Електрохімічний сенсор для визначення концентрації розчиненого кисню у малих об’ємах біологічних рідин

Реферат: Електрохімічний сенсор для визначення концентрації розчиненого кисню у малих об'ємах біологічних рідин містить вимірювальний електрод і протиелектрод. Активний шар вимірювального електрода містить нанотрубки діоксиду титану та діоксиду титану, модифікованого неодимом. UA 71231 U (54) ЕЛЕКТРОХІМІЧНИЙ СЕНСОР ДЛЯ ВИЗНАЧЕННЯ КОНЦЕНТРАЦІЇ РОЗЧИНЕНОГО КИСНЮ У МАЛИХ ОБ'ЄМАХ БІОЛОГІЧНИХ РІДИН UA 71231 U UA 71231 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до електрохімічних сенсорів та може бути використана при виробництві електрохімічних сенсорів амперометричного типу для визначення концентрації розчиненого кисню у малих об'ємах біологічно активних рідин. Відомі електрохімічні сенсори розчиненого кисню, в яких активним шаром електрода служать благородні метали або інертний вуглець [1, 2]. Головні їхні недоліки - невеликий діапазон потенціалів, при яких можливе вимірювання концентрації кисню (електрохімічне "вікно" потенціалів), що може призвести до перебігу побічних реакцій у біологічно активних рідинах та, в результаті цього, невірних показань сенсора, а також низька стабільність унаслідок утворення і активації поверхневих вуглецевих активних груп при довготривалому вимірюванні концентрації кисню у біологічно активних рідинах, що призводить до похибки вимірів. Відомі також електрохімічні сенсори, у яких висока стабільність та великий динамічний діапазон потенціалів для можливого визначення концентрації кисню досягаються за рахунок використання як чутливого елемента плівок нанодисперсних оксидів ТіО 2 та TiO2-ZrO2 [3]. Однак спільним недоліком сенсорів [1-3] є неможливість їх використання для вимірювання концентрації кисню у малих об'ємах біологічних рідин (в т. ч. у кровоносному руслі), що обумовлено громіздкістю конструкції, спричиненої, у першому випадку, використанням тефлонової мембрани, через яку дифундує кисень [1-2], у другому - використанням третього електрода (електрода порівняння) [3]. Прототипом є електрохімічний сенсор розчиненого кисню, що містить вимірювальний електрод, як активний шар якого використовується золото, і протиелектрод (срібло), поміщені у розчин електроліту (сульфіту натрію) [4]. Головні його недоліки - тривалість вимірювання концентрації кисню за допомогою сенсора (~20 сек.) та значні розміри конструкції, спричинені використанням газопроникної мембрани; відносно великий об'єм проби, що аналізується (>1 мл), а також нестабільність робочого електроліту, що призводить до необхідності його заміни через кожні 4-6 місяців роботи. Всі ці фактори призводять до неможливості застосування цього сенсора для визначення концентрації кисню у малих об'ємах біологічних рідин з середнім і високим вмістом кисню. Задачею корисної моделі є зменшення розмірів вимірювального електрода та сенсора кисню в цілому, а також збільшення швидкодії сенсора. Поставлена задача вирішується тим, що в електрохімічному сенсорі для визначення концентрації розчиненого кисню новим є те, що активний шар вимірювального електрода містить нанотрубки діоксиду титану, що дозволяє відмовитися від використання тефлонової мембрани, через яку дифундує кисень. Заміна активного шару вимірювального електрода з золота на плівки нанотрубчатого діоксиду титану приводить до зменшення об'єму проби, що аналізується, розширення динамічного діапазону потенціалів, при яких можливе вимірювання концентрації кисню, високої стабільності та зменшення розмірів сенсора, внаслідок відсутності газопроникної мембрани. Конструкція електрохімічного мікросенсора для визначення концентрації кисню у малому об'ємі, наприклад у краплі крові (фіг. 1), виконана за двоелектродною схемою і включає робочий мікроелектрод (1) та протиелектрод-манжету (2), які підключаються до поляризуючого пристрою (3), з'єднаного з ноутбуком (6). Мікроелектрод (робочий електрод) виконано у вигляді тонкої голки (4) з нержавіючої сталі діаметром 0,5-0,8 мм або титанової фольги розміром (0,1÷0,2)×2 см, на кінчик яких нанесено чутливий шар на основі нанотрубок оксиду титану ТіО 2 (5). При використанні двоелектродної схеми необхідно забезпечити мінімальне падіння потенціалу на протиелектроді сенсора при густинах струмів, що відповідають максимальним густинам струмів електровідновлення кисню. Це можливо за умови, коли на протиелектроді (аноді) сенсора будуть спостерігатися анодні струми, сумірні з катодними (струмами відновлення кисню). Із попередніх досліджень нами було встановлено, що найбільш перспективними для використання у сенсорах кисню якдопоміжного електрода (протиелектрода) є вуглецеві електродні матеріали на основі активованого графіту та тканинного матеріалу ВІСКУМ, оскільки вони задовольняють основним вимогам до такого типу матеріалів. Крім того, для них характерна висока стабільність характеристик при багаторазовому циклуванні потенціалу, які практично не змінювались після 2-го циклу. Для мінімізації падіння потенціалу на протиелектроді та його впливу на реакцію електровідновлення кисню, що проходить на катоді, у корисній моделі сенсора передбачено, що площа протиелектрода значно перевищує площу робочого електрода. Це досягається за 2 рахунок використання активного шару робочого мікроелектрода площею 0,05-0,1 см та протиелектрода-манжети, площа якого значно більша. На такому протиелектроді падіння потенціалу у робочому режимі не перевищувало 1-3 мВ. Площа чутливого шару мікроелектрода 2 становила 0,05-0,1 см . 1 UA 71231 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Швидкодія вимірювань концентрації кисню сенсором обмежується в основному швидкістю розгортки потенціалу і становить 5-7 с. Максимальна чутливість електрохімічного мікросенсора до розчиненого кисню досягалась при катодних потенціалах -0,5÷-0,8 В (відн. хлорсрібного -8 електрода), де спостерігався максимальний струм відновлення кисню, і мала значення ~15·10 моль/л, що відповідає вимогам до чутливості сенсорів цього типу. Точність відтворення показань сенсора становила 5-8 %. Діапазон вимірювання концентрації розчиненого кисню -3 -1 0÷1,36·10 моль·л . Розроблений сенсор дає можливість проводити аналіз концентрації кисню безпосередньо у кровоносному руслі або у малих об'ємах біологічних рідин. У цьому випадку замість манжети використовують графітову чашку. Активний шар на основі нанотрубок ТіО2 був одержаний методом електрохімічного анодування титанової фольги [5] при постійному струмі в потенціостатичному режимі. На першому етапі синтезу електродів проводили підготовку та попередню обробку титанової фольги. Титанову фольгу товщиною 0,25 мм марки ВТ-1 вирізали у формі прямокутників розміром (0,1÷0,2)×2 см та проводили попереднє очищення поверхні: полірували поверхню наждачним папером для зняття верхнього окисненого шару, який утворився на повітрі протягом часу зберігання фольги. Потім для знежирення та очищення поверхні електроди промивали по черзі у серії різних розчинників: в ізопропанолі, ацетоні та дистильованій воді. Плівку діоксиду титану на поверхні титанової фольги формували методом електрохімічного анодування в двоелектродній електрохімічній комірці з органічним електролітом. Під час анодування робоча напруга була 30 В. Як робочий електрод використовували вирізану титанову фольгу. Протиелектродом у даній системі була платинова фольга. Як електроліт використовували 0,25 % розчин фториду амонію в гліцеролі з 10 % (об.) вмістом води. При синтезі плівок з іонами неодиму (III) використовували електроліт, який містив додатково 0,35 % NdCl3·6Н2О. Тонка плівка діоксиду титану формується за рахунок проходження двох конкурентних процесів: електрохімічного окиснення титану на поверхні металевої фольги та хімічного розчинення утвореного шару ТіО2 фторидами в електроліті. Для того, щоб проходження цих процесів було можливим, середовищем для високов'язкого нейтрального електроліту використовували гліцерол. Хімічне розчинення утвореного шару діоксиду титану також контролювалось вмістом фториду амонію в електроліті. Після закінчення електрохімічного анодування титанові електроди із плівкою діоксиду титану промивали від залишків електроліту дистильованою водою та висушували на повітрі при кімнатній температурі. Відомо, що анатаз (кристалічна ґратка діоксиду титану тетрагональної сингонії) утворюється при температурах від 400 до 500 °С, тому електроди відпалювали при температурах від 400 до 450 °С протягом 30 хвилин, після чого охолоджували їх на повітрі до кімнатної температури. На фіг. 2 представлено вольт-амперні криві відновлення кисню у 0,9 % NaCl на електродах на основі: 1 - плівок ТіО2, одержаних відпалом у повітрі; 2 - наночастинок ТіО2, одержаних зольгель методом; 3 - нанотрубок ТіО2, одержаних електрохімічним анодуванням; 4 - нанотрубок -1 ТіО2, модифікованих неодимом. Швидкість розгортки потенціалу - 10 мВ·сек . Вольт-амперні залежності для реакції відновлення кисню вимірювались в потенціодинамічному режимі з використанням спеціально розробленого електрохімічного стенда у фізіологічному розчині 0,9 % NaCl. Мінімальний об'єм досліджуваної рідини складав 25-30 мкл. Потенціал вимірювався відносно хлорсрібного електрода порівняння. Знайдено, що на поляризаційних кривих відновлення кисню (фіг. 2) спостерігалась одна хвиля струму (як і у випадку платинових металів) при потенціалах -0,5÷-1,1 В відносно хлорсрібного електрода порівняння, що може відповідати сумарному процесу відновлення кисню без утворення перекису водню. Концентрація розчиненого кисню була прямо пропорційна значенню величини граничної густини струму. Як видно з фіг. 2, плівка діоксиду титану після відпалу (фіг. 2, крива 1) має більш низьку каталітичну активність, ніж плівки на основі наночастинок ТіО 2, одержаних зольгель методом (фіг. 2, крива 2), та на основі нанотрубок ТіО 2, одержаних електрохімічним анодуванням (фіг. 2, крива 3). Модифікування ТіО2 неодимом (фіг. 2, крива 4) приводило до зсуву в анодну область потенціалу півхвилі відновлення кисню на 70 мВ у порівнянні з немодифікованим ТіО2, одержаним електрохімічним методом (від -0,51 до -0,44 В) і на 140 мВ у порівнянні з немодифікованим ТіО2, одержаним золь-гель методом (від -0,58 до -0,44 В). При дослідженні стабільності даних електродів показано, що електроди на основі нанотрубок діоксиду титану відрізняються високою відтворюваністю характеристик при довгостроковому циклуванні. Приклад 1. Як активний шар електрода використовується діоксид титану, отриманий травленням Ті-підкладки в розчині HF:HNO3 1:20 та наступним її відпалом при температурі 430 2 UA 71231 U 5 10 15 20 25 30 35 °С протягом 20 хв. Потенціал півхвилі відновлення кисню мав значення -0,88 В, електрохімічне "вікно" 160 мВ, протягом 5 циклів вимірювань вольт-амперні характеристики не відтворювались, показання концентрації на 5-ому циклі відрізнялись на 25-30 % від 1-ого циклу. Приклад 2. Як активний шар електрода використовується нанодисперсний ТіО 2, отриманий золь-гель методом з наступним відпалом при температурі 430 °С протягом 20 хв. Потенціал півхвилі відновлення кисню мав значення -0,580 В, електрохімічне "вікно" 280 мВ, протягом 5 циклів вимірювань вольт-амперні характеристики відтворювались, показання концентрації відрізнялись на 3-4 % від 1-ого циклу. Приклад 3. Як активний шар електрода використовуються плівки на основі нанотрубок ТіО 2, отримані методом електрохімічного анодування з наступним відпалом при температурі 430 °С протягом 20 хв. Потенціал півхвилі відновлення кисню має значення -0,510 В, електрохімічне "вікно" 300 мВ, протягом 5 циклів вимірювань вольт-амперні характеристики відтворювались, оскільки показання концентрації на 5-ому циклі відрізнялись від 1-ого на 3-4 % на рівні експериментальної похибки. Приклад 4. Як активний шар електрода використовуються плівки на основі нанотрубок ТіО 2, модифікованого неодимом, отримані методом електрохімічного анодування з наступним відпалом при температурі 430 °С протягом 20 хв. Потенціал півхвилі відновлення кисню має значення -0,44 В, електрохімічне "вікно" 320 мВ, протягом 5 циклів вимірювань вольт-амперні характеристики відтворювались, показання концентрації на 5-ому циклі відрізнялись від 1-ого на 3-4 %. З наведених прикладів видно, що запропонований електрохімічний сенсор, активний шар вимірювального електрода якого складається з нанотрубок ТіО 2 та ТіО2/Nd, проявляє високу каталітичну активність та має високу стабільність у реакції відновлення кисню. У порівнянні з прототипом, запропонований мікросенсор має підвищену швидкодію, значно менші розміри, потребує для аналізу значно меншого об'єму зразка і може бути використаний для визначення концентрації розчиненого кисню у малому об'ємі, наприклад у медичній практиці, у широкому діапазоні вимірюваних концентрацій О2. Бібліографія: 1. Патент США № 4620918. Selective sensor construction. / Bukamier, Gary L., Rupert, Steven L. - опубл. 11.04.1986. 2. Патент США № 5376244. Electrochemical determination of oxygen concentration. / Walter Preidel. - опубл. 12.27.1994. 3. Патент України (корисна модель) № 30821. Електрохімічний сенсор для визначення концентрації розчиненого кисню. МПК (2006) G01N 27/26. - опубл. 11.03. 2008, Бюл. № 5. 4. Патент США № 6602401 В1. Amperometric sensor for low level dissolved oxygen with selfdepleting sensor design. / Chang-Dong Feng. - опубл. 05.08.2003. 5. Воробец B.C., Блинкова Л.В., Кучирка В.И., Зайченко В.Н. Восстановление кислорода на електродах на основе ТіО2, модифицированного Nd / Вопросы химии и химической технологи. 2011. - № 4 (1). - с. 71-73. 40 ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 45 Електрохімічний сенсор для визначення концентрації розчиненого кисню у малих об'ємах біологічних рідин, що містить вимірювальний електрод і протиелектрод, який відрізняється тим, що активний шар вимірювального електрода містить нанотрубки діоксиду титану та діоксиду титану, модифікованого неодимом. 3 UA 71231 U Комп’ютерна верстка Д. Шеверун Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4