БЕСФЕРМЕНТНЫЙ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЙ СЕНСОР НА ОСНОВЕ ОРГАНИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА НИКЕЛЯ (II), ПОЛИЭТИЛЕНИМИНА И УГЛЕРОДНЫХ НАНОТРУБОК ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ГЛЮКОЗЫ
|
ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ 8
ВВЕДЕНИЕ 9
ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ II
1 Обзор литературы II
I. I Сенсоры для детекции глюкозы 11
1.2 Ферментное электрохимическое определение глюкозы 11
1.3 Бесферментное электрохимическое определение глюкозы 13
1.4 Электрокатализаторы 15
1.4.1 Электрокатализаторы с никелем 16
1.4.2 Углеродные нанотрубки 18
1.4.3 Полиэтиленнмин 21
1.5 Полимеры с молекулярными отпечатками 22
2 Объекты и методы исследования 27
2.1 Объект исследования 27
2.2 Методы исследования 28
2.2.1 Оборудование и измерительные приборы 28
2.2.2 Реактивы и растворы 28
2.2.3 Методика эксперимента 29
3 Результаты и их обсуждение 33
3.1 Выбор электрокатализатора с никелем 33
3.2 11оиск способа модификации стеклоуглеродного электрода 39
3.3 Измерение аналитических характеристик сенсора в модельных растворах, имитирующих кровь 49
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 53
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
ВВЕДЕНИЕ 9
ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ II
1 Обзор литературы II
I. I Сенсоры для детекции глюкозы 11
1.2 Ферментное электрохимическое определение глюкозы 11
1.3 Бесферментное электрохимическое определение глюкозы 13
1.4 Электрокатализаторы 15
1.4.1 Электрокатализаторы с никелем 16
1.4.2 Углеродные нанотрубки 18
1.4.3 Полиэтиленнмин 21
1.5 Полимеры с молекулярными отпечатками 22
2 Объекты и методы исследования 27
2.1 Объект исследования 27
2.2 Методы исследования 28
2.2.1 Оборудование и измерительные приборы 28
2.2.2 Реактивы и растворы 28
2.2.3 Методика эксперимента 29
3 Результаты и их обсуждение 33
3.1 Выбор электрокатализатора с никелем 33
3.2 11оиск способа модификации стеклоуглеродного электрода 39
3.3 Измерение аналитических характеристик сенсора в модельных растворах, имитирующих кровь 49
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 53
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
По данным Федерального Регистра сахарного диабета на 1 июля 2018 г. в Российской Федерации насчитывается более 4 млн больных сахарным диабетом. Это 3 % населения РФ [1]. 13 целях предотвращения развития заболевания необходимо постоянно отслеживать содержание сахара в крови для корректирования лечения. Поэтому важно иметь под рукой компактный, лёгкий в использовании и быстрый прибор измерения глюкозы.
Наиболее распространён электрохимический метод детекции глюкозы, который возможен с помощью ферментативных и неферментативных реакций [2]. При определении глюкозы в ходе ферментативной реакции используются электроды, содержащие иммобилизованные ферменты (в частности, глюкозооксидазу). Содержание глюкозы в крови определяется в ходе измерения количества конечного продукта реакции, либо, по начальной скорости процесса, положенного в основу методики определения [3]. Ферменты способны катализировать превращения веществ с большой скорост ью и высоко избирательно, даже если анализируемое соединение находится в смеси с другими близкими по химическому строению веществами. К недостаткам относят: потерю функциональной активности и стабильности ферментов иод воздействием различных факторов: высокую стоимость, из-за невозможности многократного использования растворимых ферментов, трудности их выделения и очистки: десорбцию биокатализатора с поверхности носителя [4].
Иесферментный электрохимический метод чаще всего представляет собой электрокаталитическое окисление глюкозы до глюконовой кислоты на .модифицированных электродах. Из-за отсутствия ферментов нет необходимости повышать устойчивость к деградации модифицирующего слоя. Пределы обнаружения обычно находятся в пределах концентрации глюкозы в крови. Чувствительность варьируется в зависимости от отношения структуры поверхности электрода и используемого электрокатализатора. К минусам можно отнести неспецифичность метода к субстрату и загрязнение поверхности электрода продуктами окисления глюкозы [5].
Перспективным способом обеспечения специфичности бесферментного сенсора являются полимеры с молекулярными отпечатками (ИМО). Эго новое поколение сорбентов, которые способны селективно связывать те органические молекулы, в присутствии которых был осуществлен их синтез, и удерживать их в полимере за счет взаимодействий различной природы. ПМО можно хранить в течение нескольких лет без потерн памяти сайтов молекулярного распознавания, гак как они отличаются высокой устойчивостью к химическим и физическим воздействиям. Эти материалы просты в получении и имеют относительно низкую стоимост ь [6].
Последние достижения в разработке датчиков глюкозы касаются увеличения синтеза наноматериалов, например, наночастиц (ИЧ) NiO . органических комплексов никеля (II). углеродных нанотрубок (НТ). Эти соединения могут быть использованы в качестве электрокатализаторов окисления органических веществ на электроде. Н совокупности с углеродными НТ они могут генерировать аналитический сигнал в присутствии глюкозы.
Цель магистерской диссертации - разработка бесферментного электрохимического сенсора для определения глюкозы с использованием органических комплексов никеля (II). в качестве чувствительных элементов, и самоорганизующихся слоев полимера с молекулярными отпечатками на основе полит гиленимина. в качестве селективного элемента.
Актуальность работы заключается в практическом применении таких электродов для контроля уровня глюкозы в крови при сахарном диабете.
Для достижения цели были поставлены следующие задачи:
1) получить аналитический сигнала, в ходе электрокаталитического окисления глюкозы с помощью комплекса ацетилацетоната никеля (II):
2) разработать альтернативный способ получения аналитического сигнала без электрокатализатора, обладающий высокой чувствительностью:
3) выбрать способ модификации поверхности стеклоуглеродного электрода, для создания ПМО. обладающих селективностью;
4) объединить чувствительную и селективную часть в единый композит:
5) рассчитать чувствительность разработанных композитов:
6) измерить аналитические характеристики сенсора в модельных растворах, имитирующих кровь.
Наиболее распространён электрохимический метод детекции глюкозы, который возможен с помощью ферментативных и неферментативных реакций [2]. При определении глюкозы в ходе ферментативной реакции используются электроды, содержащие иммобилизованные ферменты (в частности, глюкозооксидазу). Содержание глюкозы в крови определяется в ходе измерения количества конечного продукта реакции, либо, по начальной скорости процесса, положенного в основу методики определения [3]. Ферменты способны катализировать превращения веществ с большой скорост ью и высоко избирательно, даже если анализируемое соединение находится в смеси с другими близкими по химическому строению веществами. К недостаткам относят: потерю функциональной активности и стабильности ферментов иод воздействием различных факторов: высокую стоимость, из-за невозможности многократного использования растворимых ферментов, трудности их выделения и очистки: десорбцию биокатализатора с поверхности носителя [4].
Иесферментный электрохимический метод чаще всего представляет собой электрокаталитическое окисление глюкозы до глюконовой кислоты на .модифицированных электродах. Из-за отсутствия ферментов нет необходимости повышать устойчивость к деградации модифицирующего слоя. Пределы обнаружения обычно находятся в пределах концентрации глюкозы в крови. Чувствительность варьируется в зависимости от отношения структуры поверхности электрода и используемого электрокатализатора. К минусам можно отнести неспецифичность метода к субстрату и загрязнение поверхности электрода продуктами окисления глюкозы [5].
Перспективным способом обеспечения специфичности бесферментного сенсора являются полимеры с молекулярными отпечатками (ИМО). Эго новое поколение сорбентов, которые способны селективно связывать те органические молекулы, в присутствии которых был осуществлен их синтез, и удерживать их в полимере за счет взаимодействий различной природы. ПМО можно хранить в течение нескольких лет без потерн памяти сайтов молекулярного распознавания, гак как они отличаются высокой устойчивостью к химическим и физическим воздействиям. Эти материалы просты в получении и имеют относительно низкую стоимост ь [6].
Последние достижения в разработке датчиков глюкозы касаются увеличения синтеза наноматериалов, например, наночастиц (ИЧ) NiO . органических комплексов никеля (II). углеродных нанотрубок (НТ). Эти соединения могут быть использованы в качестве электрокатализаторов окисления органических веществ на электроде. Н совокупности с углеродными НТ они могут генерировать аналитический сигнал в присутствии глюкозы.
Цель магистерской диссертации - разработка бесферментного электрохимического сенсора для определения глюкозы с использованием органических комплексов никеля (II). в качестве чувствительных элементов, и самоорганизующихся слоев полимера с молекулярными отпечатками на основе полит гиленимина. в качестве селективного элемента.
Актуальность работы заключается в практическом применении таких электродов для контроля уровня глюкозы в крови при сахарном диабете.
Для достижения цели были поставлены следующие задачи:
1) получить аналитический сигнала, в ходе электрокаталитического окисления глюкозы с помощью комплекса ацетилацетоната никеля (II):
2) разработать альтернативный способ получения аналитического сигнала без электрокатализатора, обладающий высокой чувствительностью:
3) выбрать способ модификации поверхности стеклоуглеродного электрода, для создания ПМО. обладающих селективностью;
4) объединить чувствительную и селективную часть в единый композит:
5) рассчитать чувствительность разработанных композитов:
6) измерить аналитические характеристики сенсора в модельных растворах, имитирующих кровь.
1) В данной работе были продемонстрированы два электрокатализатора на основе никеля: НЧ NiO и Ni(acac)2. По полученным данным, для генерирования аналитического сигнала от глюкозы, была выбрана модификация на основе комплекса Ni(acac)2 с нафионом. Чувствительность данного композита составляет 20,1 мкА»ммоль/л.
2) Был разработан альтернативный способ получения аналитического сигнала без электрокатализатора, на основе углеродных НТ, ПЭИ и с ковалентной сшивкой. Чувствительность данного композита составляет -1,4 мкА«ммоль/л.
3) Были проведены пять способов образования ПМО для селективности сенсора. В их основе лежал метод поверхностного импринтинга (отпечатки глюкозы находятся только на поверхности модифицированного электрода) и метод полимеризации в массе (сначала изготовляется композит, потом его наносят на поверхность электрода). Был выбран метод поверхностного импринтинга с ковалентной сшивкой с помощью ГА. Также была проверена экспериментально способность ПЭИ к самоорганизации слоев на поверхности электрода. Максимальная сорбция полимера происходит в первые пять минут или при первой добавки 500 мкл полимера.
4) Чувствительную и селективную часть объединяли в следующей последовательности нанесения модификаторов: углеродные НТ в нафионе, комплекс Ni(acac)2 в ацетонитриле, нафион, ПЭИ с глюкозой. Далее осуществлялась ковалентная сшивка ГА и вымывание глюкозы из полученного полимера. Чувствительность данного сенсора составляет 10,6 мкА*ммоль/л.
5) С помощью полученного сенсора были проведены измерения глюкозы в модельных растворах, имитирующих сыворотку крови. Чувствительность, при добавлении в электролитическую ячейку модельного раствора с глюкозой составила 3,5 мкА’ммоль/л, а для чистого раствора глюкозы - 10,6 мкА«ммоль/л. Следовательно мешающее влияние посторонних соединений отсутствует. Полученные ПМО обладают селективностью.
2) Был разработан альтернативный способ получения аналитического сигнала без электрокатализатора, на основе углеродных НТ, ПЭИ и с ковалентной сшивкой. Чувствительность данного композита составляет -1,4 мкА«ммоль/л.
3) Были проведены пять способов образования ПМО для селективности сенсора. В их основе лежал метод поверхностного импринтинга (отпечатки глюкозы находятся только на поверхности модифицированного электрода) и метод полимеризации в массе (сначала изготовляется композит, потом его наносят на поверхность электрода). Был выбран метод поверхностного импринтинга с ковалентной сшивкой с помощью ГА. Также была проверена экспериментально способность ПЭИ к самоорганизации слоев на поверхности электрода. Максимальная сорбция полимера происходит в первые пять минут или при первой добавки 500 мкл полимера.
4) Чувствительную и селективную часть объединяли в следующей последовательности нанесения модификаторов: углеродные НТ в нафионе, комплекс Ni(acac)2 в ацетонитриле, нафион, ПЭИ с глюкозой. Далее осуществлялась ковалентная сшивка ГА и вымывание глюкозы из полученного полимера. Чувствительность данного сенсора составляет 10,6 мкА*ммоль/л.
5) С помощью полученного сенсора были проведены измерения глюкозы в модельных растворах, имитирующих сыворотку крови. Чувствительность, при добавлении в электролитическую ячейку модельного раствора с глюкозой составила 3,5 мкА’ммоль/л, а для чистого раствора глюкозы - 10,6 мкА«ммоль/л. Следовательно мешающее влияние посторонних соединений отсутствует. Полученные ПМО обладают селективностью.
Подобные работы
- Электрохимические катализаторы окисления глюкозы на основе
органических комплексов рутения (III) и никеля (II)
Магистерская диссертация, педагогика. Язык работы: Русский. Цена: 5500 р. Год сдачи: 2021