RU2703316C1

RU2703316C1 - Способ изготовления высокостабильного покрытия сенсора на пероксид водорода

Info

Publication number: RU2703316C1
Application number: RU2018142226A
Authority: RU
Inventors: Елена Викторовна Карпова; Андрей Александрович Галушин; Елена Евгеньевна Карякина; Аркадий Аркадьевич Карякин
Priority date: 2018-11-29
Filing date: 2018-11-29
Publication date: 2019-10-16

Abstract

Изобретение относится к области электроанализа и электрохимических сенсоров и может быть использовано в аналитической химии, при конструировании биосенсоров, в клинической и неинвазивной диагностике, для контроля состояния окружающей среды, в различных областях промышленности. Способ включает последовательное однократное осаждение гексацианоферратов железа и никеля на поверхность электрода. Поставленная задача решается за счет проведения комплексной оптимизации параметров синтеза: количества осаждаемых гексацианоферратов варьировались в широких пределах до установления оптимального соотношения. Способ позволяет получать воспроизводимые сенсорные покрытия с высокой чувствительностью, селективностью и стабильностью. 3 н. и 5 з.п. ф-лы, 4 ил., 2 табл.

Description

Область техники

Изобретение относится к аналитической химии, электроанализу, электрохимическим сенсорам, тест-системам, и может быть применено для детекции пероксида водорода при осуществлении методов лабораторного анализа (в частности, анализ грунтовых вод и атмосферных осадков) или медицинской диагностики (пероксид водорода является маркером оксидативного стресса, апоптоза клеток и патогенезов). Кроме того, мониторинг его концентрации позволяет неинвазивно диагностировать наличие и тяжесть ряда пульмонологических заболеваний и контролировать эффективность проводимого лечения. Изобретение может быть использовано также при создании биосенсоров на основе ферментов-оксидаз.

Уровень техники

Определение пероксида водорода является важной аналитической задачей для биологии, медицины, клинической диагностики, а также для мониторинга состояния окружающей среды. Кроме того, определение концентрации Н₂О₂ востребовано в различных областях промышленности: его содержание необходимо определять в пищевой промышленности, а также в грунтовых водах и атмосферных осадках, куда он попадает в результате выбросов промышленности и атомных станций. Например, пероксид водорода выделяется в качестве побочного продукта в охлаждающем контуре вблизи активной зоны ядерного реактора в результате радиолиза воды, вызывая процесс коррозии стенки реактора.

Помимо того, что пероксид водорода сам по себе является важным аналитом, его определение позволяет наиболее эффективно сопрягать биохимическую и физико-химическую реакции в рамках создания биосенсоров первого поколения на основе ферментов оксидаз (наиболее часто используемых в ферментных биосенсорах).

На сегодняшний день наиболее совершенным чувствительным элементом для определения пероксида водорода является берлинская лазурь (БЛ), гексацианоферрат (II) железа (III) [Karyakin А.А. // Electroanalysis, 2001, vol. 13(10), pp. 813-819]. В нейтральных средах БЛ на три порядка превосходит платину, наиболее часто используемый трансдьюсер, как по активности в реакциях окисления и восстановления Н₂О₂, так и по селективности к восстановлению пероксида водорода в присутствии кислорода. В связи с этим БЛ уже более двух десятилетий находит широкое применение при конструировании сенсоров на пероксид водорода и биосенсоров, содержащих иммобилизованные оксидазы в качестве биочувствительного элемента. Различные методики синтеза БЛ запатентованы во многих странах [K. Itaya, K. Shibayama; Sh. Toshima, Т. Ataka; K. Iwasa, Film of iron (III) hexacyanoferrate (II) and process of synthesizing same // US 5876581 A; Дж. Паллеши, Ф. Риччи, Д. Москоне, А. Поша Способ изготовления модифицированных электродов, электроды, полученные указанным способом, и энзимные биосенсоры, включающие указанные электроды //RU 2442130 C2].

В нейтральной среде при взаимодействии пленки берлинской лазури и определяемого пероксида водорода происходит разложение последнего до гидроксид-иона ОН^-. При малых концентрациях пероксида водорода его влияние на свойства сенсора незначительно. Однако при проведении длительных непрерывных измерений может образовываться значительное количество гидроксид-ионов, которое приводит к постепенному растворению покрытия берлинской лазури с поверхности электрода. Для проведения непрерывного мониторинга содержания пероксида водорода необходимы сенсоры, которые наряду с высокой чувствительностью и селективностью обладали бы хорошей воспроизводимостью токового сигнала, то есть высокой стабильностью.

Для стабилизации берлинской лазури в настоящее время применяются различные методы: покрытие органическими полимерами [L.V. Lukachova, Е.A. Kotel'nikova, D. D'Ottavi, Е.A. Shkerin, Е.Е. Karyakinia, D. Moscone, G. Palleschi, A. Curulli and A.A. Karyakin, IEEE Sens. J., 2003, 3, 326-332], включение в матрицу проводящих полимеров [А.V. Borisova, Е.Е. Karyakina, S. Cosnier, A.A. Karyakin // Electroanalysis. - 2009. - Vol. 21, по. 3-5. - P. 409-414] и т.п.

Наиболее близким к заявляемому решению является способ получения чувствительного покрытия электрохимического сенсора на основе Берлинской лазури, описанный в работе [Sitnikova N.A., Borisova А.V., Komkova М.А., Karyakin А.А. //Analytical Chemistry, 2011, vol. 83(6), pp. 2359-2363]. Способ включает послойное осаждение каталитических слоев берлинской лазури и стабилизирующих слоев гексацианоферрата никеля, не обладающего собственной каталитической активностью. Причем осаждение таких слоев проводят последовательно от 4 до 10 раз.

Данное решение характеризуется достаточно высокой стабильностью, но низким значением чувствительности определения концентрации пероксида водорода по сравнению с покрытием берлинской лазури (чувствительность снижается от 2 до 2,5 раз). Этот факт можно объяснить тем, что на электроде за счет нанесения от 4 до 10 слоев гексацианоферратов переходных металлов при создании сенсора образуется покрытие большой толщины, вследствие чего диффузия аналита к поверхности электрода затрудняется, «работают» не все каталитические слои. Кроме того, синтез занимает длительный период времени (до 3-х часов), а его результаты плохо воспроизводятся.

Раскрытие изобретения

Техническая проблема, решаемая посредством заявляемого изобретения, заключается в необходимости преодоления недостатков, присущих прототипу, в частности, снижения чувствительности определения концентрации пероксида водорода, а также высокой трудоемкости и большой длительности изготовления покрытия. Проблема решается за счет применения нового способа изготовления сенсорного покрытия, который заключается в последовательном нанесении определенного количества одного каталитического слоя берлинской лазури и одного стабилизирующего слоя гексацианоферрата никеля на поверхность электрода.

Технический результат, достигаемый при использовании изобретения, заключается в увеличении чувствительности определения пероксида водорода с помощью сенсора на основе двухслойного покрытия при сохранении высокой стабильности в сравнении с прототипом. Достичь такого эффекта согласно техническому решению удалось за счет проведения комплексной оптимизации параметров синтеза: в отличие от предыдущих работ, в которых количество гексацианоферрата никеля фиксировали, при разработке данного технического решения одновременно варьировались как количество катализатора, так и количество стабилизатора, осаждаемых на поверхность электрода.

Кроме того, синтез получаемого покрытия занимает более короткий период времени (не более 1,5 часов), по сравнению с прототипом, а его результаты воспроизводятся значительно лучше (стандартное отклонение s_r для количеств осажденных гексацианоферратов железа и никеля не превышают 10%).

Сенсорное покрытие на поверхность электрода наносили как электрохимически (в потенциодинамическом и гальваностатическом режимах), так и методом межфазного синтеза. Количества осажденных гексацианоферратов оценивали, исходя их данных циклической вольтамперометрии.

Технический результат достигается посредством способа изготовления сенсорного покрытия электрода, предназначенного для определения пероксида водорода, включающего последовательное осаждение берлинской лазури и гексацианоферрата никеля на поверхность электрода с последующей термической обработкой полученного покрытия, при этом осаждение берлинской лазури и гексацианоферрата никеля проводят в потенциодинамическом режиме до достижения количества веществ от 1.8 до 2.2 нмоль⋅см^-2, и от 2.4 до 3.0 нмоль⋅см^-2, соответственно.

Для осаждения берлинской лазури рабочий электрод погружают в ростовой раствор, содержащий 0.5-5 мМ гексацианоферрат калия, 0.5-5 мМ хлорид железа (III) и 0.1 М хлорид калия в 0.1 М соляной кислоте, а для осаждения гексацианоферрата никеля рабочий электрод погружают в ростовой раствор, содержащий 0.1-1 мМ гексацианоферрата калия, 0.5-2 мМ хлорида никеля и 0.5 М хлорид калия в 0.1 М соляной кислоте. Непосредственно перед осаждением берлинской лазури и сразу после его окончания электрод промывают дистиллированной водой и переносят в раствор для синтеза гексацианоферрата никеля.

Технический результат достигается также посредством способа изготовления сенсорного покрытия электрода, предназначенного для определения пероксида водорода, включающего последовательное осаждение берлинской лазури и гексацианоферрата никеля на поверхность электрода, при этом осаждение берлинской лазури проводят в гальваностатическом режиме до достижения количества вещества от 1.2 до 1.4 нмоль⋅см^-2, при этом контролируют, чтобы значение потенциала не опускалось ниже 0.4 В относительно хлорид-серебряного электрода сравнения, а осаждение гексацианоферрата никеля проводят в потенциодинамическом режиме до достижения количества вещества от 2.4 до 3.0 нмоль⋅см^-2.

Для осаждения берлинской лазури рабочий электрод погружают в ростовой раствор, содержащий 0.5-5 мМ гексацианоферрат калия, 0.5-5 мМ хлорид железа (III) и 0.1 М хлорид калия в 0.1 М соляной кислоте, а для осаждения гексацианоферрата никеля рабочий электрод погружают в ростовой раствор, содержащий 0.1-1 мМ гексацианоферрата калия, 0.5-2 мМ хлорида никеля и 0.5 М хлорид кадия в 0.1 М соляной кислоте. Непосредственно перед осаждением берлинской лазури и сразу после его окончания электрод промывают дистиллированной водой и переносят в раствор для синтеза гексацианоферрата никеля.

Технический результат достигается также посредством способа изготовления сенсорного покрытия электрода, предназначенного для определения пероксида водорода, включающего последовательное осаждение берлинской лазури и гексацианоферрата никеля на поверхность электрода, при этом берлинскую лазурь и гексацианоферрат никеля осаждают методом межфазного синтеза до достижения количества вещества от 1.8 до 2.2 и от 2.2 до 2.6, соответственно.

Осаждение берлинской лазури проводят посредством нанесения на рабочий электрод капли раствора объемом не менее 3 мкл⋅мм^-2, содержащей 0.5-5 мМ гексацианоферрат калия, 0.5-5 мМ хлорид железа (III) и 0.1 М хлорид калия в 0.1 М соляной кислоте, после чего в указанный раствор добавляют раствор 0.05-0.2 М пероксида водорода, полученный ростовой раствор выдерживают в течение 25-35 минут; затем электрод промывают дистиллированной водой и наносят каплю раствора объемом не менее 5 мкл⋅мм^-2, содержащего 0.1-1 мМ гексацианоферрата калия, 0.5-2 мМ хлорида никеля и 0.5 М хлорид калия в 0.1 М соляной кислоте, полученный ростовой раствор выдерживают в течение 30-40 минут, после синтеза электрод промывают дистиллированной водой и высушивают на воздухе.

Краткое описание чертежей

Изобретение поясняется следующими фигурами.

На фиг. 1 схематически представлено ключевое отличие заявляемого способа от прототипа. Вместо нанесения от 4 до 10 слоев гексацианоферратов переходных металлов предлагается однократное осаждение БЛ и гексацианоферрата никеля на поверхность электрода с формированием двухслойного покрытия.

На фиг. 2 представлена 3D-зависимость параметра оптимизации от количеств гексацианоферратов железа и никеля, осажденных на поверхность электрода в потенциодинамическом режиме. Аналогичные зависимости были получены для всех методов синтеза.

На фиг. 3 представлен процесс синтеза БЛ в гальваностатическом режиме (а) и гексацианоферрата никеля поверх БЛ (б).

На фиг. 4 приведены зависимости плотности тока от времени для электродов, модифицированных четырехслойной структурой БЛ/гексацианоферрат никеля (прототип) и БЛ, стабилизированной гексацианоферратом никеля (однократное осаждение гексацианоферратов железа и никеля - признак заявляемого способа) в растворе 1 мМ Н₂О₂ (рН 6.0). Сравнение аналитических характеристик сенсоров приведено в Таблице 1. Чувствительность определения пероксида водорода рассчитывалась как тангенс угла наклона градуировочного графика, а под стабильностью подразумевается время сохранения 95% от величины первоначального отклика на добавление 1 мМ пероксида водорода.

Осуществление изобретения

Для изготовления высокостабильного сенсорного покрытия проводили однократное последовательное осаждение гексацианоферратов железа и никеля. Схема получаемого сенсорного покрытия представлена на фиг. 1. Пример процесса выбора оптимальных количеств гексацианоферратов, осаждаемых на электрод в потенциодинамическом режиме, представлен на фиг. 2. Стоит отметить, что аналогичные зависимости с ярко выраженным максимумом были получены для всех представленных методов синтеза.

Ростовой раствор для синтеза берлинской лазури содержал 0.5-5 мМ хлорида железа (III) и 0.5-5 мМ гексацианоферрата калия в фоновом электролите состава 0.1 М KCl, 0.1 М HCl, а ростовой раствор для синтеза гексацианоферрата никеля - 0.1-1 мМ гексацианоферрата калия и 0.5-2 мМ хлорида никеля в фоновом электролите состава 0.5 М KCl, 0.1 М HCl. При межфазном способе осаждения гексацианоферратов железа и никеля в качестве восстановителя использовали 50-200 мМ раствор пероксида водорода.

Электроосаждение берлинской лазури проводили:

1) в потенциодинамическом режиме, при развертке потенциала от +0.4 до +0.75 В относительно Ag/AgCl электрода сравнения, скорость развертки потенциала составляла 20-40 мВ/с, в течение 4-10 циклов, причем один цикл занимает 17.5 с.

2) в гальваностатическом режиме, при плотности тока электросинтеза 10-80 мкА⋅см^-2, время синтеза варьировалось, при этом проводился строгий контроль потенциала Е>0.4 В относительно Ag/AgCl электрода сравнения (фиг. 3а).

После осаждения берлинской лазури электрод ополаскивали дистиллированной водой и переносили в емкость с другим ростовым раствором. Электрохимическое осаждение гексацианоферрата никеля проводили в потенциодинамическом режиме, при развертке потенциала от 0 до +0.75 В относительно Ag/AgCl электрода сравнения, скорость развертки потенциала составляла 50-100 мВ/с, в течение 15-20 циклов (фиг. 3б), длительность одного цикла составляет 15 с. Причем регулярность полученных пленок обоих гексацианоферратов не нарушается - положение всех пиков на циклической вольтамперограмме и разница между ними по оси потенциалов остаются неизменными. Тот факт, что электрохимические свойства БЛ не нарушаются после осаждения поверх нее гексацианоферрата никеля, дает основания рассчитывать на высокую каталитическую активность сенсорного покрытия.

Затем электроды подвергали термической обработке при 100°С в течение 1 часа и охлаждали до комнатной температуры. После чего электроды циклировали в диапазоне потенциалов от 0 до +1 В относительно Ag/AgCl электрода сравнения в фоновом электролите состава 0.1 М KCl, 0.1 М HCl при скорости развертки потенциала 20-40 мВ/сек в течение 5-10 циклов.

При межфазном методе синтеза ростовой раствор для синтеза берлинской лазури наносили на рабочий электрод, через 15-20 минут в каплю на электроде добавляли пероксид водорода и выдерживали полученную каплю на электроде в течение 25-35 минут. По окончании осаждения поверхность электродов промывали дистиллированной водой и высушивали. Затем проводили осаждение гексацианоферрата никеля: на поверхность электродов наносили соответствующий ростовой раствор и выдерживали каплю на электроде в течение 30-40 минут, а затем промывали поверхность электрода дистиллированной водой. Последующие стадии изготовления сенсорного покрытия проводили аналогично описанным выше стадиям для электрохимического метода осаждения гексациноферратов железа и никеля.

Как уже отмечалось ранее, достичь необходимого эффекта удалось за счет проведения одновременной оптимизации процесса изготовления покрытия по двум параметрам - количествам гексацианоферратов железа и никеля. Поскольку конечной целью было получить покрытие, обладающее как высокой чувствительностью, так и высокой операционной стабильностью, в качестве параметра оптимизации было принято произведение чувствительности определения концентрации пероксида водорода и времени сохранения сенсоров 95% от величины первоначального отклика.

На примере зависимости, полученной при синтезе гексацианоферратов железа и никеля в потенциодинамическом режиме, видно, что, варьируя количества гексацианоферратов, осаждаемых на поверхность электрода, удалось выявить такое соотношение (2.0±0.2 нмоль⋅см^-2 берлинской лазури и 2.7±0.3 нмоль⋅см^-2 гексацианоферрата никеля), при котором достигается максимум параметра оптимизации, а значит таким образом можно получить высокочувствительное и высокостабильное сенсорное покрытие, состоящее из одного каталитического слоя и одного стабилизирующего слоя.

Пример 1. Послойное осаждение гексацианоферратов железа и никеля.

При использовании любого из трех способов изготовления сенсорного покрытия осаждение гексацианоферратов железа и никеля проводили послойно. На фигуре 3а представлен процесс гальваностатического синтеза Берлинской лазури, который занимает ≈50 секунд. На фигуре 36 представлена вольтамперограмма, позволяющая сделать вывод о росте гексацианоферрата никеля поверх Берлинской лазури. Данный процесс занимает ≈4 минуты. Таким образом, общее время получения композитного сенсорного покрытия не превышает 5 минут.

В таблице приведены примеры получения сенсорных покрытий всеми рассматриваемыми способами при использовании различных параметров осаждения.

Стандартное отклонение для всех приведенных в таблице расчетных величин не превышает 5%, что говорит о высокой воспроизводимости полученных результатов.

Пример 2. Определение чувствительности и стабильности получаемых покрытий.

Чувствительность и стабильность получаемых покрытий гексацианоферратов железа и никеля изучали в растворе 1 мМ пероксида водорода в фосфатном буфере (0.1 М KCl, 0.05 М KH₂PO₄/K₂HPO₄, рН=6.0) при постоянном перемешивании. Исследования проводились в режиме хроноамперометрии; потенциал, подаваемый на рабочий электрод, 0 В отн. Ag/AgCl электрода сравнения. При этом под чувствительностью понимали токовый отклик на 1 мМ пероксида водорода, поделенный на концентрацию пероксида водорода и площадь электрода. Такой расчет допустим, поскольку 1 мМ пероксида водорода входит в линейный диапазон определяемых концентраций сенсора.

На фигуре 4 представлен токовый отклик сенсоров с покрытиями, полученными различными способами, на добавление 1 мМ пероксида водорода: многократное послойное осаждение гексациноферратов железа и никеля (1), межфазный синтез (2), синтез берлинской лазури и гексацианоферрата никеля в потенциодинамическом режиме (3), синтез берлинской лазури в гальваностатическом режиме (4). Видно, что величины стабильности сенсорных покрытий сравнимы, в то время как чувствительность для покрытий, изготавливаемых по заявляемому способу, почти в два раза выше. Более того, значение чувствительности, рассчитанное для изготавливаемых покрытий, близко к таковому для нестабилизированной берлинской лазури (0.6 A⋅M^-1⋅см^-2). Однако сенсор на основе берлинской лазури теряет 50% от величины первоначального сигнала уже через 25 минут.

Claims

1. Способ изготовления сенсорного покрытия электрода, предназначенного для определения пероксида водорода, включающий последовательное осаждение берлинской лазури и гексацианоферрата никеля на поверхность электрода с последующей термической обработкой полученного покрытия, отличающийся тем, что осаждение берлинской лазури и гексацианоферрата никеля проводят в потенциодинамическом режиме до достижения их количества от 1,8 до 2,2 нмоль⋅см^-2 и от 2,4 до 3,0 нмоль⋅см^-2, соответственно.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что для осаждения берлинской лазури рабочий электрод погружают в ростовой раствор, содержащий 0,5-5 мМ гексацианоферрата калия, 0,5-5 мМ хлорида железа (III) и 0,1 М хлорида калия в 0,1 М соляной кислоте, а для осаждения гексацианоферрата никеля рабочий электрод погружают в ростовой раствор, содержащий 0,1-1 мМ гексацианоферрата калия, 0,5-2 мМ хлорида никеля и 0,5 М хлорида калия в 0,1 М соляной кислоте.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что непосредственно перед осаждением берлинской лазури и сразу после его окончания электрод промывают дистиллированной водой и переносят в раствор для синтеза гексацианоферрата никеля.

4. Способ изготовления сенсорного покрытия электрода, предназначенного для определения пероксида водорода, включающий последовательное осаждение берлинской лазури и гексацианоферрата никеля на поверхность электрода, отличающийся тем, что осаждение берлинской лазури проводят в гальваностатическом режиме до достижения ее количества от 1,2 до 1,4 нмоль⋅см^-2, при этом контролируют, чтобы значение потенциала не опускалось ниже 0,4 В относительно хлорид-серебряного электрода сравнения, а осаждение гексацианоферрата никеля проводят в потенциодинамическом режиме до достижения его количества от 2,4 до 3,0 нмоль⋅см^-2.

5. Способ по п. 4, отличающийся тем, что для осаждения берлинской лазури рабочий электрод погружают в ростовой раствор, содержащий 0,5-5 мМ гексацианоферрата калия, 0,5-5 мМ хлорида железа (III) и 0,1 М хлорида калия в 0,1 М соляной кислоте, а для осаждения гексацианоферрата никеля рабочий электрод погружают в ростовой раствор, содержащий 0,1-1 мМ гексацианоферрата калия, 0,5-2 мМ хлорида никеля и 0,5 М хлорида калия в 0,1 М соляной кислоте.

6. Способ по п. 4, отличающийся тем, что непосредственно перед осаждением берлинской лазури и сразу после его окончания электрод промывают дистиллированной водой и переносят в раствор для синтеза гексацианоферрата никеля.

7. Способ изготовления сенсорного покрытия электрода, предназначенного для определения пероксида водорода, включающий последовательное осаждение берлинской лазури и гексацианоферрата никеля на поверхность электрода, отличающийся тем, что берлинскую лазурь и гексацианоферрат никеля осаждают методом межфазного синтеза до достижения их количества от 1,8 до 2,2 и от 2,2 до 2,6, соответственно.

8. Способ по п. 7, отличающийся тем, что осаждение берлинской лазури проводят посредством нанесения на рабочий электрод капли раствора объемом не менее 3 мкл⋅мм^-2, содержащей 0,5-5 мМ гексацианоферрата калия, 0,5-5 мМ хлорида железа (III) и 0,1 М хлорида калия в 0,1 М соляной кислоте, после чего в указанный раствор добавляют раствор 0,05-0,2 М пероксида водорода, полученный ростовой раствор выдерживают в течение 25-35 минут, затем электрод промывают дистиллированной водой и наносят каплю раствора объемом не менее 5 мкл⋅мм^-2, содержащего 0,1-1 мМ гексацианоферрата калия, 0,5-2 мМ хлорида никеля и 0,5 М хлорида калия в 0,1 М соляной кислоте, полученный ростовой раствор выдерживают в течение 30-40 минут, причем после синтеза электрод промывают дистиллированной водой и высушивают на воздухе.