НАНОМАТЕРИАЛЫ НА ОСНОВЕ ПАЛЛАДИЯ КАК ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ КАТАЛИЗАТОРЫ ОКИСЛЕНИЯ ГЛЮКОЗЫ В НЕЙТРАЛЬНОЙ СРЕДЕ

1. Литературный обзор 17
1.1. Общая характеристика сенсоров и их классификации 17
1.2. Биосенсоры 19
1.3. Объект исследования и методы его определения 21
1.4. Бесферментные электрохимические сенсоры и электрокатализ 28
1.5. Катализаторы электрохимического окисления органических
соединений 30
1.5.1. Углеродные наноматериалы 31
1.5.2. Наночастицы палладия и серебра 33
1.6. Полимеры с молекулярными отпечатками 35
2. Используемые реактивы, материалы и экспериментальные методики ... 39
2.1. Оборудование и средства измерений 39
2.1.1.Оборудование для проведения электрохимических исследований39
2.1.2. Вспомогательное оборудование 39
2.2. Реактивы и приготовление растворов 39
2.3. Методика эксперимента 41
3. Электрохимическое определение глюкозы с использованием наночастиц
палладия и серебра в качестве катализаторов в щелочной среде 45
3.1 Исследование электрохимического поведения наночастиц палладия и
серебра в щелочной среде 46
3.2 Влияние углеродных нанотрубок и способа модификации на
электрохимические свойства катализатора 48
4. Электрохимическое определение глюкозы с использованием наночастиц
серебра и палладия в нейтральной среде 54
4.1 Электрохимическое поведение наночастиц палладия в фосфатном буферном растворе и карбонатном буферном растворе (рН 7,4) 55
4.2. Исследование влияния лигандов палладия на электрохимическое
окисление глюкозы 58
4.3. Выбор способа модификации наночастицами серебра и палладия .. 60
5. Аналитические характеристики электрокатализаторов на основе
наноматериалов палладия 64
6. Полимеры с молекулярными отпечатками глюкозы 66
7. Экономическое обоснование 71
Заключение 73
Список литературы 74
Купить

Реферат
Выпускная квалификационная работа магистра:
Наноматериалы на основе палладия как электрохимические катализаторы окисления глюкозы в нейтральной среде
Стр. 84, рис. 18, табл.7, источников 99.
Ключевые слова: БЕСФЕРМЕНТНОЕ, ЭЛЕКТРОКАТАЛИЗАТОР, ВОЛЬТАМПЕРОМЕТРИЯ, МОДИФИКАЦИЯ, НАНОЧАСТИЦЫ,
НАНОТРУБКИ, СЕРЕБРО, ПАЛЛАДИЙ, НЕЙТРАЛЬНАЯ СРЕДА, ГЛЮКОЗА.
Настоящая работа состоит из 7 глав и посвящена бесферментному электрокаталитическому определению глюкозы в щелочной и нейтральной среде с использованием различных модификаторов на основе наноматериалов, а именно карбоксилированных многостенных нанотрубок, наночастиц серебра и наночастиц палладия. В работе приведены аналитические характеристики использованных модификаторов и обоснования выбора наилучшего модификатора.
Для обеспечения селективности анализа были получены полимеры с молекулярными отпечатками глюкозы.
Важной задачей современной медицины является постоянное развитие методов определения параметров биологических жидкостей и тканей организма человека. Эффективность первой медицинской помощи, профилактика и лечение различных заболеваний в значительной степени зависит от правильности и своевременности постановки диагноза.
Сахарный диабет - это болезнь, характеризующаяся хроническим повышением уровня глюкозы в крови, развивающаяся в результате недостаточной выработки инсулина или уменьшения чувствительности клеток организма к инсулину.
Согласно постановлению Правительства РФ от 1 декабря 2004 года № 715 «Об утверждении перечня социально значимых заболеваний и перечня заболеваний, представляющих опасность для окружающих», сахарный диабет относится к социально-значимым заболеваниям. Социальная значимость сахарного диабета в том, что он не является до конца излечимым заболеванием.
Опасность диабета кроется в его последствиях — несвоевременная диагностика и лечение может привести к появлению поздних осложнений диабета — поражению органов человека и, в итоге, инвалидности.
Несмотря на то, что сахарный диабет в настоящее время является неизлечимым заболеванием, уровень глюкозы в крови больных диабетом следует контролировать в режиме реального времени, чтобы избежать дальнейшего обострения заболевания. Следовательно, точное определение уровня глюкозы имеет большое научное и технологическое значение в клинической диагностике для контроля диабета.
В настоящее время для контроля уровня глюкозы используют коммерческие ферментные электрохимические сенсоры на основе глюкозоксидазы. Сенсор как устройство электрохимического детектирования может осуществлять инвазивный биохимический анализ in vivo. Кроме того, электрохимические сенсоры позволяют пользователю проводить экспрессный анализ в домашних условиях. Однако, данные сенсоры имеют ряд недостатков, связанных с высокой стоимостью, низкой стабильностью и трудностями при закреплении ферментов на поверхности электрода. В связи с этим в настоящее время внимание разработчиков все чаще обращается к созданию искусственных аналогов природных рецепторных структур, в том числе, ферментов.
Неферментативные сенсоры для определения глюкозы появились в качестве альтернативных устройств для преодоления недостатков традиционных биосенсоров. В качестве чувствительных элементов бесферментных сенсоров используются синтетические рецепторы - аналоги ферментов. Бесферментные сенсоры представляют собой недорогие устройства с высокой чувствительностью и хорошей стабильностью.
Перспективными для определения биологически важных параметров являются электрохимические методы с использованием
электрокатализаторов.
Применение электрокатализаторов в качестве чувствительных элементов сенсоров, благодаря высокой чувствительности и скорости анализа, компактности и доступности соответствующего оборудования и, как следствие, возможности работать в полевых условиях активно используются во всем мире в области аналитической химии и медицины. Синтетические рецепторы более стабильны, чем биологические, и имеют относительно небольшую молекулярную массу.
Из литературных данных известно, что наиболее перспективными электрокатализаторами в настоящее время являются материалы на основе наночастиц. Установлено, что бесферментные электрокаталитические системы на основе наночастиц палладия обладают рядом преимуществ по сравнению с другими наноматериалами, а присутствие другого металла в структуре наночастиц, как правило, приводит к усилению их каталитических свойств за счет синергетического эффекта. Поэтому большое внимание уделяется структурам 1А1—Ад.
Несмотря на большой интерес ученых к электрокатализаторам, большая часть известных на сегодня бесферментных катализаторов на основе наночастиц металлов, в частности палладия, неприменимы для прямого анализа проб крови. Высокую электрокаталитическую активность они проявляют только в сильнощелочной среде, что добавляет дополнительные этапы и усложняет процедуру анализа, т. к. среда крови - нейтральная.
Цель работы: разработка электрохимического бесферментного сенсора на основе карбоксилированных многостенных нанотрубок, наночастиц палладия и серебра, полученных электрохимическим осаждением, на примере модельного аналита - глюкозы.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
— изучить влияние карбоксилированных многостенных нанотрубок на скорость переноса заряда через поверхность электрода;
— провести модификацию рабочего электрода различными способами и выбрать наилучший способ модифицирования рабочего электрода;
— исследовать влияния различных лигандов, образующих комплексы с палладием на электрокаталитическое поведение в отношении глюкозы;
— исследовать электрохимическое поведение выбранных систем модифицирования в щелочной и нейтральной среде;
— определить аналитические характеристики применения выбранных катализаторов для электрохимического определения глюкозы;
— провести модификацию электродов полимерами с молекулярными отпечатками глюкозы для обеспечения селективности анализа.
Научная новизна
1. Впервые выполнена модификация рабочего электрода путем электрохимического послойного осаждения наночастиц серебра и палладия.
2. Впервые применена в электрохимическом определении глюкозы каталитическая система, состоящая из карбоксилированных многостенных углеродных нанотрубок и покрытия из палладия и серебра, полученного путем последовательного электрохимического послойного осаждения в нейтральной среде, соответствующей физиологической (рН=7.4).
3. Впервые методом послойной самосборки полиэтиленимина и полиакриловой кислоты получен слой с молекулярными отпечатками глюкозы на поверхности модифицированного электрода.
4. Впервые рассчитаны аналитические характеристики
модификаторов на основе наночастиц палладия и серебра, полученных путем последовательного электрохимического послойного осаждения, а также карбоксилированных многослойных углеродных нанотрубок в определении глюкозы: чувствительность, минимальная определяемая концентрация
глюкозы. Получены линейные зависимости тока окисления от концентрации глюкозы.
Практическая значимость работы
1. Разработан бесферментный электрохимический сенсор для определения глюкозы на основе кМУНТ, электроосажденных наночастиц серебра и палладия.
2. Разработаны ПМО глюкозы, обеспечивающие селективность определения.
Апробация работы
Результаты данной работы были представлены на XXIX Российской молодёжной научной конференции с международным участием «Проблемы теоретической и экспериментальной химии», посвящённой 150-летию Периодической таблицы химических элементов (Екатеринбург, Россия, 2019 г.); на VI Международной молодежной научной конференции Физика. Технологии. Инновации ФТИ-2019 (Екатеринбург, Россия, 2019 г.); на XXX Российской молодежной научной конференции с международным участием "Проблемы теоретической и экспериментальной химии" (Екатеринбург, Россия, 2020 г).
По теме диссертации опубликована статья в российском журнале Известия Академии наук. Серия химическая: А. В. Охохонин.
Электрокаталитическое окисление глюкозы в нейтральной среде на электроде, модифицированном карбоксилированными многостенными углеродными нанотрубками, серебром и палладием / А. В. Охохонин. К. О. Токмакова, Т. С. Свалова, А. И. Матерн, А. Н. Козицина // Известия Академии наук. Серия химическая. - 2021. - № 6. - с.1191-1198.

Купить