Диссертация (1150338), страница 4
Текст из файла (страница 4)
Тест-полоска на основе технологии screen-printed дляопределения глюкозы в крови (а), изображение таблицы коммерческихэлектрохимических сенсоров (б) (GOx –глюкозоксидаза).Попытки “направленного” задания свойств ЭС путем создания наповерхности слоев методами фото- или электрополимеризации [49, 50],Ленгмюра-Блоджет [51], «дроп кастинга» («drop casting») [52-56] и др., такжене приводит к успеху, поскольку не позволяет на требуемом уровнеконтролировать как состав, так и морфологию таких слоев. В этом отношенииособое значение приобретают методы ПХС (послойной химической сборки),которые дают возможность прецизионно задавать толщину синтезируемогослоя и получать на поверхности электрода все необходимые компоненты.
ПХС21позволяет синтезировать мультислой, содержащий ферменты или биоселекторыимедиаторыэлектронногопереноса,атакжеэлектрокатализаторы,обеспечивающие сравнительно быстрый перенос электрона от аналита илимедиатора на электрод, а также мембрану. Применение электродов со слоем,состоящим из глюкозоксидазы, пероксидазы хрена, конковалина А и МУН,синтезированным в результате 10 циклов ПХС привело к снижению пределаобнаружения до 2.5·10-7 M и увеличению чувствительности до токов порядка0,1 А·М-1·см-2 (таблица 1).Таблица 1. Составы мультислоев, синтезированных в условиях ПХС наповерхности электродов, методы измерения и характеристики ЭС дляопределения глюкозы (*S – чувствительность (А∙М-1∙см-2); TO - время отклика(с); ЛИ - линейный интервал (моль/л); ПО - предел обнаружения (моль/л), СТБ стабильность (сут.)).Составмультислоя/материалМетод измеренияэлектродаGOX-НЧ Au- хитозан/ЦВА (-0,1÷0,7 В),AuАМ (0,7 В)GOX-НЧ Au-ПАМАМПВС / ITOЦВА (0,0÷1,0 В)Характеристикисенсора*S=5,55·10−4 А·М-1S=(3,36 ±0,02)·10−5,ПО=17·10−6Ссылки[57][58]GOX-НЧ Au-ПАМАМ-ЦВА (-0,5÷0,1 В),S=1,11·10−4 А·М-1,[59],ПВС / ITOАМ (0,0 В)ПО= 1,9·10−6[60]GOX-НЧ Au/ AuАМ (0,4 В)-[61]GOX-НЧ Au-ЦВА (-0,2÷0,8 В),S=(1,927±0,05)·10−2,полиэлектролиты / AuАМ (0,3 В)ПО = 2,3·10−6[62]22Составмультислоя/материалМетод измеренияХарактеристикисенсора*электродаGOX-НЧ CdS-ПАМАМЦВА (-1,0÷1,0 В),/ PtАМ (0,5 В)GOX-Os - ПАУ / AuЦВА (0,1÷0,5 В)ЦВА (-0,6 ÷ - 0,2 В),GOX-НЧ Pt-хитозан /АМЛИ=1·10−6- 2,5·10−3,S=1,83·10−3, ПО=-пектин / AuАМ (-0,15 В)[64]ЛИ=1,2·10−6 –2,0·10−3, ПО=4,0·10−7,(0,3 В)ЦВА (-0,4÷0,6 В),[63]1·10−6СУЭGOX-HRP-Con A-МУН-Ссылки[65]СТБ=30ЛИ=2,0·10-6 –1,7·10-4, ПО= 2,5∙107[66]M, СТБ=8ЛИ=2,5·10-4 MGOX-МУН-АМполигистидин / СУЭ(0,7 В)5,0·10-3, S=(1.94±0.03)·10−3 А·М-1,ПО= 2,2·10-6,[67]ТО=12, СТБ=15полилизин/ лакказаЦВА/МУН/ ITO(0,05÷0,75 В)ЛИ: до 3,0·10-2ЦВАЛИ до 0,3·10-3, S=(-0,7÷0,0 В)1,07·10−1GOX-МУН-ПЭИ / СУЭ[68][69]23Составмультислоя/материалМетод измеренияХарактеристикисенсора*электродаСсылкиЛИ=(0,5 - 6,0)·10-3,GOX-ОУН-ПВ-Os / СЦВА (-0,1÷0,5 В),АМ (0,3 В)S= 1,6·10−2А·М-1 см2, ПО=0,1·10−3,[70]СТБ=30АМGOX-МУН/ С(0,6 В)GOX-МУН-ПА / ITOМУН-ПДДА / СУЭЦВА (0,0÷0,5 В),АМ (0,4 В)ЦВА (-0,5÷0,5 В),АМ (-0,1 В)GOX-NH2-МУН-амино -ЦВА (-0,8÷0,2 В),цистеамин/ AuАМ (-0,3 В)ЛИ=5·10-4-1,5·10-2,S=3,82·10−2А·М-1,[71]ПО= 0,9·10-4ЛИ=(1 - 9)·10-3,S=3,97·10−3 А·М-1,[72]ПО= 6·10−8, СТБ=21ЛИ=15·10−6 - 6·10−3,(15 -120)·10−6, ПО=[73]7,0·10-6, СТБ=21-28ЛИ=(1 – 7)·10−3, S=7,46·10−3,[74]ПО=8·10−3, СТБ=21ЛИ=5,0·10−5-GOX-ОУН-ПДДА / PtЦВА (0,0÷0,6 В),1,2·10−2,АМ (0,6 В)S=6,38·10−2, ПО=[75]4·10−6, СТБ=3024Составмультислоя/материалМетод измеренияэлектродаGOX-HRP-ПАУ/ ITOGOX-HRP-тиомочевина-ЦВА (-0,65÷-0,3 В),ЛИ=(5 – 60)·10−5,АМS=5,73·10−3, ПО=(0,3 В)6∙10−6ЦВА (0,0÷0,5 В),АМAu(0,28 В)GOX-ПДДА-NafionАМ/СУЭ, Pt, C(0,6 В)GOX-додецилбензилсульфоновая кислота/Agсенсора*СЭИ; эл.
язык/ СУЭGOX-HRP-цистеамин /ХарактеристикиСсылки[76][77]ЛИ=(1 – 8)·10−3,S=5,11·10−3, ПО=9·10−6, ТО=4,[78]СТБ=28ЛИ=(0,05 -7)·10−3,S= 9,6·10−3, ПО=[79]2·10−5, СТБ= 28.ЛИ=(1-8)·10−3,АМ (-0,1 В)S=7,2∙10-4,[80]ПО=1,55·10-4GOX-НЧ Au-хитозан/АМПА/Pt(0,6 В)ЛИ=(0,5-16)·10−3,S=5,55·10−4 А·М-1,[81]ПО= 7·10−625Составмультислоя/материалМетод измеренияэлектродаGOX-НЧ ZnO/ ITOАМ (-0,2 В)ЦВАGOX-ПЭИ/ ПГЭ(-0,8 ÷0 В)GOX-меркаптопропион.АМХарактеристикисенсора*ЛИ=(0,1-9)·10−3,ПО=1,94·10−6(-0,2 В)[82]ЛИ=(0,5-8,9)·10−3,S=7,6·10−4,[83]ПО= 5,0·10−5ЛИ до 5·10−3,к-та/ ПДДА- ПСС-МУН/AuСсылкиПО= 5,8·10−5[84]В качестве нанокатализаторов в мультислойных сенсорах используютсяуглеродные нанотрубки [23, 85], однослойные и многослойные, на которые, спомощью полимеров, таких как полиэтиленимин, полипиррол и Nafion,иммобилизуется глюкозоксидаза.
Далее приведены данные трансмиссионногоэлектронного микроскопа одно - (Рисунок 3а) и многослойных (Рисунок 3б,в)углеродных нанотрубок, а также нанотрубок, с нанесенной глюкозоксидазой вNafion[86]. На Рисунке 8приведены изображения, полученные сосканирующего электронного микроскопа, циклические вольтамперограммы(рисунок 3г) с различными скоростями сканирования, нанотрубок, симмобилизованной глюкозоксидазой в Nafion, в 20мМ фосфатном буферномрастворе pH 6 [86].26Рисунок 3.
Микрофотографии одностенных (а) и многостенныхнанотрубок углерода (б, в), циклические вольтамперограммы биосенсора наоснове нанотрубок углерода со скоростями сканирования 20 (1), 40 (2), 80 (3),100 (4) мВ/с (г) [86].Также катализатором прямого переноса электронов может служитьколлоидное золото, нанесенное на поверхность угольно-пастового электрода[85]. В данном случае глюкозоксидаза может быть сорбирована на поверхностьколлоидного золота. Далее, на Рисунке 4 представлены циклическиевольтамперограммы глюкозоксидазы с прямым переносом на угольно-пастовомэлектроде, модифицированном коллоидным золотом, в 0,1М фосфатномбуферном растворе с pH 5, со скоростями сканирования 50 мВ/с, дляследующих концентраций глюкозы: 0, 0,04, 0,08, 0,12, 0,16, 0,20, 0,28 и 0,4427ммоль соответственно. На вставке рисунка 4 приведена зависимости тока пикаот концентрации глюкозы [85].Рисунок4.Циклическиевольтамперограммысразличнымиконцентрациями глюкозы (0, 0,04, 0,08, 0,12, 0,16, 0,20, 0.28 и 0,44 ммоль) наэлектроде, модифицированном коллоидным золотом и глюкозоксидазой (наврезке зависимость тока восстановления глюкозоксидазы от концентрацииглюкозы) [85].Но, не смотря на высокую каталитическую активность модификаторов,реакция с прямым переносом электрона остается кинетически замедленной ипроигрывает в сравнении с реакцией, в которой используется медиаторэлектронов.
В качестве медиаторов для сенсоров на основе глюкозоксидазыиспользуют такие медиаторы как: гидрохинон, гексацианоферрат калия (III),гексацианоферрат калия (II) а также ферроценметанол [86-88].281.3.1. Биосенсоры на глюкозу на основе глюкозоксидазы и наночастицзолотаВ случае биосенсоров с применением глюкозоксидазы, их наиболее частомодифицируют наноструктурами золота. Это вызвано высокой проводимостьюзолота, что уменьшает сопротивление и облегчает обмен электронами междуэлектродом и глюкозоксидазой, а также биосовместимостью благородныхметаллов. В качестве модификаторов могут выступать как наночастицы, так инанопроволоки золота.
На рисунке 10 приведены данные сканирующегоэлектронногомикроскопадляэлектродаизуглеродныхнанотрубок,модифицированного нанопроволоками золота диаметром 50 нм, и длиной до 1мкм[87].Рисунок 5. Микрофотографии поверхности углеродных нанотрубок (а),углеродных нанотрубок, модифицированных наночастицами золота (б),углеродныхнанотрубок,модифицированныхнаночастицамизолотаиприводяткглюкозоксидазой (в) [87].Измененияповерхностиврезультатемодификацииизменению вида годографов импедансной спектроскопии для: золотогоэлектрода(рисунокнаночастицами5а),золотамодифицированныхуглеродных(рисунокнаночастицаминанотрубок,5б),золотамодифицированныхуглеродныхинанотрубок,иммобилизованнойглюкозоксидазой (рисунок 5в), в растворе 0.1М хлорида калия содержащего5мМ гексацианоферрата калия (III).29Рисунок 6.
Данные спектроскопии электрохимического импеданса дляуглеродных нанотрубок (а), модифицированных наночастицами золота (б) инаночастицами золота и глюкозоксидазой (в) [87].По данным импеданса можно судить о том, что при модификациизолотыми наночастицами емкостная составляющая растет больше, чемсопротивление,априиммобилизацииглюкозоксидазой,увеличиваетсясопротивление, за счет неэлектроактивной структуры глюкозоксидазы (рисунок6).По полученной концентрационной зависимости можно судить обувеличении линейного диапазона до 10мМ, чувствительности до 19,3±0,5мкA/(мМ∙см2) и предела обнаружения до 2,3мкМ [87] .30Рисунок7.Зависимостьтокавосстановленияглюкозоксидазыотконцентрации глюкозы для построения зависимостей для расчета константыМихаэлиса [87].Для нахождения активности глюкозоксидазы рассчитывают контсантуМихаэлиса [87] по формуле 1:1 Kapp1m 1=+(1)Iss Imax C ImaxГде:iSS- стационарный ток, после добавления глюкозы;imax- максимальное значение тока при максимальной концентрации;С- максимальная концентрация глюкозы в растворе.31Для данного случая константа Михаэлиса равна 6,7мМ (рисунок 7).Также в литературе приводятся следующие значения 10,5мМ [89], 14,9мM [90]и 20мM [91].Помимо вышеперечисленных методов иммобилизации глюкозоксидазыпри помощи полимерных пленок, используют так называемые cross-link [92]реагенты, которые связывают глюкозоксидазу с поверхностью электрода.1.3.2.Химические методы синтеза наноструктур золота сиспользованием олеиламина для электрохимических биосенсоровСуществует множество химических методов синтеза наноструктур, новозможность получения монодисперсных структур очень мала.
Размернаночастиц может варьироваться от 5 до 20 нм. В основном для образованиянаностуктур используют олеиламин. Тогда формирование наноструктурпроисходит за счет образования аминовых комплексов Au(I, III), где олеиламинвыступает в роли восстановителя и стабилизирующего реагента [93, 94]. Такимобразом для образования наноструктур нужно образование промежуточногокомплекса Au(I) и олеиламина (рисунок 7). Этот комлекс образуется приориентации олеиламина полярными аминогруппами к атому золота [93, 94].32AuCl OA Au (OA) Cl Рисунок 7. Строение олеиламина и его ориентация к золоту.Далее происходит полимеризация олеиламина и самоорганизацияполимерной цепи, что приводит к взаимодействиям между лигандами. Примедленном окислении олеиламина, и восстановлении частиц Au(I) до Au(0),происходитформированиенаночастицзолота,которыеимеютполикристаллическую структуру.
Дальнейшее взаимодействие наночастицприводит к образованию нанопроволок различного диаметра и длины, а такженаностолбиков [94, 95].Синтез наноструктур проходит в несколько этапов. На первом этапехлориды золота (I или III) растворяют в олеиламине, к полученной смесидобавляют гексан, его используют в качестве растворителя для уменьшенияскорости полимеризации. Смесь, оранжевого цвета, тщательно перемешивают,иногда с использованием ультразвука, а затем оставляют на 24 часа в инертнойсреде аргона, потом, бесцветную смесь нагревают до 800С в течение 5 часов,при этом раствор переходит из бесцветного в красный. Смеси дают остыть докомнатной температуры, центрифугируют не менее трех раз на скорости 12000оборотов в минуту, для удаления избытка олеиламина [94].33Для синтеза нанопроволок используют хлорид золота (III), которыйрастворяют в толуоле, полученную смесь нагревают до 120 0С, при этом смесьпереходит из оранжевого цвета в бесцветный.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
