Uhlíkové mikroelektrody modifikované stříbrnými a platinovými nanovrstvami a jejich využití pro detekci peroxidu vodíku
Mgr. Vladimír Halouzka Katedra fyzikální chemie Přírodovědecká fakulta Univerzita Palackého v Olomouci
Detekce peroxidu vodíku Detekce peroxidu vodíku amperometrickými metodami – využití kovových elektrod (Pt, Ag) Klasické kovové elektrody (mm rozměry, např. z leštěné Pt) - nelineární odezvou při vyšších koncentracích peroxidu vodíku - lze obejít zvětšením aktivního povrchu elektrody Jednou z metod získání takového povrchu - depozice kovů z roztoků jejich solí v přítomnosti kapalně krystalických fází PAL – vznik mezoporézních struktur
Elektrooxidace peroxidu vodíku na Pt elektrodách probíhá při relativně vysoké hodnotě potenciálu v anodické oblasti (700 mV vs.Ag/AgCl) Oxidovatelné látky mohou při těchto potenciálech interferovat se stanovením H2O2 (askorbát, kys. močová, aj.) Naproti tomu na Ag elektrodě probíhá elektroredukce H2O2 (v tomto případě se potenciál pohybuje v oblasti menší než 0 mV vs. Ag/AgCl ), kde tyto látky neinterferují
Cíl práce Vytvoření amperometrických senzorů modifikovaných nanočásticemi a mesoporesními strukturami kovů a sloučenin kovů pro detekci biologicky zajímavých látek např. peroxidu vodíku, cukrů, apod. Vytvoření postupů vysoce reprodukovatelné přípravy senzorů Optimalizace výroby senzorů Miniaturizace senzorů Testování senzorů v aplikacích (klinické praxi)
Vývoj senzoru
Konstrukce uhlíkové mikroelektrody Očištění vlákna uhlíkové mikroelektrody Elektrodepozice kovové vrstvy Stabilizace odezvy senzoru (nanesení ochranných vrstev) Testování senzoru
Konstrukce uhlíkové mikroelektrody Výroba skleněné kapiláry Očištění měděného drátu Nalepení uhlíkového vlákna Utěsnění elektrody Očištění vlákna elektrody
Obr. Převzat z dipl. práce Č. Gregora
Očištění elektrody 10 s sonifikace v dichlormethanu Elektrochemická oxidace uhlíkového vlákna (pretreatment) – 1% roztok NaCl
Modifikace elektrody - nanesení mezoporezní vrstvy PAL vytvářejí na povrchu uhlíkové elektrody templátovou strukturu např. kubickou či hexagonální V prostorech mezi jednotlivými krystaly se deponuje požadovaný kov z roztoku jeho soli – elektroda získá větší povrch a schopnost detekovat analyt Vymytí PAL Stabilizace odezvy elektrody nafionovou vrstvou
Elektrochemická depozice Závislost na parametrech Potenciál - -300 mV vs. Ag/AgCl pro depozici Ag, -300 mV vs. Ag/AgCl pro depozici Pt Doba depozice - 1 s až 60 s Složení depoziční lázně - AgNO3 + Pluronic F 127 + voda + (HNO3), K2PtCl6 + H2O + Triton X-100 + kyselina 0.32
0.020
Proud (A)
Proud (mA)
0.30 0.28 0.26
0.015 0.010 0.005
0.24 0.22
0.000 0
20
40
Čas (s)
60
0
20
40
Čas (s)
60
Testování senzorů Amperometrie (měření za konstantního potenciálu v míchaném roztoku) Na pracovní elektrodu vložen konstantní potenciál, při kterém dochází k oxidaci či redukci zkoumané látky Po ustavení stabilní proudové linie proveden nástřik analytu Následně analyt redukován (oxidován) na pracovní elektrodě - dojde ke změně proudu - velikost odezvy je mírou koncentrace zkoumané látky
Parametry – Potenciál 0 mV Ag vs. Ag/AgCl (popřípadě -300, -200, -100 mV vs. Ag/AgCl ) pro Ag, 700 mV vs. Ag/AgCl pro Pt Nástřik vzorku 15 ul 3% peroxidu vodíku (tj. 1 přídavek = 1 mM) Počet nástřiků 20 až 80 (autosampler) 0,1-M BR pufr, pH 4 až 12
Depozice i testování senzorů - potenciostat CH Instruments Model 600-C Tříelektrodové zapojení- referentní, pracovní, apomocná elektroda
0
A Proud (A)
Proud (A)
0
-5
C
-10 0
100
200
300
-5 r2=0,9977 -10
B 400
500
Čas (s)
A – bez PAL B – Pluronic F 127 C – Triton X-100
-15 0
10 20 30 40 Koncentrace H2O2 (mM)
50
Testované parametry
Závislost na pH Citlivost na interferenty Stabilita základní proudové linie Struktura nanesených vrstev
Závislost na pH - Ag 1.0×10 -6
8
Citlivost (A.mmol-1.L)
pH 4
Proud (A)
pH 6
6
pH 7 pH 8
4
pH 10 pH 12
2 0 0
2
4 6 8 Koncentrace H2O2 (mM)
10
Nárůst senzitivity při přechodu od kyselejších pH k zásaditějším Lineární odezva pro široké rozmezí pH
8.0×10 -7 6.0×10 -7 4.0×10 -7 2.0×10 -7 0 3
4
5
6
7
8
9
10 11 12 13
pH
Závislost katalytického proudu H2O2 na pH při užití uhl. mikroelektrod modifikovaných mesoporézní vrstvou Ag v oblasti lineární odezvy. Hodnoty na ose Y = hodnoty směrnic kalibračních křivek H2O2 získaných měřením za konstantního potenciálu v míchaném roztoku samostatně pro každou uvedenou hodnotu pH.
Závislost na pH - Pt 0
Proud ( A)
-2
Citlivost (A.mmol-1.L)
-2.8×10 -14
pH 4 pH 6
-4
pH 7 pH 8
-6
pH 10 pH 12 2
4
-4.0×10 -07
-6.0×10 -07
-8 0
-2.0×10 -07
6
8
10
12
14
3
4
5
6
7
8
9
10 11 12 13
pH
Koncentrace H2O2 (mM)
Nárůst senzitivity při přechodu od kyselejších pH k zásaditějším Lineární odezva pro široké rozmezí pH
Závislost katalytického proudu H2O2 na pH při užití uhl. mikroelektrod modifikovaných mesoporézní vrstvou Pt v oblasti lineární odezvy. Hodnoty na ose Y = hodnoty směrnic kalibračních křivek H2O2 získaných měřením za konstantního potenciálu v míchaném roztoku samostatně pro každou uvedenou hodnotu pH.
Testování elektrod na interferenty Elektrody modifikované mesoporezními strukturami Ag nevykazují citlivost vůči interferentům běžně se vyskytujících ve fyziologickém prostředí společně s H2O2 Nástřiky o výsledné koncentraci 1mM 0.35
0.1
askorbát paracetamol
peroxid vodíku
Proud (A)
Proud (A)
0.30 0.25 pufr
kys.močová
0.20 0.15
askorbát
0
300
600
peroxid vodíku
0.0 pufr
-0.1
kys.močová
paracetamol
900
Čas (s)
1200
1500
1800
-0.2 0
1000
2000
3000
Čas (s)
4000
5000
Stabilita základní proudové linie Ochranná vrstva Nafion Při dlouhodobém měření prokázána výborná stabilita základní proudové linie 0.001
0.8
B
-0.001 -0.002 -0.003
A
-0.004
A
0.6
Proud (A)
Proud (A)
0.000
0.4 0.2
B 0.0
-0.005 0
20
40
60
Čas (min)
80
100
0
30
60
Čas (min)
90
SEM snímky povrchu elektrod
Závěr Nalezeno složení lázně, jež umožňuje reprodukovatelnou přípravu senzorů 10 mg AgNO3 + 500 ul H2O + 250ul Pluronic F 127, K2PtCl6 + H2O + Triton X-100 Připraveny senzory lineární do 50 mM koncentrace peroxidu vodíku Výborná citlivost na µM koncentace peroxidu vodíku - detekční limit 8 μM L-1 -platinová elektroda a 6 μM L-1 – stříbrná elektroda Senzory použitelné v širokém rozsahu pH 4 – 12
Poděkování: doc. RNDr. Jan Hrbáč, Ph.D.
Děkuji za pozornost
