RU2781398C1 - Способ изготовления сенсоров на основе замещенного поли(3,4-этилендиокситиофена) - Google Patents
Способ изготовления сенсоров на основе замещенного поли(3,4-этилендиокситиофена) Download PDFInfo
- Publication number
- RU2781398C1 RU2781398C1 RU2021125129A RU2021125129A RU2781398C1 RU 2781398 C1 RU2781398 C1 RU 2781398C1 RU 2021125129 A RU2021125129 A RU 2021125129A RU 2021125129 A RU2021125129 A RU 2021125129A RU 2781398 C1 RU2781398 C1 RU 2781398C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- ethylenedioxythiophene
- redox
- active substances
- substance
- determining
- Prior art date
Links
- 229920001609 Poly(3,4-ethylenedioxythiophene) Polymers 0.000 title claims abstract description 45
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims abstract description 7
- -1 poly(3,4-ethylenedioxythiophene) Polymers 0.000 title abstract description 30
- 239000000126 substance Substances 0.000 claims abstract description 33
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 claims abstract description 13
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 claims abstract description 13
- BYGOPQKDHGXNCD-UHFFFAOYSA-N tripotassium;iron(3+);hexacyanide Chemical compound [K+].[K+].[K+].[Fe+3].N#[C-].N#[C-].N#[C-].N#[C-].N#[C-].N#[C-] BYGOPQKDHGXNCD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 12
- 239000000178 monomer Substances 0.000 claims abstract description 7
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 claims abstract description 3
- 239000002253 acid Substances 0.000 claims abstract 2
- 238000002484 cyclic voltammetry Methods 0.000 claims description 18
- GKWLILHTTGWKLQ-UHFFFAOYSA-N 2,3-dihydrothieno[3,4-b][1,4]dioxine Chemical class O1CCOC2=CSC=C21 GKWLILHTTGWKLQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 14
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims description 14
- 239000000243 solution Substances 0.000 claims description 14
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 claims description 12
- 230000002194 synthesizing Effects 0.000 claims description 12
- DNMNDNSFJMUUFM-UHFFFAOYSA-N Prussian blue Chemical compound [Fe+3].[Fe+3].[Fe+3].[Fe+3].N#C[Fe-4](C#N)(C#N)(C#N)(C#N)C#N.N#C[Fe-4](C#N)(C#N)(C#N)(C#N)C#N.N#C[Fe-4](C#N)(C#N)(C#N)(C#N)C#N DNMNDNSFJMUUFM-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 7
- 229960003351 Prussian blue Drugs 0.000 claims description 7
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 claims description 7
- LRWVQOFWMRDMHM-UHFFFAOYSA-N 2,3-dihydrothieno[3,4-b][1,4]dioxin-5-ylmethanol Chemical compound O1CCOC2=C(CO)SC=C21 LRWVQOFWMRDMHM-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- SFTLDNMXQWGURR-UHFFFAOYSA-N 5-(chloromethyl)-2,3-dihydrothieno[3,4-b][1,4]dioxine Chemical compound O1CCOC2=C(CCl)SC=C21 SFTLDNMXQWGURR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- KGODEAZWIQVPJA-UHFFFAOYSA-N C1OC2=C(SC=C2OC1)CN=[N+]=[N-] Chemical compound C1OC2=C(SC=C2OC1)CN=[N+]=[N-] KGODEAZWIQVPJA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- VLTRZXGMWDSKGL-UHFFFAOYSA-N Perchloric acid Chemical compound OCl(=O)(=O)=O VLTRZXGMWDSKGL-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N Sulfuric acid Chemical compound OS(O)(=O)=O QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 239000011260 aqueous acid Substances 0.000 claims description 4
- 238000001318 differential pulse voltammogram Methods 0.000 claims description 4
- 238000000141 square-wave voltammogram Methods 0.000 claims description 4
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 3
- 239000012062 aqueous buffer Substances 0.000 claims description 2
- 229920001577 copolymer Polymers 0.000 claims description 2
- 238000004164 analytical calibration Methods 0.000 claims 1
- SBDHGBBAEOPLTF-UHFFFAOYSA-N azanide;ruthenium(8+) Chemical compound [NH2-].[NH2-].[NH2-].[NH2-].[NH2-].[NH2-].[Ru+8] SBDHGBBAEOPLTF-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims 1
- 238000011088 calibration curve Methods 0.000 claims 1
- 238000011084 recovery Methods 0.000 claims 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 13
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 abstract description 9
- 229920001940 conductive polymer Polymers 0.000 abstract description 5
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 abstract description 4
- 238000004365 square wave voltammetry Methods 0.000 abstract description 4
- 125000004122 cyclic group Chemical group 0.000 abstract description 2
- 239000007788 liquid Substances 0.000 abstract description 2
- 239000002831 pharmacologic agent Substances 0.000 description 10
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 9
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 6
- 238000006011 modification reaction Methods 0.000 description 6
- 229920001467 poly(styrenesulfonates) Polymers 0.000 description 6
- 239000004094 surface-active agent Substances 0.000 description 6
- VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-M chloride anion Chemical compound [Cl-] VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 5
- 239000003960 organic solvent Substances 0.000 description 5
- 239000011970 polystyrene sulfonate Substances 0.000 description 5
- 229960002796 polystyrene sulfonate Drugs 0.000 description 5
- 239000005092 Ruthenium Substances 0.000 description 4
- WEVYAHXRMPXWCK-UHFFFAOYSA-N acetonitrile Chemical compound CC#N WEVYAHXRMPXWCK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- LYCAIKOWRPUZTN-UHFFFAOYSA-N glycol Chemical compound OCCO LYCAIKOWRPUZTN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 239000010439 graphite Substances 0.000 description 4
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 description 4
- KJTLSVCANCCWHF-UHFFFAOYSA-N ruthenium Chemical compound [Ru] KJTLSVCANCCWHF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 229910052707 ruthenium Inorganic materials 0.000 description 4
- 229920003013 deoxyribonucleic acid Polymers 0.000 description 3
- 238000006116 polymerization reaction Methods 0.000 description 3
- UFULAYFCSOUIOV-UHFFFAOYSA-N Cysteamine Chemical compound NCCS UFULAYFCSOUIOV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229940119025 Cysteamine Drugs 0.000 description 2
- QWPPOHNGKGFGJK-UHFFFAOYSA-N Hypochlorous acid Chemical compound ClO QWPPOHNGKGFGJK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229960003151 Mercaptamine Drugs 0.000 description 2
- 210000004080 Milk Anatomy 0.000 description 2
- 235000010323 ascorbic acid Nutrition 0.000 description 2
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 2
- 238000005755 formation reaction Methods 0.000 description 2
- 125000000524 functional group Chemical group 0.000 description 2
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000010931 gold Substances 0.000 description 2
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 2
- YMWUJEATGCHHMB-UHFFFAOYSA-N methylene dichloride Chemical compound ClCCl YMWUJEATGCHHMB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000008267 milk Substances 0.000 description 2
- 235000013336 milk Nutrition 0.000 description 2
- 239000008055 phosphate buffer solution Substances 0.000 description 2
- 230000027756 respiratory electron transport chain Effects 0.000 description 2
- KBLZDCFTQSIIOH-UHFFFAOYSA-M tetrabutylazanium;perchlorate Chemical compound [O-]Cl(=O)(=O)=O.CCCC[N+](CCCC)(CCCC)CCCC KBLZDCFTQSIIOH-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 2
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229920000160 (ribonucleotides)n+m Polymers 0.000 description 1
- 125000001399 1,2,3-triazolyl group Chemical group N1N=NC(=C1)* 0.000 description 1
- YFCHAINVYLQVBG-UHFFFAOYSA-N 2,3-dihydrothieno[3,4-b][1,4]dioxin-3-ylmethanol Chemical compound O1C(CO)COC2=CSC=C21 YFCHAINVYLQVBG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- GGZZISOUXJHYOY-UHFFFAOYSA-N 8-amino-4-hydroxynaphthalene-2-sulfonic acid Chemical compound C1=C(S(O)(=O)=O)C=C2C(N)=CC=CC2=C1O GGZZISOUXJHYOY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000003298 DNA probe Substances 0.000 description 1
- 102000004190 Enzymes Human genes 0.000 description 1
- 108090000790 Enzymes Proteins 0.000 description 1
- YAGKRVSRTSUGEY-UHFFFAOYSA-N Ferricyanide Chemical compound [Fe+3].N#[C-].N#[C-].N#[C-].N#[C-].N#[C-].N#[C-] YAGKRVSRTSUGEY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000004566 IR spectroscopy Methods 0.000 description 1
- 150000000996 L-ascorbic acids Chemical class 0.000 description 1
- 229910013684 LiClO 4 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229920000272 Oligonucleotide Polymers 0.000 description 1
- RUOJZAUFBMNUDX-UHFFFAOYSA-N Propylene carbonate Chemical compound CC1COC(=O)O1 RUOJZAUFBMNUDX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- SUKJFIGYRHOWBL-UHFFFAOYSA-N Sodium hypochlorite Chemical compound [Na+].Cl[O-] SUKJFIGYRHOWBL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- DBMJMQXJHONAFJ-UHFFFAOYSA-M Sodium laurylsulphate Chemical compound [Na+].CCCCCCCCCCCCOS([O-])(=O)=O DBMJMQXJHONAFJ-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- LEHOTFFKMJEONL-UHFFFAOYSA-N Trioxopurine Chemical compound N1C(=O)NC(=O)C2=C1NC(=O)N2 LEHOTFFKMJEONL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229940116269 Uric Acid Drugs 0.000 description 1
- CIWBSHSKHKDKBQ-JLAZNSOCSA-N Vitamin C Chemical compound OC[C@H](O)[C@H]1OC(=O)C(O)=C1O CIWBSHSKHKDKBQ-JLAZNSOCSA-N 0.000 description 1
- 230000002411 adverse Effects 0.000 description 1
- 239000012491 analyte Substances 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 102000004965 antibodies Human genes 0.000 description 1
- 108090001123 antibodies Proteins 0.000 description 1
- 239000000427 antigen Substances 0.000 description 1
- 102000038129 antigens Human genes 0.000 description 1
- 108091007172 antigens Proteins 0.000 description 1
- 239000007900 aqueous suspension Substances 0.000 description 1
- 239000011668 ascorbic acid Substances 0.000 description 1
- 229960005070 ascorbic acid Drugs 0.000 description 1
- 238000010461 azide-alkyne cycloaddition reaction Methods 0.000 description 1
- 230000000903 blocking Effects 0.000 description 1
- 239000007853 buffer solution Substances 0.000 description 1
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 1
- 238000005119 centrifugation Methods 0.000 description 1
- 230000004059 degradation Effects 0.000 description 1
- 238000006731 degradation reaction Methods 0.000 description 1
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 1
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 1
- 238000001548 drop coating Methods 0.000 description 1
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 1
- ORXDSIPBTFAEKJ-UHFFFAOYSA-N ferrocyanide Chemical compound N#C[Fe-4](C#N)(C#N)(C#N)(C#N)C#N ORXDSIPBTFAEKJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000007306 functionalization reaction Methods 0.000 description 1
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 1
- 238000007654 immersion Methods 0.000 description 1
- 238000007641 inkjet printing Methods 0.000 description 1
- 230000002427 irreversible Effects 0.000 description 1
- 238000011031 large scale production Methods 0.000 description 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 230000001264 neutralization Effects 0.000 description 1
- 238000005498 polishing Methods 0.000 description 1
- 229920000767 polyaniline Polymers 0.000 description 1
- 229920000123 polythiophene Polymers 0.000 description 1
- 230000003334 potential Effects 0.000 description 1
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 1
- 102000004169 proteins and genes Human genes 0.000 description 1
- 108090000623 proteins and genes Proteins 0.000 description 1
- 230000002829 reduced Effects 0.000 description 1
- 230000002441 reversible Effects 0.000 description 1
- 150000007968 uric acids Chemical class 0.000 description 1
Images
Abstract
Группа изобретений относится к электроаналитической химии, а именно электрохимическим сенсорам на основе проводящих полимеров для определения редокс-активных веществ в жидких средах, а также является основой для создания биосенсоров. Способ изготовления сенсоров для определения редокс-активных веществ в водной среде, включает синтез на поверхности электрода производных поли(3,4-этилендиокситиофена) из мономеров в результате электрополимеризации в водном растворе кислоты при постоянном увеличением скорости окисления мономеров при максимальном анодном потенциале. Согласно изобретению определение редокс-активных веществ в водной среде с помощью сенсора, изготовленного предложенным способом, осуществляют путем погружения в исследуемую среду, регистрации линейной, циклической, дифференциально-импульсной или квадратно-волновой вольтамперограммы и определения из нее плотности тока пика окисления или восстановления вещества, с последующим определением концентрации искомого соединения методом градуировочного графика, предварительно полученного для определяемого вещества. Изобретение обеспечивает возможность получения электрохимических сенсоров с разностью потенциалов пиков окисления и восстановления гексацианоферрата калия в водной среде при pH 1,1–7,0 не более 70 мВ (скорость развертки 40 мВ/c), а также достижение чувствительности определения редокс-активных веществ в режиме квадратно-волновой вольтамперометрии не более 0,2 А⋅М-1⋅см-2. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 4 ил.
Description
Область техники
Настоящее изобретение относится к области электроаналитической химии, а именно электрохимическим сенсорам для определения редокс-активных веществ (гексацианоферрата калия, хлорид гексааммин рутения, наночастиц берлинской лазури) в жидких средах, а также биосенсорам на их основе.
Уровень техники
В электрохимических биосенсорах, содержащих биомолекулы для специфического распознавания, могут использоваться редокс-активные вещества (также называются медиаторами электронного переноса [WO2006057722A1]). Сигнал, генерируемый медиаторами, связан с концентрацией определяемого вещества. Для повышения производительности биосенсора необходимо повысить чувствительность определения медиатора.
При разработке электрохимических (био)сенсоров одним из ключевых этапов является модификация поверхности электродов, которая обеспечивает надежную иммобилизацию биомолекул. Известен способ снижения неспецифической адсорбции биомолекул в результате модификации электродов этиленгликолем [Doneux et al., Controlled Tuning of the Ferri/Ferrocyanide Electron Transfer at Oligo(Ethylene Glycol)-Modified Electrodes, Electrochimica Acta, 219, 412-417, 2016]. Однако в результате наблюдается значительное снижение скорости переноса заряда для редокс-активной пары [Fe(CN)6]3−/4− и снижение чувствительности её определения.
Известен способ функционализации поверхности электрода, заключающийся в модификации поверхности электрода самособирающимися слоями цистеамина [US10520462B1]. Для этого золотые электроды после полировки выдерживали в водном растворе хлорида цистеамина не менее 2 часов. Разность потенциалов пиков окисления и восстановления гексацианоферрата калия (pH 7,4), рассчитанная из циклической вольтамперограммы, зарегистрированной на модифицированном электроде, составляла не менее 90 мВ. К недостаткам такого способа относятся ограниченный выбор материалов для электродной поверхности, длительность процесса, снижение электроактивности в присутствии [Fe(CN)6]3− по сравнению с немодифицированным электродом, о чём свидетельствует увеличение разности потенциалов между пиками на циклической вольтамперограмме. Это также ограничивает разработку и масштабное производство электрохимических биосенсоров на основе самособирающихся монослоёв.
Для модификации поверхности электродов широко используются проводящие полимеры (например, полианилин, пилипиррол, политиофен). Поли(3,4-этилендиокситиофен) (ПЭДОТ) является одним из самых распространенных проводящих полимеров. Его основными преимуществами являются коммерческая доступность, устойчивость к внешним воздействиям, высокая электроактивность в водных и в органических средах. Производные поли(3,4-этилендиокситиофена) (азидометил-ПЭДОТ, хлорометил-ПЭДОТ, гидроксиметил-ПЭДОТ) – проводящие полимеры, обладают преимуществами поли(3,4-этилендиокситиофена) и позволяют провести ковалентную иммобилизацию биомолекул благодаря наличию функциональных групп. Здесь под биомолекулами подразумеваются ДНК, РНК, олигонуклеотиды, белки, ферменты, антитела, антигены и т.д.
Известны способы синтеза поли(3,4-этилендиокситиофена) в результате химической [WO2013034688A1] или электрохимической полимеризации [US9562293B2] для создания сенсоров. Электрохимическая полимеризация обеспечивает воспроизводимое получение полимера непосредственно на ограниченной поверхности рабочего электрода, позволяет контролировать толщину и морфологию полимерной плёнки и потому предпочтительнее для сенсорных приложений. Из-за ограниченной растворимости мономеров в воде синтез поли(3,4-этилендиокситиофена) и его производных преимущественно проводят в органических растворителях.
Известны сенсоры на основе поли(3,4-этилендиокситиофена) [Motshakeri et al., Rapid electroanalysis of uric acid and ascorbic acid using a poly(3,4-ethylenedioxythiophene)-modified sensor with application to milk, Electrochimica Acta, 265, 184-193, 2018], синтезированного в присутствии органических растворителей. С целью создания сенсоров для определения мочевой и аскорбиновой кислот в молоке проводилась электрополимеризация 3,4-этилендиокситиофена в растворе пропиленкарбоната, содержащем LiClO4. Для подготовки сенсора к использованию в водной среде было необходимо зарегистрировать в водном растворе NaClO4 циклические вольтамперограммы модифицированных электродов. Поскольку анализ биообразцов проводится в водной среде, модификацию поверхности электродов предпочтительно проводить в похожих условиях, так как органические молекулы, включенные в полимерную пленку, могут ингибировать активные центры или центры распознавания биомолекул в процессе функционирования (био)сенсора. Кроме того, синтез в водной среде более экологичен и коммерчески выгоден.
Известны способы электрохимического синтеза поли(3,4-этилендиокситиофена) и его производных в водной среде в присутствии поверхностно-активных веществ [WO2008/130327; WO2008/130326]. Для этого поли(3,4-этилендиокситиофен) или его производные синтезируют на поверхности электродов в результате электрополимеризации в мицеллярном растворе, образованном поверхностно-активными веществами (например, додецилсульфатом натрия) с мономером. Модифицированные электроды представляют собой платформы, на которые могут быть ковалентно иммобилизованы биомолекулы, для создания (био)сенсоров. Однако поверхностно-активные вещества также являются органическими веществами и могут снижать как активность и распознающие свойства рецепторов, так и ухудшать электронтранспортные свойства электродов в составе биосенсоров.
Известен подход для повышения растворимости поли(3,4-этилендиокситиофена) в водном растворе без использования поверхностно-активных веществ, заключающийся во введении полистиролсульфоната в качестве противоиона [Wen et al., Scientific Importance of Water‐Processable PEDOT–PSS and Preparation, Challenge and New Application in Sensors of Its Film Electrode: A Review, Polymer Chemistry, 85, 1121-1150, 2017]. Водную суспензию поли(3,4-этилендиокситиофена) и полистиролсульфоната получают в результате химической полимеризации. Для модификации поверхности электрода полученным полимером можно использовать метод капельного нанесения, метод центрифугирования, метод струйной печати. Однако из-за высокой гидрофильности полистиролсульфоната получаемые полимерные плёнки обладают низкой водостойкостью, разбухают и постепенно отслаиваются от электрода в водном растворе. Значительное количество внедренного полистиролсульфоната приводит к снижению электроактивности и проводимости, особенно снижается чувствительность определения отрицательно заряженных аналитов, поскольку полистиролсульфонат заряжен отрицательно.
Известен способ создания электрохимических ДНК-сенсоров на основе электродов, модифицированных азидометил-замещенным поли(3,4-этилендиокситиофеном) [Galan et al. Label-free electrochemical DNA sensor using “click”-functionalized PEDOT electrodes, Biosensors and Bioelectronics, 74, 751-756, 2015]. Для создания сенсоров на поверхности золотых электродов синтезировали азидометил-ПЭДОТ в результате электрополимеризации в дихлорметане азидометил-замещенного 3,4-этилендиокситиофена. Алкинированные ДНК-зонды иммобилизовали на поверхности модифицированных электродов в результате 1,3-диполярного азид-алкинового циклоприсоединения. Однако синтез полимера проводился в органической среде, а рассматриваемый аналитический сигнал (уменьшение тока окисления) не является специфическим, поскольку может возникать в результате блокировки поверхности электрода непроводящими биомолекулами, деградации полимера.
В результате необходимо разработать способ изготовления электрохимических (био)сенсоров на основе производных поли(3,4-этилендиокситиофена), включающий электрополимеризацию производных 3,4-этилендиокситиофена в водной среде, которые способствуют повышению электроактивности медиаторов на модифицированных электродах при pH 1,1–7,0.
Раскрытие изобретения
Техническим результатом заявляемого изобретения является получение электрохимических сенсоров на основе производных поли(3,4-этилендиокситиофена) (а именно азидометил-, гидроксиметил-хлорометил-ПЭДОТ), которые обеспечивают разность потенциалов пиков окисления и восстановления гексацианоферрата калия в водной среде при pH 1,1–7,0 не более 70 мВ (скорость развертки 40 мВ/c), которая рассчитана из циклической вольтамперограммы, зарегистрированной на сенсоре, а также достижение чувствительности определения редокс-активных веществ в режиме квадратно-волновой вольтамперометрии не более 0,2 А·М-1·см-2.
Технический результат достигается способом изготовления сенсоров для определения редокс-активных веществ в водной среде, включающий в себя синтез на поверхности электрода производных поли(3,4-этилендиокситиофена) из мономеров в результате электрополимеризации в водном растворе кислоты, характеризующейся постоянным увеличением скорости окисления мономеров при фиксированном потенциале. При этом в качестве мономера используют 2-хлорометил-3,4-этилендиокситиофен или 2-азидометил-3,4-этилендиокситиофен или 2-гидроксиметил-3,4-этилендиокситиофен, при этом синтез проводят в водном растворе кислоты с нормальностью не менее 0.05. Предпочтительно проводить синтез производных поли(3,4-этилендиокситиофена) в 0,05–0,2 М кислоте, в качестве которой предпочтительно использовать хлорную кислоту, серную кислоту. Предпочтительно, когда концентрация мономера составляет 0.01 моль/л. Получаемый в результате электрополимеризации материал является сополимером 3,4-этилендиокситиофена с 2-хлорометил-3,4-этилендиокситиофеном, 2-азидометил-3,4-этилендиокситиофеном, 2-гидроксиметил-3,4-этилендиокситиофеном. Разность потенциалов пиков окисления и восстановления гексацианоферрата калия в нейтральной водной среде, рассчитанная из циклической вольтамперограммы, зарегистрированной на сенсоре, полученном заявляемым способом, после погружения в раствор, составляет не более 67 мВ при скорости развертки 40 мВ/с.
Технический результат также достигается способ определения редокс-активных веществ в водной среде с помощью сенсоров, полученных заявляемым способом, путем погружения в исследуемую среду, регистрации линейной, циклической, дифференциально-импульсной или квадратно-волновой вольтамперограммы и определением из нее плотности тока пика окисления или восстановления вещества, с последующим определением концентрации искомого соединения методом градуировочного графика, предварительно полученного для определяемого вещества. В качестве редокс-активных веществ, определяемых сенсором, используются гексацианоферрат калия, хлорид гексааммин рутения, наночастицы берлинской лазури. Для построения градуировочного графика сенсор погружают в водный буферный раствор определяемого редокс-активного вещества с известной концентрацией, регистрируют линейную, циклическую, дифференциально-импульсную или квадратно-волновую вольтамперограмму, определяют плотность тока пика окисления или восстановления редокс-активного вещества, затем строят градуировочный график, представляющий собой линейную зависимость плотности тока от концентрации вещества.
Таким образом, технический результат достигается за счет электрохимического синтеза производных ПЭДОТ (азидометил-ПЭДОТ или хлорометил-ПЭДОТ или гидроксиметил-ПЭДОТ) в водной среде в отсутствие поверхностно-активных веществ и органических растворителей, которые негативно влияют на электроактивность редокс-активных веществ на поверхности электродов.
После модификации поверхности производными поли(3,4-этилендиокситиофена) редокс-активные вещества (а именно гексацианоферрат калия и хлорид гексаамин рутения) должны иметь повышенную электроактивность, по сравнению с немодифицированными печатными графитовыми электродами, при значениях pH от 1,1 до 7,0. Для подтверждения повышения электроактивности медиаторов предпочтительно рассчитывать электрохимическую константу скорости, используя расширенный метод Николсона [Lavagnini I. et al. An Extended Method for the Practical Evaluation of the Standard Rate Constant from Cyclic Voltammetric Data // Electroanalysis, 2004. V. 16, № 6. P. 505–506; Shavokshina V.A. et al. Improved Electroactivity of Redox Probes onto Electropolymerized Azidomethyl-PEDOT: Enabling Click Chemistry for Advanced (Bio)Sensors // Appl. Polym. Mater. American Chemical Society, 2021. V. 3, № 3. P. 1518–1524].
После модификации поверхности азидометил-ПЭДОТ в водной среде разность потенциалов между пиками на циклической вольтамперограмме K3[Fe(CN)6] на 27 % меньше, по сравнению с циклическими вольтамперограммами азидометил-ПЭДОТ, синтезированного в ацетонитриле и 0,1 М перхлорате тетрабутиламмония [US10591435B2].
Наличие функциональных групп у производных поли(3,4-этилендиокситиофена), подтвержденное методом ИК-спектроскопии, позволяет ковалентно иммобилизовать биомолекулы на поверхности электродов. Биомолекула может быть иммобилизована на поверхности электрода за счёт образования амидной связи, 1,2,3-триазольного цикла, сложноэфирной связи. В отличие от существующих решений, в предложенном способе исключено использование органических растворителей, которые могут ингибировать активные центры биомолекул и ухудшать характеристики биосенсоров.
Краткое описание чертежей
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг.1 показаны циклические вольтамперограммы 5 мМ K3[Fe(CN)6] на немодифицированном электроде (- -) и электроде, модифицированном азидометил-ПЭДОТ (―).
На фиг.2 показаны циклические вольтамперограммы 5 мМ [Ru(NH3)6]Cl3 на немодифицированном электроде (- -) и электроде, модифицированном азидометил-ПЭДОТ (―).
На фиг.3 представлена градуировочная зависимость вольтамперометрического определения K3[Fe(CN)6].
На фиг.4 представлена градуировочная зависимость вольтамперометрического определения наночастиц берлинской лазури.
Осуществление изобретения
Сенсоры изготавливают в результате электрополимеризации производных 3,4-этилендиокситиофена в водной среде на поверхности печатных графитовых электродов. Синтез проводят в электрохимической ячейке, функционирующей по трехэлектродной схеме, с разделенными пространствами рабочего, вспомогательного электродов и электрода сравнения. Синтез проводят в потенциодинамическом режиме из раствора, содержащего 0,05–0,2 М HClO4 и 0,01 М мономера, например, азидометил-ЭДОТ, хлорометил-ЭДОТ, гидроксиметил-ЭДОТ. Выбранное значение максимального анодного потенциала не должно приводить к переокислению полимера. О формировании проводящего полимера свидетельствует самопересечение токов на первом цикле циклической вольтамперограммы электрополимеризации, также увеличение токов с каждым циклом при анодных потенциалах 0,9–1,0 В.
Электроактивность медиаторов (гексацианоферрата калия K3[Fe(CN)6], хлорида гексааммин рутения [Ru(NH3)6]Cl3) на поверхности сенсоров исследуют в режиме циклической вольтамперометрии при разных скоростях развертки потенциала (10 мВ/c – 1000 мВ/с) в буферных растворах с различным pH.
Представленные циклические вольтамперограммы демонстрирует увеличение электроактивности [Fe(CN)6]3-/4- и [Ru(NH3)6]3+/2+ на поверхности модифицированных электродов (фиг.1, фиг.2). Циклическая вольтамперограмма [Fe(CN)6]3-/4- на немодифицированных электродах соответствует необратимой системе, поскольку не наблюдается выраженных пиков редокс активности. Для [Ru(NH3)6]3+/2+ система квазиобратима: разность потенциалов между пиками не менее 150 мВ при скорости развертки потенциала 40 мВ/с.
Модифицированные производными азидометил-ПЭДОТ электроды демонстрируют поведение, близкое к обратимому. Разность потенциалов между пиками (∆Eп) не более 67 мВ, при увеличении скорости развертки потенциала до 1 В/c ∆Eп составляет не более, чем 110 мВ. Электроактивность гексацианоферрата калия на поверхности электродов, модифицированных азидометил-ПЭДОТ, синтезированного в органическом растворителе (ацетонитрил) в присутствии перхлората тетрабутиламмония, ниже по сравнению с азидометил-ПЭДОТ, полученным в водной среде. Об этом свидетельствует разность потенциалов между пиками на циклических вольтамперограммах азидометил-ПЭДОТ, полученного в органической среде - не менее 92 мВ, что на 27 % больше, чем на азидометил-ПЭДОТ, синтезированном в водной среде без использования поверхностно-активных веществ.
Данное повышение электроактивности подтверждается и расчетом электрохимической константы скорости (k). Расчёт k проводили согласно уравнению:
где Dо и Dв коэффициенты диффузии окисленной и восстановленной формы окислительно-восстановительной пары, υ скорость развертки потенциала, коэффициент переноса α =0.5.
Модификация поверхности электродов производными поли(3,4-этилендиокситиофена) способствует увеличению k в широком диапазоне pH (от 1,1 до 7,0).
Для функционирования (био)сенсоров особенно важно значительное повышение электроактивности при pH, близкому к физиологическим значениям. В присутствии [Fe(CN)6]3-/4- в результате модификации поверхности электрода k возрастает не менее, чем в 2000 раз (от 1 × 10-5 до 2,3 × 10-2 см/c) при pH 7,0.
Для [Ru(NH3)6]3+/2+ , который гораздо менее чувствителен к свойствам поверхности, k возрастает не менее, чем в 2 раза.
Для количественной оценки редокс-активных веществ выполняли построение градуировочной зависимости.
Пример 1: Сенсор для определения гексацианоферрата калия на основе азидометил-ПЭДОТ, синтезированного в потенциодинамическом режиме
Электрополимеризацию проводили на печатных графитовых электродах в стеклянной ячейке, функционирующей по трехэлектродной схеме, с тремя разделенными пространствами. Ростовая смесь содержала 0,1 М HClO4 и 0,01 М азидометил-ЭДОТ. Электрополимеризацию выполняли в потенциодинамическом режиме, потенциал изменяли в диапазоне от -0,2 до 1,0 В со скоростью 40 мВ/с в течение 10 циклов.
Электрод, модифицированный азидометил-ПЭДОТ, погружали в фосфатный буферный раствор (pH 7,0), содержащий гексацианоферрат калия. Измерения проводили в режиме квадратно-волновой вольтамперометрии. Регистрировали последовательно не менее трёх вольтамперограмм до их наложения. Заменяли анализируемый раствор на раствор с большей концентрацией K3[Fe(CN)6]. Строили градуировочный график зависимости тока от концентрации K3[Fe(CN)6] (фиг. 3). Коэффициент чувствительности полученного сенсора равен 170±12 мА·М-1·см-2, что в 200 раз выше, чем коэффициент чувствительности немодифицированных печатных графитовых электродов.
Пример 2: Сенсор для определения наночастиц берлинской лазури на основе азидометил-ПЭДОТ
Электрополимеризацию азидометил-ЭДОТ проводили по методике, описанной в примере 1.
Полученный сенсор погружали в фосфатный буферный раствор (pH 6.0), содержащий наночастицы берлинской лазури, проводили измерения в режиме квадратно-волновой вольтамперометрии. Строили градуировочный график зависимости тока от концентрации наночастиц берлинской лазури (фиг. 4). Диапазон линейности полученного графика 0,2–4,8 нМ. Коэффициент чувствительности сенсора равен 2,1±0,2 мА·М-1·см-2, что в 175 раз выше коэффициента чувствительности немодифицированных электродов.
Claims (8)
1. Способ изготовления сенсоров для определения редокс-активных веществ в водной среде, включающий в себя синтез на поверхности электрода производных поли(3,4-этилендиокситиофена) из мономеров в результате электрополимеризации в водном растворе кислоты, характеризующейся постоянным увеличением скорости окисления мономеров при максимальном анодном потенциале.
2. Способ по п. 1, характеризующийся тем, что в качестве мономера используют 2-хлорометил-3,4-этилендиокситиофен или 2-азидометил-3,4-этилендиокситиофен или 2-гидроксиметил-3,4-этилендиокситиофен, при этом синтез проводят в водном растворе кислоты с нормальностью не менее 0,05.
3. Способ по п. 1, характеризующийся тем, что в качестве кислоты используют хлорную или серную кислоту.
4. Способ по п. 1, характеризующийся тем, что концентрация мономера составляет 0,01 моль/л.
5. Способ по п. 1, характеризующийся тем, что получаемый в результате электрополимеризации материал является сополимером 3,4-этилендиокситиофена с 2-хлорометил-3,4-этилендиокситиофеном, 2-азидометил-3,4-этилендиокситиофеном, 2-гидроксиметил-3,4-этилендиокситиофеном.
6. Способ определения редокс-активных веществ в водной среде с помощью сенсоров, полученных способом по п. 1, путем погружения в исследуемую среду, регистрации линейной, циклической, дифференциально-импульсной или квадратно-волновой вольтамперограммы и определением из нее плотности тока пика окисления или восстановления вещества, с последующим определением концентрации искомого соединения методом градуировочного графика, предварительно полученного для определяемого вещества.
7. Способ по п. 6, характеризующийся тем, что в качестве редокс-активных веществ, определяемых сенсором, используют гексацианоферрат калия, или хлорид гексаамминрутения, или наночастицы берлинской лазури.
8. Способ по п. 6, характеризующийся тем, что для построения градуировочного графика сенсор погружают в водный буферный раствор определяемого редокс-активного вещества с известной концентрацией, регистрируют линейную, циклическую, дифференциально-импульсную или квадратно-волновую вольтамперограмму, определяют плотность тока пика окисления или восстановления редокс-активного вещества, затем строят градуировочный график, представляющий собой линейную зависимость плотности тока от концентрации вещества.
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2781398C1 true RU2781398C1 (ru) | 2022-10-11 |
Family
ID=
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP1362236A1 (en) * | 2001-02-21 | 2003-11-19 | Empresa Brasileira de Pesquisa Agropecuaria - EMBRAPA | Sensor for analysis of mixtures by global selectivity and its use in sensor system |
| WO2013034688A1 (en) * | 2011-09-09 | 2013-03-14 | Danmarks Tekniske Universitet | Biosensor for point-of-care diagnostic and on-site measurements |
| WO2017059831A1 (en) * | 2015-10-09 | 2017-04-13 | Centrum organické chemie s.r.o. | Sensory system for the electronic detection of body fluids in a diaper |
| EP3308706A1 (en) * | 2015-06-12 | 2018-04-18 | Seoul National University R&DB Foundation | Biosensor and method for forming same and glucose control system, method for forming the glucose control system, and method for controlling glucose thereby |
| CN110618174A (zh) * | 2019-09-30 | 2019-12-27 | 青岛科技大学 | 一种聚（3，4-乙烯二氧噻吩）膜修饰电极的制备方法及应用 |
| US20210285939A1 (en) * | 2018-11-01 | 2021-09-16 | Allergy Amulet, Inc. | Electropolymerized allergen detection device and methods of use thereof |
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP1362236A1 (en) * | 2001-02-21 | 2003-11-19 | Empresa Brasileira de Pesquisa Agropecuaria - EMBRAPA | Sensor for analysis of mixtures by global selectivity and its use in sensor system |
| WO2013034688A1 (en) * | 2011-09-09 | 2013-03-14 | Danmarks Tekniske Universitet | Biosensor for point-of-care diagnostic and on-site measurements |
| EP3308706A1 (en) * | 2015-06-12 | 2018-04-18 | Seoul National University R&DB Foundation | Biosensor and method for forming same and glucose control system, method for forming the glucose control system, and method for controlling glucose thereby |
| WO2017059831A1 (en) * | 2015-10-09 | 2017-04-13 | Centrum organické chemie s.r.o. | Sensory system for the electronic detection of body fluids in a diaper |
| US20210285939A1 (en) * | 2018-11-01 | 2021-09-16 | Allergy Amulet, Inc. | Electropolymerized allergen detection device and methods of use thereof |
| CN110618174A (zh) * | 2019-09-30 | 2019-12-27 | 青岛科技大学 | 一种聚（3，4-乙烯二氧噻吩）膜修饰电极的制备方法及应用 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Rezaei et al. | Electrochemical detection techniques in biosensor applications | |
| Sekli-Belaidi et al. | Voltammetric microsensor using PEDOT-modified gold electrode for the simultaneous assay of ascorbic and uric acids | |
| Kor et al. | Development and characterization of an electrochemical sensor for furosemide detection based on electropolymerized molecularly imprinted polymer | |
| Baluta et al. | Differential pulse voltammetry and chronoamperometry as analytical tools for epinephrine detection using a tyrosinase-based electrochemical biosensor | |
| Wang | Simultaneous determination of uric acid, xanthine and hypoxanthine at poly (pyrocatechol violet)/functionalized multi-walled carbon nanotubes composite film modified electrode | |
| Mazloum‐Ardakani et al. | Electropolymerization of thin film conducting polymer and its application for simultaneous determination of ascorbic acid, dopamine and uric acid | |
| Barsan et al. | New CNT/poly (brilliant green) and CNT/poly (3, 4-ethylenedioxythiophene) based electrochemical enzyme biosensors | |
| Ratautaite et al. | Evaluation of the interaction between SARS-CoV-2 spike glycoproteins and the molecularly imprinted polypyrrole | |
| Rehman et al. | Interfacial composition, structure, and properties of ionic liquids and conductive polymers for the construction of chemical sensors and biosensors: A perspective | |
| Gokoglan et al. | Selenium containing conducting polymer based pyranose oxidase biosensor for glucose detection | |
| CN105866205A (zh) | 基于金纳米粒子-巯基化石墨烯修饰电极的电化学dna生物传感器的构建及应用 | |
| Kamyabi et al. | Electrocatalytic oxidation of dopamine, ascorbic acid and uric acid at poly2, 6diaminopyridine on the surface of carbon nanotubes/gc electrodes | |
| He et al. | Influence of hydrophobization of the polyazulene ion-to-electron transducer on the potential stability of calcium-selective solid-contact electrodes | |
| Uzuncar et al. | Enzyme-free detection of hydrogen peroxide with a hybrid transducing system based on sodium carboxymethyl cellulose, poly (3, 4-ethylenedioxythiophene) and prussian blue nanoparticles | |
| Palod et al. | Template-assisted electrochemical growth of polypyrrole nanotubes for development of high sensitivity glucose biosensor | |
| Wang et al. | Nitronyl nitroxide monoradical TEMPO as new electrochemical label for ultrasensitive detection of nucleic acids | |
| Gholivand et al. | Highly sensitive and selective determination methyldopa in the presence of ascorbic acid using OPPy/TY/Au modified electrode | |
| Putra et al. | Selective non-enzymatic uric acid sensing in the presence of dopamine: electropolymerized poly-pyrrole modified with a reduced graphene oxide/PEDOT: PSS composite | |
| Tian et al. | Application of polypyrrole/GOx film to glucose biosensor based on electrochemical-surface plasmon resonance technique | |
| Uzuncar et al. | Electro-templating of prussian blue nanoparticles in PEDOT: PSS and soluble silkworm protein for hydrogen peroxide sensing | |
| Sun et al. | Ratiometric electrochemical sensor for bisphenol A detection using a glassy carbon electrode modified with a poly (toluidine blue)/gold nanoparticle composite | |
| Kousseff et al. | Single‐Component Electroactive Polymer Architectures for Non‐Enzymatic Glucose Sensing | |
| Izaoumen et al. | The electrochemical behavior of neurotransmitters at a poly (pyrrole‐β‐cyclodextrin) modified glassy carbon electrode | |
| RU2781398C1 (ru) | Способ изготовления сенсоров на основе замещенного поли(3,4-этилендиокситиофена) | |
| Oliveira et al. | Electrochemical and morphological studies of an electroactive material derived from 3-hydroxyphenylacetic acid: a new matrix for oligonucleotide hybridization |