AMPEROMETRIČNI MIKROSENZOR ZA DUŠIKOV

OKSID

Študent: Dejan Klement

Mentor: prof. dr. Boris Pihlar

Univerza v LjubljaniFakulteta za kemijo in kemijsko tehnologijo

Obravnavam amperometrični mikrosenzor za merjenje dušikovega oksida, ki temelji na platinirani platinski delovni elektrodi.

Razvila sta ga raziskovalca J. H. Shim in Y. Lee iz Univerze Tennessee v Koreji.

Zakaj so raziskave na področju dušikovega oksida pomembne?

Zakaj je določevanje koncentracij NO v vzorcih (sploh bioloških) pomembno?

- NO ima širok spekter pomembnih biološko-fizioloških vlog

- napake pri regulaciji tvorbe NO so povezane z mnogimi boleznimi, kot je arteroskleroza, hipertenzija, revmatoidni artritis, rak . . .

- kvantitativna merjenja NO v realnih časih v bioloških sistemih predstavljajo izziv zaradi:

nizkih koncentracij,

kratke razpolovne dobe,

hitre difuzije NO vstran od izvora.

STRUKTURA PREDSTAVITVEEksperimentalni del

- natančen opis izdelave senzorja

- opis priprave silikonske mikrostrukture na osnovi gume, ki sprošča NO (gre za vir NO)

Rezultati in diskusija- karakterizacija senzorja

- uporaba senzorja kot sonde za NO v SECM (scanning electrochemical microscopy) pri čemer so dobili eno in dvodimenzionalne slike lokalnih koncentracij NO

Zaključek

EKSPERIMENTALNI DELIzdelava senzorja (platinirana delovna elektroda z nanoporo + Ag/AgCl referenčna elektroda)

elektroda s Pt nanodiskom

termična fiksacija v stekleno kapilaro poliranje

elektrokemijsko jedkanje

elektroda z nanoporo

platiniranje silanizacija

platinirana elektroda z nanoporo

pora z modificirano

površino

elektropolimerizacija

nanešena poli-5A1N

plast

Pt mikrožica (premer = 25 μm)elektrokemijsk

o jedkanje

koničasta Pt žica

Izdelava silikonske mikrostrukture na osnovi gume, ki sprošča NO

PDMS = hidroksilno zaključen

poli(dimetilsiloksan)

katalizator

DACA

aminirane molekule PDMS

kondenzacijska reakcija in vezava

na SR matrico

vnos v mikroporo v

steklu

ultrazvoksušenje čiščenje

argon

postavitev v NO reaktor, reakcija z NO

5,52 bar

Na položajih sekundarnega amina so se tvorili diazendiolatni NO donorji.

Na sliki je prikazan hipotetični mehanizem tvorbe diazendiolata.

SEM slike površine •neobloženega SR (b) SR obloženega z DACA-6-SR (c,d) SR

obloženega z DACA-6/N2O2-SR

REZULTATI IN DISKUSIJAKarakteristika elektrodeVelikost pore elektrode:

- zgornji radij (a) in spodnji radij (aP) pore

- globina pore

Občutljivost elektrode

Vpliv interferenc

- na NO

- na ferocen (Fc)

Celotna končna ploskev izdelane elektrode z nanoporo (vključno z obdajajočim cevastim delom steklenega izolatorja) je imela premer < 20 μm.

Območje linearnosti

Meja detekcije

Določevanje velikosti pore:

- elektrokemijski način (CV)

- SEM

Kaj se pravzaprav dogaja na površini elektrode?

(C5H5)2Fe (razt.) (C5H5)2Fe+ (razt.) + e-

ilim = 4nFDC*a

ilim . . . . . . limitni tok

n . . . . . . . . število elektronov F . . . . . . . . Faradejeva konstanta D . . . . . . . . difuzijski koeficientC* . . . . . . . koncentracija Fc oz. NOa . . . . . . . . radij platinskega nanodiska

(A) Voltametrični odziv pri 10 mV/s Pt elektrode z mikrodiskom (radij = 91 nm) v CH3CN/0,1 M TBAPF6

raztopini ki vsebuje 5 mM Fc; (B) SEM slika te iste elektrode.

Dolžina črte na površini Pt diska ustreza 91 nm.

(A) Voltametrični odziv pri 10 mV/s Pt elektrode z mikrodiskom (radij =

102 nm) v CH3CN/0,1 M TBAPF6 raztopini ki vsebuje 5 mM Fc; (B) SEM

slika pore po jedkanju elektrode. Dolžina črte na odprtini elektrode z

nanoporo ustreza 102 nm.

Občutljivost elektrode

NO kalibracijske krivulje dobljene za (a) elektrodo z nanodiskom; (b) elektrodo z nanoporo; (c) platinirano elektrodo z nanoporo. Nobena od elektrod ni bila modificirana niti s silanizacijo niti s poli-5A1N plastjo. Zgornje kalibracijske krivulje so bile dobljene za eno samo elektrodo med koraki izdelave (radij = 950 nm).

Geometrijsko preoblikovanje elektrode od diska do nanopore poveča občutljivost elektrode.

elektroda z diskom

elektroda s poro platinirana elektroda s poro

občutljivost [pA/μM]

12,4 24,1 30,8

vzrokvečja površina

(aP > a)večja površina

zaradi poroznosti

- občutljivost na NO

Preoblikovanje geometrije elektrode pa ne poveča občutljivosti elektrode na ferocen, ampak ravno nasprotno.

- občutljivost na ferocen (Fc)

VZROK:

Ciklična voltamograma dobljena za (c) elektrodo z nanodiskom in (d) elektrodo z nanoporo v raztopini CH3CN, ki vsebuje

5 mM Fc in 0,1 M TBAPF6 (hitrost 100 mV/

s). Iz voltametričnega odziva je bil ocenjen radij Pt elektrode z nanodiskom na 234 nm.

To razliko v občutljivosti elektrode na NO in Fc lahko pripišemo hitrejšemu masnemu transportu in počasnejši kinetiki prenosa elektronov NO v primerjavi s Fc.

Obenem pa tudi vemo, da celokupno hitrost omejuje hitrost masnega transporta in ne hitrost prenosa elektronov, saj je slednja zelo hitra.

Odzivni čas

Med elektrodami niso bile opažene nobene omembe vredne razlike.

Vse elektrode so kazale takojšenj odziv na dodan NO (t90 % < 5,0 s).

Iz tega sledi, da očitno ločitev Pt površine od končne steklene ploskve z nanoporo bistveno ne vpliva na celokupno hitrost masnega trasporta NO na površino Pt, v primerjavi z elektrodo z nanodiskom.

Zaradi hitrega odzivnega časa lahko senzor uporabljemo kot sondo za zaznavanje NO pri bioloških pogojih, ko je razpolovna doba NO relativno kratka.

Vpliv interferenc

Pri potencialu ki je potreben za elektrokemijsko oksidacijo NO do nitrata se lahko oksidirajo tudi nekatere interferenčne specije:

- nitritni anion

- askorbinska kislina

- sečna kislina

Za izboljšanje selektivnosti so uporabili procesa:

silanizacija elektropolimerizacija

višja občutljivost elektrode na NO za okrog +12 ± 2 %

nižja občutljivost elektrode na nitrit za

okrog 29 ± 5 %

nanos plasti poli-5A1N (5-amino-1-naftalen)

prekritje površine z organofunkcionalnimi

alkoksisilanskimi molekulami

VZROK: hidrofobna stena

Območje linearnosti

Meja detekcije

Elektroda s poro odprtega radija okrog 797 nm in občutljivostjo 6,5 pA/μM ± 0,02 je kazala linearno območje od 0,2 do 1,8 μM.

Za to isto elektrodo je bila meja detekcije manjša od 30 nM.

Relativno visoko mejo mejo detekcije lahko pripišemo naslednjim razlogom:

- majhni aktivni površini zaznavanja,

- omejenosti NO toka zaradi majhne odprtine pore (radij manjši od 1 μm),

- oviranemu masnemu transportu NO skozi poli-5A1N plast.

SECM slikanja NO-emisijskega mikrodiska

Razviti NO senzor z nanoporo so uporabili kot sondo za skeniranje.

Posneli so slike lokalnih koncentracij NO, ki se je sproščal iz mikrodisk substrata v steklu.

Mikrodisk substrat so vstavili v luknjo, ki so jo strojno naredili v sredini dna eksperimentalne celice iz teflona.

Senzor z nanoporo so potopili v raztopino (0,1 M PBS – fosfatno-puferska solna raztopina) in vertikalno regulirali pozicijo senzorja glede na površino substrata.

Na vsaki od razdalj senzor-substrat so izvedli horizontalne premike senzorja.

ZAKLJUČEKIzdelali so torej nov amperometrični NO mikrosenzor, ki temelji na platinirani Pt elektrodi z nanoporo in ki je majhen, visoko občutljiv in za katerega velja planarna geometrija.

Izvedli so karakterizacijo.

Senzor so uspešno uporabili za SECM merjenja mikrostrukture, ki sprošča NO.

Senzor se lahko uporablja za merjenje bioloških vzorcev.

LITERATURA[1] J. H. Shim, Y. Lee, Amperometric Nitric Oxide Microsenzor Based on Nanopore-Platinized Platinum: The Application for Imaging NO Concentrations, Anal. Chem., 2009, 81, 8571-8576[2] Wang, G.; Bohaty, A. K.; Zharov, I.; White, H. S. J. Am. Chem. Soc. 2006, 128, 13553–13558.[3] http://en.wikipedia.org/wiki/Silanization; datum: 28. 5. 2010[4] Zhang, H.; Annich, G. M.; Miskulin, J.; Osterholzer, K.; Merz, S. I.; Bartlett, R. H.; Meyerhoff, M. E. Biomaterials 2002, 23, 1485–1494.[5] Bond, A. M.; Henderson, T. L. E.; Mann, D. R.; Thormann, W.; Zoski, C. G.Anal. Chem. 1988, 60, 1878–1882.[6] Zhang, B.; Zhang, Y.; White, H. S. Anal. Chem. 2004, 76, 6229–6238.[7] Zhang, B.; Zhang, Y.; White, H. S. Anal. Chem. 2006, 78, 477–483.[8] Lee, Y.; Oh, B. K.; Meyerhoff, M. E. Anal. Chem. 2004, 76, 536–544.