ГРАНТ РФФИ 05-03-33162-а

"Графитовые электроды, модифицированные наноструктурированным полианилином, как преобразователи сигнала в химических и биохимических сенсорах"

 

РАЗВЕРНУТЫЙ НАУЧНЫЙ ОТЧЕТ ЗА 2007 г.

 

Объявленные ранее цели проекта:
В 2007 г. предполагалось продолжить исследования по получению новых модификаций полианилина доменной структуры с улучшенными характеристиками для использования в составе химических и биохимических сенсоров. С этой целью планировалось:
1. Исследовать электрохимическое поведение полианилина, получаемого на электродах, модифицированных углеродными нанотрубками (УНТ).
2. Рассмотреть условия получения гибридных покрытий на основе полианилина и сополимеров анилина и других ароматических аминов с целью направленного контроля области электропроводности, параметров шероховатости и электрохимической активности.
3. Изучить влияние природы электродного материала на процессы полимеризации анилина в присутствии модифицирующих добавок. С этой целью предполагалось исследовать процессы электрополимеризации на различных графитовых материалах и определить факторы, влияющие на морфологию, электрохимические характеристики, химическую и электрохимическую устойчивость полимерного покрытия.

 

Полученные за отчетный период важнейшие результаты:
Модификация стеклоуглеродного электрода является одним из важнейших способов влияния на структуру и электрохимические характеристики полианилина, получаемого путем электрополимеризации. Ранее нами была установлена возможность широкого варьирования свойств полианилина, включая его электрокаталитическую активность в отношении ароматических спиртов, электропроводность, область допирования, при предварительном нанесении на электрод медиаторов электронного переноса. Данные исследования были продолжены на примере УНТ. В работе использовали коммерческие препараты многослойных УНТ с линейными размерами до 20 мкм и содержанием углерода не менее 99.9% производства Sigma-Aldrich. Модификацию проводили в три стадии. Электрод полировали механически и электрохимически путем поляризации при анодных потенциалах, УНТ очищали от остаточных количеств оксидов переходных металлов кипячением в соляной кислоте и далее солюбилизировали в ДМФА с помощью ультразвука. После этого на электрод наносили полученную дисперсию нанотрубок и сушили при 80оС. Изучено влияние способа солюбилизации УНТ на устойчивость получаемых дисперсий и линейные размеры поверхностных кластеров. Показано, что наиболее воспроизводимые результаты получены при предварительном окислении УНТ в концентрированной азотной кислоте в течение 2-4 ч. Окисление сопровождается уменьшением среднего диаметра трубок и их длины на 30-50% в силу их частичного окисления. Повышенная склонность к солюбилизации частично окисленных УНТ объясняется формированием отрицательного заряда концевых фрагментов и дефектов структуры слоев в результате образования карбоксилатных групп. Полученные дисперсии в ДМФА отличались высокой устойчивостью и сохраняли однородность состава в течение 7-12 дней при хранении при 4оС. Изучение методом атомно-силовой микроскопии показало большое разнообразие образующихся на поверхности стеклоуглерода нанокластеров, начиная от отдельных нанотрубок, обнаруживаемых при низких степенях заполнения (нанесение суспензии от 0.1 до 0.5 мкг/см2) до клубеньковых и петлевых структур с линейными размерами до 1.5 мкм (удельная концентрация УНТ 1-100 мкг/см2). Изменение морфологии поверхности с концентрацией суспензии УНТ носило континуальный характер и слабо зависело от присутствия в суспензии дополнительных стабилизирующих реагентов, применяемых обычно для диспергирования нанотрубок - нафиона, анионных ПАВ или ДНК. Вероятно, агрегация и распределение получаемых кластеров определяется исключительно концентрацией УНТ и скоростью испарения растворителя, в выбранных условия эксперимента постоянной. 


Модифицированные УНТ стеклоуглеродные электроды отличались высокой устойчивостью электрохимических характеристик и сохраняли особенности морфологии микрорельефа поверхности при длительном хранении в водных растворах и в сухом виде. Наилучшие результаты были получены при следующих условиях нанесения УНТ: суспензия 1 мкг/мл в ДМФА, объем аликвоты 2 мкл (площадь электрода 0.05 см2). После высушивания при комнатной температуре электрод выдерживали при 100-120оС в течение 2-4 часов. Оценка изменения удельной поверхности электрода при нанесении на него УНТ в указанных условиях по данным кулонометрических и импедиметрических измерений дала величину коэффициента шероховатости 2000. 


Электроды, модифицированные УНТ, использовали для электрополимеризации анилина из 0.2 М серной кислоты. Предварительно было изучено электрохимическое поведение на модифицированных электродах самого анилина и его смесей с фенотиазиновыми красителями и гидрохиноном. Установлено, что присутствие на поверхности электрода УНТ значительно увеличивает токи окисления указанных субстратов при относительном постоянстве потенциалов пика по сравнению с немодифицированным стеклоуглеродом. Так, первичный пик окисления анилина, регистрируемый на первом цикле сканирования потенциала при 1100 мВ отн. Ag/AgCl, увеличился по сравнению с немодифицированным электродом более чем в 100 раз. Последующее циклирование из того же раствора, как и в случае немодифицированного стеклоуглерода, приводило к подавлению данного пика при одновременном появлении сопряженных пиков окисления/восстановления лейко-эмеральдина и эмеральдина. Максимальные значения токов, регистрируемых при электрополимеризации, соотносятся с токами на немодифицированном электроде, в соответствии с найденными значениями коэффициента шероховатости. Таким образом, общая картина электрополимеризации анилина на электроде, модифицированном УНТ, и на немодифицированном стеклоуглеродном электроде, совпадала. Это согласуется с выдвинутым в литературе предположением, что УНТ оказывают электрокаталитическое действие преимущественно по сорбционному механизму, увеличивая поверхностную концентрацию деполяризатора, но не меняя механизма его электродной реакции. Значения токов пика сопряженного окислительно-восстановительного превращения форм полианилина достигали к десятому циклу 70-110 мА, что почти в 10 раз больше, чем токи окисления / восстановления на немодифицированном стеклоуглеродном электроде. Дополнительным преимуществом использования в качестве медиатора УНТ явилось снижение относительной величины пиков окисления/восстановления хиноидных продуктов, образующихся в результате побочной окислительной деградации растущей пленки полимера. При совместном присутствии в растворе анилина и фенотиазиновых красителей протекают конкурентные процессы сорбционного удерживания и электрополимеризации деполяризаторов. Так, было установлено, что метиленовый синий прочно удерживается на слое УНТ, сохраняя высокую обратимость электронного переноса и стабильность редокс-характеристик без дополнительного связывания в широком интервале рН. Для сорбции достаточно 10 минутного инкубирования электрода в 50 мкМ растворе метиленового синего. После этого обратимый окислительно-восстановительный пик метиленового синего проявлялся на вольтамперограммах, регистрированных в других фоновых электролитах, не содержащих его в растворе, в интервале рН 4 - 9 без тенденций к десорбции или электрополимеризации. При проведении электрополимеризации анилина поверх сорбированного метиленового синего последний сохранял редокс-активность даже в условиях, исключающих допирование полианилина (рН 6-9). Это принципиально отличает поведение системы анилин - метиленовый синий - УНТ от поведения гибридного покрытия полианилин - метиленовый синий на чистом стеклоуглеродном электроде. Как было показано ранее в рамках настоящего проекта, при последовательном нанесении фенотиазинов и анилина в условиях электрополимеризации последнего (рН < 3.0) электрохимическая активность получающегося гибридного покрытия определялась исключительно характеристиками самого полианилина и проявлялась только в достаточно кислых средах, когда полианилин присутствует в допированном состоянии и может участвовать как гетерогенный медиатор электронного переноса в окислении/восстановлении фенотиазиновых фрагментов слоя. В случае УНТ метиленовый синий сохранял высокую электрохимическую активность в составе поверхностного слоя, в том числе, в нейтральной и слабощелочной среде, когда сам полианилин электрохимически не активен. Микрорельеф поверхности покрытия полианилин - метиленовый синий - УНТ методом атомно-силовой микроскопии изучить не удалось, поскольку наносимые полимерные слои не меняли рельефа УНТ, отличающегося большой разнородностью и низкой воспроизводимостью размера кластеров. Увеличение числа циклов сканирования потенциала с 10 до 100 приводило к ослаблению наблюдаемого эффекта модификации. Это выражалось в снижении токов окисления/восстановления форм полианилина, потере сигнала метиленового синего, а также в сужении области допирования полианилина. Вероятно, это связано с частичным уменьшением коэффициента шероховатости покрытия в силу предпочтительного электроосаждения полимера в углублениях между кластерами модификатора, а также с возрастающим диффузионным сопротивлением переноса фенотиазинового красителя в нижние слои полимера. 


Разработанные полимерные покрытия УНТ - полианилин - метиленовый синий были использованы при конструировании биосенсоров на основе ферментов и нуклеиновых кислот. Присутствие УНТ улучшило условия иммобилизации биомолекул. По сравнению с электродами, покрытыми полианилином по традиционным технологиям, в присутствии УНТ возросла эффективность сорбционного удерживания в поверхностном слое белков и нуклеиновых кислот. Это выразилось в увеличении их удельной конентрации на поверхности сенсора (активности в случае ферментов). По сравнению с сорбционной иммобилизацией на полианилине поверхностная концентрация пероксидазы из хрена увеличилась в 15 раз (по данным спектрофотометрических измерений активрности в реакции с о-дианизидином), ДНК - более чем в 25 раз (по снижению концентрации в растворе). Присутствие полианилина поверх слоя УНТ увеличило скорость электронного переноса с активного центра пероксидазы, что позволило предложить безреагентный пероксидазный сенсор на пероксид водорода с улучшенными характеристиками устойчивости и расширенным интервалом определяемых концентраций (0.001-10 мкМ при рН 7.0). Также предложен иммуносенсор для определения антител к ДНК, в котором поверхностный слой УНТ - полианилин - метиленовый синий содержал 25-70 мкг/см2 ДНК из эритроцитов цыпленка и пероксидазу их хрена, иммобилизованную кросс-сшвкой глутаровым альдегидом. Сигналом служило изменение тока медиатора электронного переноса - метиленового синего, удерживаемого в полимерной матрице поверх слоя УНТ, нанесенного на стеклоуглеродный электрод, при внесении в раствор пероксида водорода. Иммуносенсор был апробирован на сыворотках крови больных системной красной волчанкой, содержащих высокоаффинные аутоиммунные антитела. Определены рабочие условия иммобилизации и состав поверхностного слоя биокомпонентов, обеспечивающие воспроизводимый сигнал иммуносенсора. Установлено соответствие сигнала результатам независимого тестирования сывороток с помощью стандартного теста ELISA со спектрофотометрической регистрацией сигнала. Также предложены потенциометрические способы измерения сигнала пероксидазного сенсора и иммуносенсора по изменению стационарного потенциала метиленового синего, включенного в полианилиновую матрицу. Показано, что присутствие полианилина и УНТ как матрицы для иммобилизации и как медиатора переноса электрона снижает время отклика и увеличивает обратимость редокс-потенциала по сравнению с аналогичными модельными системами на основе электрополимеризованного метиленового синего. Показана возможность использования потенциометрического принципа регистрации сигнала сенсора на основе гибридного покрытия УНТ - полианилин - метиленовый синий для обнаружения токсина вируса клещевого энцефалита. Сравнение сигнала со стандартным иммунотестом с визуальной индикацией показало 95% распознавание положительного и отрицательного контроля на стандартных образцах. 


Преимущества использования гибридных покрытий на основе полианилина, электрополимеризованного поверх УНТ, проявляются в достаточно узком интервале условий получения покрытия. К числу факторов, определяющих повышенную сорбционную емкость и обратимость окислительно-восстановительных реакций медиаторов, относятся высокая шероховатость первичного слоя УНТ и тесный контакт полимерных компонентов и УНТ. Так, при использовании для полимеризации 30-100 циклов сканирования потенциала происходило закономерное снижение массы иммобилизованного слоя белков в соответствии с изменением степени шероховатости покрытия и уменьшением удельной площади поверхности электрода. Снижение качества электрополимеризованного полианилина наблюдалось при включении в состав суспензии УНТ нафиона, полистиролсульфоната, анионных ПАВ (концентрация в суспензии 0.01-0.1 %). Хотя присутствие указанных соединений повышало стабильность суспензий, а в ряде случаев - позволяло снизить концентрацию органического растворителя или даже исключить его полностью, положительное влияние УНТ на характеристики электрополимеризованного полианилина как матрицы для иммобилизации биологических компонентов при этом ослаблялось. Кроме того, присутствие полианионных компонентов подавляло сорбционное включение в поверхностный слой мономерной формы метиленового синего и как следствие - снижало эффективность прямого электронного переноса с молекул белков с его участием.


Исключение составило проведение электрополимеризации анилина на электроде, модифицированном УНТ и ДНК. Присутствие ДНК значительно повышало устойчивость солевой формы полианилина - эмеральдина, что выразилось в формировании единого пика его окисления/восстановления на вольтамперограммах, а также в снижении концентрации ионов водорода, достаточной для инициирования и проведения электрополимеризации. Нанесение поверхностного слоя проводили, последовательно осаждая на поверхности электрода УНТ из их суспензии в ДМФА, сорбции метиленового синего и ДНК из их водных растворов и далее - циклировании потенциала сенсора в растворе анилина в серной кислоте. За счет интеркалирования (включения) метиленового синего в спираль ДНК сигнал его мономерной формы в полианилине не регистрировался, зато значительно увеличились токи окисления/восстановления продукта полимеризации и обратимость соответствующих редокс-превращений в присутствии высоко- и низкомолекулярных акцепторов электрона в растворе. Разработанное покрытие было использовано для определения соединений, способных вытеснять метиленовый синий из комплекса с ДНК. Так, антрациклиновые препараты рубомицин и доксорубицин, взаимодействуя с модифицированным сенсором, приводили к появлению на вольтамперограммах пика окисления метиленового синего, высвобождающегося из комплекса с ДНК в пределах полимерного слоя. Величина тока пика была пропорциональна концентрации антрациклиновых препаратов в микромолярном интервале их концентраций. По сравнению с аналогичной системой измерения с метиленовым синим, добавляемым в раствор, сенсор на основе гибридного покрытия УНТ - полианилин - ДНК - метиленовый синий демонстрировал более высокую чувствительность и более низкий предел обнаружения (10 нМ доксорубицина и 15 нМ рубомицина) при продолжительности измерения не более 20 мин. Таким образом, присутствие в поверхностном слое УНТ повысило чувствительность измерения и расширило интервал определяемых концентраций антрациклинов за счет более высокой емкости слоя в отношении комплекса ДНК - метиленовый синий, а следовательно более высокой концентрации деполяризатора, регистрируемого на электроде. Кроме того, улучшились метрологические характеристики сенсора (точность измерения при концентрации антрациклинов 0.1 мкМ для шести измерений на отдельных сенсорах 10.7%).


Изучено влияние диоксибензолов и аминофенолов на электрохимические характеристики полимерного слоя, получаемого в результате электрополимеризации при сканировании потенциала. Как показали эксперименты, результаты сополимеризации в значительной степени зависят от соотношения мономеров и природы добавок. Гидрохинон не участвует в полимеризации анилина, соответствующие токи окисления/восстановления практически совпадают со средней парой пиков на вольтамперограммах, регистрируемых в серной кислоте и относимых к продуктам окислительной деградации полианилина. Это не позволяет надежно разделить сигналы, однако сравнение с вольтамперограммами индивидуальных соединений говорит о том, что с 10-15% точностью происходит аддитивное сложение сигналов отдельных электрохимически активных компонентов. Отмывка полимерного слоя после полимеризации анилина полностью удаляет из него гидрохинон. Таким образом, в отличие от фенотиазинов, гидрохинон не захватывается в состав полимерной матрицы и не включается в полимерную цепь. Также не выявлено влияния гидрохинона на эффективность полимеризации собственно полианилина. Параметры обратимости электрохимических реакций покрытия, их рН-зависимость и величины токов пика практически не зависят от присутствия и концентрации гидрохинона в растворе для полимеризации. Единственным положительным итогом присутствия гидрохинона на стадии полимеризации является некоторое снижение фонового тока, регистрируемого при исследовании электрохимического поведения электрода, покрытого полианилином, в растворе, не содержащем анилина. Нами также не установлено влияния гидрохинона, добавляемого к анилину на стадии полимеризации, на электрокаталитические характеристики продукта полимеризации, в том числе, в реакциях переноса электрона с пероксидазы. 


Пирокатехин и резорцин в условиях окислительной полимеризации анилина оказались неустойчивы и склонны к быстрой олигомеризации, сопровождающейся блокированием поверхности электрода. По этой причине процессы электрополимеризации анилина в присутствии указанных соединений оказались менее эффективны, а результаты - слабо воспроизводимы. В большинстве случаев при соотношении концентраций диоксибензол : анилин = 1:20 и менее на вольтамперограммах наблюдались только пики полимеризации анилина, при этом в присутствии пирокатехина или резорцина наблюдалось быстрое увеличение фоновых токов в средней части вольтамперограммы, между пиками лейко-эмеральдина и эмеральдина. В результате к 3-4 циклу полимеризации пики окисления/восстановления лейко-эмеральдина и эмеральдина практически сливались с пиками хиноидных форм, образуя широкий горб неправильной формы. После окончания полимеризации и отмывки электрода модифицированный электрод не показал электрохимической активности в нейтральном и слабощелочном интервале рН и давал один размытый пик в области -0.1 ... 0.6 В - в кислой области. При более высоком содержании пирокатехина и резорцина относительно анилина пассивация наблюдалась непосредственно в процессе электрополимеризации. Абсолютные значения токов при этом снижались, электрод терял электрокаталитическую активность в реакции окисления гидрохинона, характерную для полианилина. О-аминофенол при электрополимеризации дает пару пиков окисления/восстановления, из которых одна в области потенциалов -0.2 ... 0.1 В практически обратима и располагается близко к аналогичному сопряженному пику полианилина. Вторая пара пиков располагается в области потенциалов 0.8-1.1 В. При первом цикле развертки образуются катион-радикалы обоих компонентов системы. На втором и последующих циклах сканирования данные пики подавляются. На вольтамперограммах видны закономерно увеличивающиеся четыре пары пиков, по порядку из катодной в анодную область: пик лейко-эмеральдина, аминофенола, хиноидных продуктов и эмеральдина. Соотношение пиков остается практически постоянным в течение всех циклов. В отличие от полимеризации только анилина в присутствии о-аминофенола значительно возрастают фоновые токи заряжения, особенно при недостаточной кислотности раствора. Наилучшие результаты были получены на в 0.2 М серной кислоте, как для полианилина, а в 0.4-0.6 М серной кислоте. Образующаяся пленка достаточно устойчива в кислой области рН. Однако при рН > 3 вместо пары катодных пиков наблюдается значительное уширенное плато в области потенциалов -0.1 ... - 0.4 В. Важной особенностью данного покрытия является его достаточно высокая активность в нейтральной и щелочной среде. Соответствующие значения токов при изменении рН с 3.0 до 8.0 снижаются на 30-35%, а при многократном циклировании при постоянном рН меняются не более чем на 0.1 % за цикл. Это в значительной степени лучше, чем поведение чистого полианилина, подверженного окислительной деградации при рН > 7.0. Сходным образом ведет себя м-аминофенол. В отличие от орто-изомера, при окислении он образует один, а не два анодных пика в области потенциалов около 0.6 В. Пик сохраняется в присутствии анилина, увеличиваясь и смещаясь к более анодным потенциалам до 0.8-0.9 В. Полимеризация приводит к образованию трех пар пиков, из которых один, по-видимому, относится к полимеру м-аминофенола (при 0.54 В). Отмывка образующегося продукта 
не приводит к изменению числа и относительной высоты пиков, что говорит о достаточной устойчивости полимерного слоя. При рН 4-6 на вольтамперограммах модифицированного электрода наблюдается один пик окисления/восстановления лейко-эмеральдина, широкое плато в области окисления хиноидных структур, а также уширенное катодное плато в близкой области потенциалов, аналогично о-аминофенолу. 


Рассмотрены особенности проведения полимеризации анилина и получения некоторых гибридных покрытий на его основе в зависимости от природы электродного материала. Для этого были выбраны и протестированы промышленно выпускаемые электроды из стеклоуглерода и пиролитического графита (BAS), электрод из стеклоуглерода СУ-2000 (НИИГрафит, г.Москва), а также ряд печатных графитовых электродов, изготовленных в России (ЗАО"Русенс", г.Москва, НПВП "Ива", г.Екатеринбург). Кроме того, были протестированы электроды, выпуск которых был налажен коллективом авторов в Казанском государственном университете на полуавтомате трафаретной печати DEC-248 (Англия). Наилучшие результаты были получены на электродах из стеклоуглерода и пиролитического графита, для которых электрохимические характеристики полианилина (потенциалы пиков, разность потенциалов сопряженных редокс-пиков окисления/восстановления форм полианилина, электрокаталитический эффект при окислении гидрохинона и феррицианидов), а также эффективность их использования как трансдьюсеров в составе биосенсоров, практически совпадали. Наилучшие снимки методом атомно-силовой микроскопии получены на пиролитическом графите, что связано с его более гладкой поверхностью и возможностью более точного разделения морфологии поверхности пирографит и осаждаемых модифицирующих слоев. Электрополимеризация на пирографите характеризовалась несколько лучшим разделением пиков и меньшими фоновыми токами по сравнению с аналогичными вольтамперограммами на стеклоуглероде. Однако эти различия слабо влияли на сорбционное концентрирование фенотиазинов, а также на образование гибридных покрытий полианилин - полифенотиазины, изученных на втором году выполнения проекта. Также близкими оказались параметры электронного переноса в генерировании сигналов биосенсоров на основе пероксидазы. Наибольшее влияние материала электрода зафиксировано для печатных электродов, выполненных на основе эпоксиграфитовой композиции на текстолитовой основе, печатных тонкопленочных электродов на основе лавсана и эпоксиграфита ("ИВА"), а также термоотверждаемых композиций производства ЗАО"Дельта-пасты" ("Русенс" и печатные электроды, производимые авторским коллективом). По сравнению со стеклоуглеродным и пирографитовым электродами, качество полианилина, синтезированного на печатных графитовых электродах, значительно ниже. Это выражается в меньшем наклоне рН-зависимости стационарного потенциала (50 и 35 мВ, соответственно), а также в значительной величине токов, отнесенных к продуктам окислительной деградации полианилина. При использовании планарных электродов, изготавливаемых по бессеребряной технологии из эпоксиграфитовых композиций ("ИВА", г.Екатеринбург), условия полимеризации анилина не отличались от использованных на стеклоуглероде. Полученные вольтамперограммы отличались более сглаженной формой основных пиков и высокими значениями фоновых токов, что связано, вероятно, с относительно высоким сопротивлением электродного вещества и значительной неоднородностью поверхности, тем более что особенности конструкции не допускали ее механической обработки. Тем не менее, все основные протоколы модификации, разработанные для стеклоуглерода, воспроизводимы и на планарных электродах, правда, с несколько худшими метрологическими характеристиками сигнала и меньшей эффективностью модификации. Это было показано на примере потенциометрических сенсоров для определения ионов серебра, включающих комплексы полианилин - тиакаликсарены. Параметры селективности определения ионов серебра по отношению к большинству других ионов были в пределах погрешности теми же, что и для сенсоров на основе стеклоуглеродных электродов. Однако нижняя граница определяемых содержаний Ag+ на тонкопленочных планарных электродах была почти на порядок величины выше. Тонкопленочные электроды, в которых графитовые дорожки печатались поверх серебряных пленочных токосъемников, оказались малопригодны для окислительной полимеризации анилина в сильнокислых средах, возможно, в силу частичного растворения резисторного слоя и серебряной подложки и/или взаимодействия серебра с полианилином. Полимеризацию проводили в присутствии допирующих агентов, таких как ДНК или нафион, позволивших повысить рН полимеризации до 3-4.5. Получены предварительные данные о возможности захвата в растущую пленку полимера белков и аминокислот, что открывает возможности для создания соответствующих сенсоров. Также показана возможность полимеризации анилина при меньших анодных потенциалах (0.6-0.8 В) в присутствии 0.02 М метиленового синего, инициирующего образование первичного катион-радикала анилина.

 

Степень новизны полученных результатов:
Несмотря на внимание, уделяемое электрохимическому синтезу полианилина, систематического исследования процессов получения гибридных покрытий на его основе не проводилось. Основное направление изучения влияния низкомолекулярных добавок на процессы электрополимеризации - это расширение области допирования полианилина, сопряженное с повышением его устойчивости в нейтральных и щелочных средах. Это связано с тем, что на сегодняшний день основное использование полианилина связано с измерением рН, а также с его электрохромными характеристиками [X.Zhang, B.Ogorev, J.Wang, Anal.Chim.Acta 452 (2002) 1-10]. Нами впервые исследовано влияние УНТ на процессы электрополимеризации анилина в присутствии фенотиазинов и установлен факт значительного повышения сорбционной емкости образующегося покрытия в отношении высоко- и низкомолекулярных соединений биологического значения, что позволило создать ряд сенсоров и биосенсоров с улучшенными аналитическими характеристиками. Впервые установлен нелинейный характер влияния полимеризации на удельную поверхность и шероховатость полианилинового слоя, полимеризуемого поверх УНТ, и на этой основе сформулированы подходы к регуляции электрохимических характеристик образующегося покрытия при варьировании числа циклов сканирования потенциала в процессе полимеризации. Разработаны протоколы нанесения гибридных покрытий на основе полианилина на электроды, модифицированные УНТ и метиленовым синим, отличающихся расширенной устойчивостью в нейтральной и слабощелочной области. Впервые предложено использовать электрокаталитические реакции полианилина для оптимизации условий нанесения гибридных покрытий и оценки изменения шероховатости в процессе электроосаждения электропроводящих слоев. Впервые проведено сравнительное изучение влияния непроводящих добавок (диоксибензолы и аминофенолы) на электрохимические характеристики полианилина и сформулированы факторы, определяющие обратимость электронного переноса и устойчивость соединений в различных условиях эксплуатации. Предложены новые иммуносенсоры на основе пероксидазной индикаторной реакции для определения аутоиммунных антител человека и токсина вируса клещевого энцефалита, в которых в качестве преобразователя сигнала использовали электроды, модифицированные гибридными покрытиями на основе полианилина и УНТ. Впервые предложено использовать в качестве шаблона и допирующего компонента комплексы ДНК - метиленовый синий и на этой основе определять лекарственные препараты - интеркаляторы, конкурирующие с метиленовым синим за центры связывания в гибридном покрытии.

 

Сопоставление полученных результатов с мировым уровнем:
Полианилин активно исследуется как компонент электрохимических и оптических сенсоров. Благодаря обратимости окислительно-восстановительных превращений различных форм полианилина и рН-зависимости его потенциала и оптических характеристик, полианилин является перспективным компонентом разнообразных сенсорных устройств, включая определение рН, аммиака [ZJin, Y.Su, Y.Duan, Sensors Actuators В 72 (2001) 75-79], аскорбиновой кислоты [J J.Xu, D.M.Zhou, H.Y.Chen, Fresenius J.Anal.Chem. 362 (1998) 234-238], диоксида азота [J.-Sh.Do, W.-B.Chang, Sensors Actuators В 101 (2004) 97-106], ряда других соединений. Главным недостатком полианилина является относительно узкий интервал электропроводности и низкая устойчивость в нейтральной и щелочной среде. Для расширения операционных характеристик в состав полианилина вводят анионные и кислотные фрагменты - фенилантраниловую кислоту, ДНК, нафион [Y. Shao, Y. Jin, S. Dong, Electrochem.Commun. 4 (2002) 773-779; R. Mazeikiene, A.Malinauskas, Materials Chem. Phys. 83 (2004) 184-192; P.Nickels,W.U.Dittmer, S.Beyer, J.P.Kotthaus, F.C.Simmel, Nanotechnology 15 (2004) 1524-1529.]. С той же целью исследовали влияние на процессы полимеризации УНТ, которые вводили в раствор для полимеризации таким образом, что образование полимера происходило на поверхности УНТ как шаблонах полимеризации. Для этого в суспензию УНТ в растворе анилина в сильных минеральных кислотах вводили окислитель - персульфат или бихромат [Z.Wei, M.Wan, T.Lin, L.Dai, Adv.Mater. 15 (2003) 136-139; H.Zengin, W.Zhou, J.Jin, R.Czerw, D.W.Smith, L.Echegoyen, D.L.Carroll,S.H.Foulger, J.Ballato, Adv.Mater. 14 (2003) 1480-1483.]. Установлена возможность формирования комплексов, в которых образующийся полианилин располагается на поверхности УНТ, образуя "нанонити" длиной до десятков мкм [J.Huang, X.Li, J. Xu, H. Li, Carbon 41 (2003) 2731-2736; J.Huang, X.Li, J. Xu, H. Li, Carbon 41 (2003) 2731-2736; X. Li , B.Wu, J. Huang, J.Zhang, Z.Liu, H.Li, Carbon 411 (2002) 1645-1687]. Недостатком указанных исследований является невозможность переноса установленных закономерностей на условия электрохимического синтеза полианилина, поскольку в них процессы формирования полимера происходят в отсутствие диффузионных ограничений, свойственным электродным реакциям. Кроме того, в ряде исследований композитных пленок осаждение полианилина проводили непосредственно на субстрате, используемом для синтеза УНТ, что исключает механические повреждения композитов и повышает однородность образующихся покрытий. Среди композитных покрытий на основе анилина и окисляющихся ароматических соединений описаны только сополимеры анилина с о-аминофенолом [S.Mu, Electrochimica Acta 51 (2006) 3434-3440]. Электрокаталитическое свойства композитов полианилин - многослойные УНТ были установлены только для определения пероксида водорода [P. Santhosh, K.M. Manesh, A. Gopalan, K.-P. Lee, Anal.Chim.Acta 575 (2006) 32-38.]. По сравнению с описанными в литературе пероксидазными сенсорами на основе электродов, покрытых полианилином [T.Tatsuma, T.Pgawa, R.Sato, N.Oyama, J.EIectroanal.Chem. 501 (2001) 180-185; N.G.R. Mathebe, A.Morrin, E.I.Iwuoha, Talanta 64 (2004) 115-120; E.I.Iwuoha, D.S.Villaverde, P.Garcia, M.R.Smyth, J. M. Pingarron, Biosens.Bioelectron. 12 (1997) 749-761], расширен перечень определяемых соединений и интервал определяемых концентраций. По сравнению с описанным в литературе пероксидазным сенсором на основе электрода, модифицированного полианилином и УНТ [X.Luo, A.J. Killard, A. Morrin, M.R. Smyth, Anal. Chim. Acta 575 (2006) 39-44.], использование в составе полимерного слоя мономерной формы метиленового синего позволило исключить необходимость во втором субстрате фермента. Кроме того, удалось значительно увеличить время жизни пероксидазного сенсора.
Использование гибридных покрытий (сополимеров), включающих полианилин, в составе химических и биохимических сенсоров пока не описано. Также отсутствуют в литературе данные о сравнительных характеристиках полианилина, получаемого на различных углеродных материалах. Таким образом, полученные в течение третьего года выполнения проекта результаты соответствуют основным мировым тенденциям развития химических и биохимических сенсоров на основе полианилина и расширяют представления о возможностях полианилина как модификатора преобразователей сигнала, используемых в их конструкции.

 

Методы и подходы, использованные в ходе выполнения проекта:
Анилин и фенотиазиновые красители полимеризовали путем циклирования потенциала в серной кислоте и фосфатном буферном растворе, соответственно. Электрохимические измерения проводили с помощью компьютеризированных вольтамперографов AUTOLAB PGSTAT 302 (Голландия), BAS CV-51W (США) и Экотест-ВА ("Эконикс-Эксперт", Москва). Модифицирующие компоненты добавляли в раствор или наносили на электрод до проведения электрополимеризации анилина. Морфологию поверхности образующегося покрытия изучали с помощью атомно-силовой микроскопии (микроскоп "Solver", НТД, Зеленоград). Интегрирование циклических вольтамперограмм проводили с помощью программного обеспечения GPES на вольтамперографе AUTOLAB PGSTAT 302, измерение электрохимического импеданса - с помощью блока FRA того же прибора. Получение покрытия электрода УНТ проводили после солюбилизации нанотрубок в азотной кислоте под действием ультразвука. Иммобилизацию пероксидазы в составе ферментного сенсора проводили путем электростатической сорбции. Иммобилизацию пероксидазы, ДНК и специфических антител к токсину вируса клещевого энцефалита в составе ДНК- и иммуносенсоров проводили методом физической адсорбции и ковалентной сшивки глутаровым альдегидом. К числу оригинальных относятся методики получения покрытий полианилина с включенными мономерными формами фенотиазиновых красителей, способы полимеризации анилина в присутствии комплексов ДНК - метиленовый синий, а также условия полимеризации анилина на печатных графитовых электродах в присутствии инициаторов полимеризации.