавИнститутехимииСанкт-Петербургскогогосударственного 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 ихсостав и степень дисперсности с физико-химическими свойствами», НИР12.38.17.2011«Влияниегальваностатическойполяризациинаэлектрохимические и оптические свойства систем на основе ионофоров», НИР12.38.235.2014 «Стабилизация электрического Гальвани-потенциала в областиграницы раздела фаз водных растворов и сенсорных слоев (мембран)электрохимических и оптических сенсоров на основе ионофоров – путь ксозданию твердого электрода сравнения и ионных оптодов», проекта РФФИ«Вклады ионного обмена и необменной сорбции электролитов в величиныэлектрическогопотенциалаипроводимостивсистемахраствор/мембрана/раствор», грант 15-03-04514 и при финансовой поддержкеФонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-техническойсфере, грант «УМНИК» 7016GU/2015.

Резистометрическая часть работы5выполнена в ходе стажировки И.С. Муратовой в Forschungs Zentrum Julich,Юлих, Германия в 2014 г.На защиту выносятся следующие положения1.Разработанная проточная мультисенсорная потенциометрическаяячейка представляет самостоятельный интерес, в том числе в качестве блокадля клинического анализатора для диагностических целей, а также дляфундаментальных исследований в области медицины и биологии.2.Метод изготовления хемирезисторов путем прямого синтезаультратонких золотых нанопроволок на чипах обладает преимуществом посравнению с размещением нанопроволок с помощью микрофлюидногоканала.3.Адсорбция дофамина на поверхности золотых нанопроволокподчиняется теории адсорбции Ленгмюра.4.Сильное разделение пиков окисления и восстановления циклическихвольтамперограмм электрода, представляющего собой сеть золотыхнанопроволок, обусловлена нарушением эквипотенциальности такогоэлектрода вследствие высокого омического сопротивления нанопроволок.5.Электрохимическая активация поверхности немодифицированныхпечатных планарных графитовых электродов дает возможностьвольтамперометрического определения дофамина в реальных образцах мочи.Апробация работыРезультаты работы доложены на следующих российских и международныхконференциях: VII Всероссийская конференция молодых ученых, аспирантови студентов с международным участием по химии и наноматериалам«Менделеев-2013», 2013 г., Санкт-Петербург, Россия, IX Международнаяконференция молодых ученых по химии «Менделеев-2015», Неорганическиематериалы и нанотехнология, 2015 г., Санкт-Петербург, Россия, 4thInternational Conference on Biosensor Technologies, 2015, Лиссабон,Португалия, XXIII International Symposium on Bioelectrochemistry andBioenergetics of the Bioelectrochemical Society, 2015, Мальмё, Швеция, IВсероссийская конференция с международным участием «Химический анализи медицина», 2015, Москва, Россия, ХХ Санкт-Петербургская Ассамблеямолодых ученых и специалистов, 2015, Санкт-Петербург, Россия.ПубликацииПо теме диссертации опубликовано 9 печатных работ, из них 2 статьи вжурналах из перечня ВАК, 1 патент и 6 тезисов докладов на конференциях.6Объём и структура работыДиссертация состоит из Введения, шести глав, Заключения, Выводов и Спискалитературы.

Она изложена на 147 страницах, содержит 5 таблиц, 92 рисунка и158 наименований цитируемой литературы.ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВо Введении кратко обоснована актуальность темы, кратко обозначена цельработы,аргументированвыборобъектовисследования,краткоохарактеризованы основные результаты.Глава I представляет собой обзор литературных данных, относящихся кдофамину как важнейшему и типичному представителю нейротрансмиттеров,а также данных о существующих сенсорах для его определения, прежде всего– электрохимических, с кратким обсуждением достоинств и недостатков рядаконкретныхсенсоров.Изложеныфизико-химическиеосновыфункционирования потенциометрических сенсоров: ионоселективныхэлектродов (ИСЭ) и измерительных блоков клинических анализаторов.Обсуждаетсявозможностьсозданияэлектродасравнения,функционирующего на основе потенциала распределения электролитаумеренной липофильности.