Автореферат (1150337)
Текст из файла
САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТна правах рукописиНиколаев Константин ГеннадьевичПОВЫШЕНИЕ СТАБИЛЬНОСТИ АНАЛИТИЧЕСКОГО СИГНАЛА И МИНИАТЮРИЗАЦИЯВОЛЬТАМПЕРОМЕТРИЧЕСКИХ СЕНСОРОВ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ГЛЮКОЗЫ ИПЕРОКСИДА ВОДОРОДА02.00.02 – Аналитическая химияАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата химических наукСанкт-Петербург2017Работа выполнена на кафедре аналитической химии института химии Санкт-Петербургскогогосударственного университета.Научный руководитель:доктор химических наук, профессорЕрмаков Сергей СергеевичОфициальные оппоненты:Стожко Наталия Юрьевна, доктор химических наук, профессор,заведующий кафедрой физики и химии Федеральногогосударственного бюджетного образовательного учреждениявысшего образования «Уральский государственныйэкономический университет»Яснев Иван Михайлович, кандидат химических наук, старшийнаучный сотрудник Федерального государственного унитарногопредприятия «Научно- исследовательский технологическийинститут им.
А.П. Александрова»Ведущая организация:Федеральное государственное автономное образовательноеучреждение высшего образования «Казанский (Приволжский)федеральный университет», КазаньЗащита состоится «30» марта 2017 г. в 17.00 часов на заседании диссертационного советаД 212.232.37 по защите докторских и кандидатских диссертаций при Санкт-Петербургскомгосударственном университете по адресу 199004, Санкт-Петербург, Средний пр. В.О., д. 41-43,БХА.С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке им.
М.А. Горького СанктПетербургского государственного университета по адресу 199034 Санкт-ПетербургУниверситетская наб. 7/9 и на сайте www.spbu.ru.Автореферат разослан « »2017 г.Ученый секретарьдиссертационного советаПанчук В.В.2Общая характеристика диссертацииАктуальность проблемыСовременная медицинская диагностика требует постоянного контроля показателейглюкозы в крови человека. В настоящее время для этих целей используют коммерческиеферментные электрохимические сенсоры на основе глюкозоксидазы.
Сенсор как устройствоэлектрохимического детектирования может осуществлять инвазивный биохимический анализ invivo. Кроме того, электрохимические сенсоры позволяют пользователю проводить экспрессныйанализ в домашних условиях. Не смотря на это, они обладают такими недостатками как: низкаяточность определения (с относительной погрешностью до 30%) и короткий срок службы (до 2месяцев).Низкаяточностьопределения глюкозыобъясняетсямешающимвлияниембиологически активных веществ.
В связи с тем, что в коммерческих сенсорах в качествеэлектродов используют тонкопленочные золотые электроды, активность иммобилизованной наних глюкозоксидазы очень быстро уменьшается во времени. Этим можно объяснить низкийсрок годности таких сенсоров. Низкая воспроизводимость поверхности тонкопленочныхэлектродов, которые производят методом вакуумного напыления, требует отдельнойградуировки для каждой партии сенсоров.
Всё вышеперечисленное также влияет на точностьопределения концентрации глюкозы в крови.Использование электродов модифицированных наноструктурами золота позволяетрешить эти проблемы. Такие электроды имеют большую площадь поверхности за счеттрехмерной структуры наночастиц и нанопроволок золота.
Благодаря этому достигаетсявоспроизводимость поверхности модифицированного электрода. Как известно, наноразмерныечастицы золота предотвращают денатурацию глюкозоксидазы и поддерживают постояннуюконформацию этой молекулы, что приводит к увеличению стабильности биосенсора вовремени. Кроме того, за счет увеличения поверхности, электроды, модифицированныенаноструктурамизолота,обеспечиваютвысокуюточностьичувствительностьэлектрохимического сенсора для определения глюкозы. Таким образом, разработка сенсоров наосновеэлектродовмодифицированныхнаноструктурамизолота,используемыхдляопределения глюкозы является перспективным направлением.Существует множество способов синтеза наноструктур золота.
Наименьший диаметрнаночастиц и нанопроволок обеспечивают методы химического синтеза со стерическойстабилизацией наноструктур поверхностно активными веществами (ПАВ). При этомсуществует проблема использования таких наноструктур для модификации электродов,связанная с гидрофобностью стабилизирующих ПАВ. Гидрофобные ПАВ на поверхностинаноструктур золота блокируют перенос заряда и уменьшают рабочую площадь поверхностимодифицированного электрода.3Для контроля биологически активных веществ (БАВ) на внеклеточном уровне требуетсяминиатюризация и биосовместимость электрохимических сенсоров. Одними из наиболееважных БАВ являются активные формы кислорода (АФК).
АФК - это побочные продуктыаэробного метаболизма в биологических системах. К АФК относят синглетный кислород,гидроксил радикал и пероксид водорода. Пероксид водорода образуется из анионовсупероксида, которые являются продуктами восстановления кислорода во время аэробногодыхания. Пероксид водорода - наиболее стабильная активная форма кислорода, поэтому онявляется наиболее подходящим аналитом для электрохимических сенсоров. Однако прямоеэлектрохимическое определение пероксида водорода проводят при достаточно высокихпотенциалах, что в биологических средах может привести к окислению или восстановлениюдругих электроактивных веществ, присутствующих в этих средах.
В этом случае снижениепотенциаладетектированияпероксидаводородадостигаетсязасчетиспользованиянаноструктур благородных металлов в конструкции электрохимических сенсоров. Поэтому,модификацияминиатюрныхэлектродовнаноструктурамиблагородныхметалловилиполучение наноструктурированных ультрамикроразмерных электродов позволят создаватьэлектрохимические сенсоры для определения пероксида водорода в биологических средах.Цель работы: Разработка новых вольтамперометрических сенсоров на основе наноструктурзолота для определения глюкозы и наноструктурированных ультрамикроэлектродов (УМЭ)палладия, золота и их сплава для определения пероксида водорода.Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:разработать метод активации наночастиц золота, синтезированных олеиламиновым-методом;-модифицироватьэлектроднаночастицамизолотаиактивироватьполученнуюнаноструктурированную поверхность реагентом Меервейна;-наосновеполученногомодифицированногоэлектродаразработатьпрототипвольтамперометрического биосенсора на глюкозу и изучить его аналитические характеристики;- выбрать оптимальные условия для метода направленного электрохимического синтезананоструктурPd,Auиихсплава,создатьминиатюризированныйбесферментныйвольтамперометрический сенсор на их основе;- изучить аналитические характеристики полученных бесферментных вольтамперометрическихсенсоров на примере определения пероксида водорода;- разработать миниатюризированный вольтамперометрический сенсор на основе наноструктурPd, Au и их сплава, для определения уровня гипоксии клеток.4Научная новизна- впервые для удаления молекул гидрофобных реагентов с поверхности наноструктур Auприменен метод обработки реагентом Меервейна (тетрафторборат триэтилоксония), чтопривело к улучшению аналитических характеристик вольтамперометрических сенсоров наоснове таких наноструктур;- впервые получены и охарактеризованы УМЭ на основе Au, Pd и сплава Pd-Au для созданиявольтамперометрических сенсоров для определения пероксида водорода.
Бесферментныйсенсор имеет высокую чувствительность (4,176 мA·мM-1cм-2), низкий предел обнаружения(2,4·10-7 М) и широкий диапазон линейности (от 1,0·10-6 до 1,0·10-3 М)Практическая значимость работы:- разработан вольтамперометрический сенсор на основе наночастиц золота с поверхностью,предотвращающей денатурацию глюкозоксидазы, что привело к увеличению временистабильной работы биосенсора до 60 дней, чувствительности (до 15,0 мкA·мM-1cм-2) , а такжеснижению предела обнаружения глюкозы до 0,02 мМ;- на основе наноструктурированного УМЭ сплава Pd-Auразработан миниатюрныйамперометрический сенсор для бесферментного определения пероксида водорода в объеме 100мкл при низком потенциале детектирования (минус 0,05 В).Положения, выносимые на защиту-способ обработки наноструктур Au для удаления олеиламина с применением реагентаМеервейна-аналитические характеристики вольтамперометрического сенсора для определенияглюкозы на основе наночастиц золота активированных реагентом Меервейна-аналитическиехарактеристикинаноструктурированныхУМЭ,синтезированныхметодом направленного электрохимического осаждения, на примере определенияпероксида водородаАпробация работыОтдельные разделы диссертации докладывались на VIII Всероссийской конференциистудентов, аспирантов и молодых ученых с международным участием "Менделеев-2014"(Санкт-Петербург, 2014), Международной конференции «1st International School and ConferenceonOptoelectronics,Photonics,Engineeringandnanostructures»(Санкт-Петрбург,2014),Международной конференции «Nanoelectronic Days» (Juelich, Германия, 2015), II СъездАналитиков России (Москва), IX всероссийской конференции по электрохимическим методаманализа с международным участием и молодежной научной школой «ЭМА 2016».5ПубликацииОпубликовано 11 работ, в том числе 6 статей в рецензируемых научных журналах, изних по теме диссертации – 3 рекомендованных ВАК, 5 тезисов докладов на научныхконференциях.РаботычастичновыполнялисьврамкахгрантаСПбГУ-DAAD№12.42.1438.2015.Объем и структура диссертацииДиссертация изложена на 139 страницах машинописного текста, включая 49 рисунков,14 таблиц, состоит из введения, четырех глав, заключения, выводов и списка цитируемойлитературы из 162 наименований.Во введении кратко обосновывается актуальность разработки электрохимических биосенсорови бесферментных сенсоров на основе наноструктур благородных металлов для определениябиологически значимых аналитов.Впервойглаве(обзорлитературы)описаныразличныеподходыкразработкеэлектрохимических сенсорных систем на основе современных наноматериалов для определениябиологически значимых аналитов: глюкозы и пероксида водорода.Во второй главе приведены данные об использованных химических реактивах, методахизмерений, использованном оборудовании и программном обеспечении; описаны методикисинтеза наноструктур, способы обработки и подготовки поверхности к измерениям.В третьей главе представлены данные по изучению активированной поверхности химическисинтезированных наноструктур золота, данные по выбору оптимальных параметров методикинаправленного электрохимического синтеза благородных металлов и их сплавов, данные поизучению состава полученных наноструктурированных УМЭЧетвертая глава посвящена - изучению аналитических характеристик биосенсора на основенаноструктур золота для определения глюкозы, изучению работы бесферментного сенсора наоснове наноструктурированных УМЭ при определении пероксида водорода в среде клеточныхкультур.6Основное содержание работыСинтез, иммобилизация и характеристика наноструктур золота.1.Синтезнаноструктурзолотапроводилсяпутемвосстановленияизрастворазолотохлористоводородной кислоты (HAuCl4) олеиламином в толуоле.
Раствор нагревали до120°С, при этом смесь переходила из оранжевого цвета в бесцветный, что свидетельствовало овосстановлении Au (III) до Au(I). Далее смеси давали остыть до комнатной температуры иоставляли на два дня, для формирования наночастиц. Затем, к смеси добавляли аскорбиновуюкислоту, которая действовала в качестве мягкого восстановителя, что и способствовалообразованию нанопроволок [1]. В результате была получена смесь наночастиц и нанопроволокзолота диаметром от 5 до 15 нм и длиной до нескольких микрометров, что было установленометодом сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) (см. рисунки 1а и 1б).
Характеристики
Тип файла PDF
PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.
Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
