ВВЕДЕНИЕ 4
1 ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ 6
1.1 Биосенсоры 6
1.1.1 Области применения 6
1.1.2 Основной принцип работы 7
1.1.3 Ферментные и бесферментные биосенсоры 8
1.1.4 Бесферментные электрохимические биосенсоры для определения глюкозы 10
1.2 Иридийсодержащие биосенсоры 12
1.2.1 Микросенсоры на основе иридия 13
1.2.2 Иридийсодержащие сенсоры для определения глюкозы 15
2 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ 19
2.1 Метод лазерно-индуцированного осаждения металла из раствора 20
2.1.1 Механизм ЛОМР 20
2.1.2 Влияющие на процесс осаждения факторы 23
2.2 Описание установки и принципов её работы 24
2.3 Методика процесса осаждения микроструктур 26
2.4 Получение иридийсодержащих материалов методом ЛОМР 27
2.4.1 Приготовление исходных растворов 27
2.4.2 Осаждение иридийсодержащих микроэлектродов. Итоги синтеза 28
2.5 Методы исследования полученных микроструктур 31
2.5.1 Сканирующая электронная микроскопия 31
2.5.2 Энергодисперсная рентгеновская спектроскопия 31
2.5.3 Рентгено-фазовый анализ 32
2.5.4 Циклическая вольтамперометрия и амперометрия 33
3 ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ 34
3.1 Результаты лазерно-индуцированного синтеза иридийсодержащих микроструктур 34
3.2 Исследование морфологии и структуры синтезированных иридийсодержащих микроструктур 35
3.3 Исследование сенсорных свойств синтезированных иридийсодержащих микроэлектродов в растворах с различным содержанием D-глюкозы 42
3.4 Сравнительная характеристика 49
ВЫВОДЫ 50
БЛАГОДАРНОСТИ 52
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 53
Получение новых материалов для экспрессного определения биологически важных маркеров заболеваний (например, сахарного диабета) в крови человека представляет огромный интерес для многих областей медицины [1]. Кроме того, в связи с множеством недостатков существующих ферментных сенсорных устройств для определения глюкозы, создание новых дешевых бесферментных сенсоров, предназначенных для прямого определения биологически значимых аналитов и обладающих лучшей чувствительностью, стабильностью и селективностью, также является актуальной проблемой современной науки и промышленности [2]. Особенный интерес представляют сенсорно-активные материалы на основе различных биметаллических микро- и наноструктур, например, нанопористые IrPt-катализаторы проявляют высокую чувствительность и селективность при бесферментном определении глюкозы [3].
В рамках данной работы мы использовали метод лазерно-индуцированного осаждения металлов из раствора (ЛОМР) [4]. В основе этого метода лежит протекающая в локальном объеме раствора в пределах фокуса лазерного луча реакция восстановления металла, приводящая к осаждению его на поверхности диэлектрической подложки (например, стекло и стеклокерамика). В результате такого лазерного синтеза образуются микроосадки, которые можно применять в качестве бесферментных электрохимических сенсоров. Таким образом, нами были получены иридиевые (Ir), иридиево-золотые (Ir-Au), иридиево-платиновые (Ir-Pt), а также иридиево-золото-платиновые (Ir-Au-Pt) микроосадки на поверхности стекла и стеклокерамики под воздействием лазерного излучения на длине волны 532 нм. Морфология поверхности, элементный и фазовый состав полученных образцов были изучены с помощью электронной микроскопии, энергодисперсионного и рентгенофазового анализа, соответственно. Для определения пределов обнаружения, чувствительности, а также изучения селективности полученных микросенсоров по отношению к D-глюкозе нами применялись вольтамперометрические методы. Материалы, синтезированные предложенным методом (ЛОМР), весьма перспективны в дизайне и последующем производстве новых недорогих и эффективных сенсорных устройств для экспрессного лабораторного и домашнего биохимического анализа крови человека.
Цель данной научной работы - синтез бесферментных микросенсоров на основе иридийсодержащих моно- и полиметаллических материалов с помощью метода лазерно-индуцированного осаждения металлов из раствора; изучение сенсорных свойств полученных материалов по отношению глюкозе.
В данной работе разработан синтез проводящих иридиевых (Ir), иридиево- золотых (Ir-Au), иридиево-платиновых (Ir-Pt), и иридиево-золото-платиновых (Ir- Au-Pt) микроструктур. Синтез был осуществлен с помощью метода ЛОМР посредством осаждения и соосаждения вышеупомянутых структур на поверхность стекла и стеклокерамики под воздействием лазерного излучения на длине волны 532 нм из растворов, содержащих соли соответствующих металлов. Морфология поверхности, элементный и фазовый состав полученных микроосадков были изучены с помощью сканирующей электронной микроскопии, энергодисперсионного рентгеноструктурного анализа и рентгенофазового анализа.
В результате, было установлено, что Ir-Au-Pt обладает наиболее развитой поверхностью по сравнению с остальными материалами, полученными в данной работе. Этот микроосадок представляет собой шаровую упаковку с высокоразвитой поверхностью, состоящий из частиц сферической формы диаметром 40-400 нм каждого из этих металлов как индивидуально, так и в виде смеси.
Методами циклической вольтамперометрии (ЦВА) и прямой амперометрии были исследованы электрохимические свойства синтезированных иридийсодержащих микроосадков (микроэлектродов) и изучена их сенсорная активность по отношению к бесферментному определению глюкозы. Результаты показали, что модификация иридия золотом и, в особенности, смесью золота и платины вызывает заметное увеличение площади ЦВА. В результате чего, последовательное лазерно-индуцированное осаждение иридия, золота и платины позволяет получить микроэлектрод с гораздо более высоким аналитическим откликом. Предел обнаружения (LOD) для Ir-Au-Pt по отношению к бесферментному определению D-глюкозы составил 0,12 мкМ при линейном диапазоне концентраций между 0,5 и 1000 мкМ, тогда как максимальная чувствительность составила 9959 мкА/мМ*см2. Также была продемонстрирована хорошая селективность этого композитного микроэлектрода по отношению к D-глюкозе в присутствии ряда мешающих веществ, которые обычно сосуществуют с глюкозой в крови человека. Низкий предел обнаружения, проявляемый Ir-Au-Pt, можно объяснить большой площадью поверхности этого материала; тогда как его высокая чувствительность может быть связана с электрокаталитической синергией между иридием, золотом и платиной.
В заключении можно отметить, что композитный материал на основе иридия, золота и платины, синтезированный нами в рамках данной работы, представляет большой интерес для дизайна и разработки недорогих и эффективных портативных сенсорных устройств для бесферментного определения различных биологически важных аналитов.
