Диагностика поверхностных и объемных структурных модификаций различных веществ с использованием пьезокварцевого сенсора (1102807), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Обсужденывозможностиприменениянанотехнологиям,физикепьезосенсоровповерхности,7висследованияханалитической,пофизической,биологической химии и химической физики; особенно в условиях жидкихсред. Дается анализ методик экспериментальных измерений физическиххарактеристик сред, окружающих пьезорезонатор.Во второй главе исследовались свойства нанесенного однослойногопокрытияэлектродаПКР.Присоединенныйслойвеществаодногохимического состава и структуры позволил определять индивидуальныехарактеристики взаимодействия систем: «слой-металл», «слой сорбентапары» и «магнетит-индукция слабого магнитного поля».Описана установка, позволяющая определять чувствительность методапьезокварцевого микрозвешивания с помощью электрохимических методов,иприведеныданныесоответствующихэкспериментов.Калибровкапьезокварцевого датчика производилась в процессе электрохимическогоосаждения на поверхность электрода серебра и медипри непрерывнодействующей установке микровзвешивания.
Осаждение осуществляется сточностью не менее чем 10 нг. Для устранения возможных химическихреакций использовались специальные электролиты. Во время экспериментаподдерживаласьтемпература20оС.Вработеиспользовалисьбидистиллированная вода и образцы химически чистых веществ, полученныхпутем перегонки (марки ХЧ), дважды перекристаллизованные соли. Снятие(растворение) и осаждение проводилось при различных режимах: изменяласьвеличина тока от 10 мкА до 150 мкА, изменялись времена пропускания токаот10 сдо100 с.Экспериментальнонайденыкоэффициентычувствительности: (4.1 ± 0.05) нг/Гц см2 при осаждении серебра, 4.3 ± 0.05нг/Гц см2 при растворении серебра, 4.0 ± 0.05 нг/Гц см2 при осаждении меди,4.1±0.05нг/Гц см2чувствительностямипридлярастворенииразныхмеди.металловРасхождениеобусловленомеждуупруго-механическими свойствами наносимых пленок.Эксперимент по определению частотного диапазона уверенной работыпьезокварцевогосенсорапоказал,чтогенерацияпрекращаетсяприизменении частоты резонатора Δf = - (10÷12) кГц.
Описанная установка не8только измеряет чувствительность ПКР, но также является высокоточныммасс-чувствительнымдатчикомэлектрохимическихпроцессовнаповерхности электрода ячейки.Приведены результаты применения ПКР с базовой частотой колебаний10 мГц в качестве сенсора ароматических углеводородов, содержащихся впарах и газах при большой массе модифицированного слоя. На созданнойустановке получены кривые ухода частоты при сорбции – десорбции паров игазов на поверхности модифицированного ПКР. В ее работе заложенпринцип динамического разбавления.
Содержание органических веществ вгазовом потоке контролировалось с помощью газового хроматографа (вкачестве эталона использовался толуол). Для повышения чувствительности инадежности работы сенсоров оптимизированы методики нанесения аэросила(А-380), тетраэтоксисилана (ТЭОС).
Оба вещества представляют собойсильнопористыеструктуры,которыеобладаютсорбционнойизбирательностью при регистрации паров исследуемого вещества, а не газаносителя. Исследование адсорбционных свойств модифицированных ПКРпотребовалополученияразбавленныхгазовыхсмесей.Измеренияпроводились по методу насыщения газа-носителя парами компонента.Данный метод обеспечивает простоту проведения измерений, возможностьбыстрой замены адсорбата и контроля концентрации разбавленных газовыхсмесей.
Для выявления оптимального количества наносимого адсорбентабыла исследована зависимость ухода базовой частоты модифицированногорезонатора от массы нанесенного покрытия. Однако углы наклонаэкспериментально полученных прямых различались для разных сорбентов:для Аэросилы Δf (кГц) = 1.22 Δm (мкг); для ТЭОС Δf (кГц) = 2 Δm (мкг).Было отмечено, что срыв генерации (перегрузка) ПКР происходилнезависимо от природы покрытия при уменьшении базовой частотыколебаний на 1.6 кГц в схеме «емкостная трехточка». Максимальноеколичество покрытия (по весу), которое можно было нанести наиспользованные в работе резонаторы, составляло 13 и 8 мкг для Аэросила иТЭОСа соответственно. При нанесении "больших" количеств адсорбента9наблюдалась низкая воспроизводимость свойств получаемых покрытий, что,может быть связано сслоевявляются«жесткостью» покрытий. Выявлено, что толщиныкратнымизначению монослоя.
Сделанвывод, чтосорбирующее вещество на поверхности ПКР самоорганизуется по слоям впроцессе нанесения.Былисозданыиэксплуатировалисьустановкидляизмеренияконцентраций поверхностно-активных веществ, сложных ароматическихуглеводородов, фрагментов биохимических структур, вирусов, опиятов,канцерогенов и т.д.Для описания работы ПКР-датчика в условиях нагрузки необходимоопределить характер влияния распределенной по поверхности ПКР внешнейсилы. Использовался ПКР с нанесенным тонким магнитным слоем.Неоднородное внешнее магнитное поле действует на нанесенный магнитныйслой и меняет частоту колебаний ПКР.
Для проверки метода регистрациимагнитного поля с помощью пьезосенсора была создана экспериментальнаяустановка (рис. 2).Рис. 1. Блок-схема установки. 1- блок питания, 2-генератор, 3-ПКРс магнитным слоем,4-магнит, 5- частотомер, 6-осциллограф.Покрытием служила магнитная жидкость, сорбирующаяся на кристаллахсеребра электрода ПКР. Магнитная жидкость состоит из искусственновыращенныхкристалловмагнетитаFe3O4,размеркоторых10нм,помещенных в стабилизатор (олеиновая кислота). Молекулы олеиновойкислоты являются линейными и их размер 2 нм.
Кристаллы магнетита10химически связываются со стабилизатором и представляют собой частицы сразмерами 12÷15 нм. Плотность магнитной жидкости при 20°С равна 1.388г/см2, вязкость 15.99 спуаз. Частицы такого размера легко попадают в порыэлектродов, размер которых гораздо больше. Получена зависимость частотыПКР от расстояния между магнитом и поверхностью резонатора. Толщинананесенного покрытия, рассчитанная по формуле Сейербрея, была равна8·10-7 м.Экспериментальные данные были обработаны и в результате полученовыражение, описывающее гиперболическую кривую Y= -0.45 + 4.6/X2, гдеY- изменение частоты сенсора в кГц, X- расстояние от поверхности сенсорадо магнита в мм (рис.
2).Рис 2. Зависимость изменения частоты генератора от расстояниямежду магнитом и ПКР.Индукция магнитного поля используемого магнита была измерена сиспользованием миллитесламетра МЦРМИ ТП2-2У (диаметр датчика 1 см).Точность измерения индукции 0,1 мТл. Полученная гипербола была сравненас экспериментальной кривой. В результате определена экспериментальнаязависимостьизменениячастотыгенератора11отвеличиныиндукциимагнитного поля, носящая линейный характер (рис. 3).0,40Уход частоты, кГц0,350,300,250,200,150,100,050,00020406080100120140160180Индукция магнитного поля, мТлРис. 3. Экспериментальная зависимость ухода частоты генератора отиндукции неоднородного магнитного поля.В третьей главе представлены результаты исследований особенностейизготовления сенсоров с многослойными селективными покрытиями дляколичественногоопределенияконцентрацийсложныххимическихибиохимических субстанций в жидких средах. Химически модифицированныеметаллические электроды ПКР должны быть оптимизированы по структуре ипо составу для решения задач анализа состава растворов.Пьезокварцевый сенсор состоит из ПКР с нанесенными на электродымногослойными покрытиями, селективно взаимодействующими с массойисследуемого вещества.
Контролируемый процесс измерения толщинынанесенных покрытий приводит к оптимизации массы каждого слоя, чтопозволяет расширить рабочий диапазон датчика. Частотный диапазон ПКРсостоит из изменения частоты из-за нанесенного покрытия (технологическаячасть) и ухода частоты из-за присоединенной определяемой массы (рабочийдиапазон). Было проведено контролируемое изготовления сенсора наовальбумин, вещество, моделирующее большой класс органических молекул,12широкоприменяемыхвхимическойтехнологии.Дляпроведенияиммунохимических реакций использовался конъюгат яичного альбумина(овальбумина) с морфином, овальбумин, сыворотки крови человека икролика, содержащие специфические антитела к морфину, и стандартныйраствор морфина с концентрацией 1000 мкг/мл.
На ПКР, погруженный вжидкость, проводилось последовательное нанесение шести слоев: 1 тетратоксисилан, 2 - аминопропилтриэтоксисилан, 3 - глутаровый альдегид, 4- овальбумин, 5 - трис и 6 - антитела к овальбумину. На каждой стадиимодифицирования в начале и в конце реакции измеряли частоту резонатора врастворе модификатора. Результаты измерений при создании датчика наовальбумин приведены в табл. 1.Таблица 1. Результаты измерений ухода частоты ПКР при контролесоздания датчика на овальбумин.Номер слоя123456Характеристика слояполислойполислоймонослоймонослойостровковое покрытиемонослойУход частоты, Гц3700130014001700010034500Наращивание слоя прекращалось после того, как его толщинапревосходила размер молекулы, т.
е. превышала толщину монослоя. Дляизготовленного датчика был рассчитан рабочий диапазон микровзвешивания- 20.6 мкг овальбумина. Это ограничило значение присоединенной массы,которое могло быть измерено в данных условиях. Данный результат, понашей оценке, превосходит в два раза рабочий диапазон сенсора принеконтролируемом нанесении рабочего слоя.Проведен эксперимент по количественному определению вирусакартофеля в режиме реального времени. Исследовался режим многократногоприменения одного ПКР и восстановления его чувствительности. В работеиспользовалась бидистиллированная вода, суспензии вируса картофеля,13антител к этому вирусу, антиген ВТМ, а также суспензия-субстратзараженного листа картофеля с неизвестным содержанием вируса (образцыбыли предоставлены кафедрой вирусологии биологического факультетаМГУ).
Для химического модифицирования поверхности ПКР использовалисьрастворыγ-аминопропилтриэтоксисилана(γ-АПТЭС)вводе,тетраэтоксисилана (ТЭОС) в воде и γ- бромпропилтрихлорсилана (γ-БПТХС)в метаноле. Адсорбцию и десорбцию антигенов определяли по изменениючастоты ПКР - генератора.
Антигены, связанные с антителами, удалялисьHCl-глициновым буфером с pH равным 2.4.Таблица. 2. Изменение частоты колебаний резонатора для трех типовподготовки электрода: 1) необработанный, 2) обработанный NaOH, 3)механически обработанный.Материал слояγ-АПТЭСГААнтителаТрис117018013040Δf, Гц2320170125353445155802512201358525d, Å2395231714150572015В качестве связующего элемента между белками и модифицированнымкварцевым кристаллом был выбран бифункциональный сшивающий агент глутаровый альдегид (ГА). Применение трихлорсилана и проведение реакцииво влажном растворителе приводит к поликонденсации с образованиемпленки модифицированного слоя.
Как видно из табл. 2 результирующий уходчастоты Δfизменяется в зависимости от способа предварительнойобработки, и наиболее глубокая модификация происходит в случаемеханической подготовки электрода. На активированной поверхностирезонатора из фосфатного буфера были иммобилизированы антитела вирусакартофеля (рис. 4).14Рис.
4. Схема анализа антигена вируса картофеля на поверхностисенсора.Иммунохимическая реакция на поверхности ПКР проводилась с сериейрастворов ХВК в фосфатном буфере (рН 7) с концентрацией 4·10-7 - 6·10-3мг/мл. Изменение частоты для раствора с одной концентрацией быловоспроизводимо при 3 - 5 измерений. Полученные результаты представленыв виде графика (рис. 5).Рис. 5.
Градуировочный график для определения концентрацииантигена вируса картофеля в растворе.На количественное измерение было затрачено 2 часа. На определение,проведенное по классическим качественным методикам, необходимо 24 часа.В четвертой главе представлены отдельные методыприменения ПКР-сенсора для изучения свойств жидких сред.Погружение ПКР-сенсора в жидкую среду изменяет условия егофункционирования и приводит к особым режимам работы генератора с ПКР,как частотозадающим элементом. Предложена методика определения15величины присоединенной массы с использованием установки для анализаАЧХ.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
