СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СЕНСОРНОГО МАТЕРИАЛА И СЕНСОРА НА ЕГО ОСНОВЕ Российский патент 2019 года по МПК G01N27/26 

Область техники

Изобретение относится к электрохимическим методам анализа, биохимии, аналитической химии, химии высокомолекулярных соединений, сенсорным системам и медицинской диагностике.

Уровень техники

Сахара и многие гидроксикислоты являются важнейшими метаболитами человеческого организма, в связи с чем определение концентрации этих соединений или их производных в физиологических жидкостях необходимо для целей медицинской диагностики. Кроме того, эти вещества активно участвуют в метаболизме микроорганизмов, что обуславливает интерес к их детекции в пищевых продуктах, являющихся продуктами брожения, и в целях микробиологии.

Для анализа объектов, содержащих сахара и гидроксикислоты, широко используются электрохимические биосенсоры, представляющие собой устройства, позволяющие переводить информацию о содержании аналита в объекте в электрический сигнал [Карякин А.А., Карякина Е.Е., Проблемы аналитической химии. Т. 12, «Наука», 2010]. Наиболее распространенными являются биосенсоры на основе ферментов оксидаз. Фермент оксидаза окисляет специфический аналит, в результате чего в качестве побочного продукта образуется пероксид водорода (в эквимолярном количестве), который определяют по реакции восстановления, используя различные катализаторы, иммобилизованные на поверхности электрода. Концентрацию исходного аналита, определяют по сигналу восстановления пероксида водорода. Биосенсоры обладают высокой чувствительностью и селективностью, которые определяются двумя процессами: специфического биоузнавания целевого аналита и электровосстановления пероксида водорода. Однако основным недостатком биосенсоров являются ограниченные условия их хранения и использования, а также низкая стабильность таких устройств, поскольку биологический материал (ферменты, антитела и др.) быстро денатурирует и, соответственно, инактивирует сенсор. В связи с чем, использование биосенсоров на практике сильно ограничено.

Сенсоры на основе синтетических рецепторов (молекул небиологического происхождения) при ограниченных чувствительности и селективности обладают высокой стабильностью при хранении на воздухе при комнатной температуре. Кроме того, синтез таких сенсорных материалов не требует дорогостоящих реагентов, и, благодаря невысокой афинности, сенсоры на их основе можно регенерировать и использовать многократно [Mirsky V.M., Yatsimirsky А.K., Artificial Receptors for Chemical Sensors. WILEY-VCH, 2011]. Таким образом, в настоящее время поиску синтетических сенсорных материалов уделяется большое внимание.

Среди синтетических рецепторов, используемых для изготовления сенсоров, особое место занимают фенилборные кислоты, способные селективно и обратимо связываться с сахарами и гидроксикислотами с образованием устойчивых циклических боронатных эфиров [ М.А., Villamil-Ramos R., Guerrero-Alvarez J.A., Yatsimirsky A.K., Anal. Chem., V. 78, 2013, p. 4674-4684]. Включение борных функциональных групп в структуру проводящих полимеров, например полианилина, позволяет получать высокоэффективные синтетические материалы для создания электрохимических сенсоров для определения концентраций Сахаров и оксикислот.

В патенте Фройнда и др. [«Sensors and sensing methods for detecting analytes based on changes in pKa of a sensing polymer», US 6797152] описано применение сенсоров на основе поли(3-аминофенилборной кислоты), синтезированной электрохимически на поверхности электродов, для определения концентрации Сахаров потенциометрическим методом. Скачок потенциала, возникающий в присутствии аналита, функционально связывают с его концентрацией. Чувствительность и селективность предложенного метода анализа во много раз ниже по сравнению с другими известными устройствами для определения Сахаров. Аналитический сигнал авторы связывают с изменением pK_a функциональных групп полимера. Однако изменение константы кислотности полимера происходит также и в случае неспецифических взаимодействий (сдвиг рН, деградация полимера и др.), поэтому в случае анализа реальных объектов нельзя точно установить, чем вызван аналитический сигнал.

В статье Фройнда и др. [Deore В., Freund M.S., Analyst, V. 128, 2003, p. 803-806] раскрыт способ увеличения селективности и чувствительности сенсора по отношению к фруктозе и глюкозе за счет метода молекулярного импринтинга. При этом в процессе полимеризации чувствительного слоя сенсора в реакционную смесь добавляли фруктозу и глюкозу соответственно. Проблема указанного способа заключается в том, что синтез полимера осуществляется при рН 1÷3, а связывание борных групп с сахарами, приводящее к формированию молекулярных отпечатков, происходит при рН > 6. Таким образом, в условиях синтеза полимера использование глюкозы и фруктозы в качестве молекул-темплатов малоэффективно. Этот факт подтверждает слабое увеличение чувствительности (на 20%), что может быть связано не с добавлением темплатов, а изменением условий синтеза полимера (рН реакционной смеси, электрохимические параметры, соотношение реагентов).

Наиболее близким по совокупности существенных признаков является способ создания сенсора, опубликованный в статье Андреева Е.А. и др. [Andreyev Egor А., Komkova Maria A., Nikitina Vita N., Zaryanov Nikolay V., Voronin Oleg G., Karyakina Elena E., Yatsimirsky Anatoly K., Karyakin Arkady A. // Anal. Chem., V. 86. 2014, p. 11690-11695]. В качестве сенсора использовался электрод, модифицированный поли-АФБК, для определения оксикислот и Сахаров. Синтез полимера на поверхности электрода осуществляли электрополимеризацией в потенциодинамическом режиме в присутствии фторид-ионов, создавая тем самым условия для формирования проводящей поверхности. Селективность сенсора обеспечивалась его проводимостью - специфические взаимодействия сопровождались увеличением проводимости, а неспецифические (деградация полимера, блокировка полимерного слоя) - увеличением сопротивления. Однако такой сенсор имеет ограниченное применение, поскольку невозможно детектировать один аналит в присутствии других, поскольку сенсор обладает свойством реагировать на любые соединения, содержащие диольные фрагменты. При этом чувствительность, избирательность и селективность сенсора среди этого класса соединений низкая.

Раскрытие изобретения

Задачей заявленного изобретения является разработка способа изготовления сенсорного материала на основе поли-АФБК путем молекулярного импринтинга (создания молекулярных отпечатков) гидроксикислотами боронат-замещенного полианилина и разработка сенсора на его основе, обладающего улучшенными аналитическими характеристиками для определения гидроксикислот и сахаров.

Поставленная задача решается заявляемым способом получения (синтеза) сенсорного материала на основе проводящего боронат-замещенного полианилина для определения концентрации сахаров и гидроксикислот, включающий электрополимеризацию с постоянным увеличением тока окисления мономера при величине анодного потенциала, обеспечивающего его окисление, из раствора 3-аминофенилборной кислоты, содержащего гидроксикислоту, способную связываться с борной группой мономера, с получением проводящего полимера поли(3-аминофенилборной кислоты), характеризующегося свойством уменьшения сопротивления при взаимодействии с сахарами и гидроксикислотами, при этом рН раствора соответствует отрицательному логарифму константы кислотности (pK_a) гидроксикислоты с допустимой величиной отклонения 1 от нее.

Предпочтительно в качестве гидроксикислот использовать водорастворимые карбоновые кислоты, содержащие гидроксильную группу в α- или β- положении.

Предпочтительно, когда концентрация мономера в растворе составляет 0,05÷0,15 М, а концентрация гидроксикислоты - 0,10÷0,9 М.

Поставленная задача также решается способом изготовления сенсора путем синтеза вышеуказанного сенсорного материала 1 на поверхности электрода.

Техническим результатом данного решения является то, что полимеры 3-аминофенилборной кислоты, синтезированные в присутствии гидроксикислот, выступающих в роли молекул-темплатов, обладают проводящей структурой и демонстрируют обратимое увеличение проводимости (а не увеличение сопротивления) при взаимодействии с сахарами и гидроксикислотами. Такое свойство сенсорных материалов характеризует высокую селективность, поскольку аналитический отклик будут генерировать только специфические взаимодействия с анилитом, в то время как неспецифические взаимодействия, деградация полимерного слоя и блокировка поверхности материала приводят к увеличению сопротивления. Кроме того, сенсоры на основе синтезированных полимеров обладают повышенной селективностью и чувствительностью для определения концентрации структурных аналогов темплатирующих агентов (или самих молекул-темплатов), в присутствии которых они были синтезированы. Селективность также обеспечивается проводящими свойствами полимеров, так как направленность отклика в сторону увеличения проводимости (за счет специфических взаимодействий с аналитом) позволяет отличить полезный сигнал от мешающего (деградация полимерной пленки, неспецифические взаимодействия, блокировка чувствительного слоя).

Таким образом, использование сенсоров на основе проводящих полимеров аминофенилборных кислот с молекулярными отпечатками гидроксикислот позволяет проводить чувствительный и селективный анализ без комплексной пробоподготовки, а также обеспечивает минимальные затраты на изготовление и проведения анализа благодаря высокой стабильности и возможности многократного использования.

Краткое описание чертежей

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг. 1 представлена циклическая вольтамперограмма электрополимеризации 3-АФБК в присутствии гидроксикислоты (в качестве примера, молочная кислота) на поверхности стеклоуглеродных электродов в потенциодинамическом режиме. Стрелками показан рост тока с каждым новым циклом электросинтеза.

На фиг. 2 показана циклическая вольтамперограмма стеклоуглеродных электродов, модифицированных поли-3-АФБК с молекулярными отпечатками гидроксикислот (в качестве примера, молочной кислоты) в растворе 0,1М KCl, 0,1М HCl (рН 1,2).

На фиг. 3 показаны спектры электрохимического импеданса стеклоуглеродных электродов, модифицированных поли(АФБК) с молекулярными отпечатками гидроксикислоты (в качестве примера, молочная кислота), в буферных растворах (в качестве примера, рН 6,0), не содержащем аналит в присутствии аналита в отсутствии аналита после проведения анализа результат аппроксимации в соответствии с эквивалентной электрической схемой (на вставке)

На фиг. 4 показан пример оптимизации условий синтеза полимера 3-АФБК в присутствии гидроксикислоты (в качестве примера, молочная кислота): на графике изображена зависимость тока окисления/восстановления из циклической вольтамперограммы (фиг. 2) от рН раствора и соотношения мономер/гидроксикислота в реакционной смеси. Оптимальным условиям соответствует максимум на зависимости.

Осуществление изобретения

Синтез боронат-замещенного полианилина (сенсорного материала) на поверхности электродов проводят в присутствии молекул-темплатов, в качестве которых выступают гидроксикислоты. оптимальных условий электрополимеризации. Оптимальные условия проведения электрополимеризации (концентрации компонентов реакционной смеси, электрохимические параметры электрополимеризации) подбираются таким образом, чтобы электрополимеризация протекала с постоянным увеличением тока окисления мономера (аминофенилборной кислоты) при фиксированном потенциале, и чтобы достигалась максимальная скорость роста полимера. В этих условиях формируется проводящая полимерная структура, характеризующаяся свойством увеличения проводимости при взаимодействии с сахарами и гидроксикислотами.

В качестве мономера (аминофенилборной кислоты) для осуществления заявляемого способа необходимо использовать 3-аминофенилборную кислоту. В качестве гидроксикислот можно использовать любые α-, β-гидроксикислоты, которые могут связываться в комплекс с борными группами. Гидроксикислоты нужно выбирать таким образом, чтобы их структура или их фрагмент (функциональные группы) были схожи с целевым аналитом (или его фрагментом). Параметрами для выбора гидроксикислот служат: количество реакционных центров, способных связываться с борной группой, размер молекул, размер цикла, который образуется при связывании, функциональные группы.

Синтезированный на поверхности электрода полимер имеет проводящую структуру, в частности демонстрирует окислительно-восстановительные свойства, схожие с проводящим полианилином (на циклической вольтамперограмме при рН < 2 должно наблюдаться две пары пиков редокс-активности) и спектры электрохимического импеданса, характерные для проводящих полимеров (полуокружность в высокочастотной области и прямая в низкочастотной области, аппроксимация спектров при помощи модели Рэндлса).

Сенсоры для определения концентрации Сахаров или гидроксикислот на основе проводящих полимеров 3-аминофенилборных кислот с молекулярными отпечатками изготавливают, модифицируя поверхность электродов в процессе электрохимического синтеза.

Электрохимический синтез проводящих полимеров на поверхности электродов проводят в электрохимической ячейке путем погружения рабочего электрода, электрода сравнения и вспомогательного электрода в реакционную смесь, находящуюся в ячейке и содержащую мономер и молекулу-темплата, и подключения электродов ячейки к прибору (потенциостату/гальваностату) и запуска выбранного электрохимического режима (потенциодинамический, потенциостатический, гальваностатический) с заданными параметрами. Также возможно проведение синтеза полимера по двух электродной схеме.

Условия синтеза проводящего полимера 3-аминофенилборной кислоты подбираются таким образом, чтобы не производить переокисление полимера, ведущее к потере проводимости (снижение тока окисления мономера с каждым новым циклом электрополимеризации при высоких анодных потенциалах), при этом достигая максимально возможной скорости формирования полимерного покрытия [Cosnier S., Karyakin А.А., Electropolymerization: Concepts, Materials and Applications. WILEY-VCH, 2010]. Потенциодинамическая полимеризация с линейной разверткой потенциала позволяет гибко варьировать скорость полимеризации (задавая скорость развертки в диапазоне 20÷100 мВ/с и верхний анодный потенциал в интервале от 0,7 В, соответствующему началу окисления мономера, до 1,2 В, соответствующему сильному переокислению и деградации полимера; потенциалы задаются относительно хлоридсеребряного электрода) и толщину формирующейся пленки (задавая количество циклов развертки потенциала, в зависимости от подложки, электрополимеризация может проводиться в течение 5-30 циклов) (фиг. 1). Электрополимеризацию 3-аминофенилборной кислоты (0,05÷0,15 М) проводят в растворе с рН с допустимой величиной отклонения от величины константы кислотности гидроксикислоты до 1. Этот раствор также содержит избыток гидроксикислоты (берется соотношение концентраций мономер/гидроксикислота 1/Х, Х=1÷6, в зависимости от конкретной гидроксикислоты), выступающей в качестве темплатирующего агента. Величина X подбирается таким образом, чтобы достигалась максимальная скорость роста полимерной (наибольшая величина пиков на циклической вольтамперограмме, фиг. 4) проводящей (увеличение тока окисления при высоких анодных потенциалах, фиг. 1 - показано стрелкой) структуры. Поскольку полимеризация производных полианилина протекает по катион-радикальному механизму с последующей электрофильной атакой молекул мономера, то наличие в реакционной смеси гидроксикислот обязательно не только для формирования молекулярных отпечатков, но и создания согласованной ориентации заместителей в бензольном кольце мономера, с целью формирования линейного и проводящего полианилина.

В качестве мономера может быть использована только 3-аминофенилборная кислота.

В качестве гидроксикислот для осуществления электрополимеризации могут быть использованы водорастворимые карбоновые кислоты, содержащие гидроксильную группу в α- или β- положении, способные связываться с борной группой. Технический результат, заключающийся в улучшении аналитических характеристик сенсора, будет достигаться в присутствии любой гидроксикислоты, способной связываться с борной группой в реакционной смеси. Однако оптимальный результат будет достигаться, если гидроксикислота выбрана таким образом, чтобы ее структура или фрагмент (функциональные группы) были схожи с целевым аналитом (или его фрагментом). Параметрами для выбора гидроксикислот служат: количество реакционных центров (количество диольных фрагментов), способных связываться с борной группой, размер молекул (длина углеродного скелета молекулы), стерическая и электронная конфигурация функциональных групп (заряд, гибридизация, стереоизомерия), размер цикла (5 или 6, в зависимости от величины диольного фрагмента), который образуется при связывании.

Для определения α-гидроксикислот структурными аналогами являются гидроксикислоты, формирующие пятичленный цикл в процессе связывания с борной кислотой в реакционной смеси. Для β-гидроксикислот структурными аналогами являются гидроксикислоты, формирующие шестичленный цикл в процессе связывания с борной кислотой в реакционной смеси.

Для определения сахаров структурными аналогами являются гидроксикислоты, формирующие цикл при связывании с борной кислотой в реакционной смеси такой же размерности, как и сам сахар при условиях его детектирования. Если сахар имеет несколько (2 или 3) центра связывания (цис-диольных фрагмента), то нужно использовать многоосновную гидроксикислоту (2-ух или 3-ех основную).

Соотношение концентраций гидроксикислот и мономера подбирается таким образом, чтобы, во-первых, формировалась проводящая полимерная структура (фиг. 1), во-вторых, достигалась максимальная скорость роста полимера (фиг. 4), в-третьих, достигались наилучшие аналитические характеристики определения целевого аналита.

Значение рН реакционной смеси должно соответствовать значению константы кислотности гидроксикислоты, с допустимой величиной отклонения 1. Создание такого значения рН водного раствора возможно любым известным из уровня техники способом (например, создание буферных смесей, использование кислот и др.).

О формировании необходимой полианилиновой структуры судили по циклическим вольтамперограммам полученных модифицированных электродов в растворе электролита с кислым значением рН (рН < 2), на которых наблюдается две пары пиков редокс-активности полимера (фиг. 2).

В качестве электрода для создания сенсора может быть использована проводящая поверхность любой формы и конструкции (планарная, торцевая, взаимопроникающая и др.), а также любого материала (золото, стеклоуглерод, графит и др.).

Проводящие свойства синтезированных на поверхности электрода полимерных пленок с молекулярными отпечатками исследовали методом спектроскопии электрохимического импеданса. Спектры электрохимического импеданса регистрируют в диапазоне частот от 10 кГц до 1 Гц с амплитудой наложенного напряжения 5 мВ в буферных растворах рН 6,0÷7,0. В качестве буферных растворов подойдут любые буферные системы, создающие и удерживающие необходимое значение рН. Спектры импеданса представляют собой трехмерные графики зависимостей мнимой и действительной частей импеданса от частоты. Для последующего анализа и определения проводимости полимеров аминофенилборных кислот удобно представить выходные данные (спектры) в координатах Найквиста, в виде проекции на плоскость при фиксированных частотах (фиг. 3).

Аппроксимацию полученных спектров импеданса проводят в соответствии с эквивалентной электрической схемой с диффузионным импедансом (фиг. 3, вставка). При введении аналита в ячейку, содержащую фоновый буферный раствор, диаметр высокочастотного полукруга, соответствующий сопротивлению переносу заряда в полимерной пленке (R_p на электрической схеме) уменьшается. Уменьшение величины этого сопротивления свидетельствует об увеличении проводимости полимерной пленки при взаимодействии полимера с аналитами. Наблюдаемый отклик системы, приводящий к увеличению проводимости полимерной пленки, является полностью обратимым, что также представлено на фиг. 3. После регистрации уменьшения проводимости в присутствии аналита раствор заменяют на фоновый буферный раствор, не содержащий аналита, и сопротивление полимера возвращается к исходному значению, а спектр импеданса, в свою очередь, к своему первоначальному виду.

Для количественной оценки концентрации аналита в растворе удобно использовать метод калибровочного графика. Градуировочные кривые при использовании метода спектроскопии электрохимического импеданса представляют собой нелинейные убывающие зависимости относительного изменения сопротивления от концентрации аналита.

При этом регистрацию аналитического сигнала можно осуществлять не только методом спектроскопии электрохимического импеданса (по уменьшению сопротивления полимера), но и методами амперометрии и потенциометрии. В этом случае аналитическим сигналом будут служить ток и потенциал, соответственно, а градуировочные зависимости будут представлять собой нелинейные возрастающие функции.

Важно, что сенсор на основе полимера, синтезированного в присутствии данной гидроксикислоты, будет демонстрировать повышенную чувствительность и селективность к ней и ее структурным аналогам на фоне понижения чувствительности и селективности к другим соединения. Количественно такое улучшение аналитических характеристик может представляться величиной коэффициентов чувствительности и наблюдаемых констант связывания.

Пример 1.

Сенсор для определения концентрации сахаров и гидроксикислот на основе проводящего полимера, с молекулярными отпечатками молочной кислоты.

В качестве молекулы-темплата выбрана молочная кислота. В качестве целевого аналита - лактат-ион (соль молочной кислоты). Выбор молекулы-темплата обусловлен тем, что молочная кислота может связываться с борной группой мономера в реакционной смеси, что позволяет создавать молекулярные отпечатки идентичные по форме в сравнении с целевым аналитом.

Электрополимеризацию 3-аминофенилборной кислоты (3-АФБК) (0,15 М) проводили в трехэлектродной электрохимической ячейке с разделенным пространством рабочего электрода, электрода сравнения и вспомогательного электрода в режиме циклической вольтамперометрии из раствора, содержащего 0,2 М H₂SO₄ и 0,75 М лактата калия, на стеклоуглеродном электроде в диапазоне потенциалов от 0,0 В до 0,9 В относительно хлоридсеребряного электрода сравнения со скоростью развертки 40 мВ/с в течение 7 циклов.

В качестве метода регистрации аналитического сигнала использовали метод спектроскопии электрохимического импеданса. Для регистрации спектров электрохимического импеданса электродов модифицированных проводящей поли(аминофенилборной кислотой) использовали трехэлектродную ячейку с разделенным пространством рабочего электрода и электрода сравнения. В качестве вспомогательного электрода использовали платиновую сетку цилиндрической формы, коаксиальную рабочему электроду. Спектры электрохимического импеданса регистрировали в фоновом 50 мМ фосфатном буферном растворе (KH₂PO₄, K₂HPO₄), рН 6,0, содержащем 0,1 М KCl (для поддержания ионной силы), в диапазоне частот от 10 кГц до 1 Гц, амплитуда наложенного напряжения составляла 5 мВ (точки типа «треугольник» на фиг. 3). Затем в ячейку вводили водные растворы лактата различной концентрации (0,5 мМ - 50 мМ) и снова регистрировали спектры импеданса (точки типа «круг» на фиг. 3). Затем, после проведения определения, буферный раствор в ячейке, содержащий лактат, заменили на исходный буферный раствор, не содержащий гидроксикислоту, и снова записывали спектры импеданса. Конечный спектр представлен на фиг. 3 точками типа «квадрат». Видно, что спектр импеданса, записанный после проведения определения лактата, возвращается к своему первоначальному виду, что говорит об обратимости процесса связывания сахара с полимерной пленкой.

Аппроксимацию полученных спектров импеданса проводили в соответствии с эквивалентной электрической схемой с диффузионным импедансом (фиг. 3, вставка). На фиг. 3 точками представлены экспериментальные данные, а прямые - есть результат их аппроксимации по приведенной схеме. Исходя из результатов аппроксимации, для всех полученных спектров были рассчитаны значения сопротивления переносу заряда в полимерной пленке (R_п на схеме на фиг. 3.), соответствующие диаметру высокочастотного полукруга на спектрах импеданса, представленных в координатах Найквиста на фиг. 3. Значения сопротивлений с учетом погрешностей аппроксимации приведены в табл. 1.

Из табл. 1. видно, что сенсор обладает высокой селективностью, так как специфические взаимодействия с аналитом приводят к понижению сопротивления.

Таким образом, создавая различные концентрации аналита (лактата) в ячейке и регистрируя спектры импеданса, можно получить градуировочные зависимости сенсора (сопротивления от концентрации), из которых можно определить аналитические характеристики.

Из табл. 2 видно, что сенсор на основе полимера с молекулярными отпечатками лактата, характеризуется увеличением чувствительности и наблюдаемой константы связывания, по сравнению с сенсором на основе полимера, синтезированного в отсутствии темплатирующих агентов (выбранного в качестве прототипа).

Пример 2.

Сенсор для определения концентрации Сахаров и гидроксикислот на основе проводящего полимера, с молекулярными отпечатками винной кислоты.

В качестве молекулы-темплата выбрана винная кислота, в качестве целевого аналита - фруктоза. Выбор молекулы-темплата обусловлен тем, фруктоза содержит два г/ис-диольных фрагмента, то есть два реакционных центра, а винная кислота является двухосновной, то есть также содержит два центра связывания с борной группой. Кроме того, при сопоставлении структуры фруктозы (ациклической формы) и структуры тартрата (соль винной кислоты) наблюдается их сходство по размеру углеродного скелета и функциональным группам.

Электрополимеризацию 3-аминофенилборной кислоты (3-АФБК) (0,1 М) проводили аналогично примеру 1 из раствора, содержащего 0,15 М H₂SO₄ и 0,5 М тартрата натрия, на стеклоуглеродном электроде в диапазоне потенциалов от 0,0 В до 0,8 В относительно хлоридсеребряного электрода сравнения со скоростью развертки 40 мВ/с в течение 10 циклов.

В качестве метода регистрации аналитического сигнала использовали метод спектроскопии электрохимического импеданса. Регистрация проводилась аналогично методике, описанной в примере 1.

Сенсор также демонстрирует обратимое увеличение проводимости в присутствии аналита при рН 7,0. В данном случае в качестве определяемого соединения была выбрана фруктоза, так как количество реакционных центров винной кислоты (двухосновная кислота) соответствует количеству центров связывания у фруктозы.

Из табл. 3 видно, что в случае сенсора на основе полимера с молекулярными отпечатками тартрата также наблюдается улучшение аналитических характеристик определения концентрации фруктозы.

Пример 3.

Сенсор для определения концентрации сахаров и гидроксикислот на основе проводящего полимера, с молекулярными отпечатками лимонной кислоты.

В качестве молекулы-темплата выбрана трехосновная лимонная кислота, в качестве целевого аналита выбрана глюкоза. Выбор молекулы-темплата обусловлен тем, что глюкоза содержит три умс-диольных фрагмента, то есть три реакционных центра, а лимонная кислота является трехосновной, то есть также содержит три центра связывания с борной группой. Кроме того, при сопоставлении структуры глюкозы (ациклической формы) и структуры цитрата наблюдается их сходство по функциональным группам.

Электрополимеризацию 3-аминофенилборной кислоты (3-АФБК) (0,05 М) проводили аналогично примеру 1 из раствора, содержащего 0,1 М H₂SO₄ и 0,10 М цитрата натрия, на стеклоуглеродном электроде в диапазоне потенциалов от 0,0 В до 0,9 В относительно хлоридсеребряного электрода сравнения со скоростью развертки 40 мВ/с в течение 10 циклов.

В качестве метода регистрации аналитического сигнала использовали метод спектроскопии электрохимического импеданса. Регистрация проводилась аналогично методике, описанной в примере 1.

Сенсор также демонстрирует обратимое увеличение проводимости в присутствии аналита при рН 7,0. В данном случае в качестве определяемого соединения была выбрана глюкоза, так как количество реакционных центров лимонной кислоты (трехосновная кислота) соответствует количеству центров связывания у глюкозы.

Из табл. 4 видно, что в случае сенсора на основе полимера с молекулярными отпечатками тартрата также наблюдается улучшение аналитических характеристик определения концентрации глюкозы.

Пример 4.

Сенсор для амперометрического определения концентрации Сахаров и гидроксикислот на основе проводящего полимера, с молекулярными отпечатками молочной кислоты.

В качестве молекулы-темплата выбрана молочная кислота. В качестве целевого аналита - лактат-ион (соль молочной кислоты).

Электрополимеризацию 3-аминофенилборной кислоты (3-АФБК) (0,15 М) проводили в трехэлектродной электрохимической ячейке с разделенным пространством рабочего электрода, электрода сравнения и вспомогательного электрода в режиме циклической вольтамперометрии из раствора, содержащего 0,3 М H₂SO₄ и 0,9 М лактата калия, на планарном графитовом электроде в диапазоне потенциалов от 0,0 В до 0,85 В относительно хлоридсеребряного электрода сравнения со скоростью развертки 40 мВ/с в течение 15 циклов.

В качестве метода регистрации аналитического сигнала выбрана амперометрия в проточно-инжекционном режиме. Для этого сенсор помещают в проточную ячейку, через которую в течение 10 минут пропускают буферный раствор (50 мМ РО₄^3-, 100 мМ KCl, рН 6,0) для установления стабильного фонового сигнала. Далее инжектируют растворы с различной концентрацией лактата (0,1÷100 мМ), что приводит к формированию пиков относительно фонового сигнала. Аналитическим сигналом в этом случае служит разность тока пика и тока фонового сигнала. Из полученной таким образом, градуировочной зависимости (ток пика за вычетом фона от концентрации лактата) получают аналитические характеристики сенсора. В этом случае вместо чувствительности удобно использовать предел обнаружения (отношение величины отклонения фона к чувствительности), поскольку для различных методов размерности чувствительности разные, что неудобно для сравнения.

Видно, что удается достигнуть почти пятидесятикратного увеличения предела обнаружения, что при соответствующих величинах отклонения фонового сигнала приводит к многократному увеличению чувствительности определения.

Пример 5.

Сенсор для потенциометрического определения концентрации сахаров и гидроксикислот на основе проводящего полимера, с молекулярными отпечатками молочной кислоты.

В качестве молекулы-темплата выбрана молочная кислота. В качестве целевого аналита - лактат-ион (соль молочной кислоты).

Электрополимеризацию 3-аминофенилборной кислоты (3-АФБК) (0,15 М) проводили аналогично примеру 4.

В качестве метода регистрации аналитического сигнала выбрана потенциометрия в проточно-инжекционном режиме. Для этого сенсор помещают в проточную ячейку, через которую в течение 20 минут пропускают буферный раствор (50 мМ РО₄^3-, 100 мМ KCl, рН 6,0) для выхода на стабильную базовую линию. Далее инжектируют растворы с различной концентрацией лактата (0,5÷150 мМ), что приводит к формированию пиков относительно фонового сигнала. Аналитическим сигналом в этом случае служит разность потенциала пика и потенциала фонового сигнала. Из полученной таким образом, градуировочной зависимости (потенциал пика за вычетом фона от концентрации лактата) получают аналитические характеристики сенсора.

Видно, что удается достигнуть значительного увеличения предела обнаружения и чувствительности.

Изобретение относится к электрохимическим методам анализа. Согласно изобретению предложены способ изготовления сенсорного материала и сенсора на его основе путем импритинга гидроксикислотами боронатзамещенного полианилина. Способ получения сенсорного материала на основе проводящего боронатзамещенного полианилина для определения концентрации сахаров и гидроксикислот включает электрополимеризацию с постоянным увеличением тока окисления мономера при величине анодного потенциала, обеспечивающего его окисление, из раствора 3-аминофенилборной кислоты, содержащего гидроксикислоту, способную связываться с борной группой мономера, с получением проводящего полимера поли(3-аминофенилборной кислоты), характеризующегося свойством уменьшения сопротивления при взаимодействии с сахарами и гидроксикислотами. Полученный сенсорный материал на поверхности электрода представляет собой проводящий замещенный полианилин, характеризующийся способностью к увеличению проводимости в результате взаимодействия функциональных заместителей (борнокислых групп) в полимере с гидроксикислотами и сахарами. Сенсор на основе разработанного сенсорного материала обладает улучшенными аналитическими характеристиками по сравнению с ранее известными сенсорами на основе поли-АФБК. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 6 табл., 5 пр., 4 ил.

1. Способ получения сенсорного материала на основе проводящего боронатзамещенного полианилина для определения концентрации сахаров и гидроксикислот, включающий электрополимеризацию с постоянным увеличением тока окисления мономера при величине анодного потенциала, обеспечивающего его окисление, из раствора 3-аминофенилборной кислоты, содержащего гидроксикислоту, способную связываться с борной группой мономера, с получением проводящего полимера поли(3-аминофенилборной кислоты), характеризующегося свойством уменьшения сопротивления при взаимодействии с сахарами и гидроксикислотами.

2. Способ по п. 1, характеризующийся тем, что pH раствора соответствует отрицательному логарифму константы кислотности (рК_а) гидроксикислоты с допустимой величиной отклонения 1 от нее.

3. Способ по п. 1, характеризующийся тем, что в качестве гидроксикислот используют водорастворимые карбоновые кислоты, содержащие гидроксильную группу в α- или β-положении.

4. Способ по п. 1, характеризующийся тем, что концентрация мономера в растворе составляет 0,05÷0,15 М.

5. Способ по п. 1, характеризующийся тем, что концентрация гидроксикислоты в растворе составляет 0,10÷0,9 М.

6. Способ изготовления сенсора путем синтеза сенсорного материала по п. 1 на поверхности электрода.