НОВіТНі МАТЕРіАЛИ В ЕЛЕКТРОХЕМіЛЮМіНЕСЦЕНТНОМУ АНАЛіЗі

Тип работы:
Реферат
Предмет:
Физика


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

Установлено, что в общем случае смещения вращаемого диполя в методической погрешности его определения присутствуют две составляющие. Первая зависит только от геометрических параметров смещения, а вторая отлична от нуля лишь при некоторых направлениям смещения дипольного источника и зависит от величины другой неизмеряемой проекции магнитного момента.
Показано, что при отношении величины смещения диполя к радиусу измерительного контура не более чем один к четырем величина методической погрешности не превысит 7%.
Таким образом, величина методической погрешности при использовании контурной измерительной системы на основе магнитных сигнатур вращения технического объекта в 1,5−2 раза меньше погрешности аналогичных по габаритам систем на основе «точечных» датчиков магнитной индукции.
Литература
1. Holmes John J. Theoretical Development of Laboratory Techniques For Magnetic Measurement of Large // IEEE Transactions on Magnetics. — 2001. — Vol. 37, № 5. — P. 3790−3797.
2. Волохов С. А., Ивлева Л. Ф. Методическая погрешность измерений магнитного момента // Техшчна електроди-намжа. -1996. -№ 4. -С. 72−74.
3. Гетьман А. В. Определение пространственных гармоник магнитного поля вблизи поверхности технического объекта // Электричество. — 2005. -№ 1. -С. 55−60.
4. Розов В. Ю., Гетьман А. В. Структура контурных динамических систем для практического гармонического анализа магнитного поля технических объектов // Техническая электродинамика. — 2008.- Тематический выпуск. Ч. 3. Проблеми сучасно! електротехшки. -С. 97−100.
5. Шимони К. Теоретическая электротехника. -М.: Мир, 1964. -774 с.
Описано можливостi застосування новттх матерiалiв (зокрема, наномате-рiалiв) у електрохем^юмтесцентному (ЕХЛ) аналiзi. Розглянуто типи наномате-рiалiв, специфжу фiзико-хiмiчноi поведтки, ряд ушкальних властивостей, що обумов-люють перспективтсть iхнього викори-стання у ЕХЛ-сенсорах
Ключовi слова: електрохемшюмтесцен-
цш, наноматерали, квантовi точки
?-?
Описаны возможности использования новейших материалов (в частности, нано-материалов) в электрохемилюминесцент-ном (ЭХЛ) анализе. Рассмотрены типы наночастиц, специфика их физико-химического поведения, ряд уникальных свойств, обеспечивающих перспективность их применения в ЭХЛ-сенсорах
Ключевые слова: электрохемилюминес-
ценция, наноматериалы, квантовые точки ?-?
Possibilities of the newest materials using (in particular, nanomaterials) in electrochemi-luminescent (ECL) analysis are described. The nanoparticles types, specificity of their physical and chemical behavior, and a number of the unique properties providing perspectivity of their application in ECL sensor are considered
Keywords: electrochemiluminescence, nano-materials, quantum dotes _
УДК 53. 085. 5:535:621. 373. 826
НОВ1ТН1 МАТЕР1АЛИ В ЕЛЕКТРОХЕМ1-ЛЮМ1НЕСЦЕНТНОМУ
АНАЛ1З1
К. М. Муз и ка
Старший науковий ствроб^ник Кафедра бюмедичних електронних пристроТв та систем Хармвський нацюнальний ушверситет радюелектронки пр. Ленша, 14, м. Хармв, УкраТна, 61 166 E-mail: mkm@kture. kharkov. ua
1. Вступ
Електрохем1люмшесцентний анал1з вщноситься до одного з найчутлив1ших метод1 В анал1зу, межа выяв-
ления якого становить фемтомол1 [1] Подальший про-цес у розвитку ЕХЛ-методу пов'-язаний з полшшенням його аналиичних характеристик за рахунок освоення й використання нових тишв електродних матерiалiв i
реагенив [2]. Досить перспективш електроди з алма-зоподгбних матергалгв. 1хш переваги в ЕХЛ-аналiзi в порiвняннi з електродами 3i скловуглецю або платини обумовлеш стабiльнiстю, вiдтворюванiстю стану по-верхнi (часто без регулярно! регенеруючо! обробки), широкою областю iдеальноi поляризацп, низькою величиною фонових струмiв електролiзу. Стабiльнiсть електрода обумовлюеться шертшстю до адсорбцii ре-агентiв i продуктiв реакцп, а також нечутливктю до розчиненого у водних середовищах (як лужних, так i кислих) кисню. Першi роботи за даною тематикою з'-явилися в 2003 р. [3−4], хоча електрохiмiчне дослщ-ження алмаза почалося б^я двадцяти роюв тому Ю. В. Плесковим [5]. Використання алмазоподiбних електродiв активно продовжуеться i до сьогоднi, зо-крема, у мжрочипових пристроях [2, 5].
Ще одна з тенденцiй розвитку ЕХЛ-аналiзу -гммобглгзацгя електрохемшюмтофоргв на поверхш електродiв (створення твердотiлих & quot-solid-state"- при-стро!в). Це дозволяе заощаджувати дороп реагенти, багаторазово використовувати електрод, спростити конструкцiю системи й м^атюризувати ii, розши-рити коло аналтв за рахунок використання нероз-чинних у водi електрохемiлюмiнофорiв. Перша робота з iммобiлiзацii трисбiпiридил рутешю (ТБР) опублiкована ще в 1980 р. [6], цей напрямок активно розвиваеться й пониш [7], а стрiмкий розвиток мь кро- i нанотехнологiй сприяе змiцненню тенденцii & quot-solid-state"- детекторiв. Прогрес розвитку цього на-прямку бачиться в розмаiтостi використовуваних матриць, електрохемiлюмiнофорiв-реагентiв, а також методик iммобiлiзацii [8].
Використання нанорозмгрних структур (зокре-ма, наночасток (НЧ), нанокристалiв, нанокластерiв i квантових точок), як альтернативи традицшним електрохемiлюмiнофорам, — ще один крок до полш-шення аналiтичних характеристик ЕХЛ-детектуван-ня. Для цього використовують такi нанотехнологii, як виготовлення масивiв НЧ або квантових точок, електродiв на основi нанотрубок, стрижшв, стрiчок, рiзних композицiйних наноматерiалiв, одержання наноразмiрних плiвок методом Ленгмюра-Блоджетт, полiiонна збiрка. Публiкацii за результатами вив-чення ЕХЛ напiвпровiдникових НЧ з'-явилися в 2002 рощ для Si, при дослщженш анiгiляцiйноi ЕХЛ, ЕХЛ з ствреагентом оксалатом i персульфатом в MeCN [10]. В свою чергу, зростаюча юльюсть публжацш за поточний рiк, вказуе на тдвищення iнтересу до цього напрямку [11−13].
2. Наночаски благородних метаив у ЕХЛ-аналiзi
У порiвняннi з барвниками штенсившсть погли-нання й розсжвання свiтла НЧ благородних металiв (Au, Ag, а iнодi i Cu та Al) на юлька порядкiв вища. Виникнення кольору в цих НЧ викликане ефектом локального поверхневого плазмонного резонансу, обумовленого резонансом частоти падаючого свила (енергп фотона) з колективно (як один щлий заряд) осцилюючими в^ьними електронами металу, що визначають провщшсть останнього. Результатом цього ефекту е сильне зб^ьшення поглинання й розсжвання електромагнiтноi енергii, виникнення
яскравого забарвлення й шших нетипових оптичних властивостей часток металiв, на чому засноване 1хне застосування в оптичних сенсорах. Колiр таких часток залежить вщ 1хнього розмiру, форми, природи матерiалу й фактично вiдсутнiй у данш речовинi у звичайному стань
Аналггичш можливостi НЧ золота [14] або срiбла [15], реалiзованi в ЕХЛ-сенсорах. Каталiз НЧ з золота як i ранiше часто використовуеться для посилення сигналiв в ЕХЛ-реакщях. Дослiджено ЕХЛ-поведiнку люмiнола на самооргашзованих НЧ золота в ней-тральних i лужних середовищах методом циклiчноi вольтамперометрii (ЦВАМ). Золотi НЧ продемон-стрували вiдмiннi електрокаталiтичнi та окислюваль-но-вiдновнi властивостi щодо ЕХЛ-системи люмшолу. У порiвняннi з золотим електродом iз об'-емного мате-рiалу штенсившсть ЕХЛ з НЧ була значно вищою. При цьому, наявшсть i iнтенсивнiсть ЕХЛ-пiкiв залежать не пльки вiд розмiру золотих НЧ на поверхш електрода, напрямку i швидкостi сканування потенцiалу, наявностi 02 або N2, рН та концентрацп люмiнолу та NaBr, а й вщ субстрату.
3. Квантовi точки в ЕХЛ-аналiзi
Квантовi точки (КТ) являють собою нанокристали неоргашчних натвпровщникових матерiалiв дiаме-тром 2 — 8 нм, 1 — 12 нм.
До переваг КТ можна ввднести фотостабiльнiсть, широкий оптичний дiапазон (що дозволяе визначати в однш пробi декiлька аналiтiв одночасно), вузький спектр емши (пiдвищення роздшьно! здатностi детек-тування), можливiсть змши спектра емiсii (при варiацii розмiрiв КТ), високий квантовий вихiд. Щ унiкальнi оптичнi й електроннi властивост КТ обумовленi су-ворими просторовими обмеженнями для збуджених електронiв i дiрок, що iснують у нанокристалах, i змь ною iнтенсивностi рекомбшацш електрон-дiрка при взаемодii аналiзованоi речовини з поверхнею нанокри-стала. Чим менший розмiр нанокристала, що утворить КТ, тим ширша енергетична шдлина мiж дискретними рiвнями енергii квантовоi точки i тим коротша до-вжина хвилi флуоресценцii. Наприклад, частки CdSe розмiром 2,5 нм флуоресщюють зеленим, а розмiром 7 нм — червоним кольором. Крiм того, використання композицшних наноматерiалiв, коли ядро кристала КТ, наприклад CdSe або CdTe, вкрите тонким шаром шшого напiвпровiдника з бiльшою величиною енер-гетичноi щiлини, наприклад Cd, Zn або ZnTe, дозволяе полiпшити фотостаб^ьшсть кристалiчного ядра, запо-бiгаючи гасшню екситонiв поверхнею й агрегацiю часток, у результат чого додатково зростае квантовий ви-хiд ЕХЛ. Завдяки великому значенню ствввдношення площд нанокристала до його об'-ему, КТ значною мiрою схильнi до гетерогенних окислювально-вщновних про-цесiв iз навколишшм середовищем. Залежно вiд типу натвпровщника i хiмii поверхневих явищ, хiмiчна реактивнiсть КТ може призвести або до фатальноi хь мiчноi деградацп, або до нових корисних властивостей, зокрема, окислювально-вiдновноi реактивностi.
Науково-дослiдна група Bard i спiвробiтникiв вста-новили, що реакцп переносу електрона мiж позитивно i негативно заряджених Si НЧ (або мiж зарядженими
нанокристалами та молекулярними редокс-активни-ми ствреагентами) призвели до антляцп електрошв i дiрок, продукуючи видиме свило. У розчинi НЧ кремнiю максимум спектру ЕХЛ був значно змщеним ввд максимуму ФЛ (420 нм) i припадав на 640 нм. Щ результати показали, що хiмiчна стiйкiсть кремнieвих КТ дае можлившть застосовувати останнi в якостi ре-докс-активних макромолекул. Цiкавим е прийом, що складаеться у включенш КТ у плiвки, сформованих золь-гель методом, i в полiмери, отриманих молекуляр-ним iмпринтингом.
4. Магштт наночастки
Враховуючи комерцiйну доступнiсть та легюсть на-магнiчення до отримання б^ьших магнiтних моменпв, napaMarHiTHi НЧ почали устшно застосовуватись у ЕХЛ-сенсорах [16], у тому чи^ в iмунних дослвджен-нях [17]. Застосування парамагштних НЧ в aнaлiзi поки б^ьш обмежене, чим КТ або нанотрубок, однак у низщ випaдкiв мае важливе самостшне значення. Зо-крема, в [17] розглянуто поведшку нафюн-стабШзова-них мaгнiтних наночасток (Nafion/Fe3O4), отриманих на поверхш платинового електрода за допомогою зов-нiшнього мaгнiту. Вони використовувались для ЕХЛ-визначення ТБР.
5. Iншi наночастки
Останнiм часом в оптичних i електрохiмiчних сенсорах знайшли застосування НЧ основi дюксида кремнiю. Зокрема, описано серiю ЕХЛ-сенсорiв на основi 1х iммобiлiзацii з ТБР [18]. Позитивно заряд-жений ТБР i негативно зарядженi наночастки SiO2 були iммобiлiзованi на електродах 1ТО пошаровим (1ауег-Ьу-1ауег) методом. Багатошаровi плiвки, що мi-стять ТБР використовувались для ЕХЛ-визначення ТПА з чутливштю на порядок бiльшою, чим у по-переднiх роботах.
6. Сенсорш нанотрубки
Вуглецевi нанотрубки мають ряд унiкальних вла-стивостей, що обумовлюють перспективнiсть iхнього використання в ЕХЛ-сенсорах [19]. Вони характеризуются дуже високою мiцнiстю, що перевершуе мiцнiсть сталi, i разом з тим гарною деформацшною пружнiстю. Частково це пояснюеться геометрiею iх структури, що рiвномiрно розподiляе навантаження, а також мщшстю мiжвуглеводневих зв'-язкiв. Вугле-цевi нанотрубки вiдрiзняються широким дiапазоном електричних властивостей. Бiльшiсть трубок — натв-провiдники, але е й прекрасш провiдники (зокрема, кращi, за срiбло) i, навiть, iзолятори. Проввдшсть нанотрубки залежить вiд и геометричноi будови, а саме вщ орiентацii графiтовоi площини щодо оа нанотрубки. Велике спiввiдношення довжина: радiус нанотрубки (порядка 1000: 1) дозволяе контролювати властивоси цих матерiалiв у певному напрямку. Велика площа поверхш нанотрубок забезпечуе ефективну адсорбщю багатьох речовин: рiзних газiв, дiоксинiв, юшв фтору,
свинцю тощо. Поверхню вуглецевих нанотрубок мож-на модифiкувати функщональними групами (напри-клад, карбоксильними) i допувати iншими атомами (введенням всередину нанотрубки або в мiжшаровий проспр). Перший хiмiчний сенсор на основi вугле-цевоi нанотрубки розроблений в 1997 рощ [20], коли була виршена проблема електричного контакту мiж нанотрубками й електродом. Спочатку нанотрубки за-стосовували переважно в сенсорах на основi польових транзисторiв [21], однак в останш роки вони викори-стовуються також в ЕХЛ-сенсорах [22, 23].
Модифжащя поверхнi вуглецевих нанотрубок по-лiмерними плiвками шдвищуе селективнiсть сен-сорiв. Пiдготовку вуглецевих нанотрубок до роботи в сенсорах зазвичай проводять у два етапи: на пер-шому еташ '-х попередньо покривають полiмером, на другому — полiмер модифiкують необхщними молекулами або функцiональними групами. Можлива пряма модифжащя самих нанотрубок шляхом кова-лентного зшивання, але при створенш електричних сенсорiв цей метод використовуеться рщко у зв'-язку з втратою нанотрубками провщникових властивостей. Вщмиимо, що незважаючи на досягнув успiхи багато унiкальних властивостей нанотрубок ще не знайшли застосування, зокрема, в ЕХЛ-сенсорах. Не повшстю реалiзованi можливостi функцiоналiзацii й допування вуглецевих нанотрубок. Однак рiзке зростання числа публжацш останнiм часом вказуе на змшу ситуацii до кращого.
Висновки
Незважаючи на очевидш переваги, потенцшно за-кладенi в ЕХЛ-сенсори на базi новiтнiх матерiалiв, наявнiсть експериментальних зразюв ще не призвела до створення промислових розробок i '-х широкого й повсюдного практичного використання. Однак вони залишаються в полi зору дослiдникiв, оскiльки в перспективi дозволяють вирiшити складнi аналiтичнi завдання досить просто й ефективно. Можна вважати, що зараз починаеться етап створення промислових зразюв i '-?хнього активного використання на практицi, i хоча '-х асортимент вузький, сумнiвiв у найширших можливостях застосувань ЕХЛ на базi наноматерiалiв немае.
Подяки
Робота виконана за тдтримки Укратського науково-техтчного центру (УНТЦ) в рамках проекmiв № 5067 та № 4495. KepienuK проектiв — д.ф. -м.н., проф. Рожицький М. М.
Лиература
1. Рожицкий Н. Н., Бых А. И., Красноголовец М. А. Электро-
химическая люминесценция: Монография: Харьков: ХТУРЭ, 2000. 320 с.
2. Fujishima A., Einaga Y. Diamond Electrochemistry / Elsevier,
2005, P. 586.
3. Honda, K., Yoshimura, M. et al. Electrogenerated chemilum-
inescence of the ruthenium tris (2,2'-)bipyridyl/amines system on a boron-doped diamond electrode // J. of Physical Chem. B, 2003. — V. 107. — P. 1653−1663.
4. Marselli B. et al. Electrogeneration of hydroxyl radicals on boron-doped diamond electrodes // J. of the Electrochem. Society. 2003.
— V. 150. — P. D79-D83.
5. Pleskov Yu.V., Sakharova A. Ya., et al. Photoelectrochemical properties of semiconductor diamond // J. Electroanal. Chem, 1987.
— V. 228. — P. 19−27.
6. Rubinstein I., Bard A.J. Polymer films on electrodes. 4. Nafion-coated electrodes and electrogenerated chemiluminescence of surface-
attached Ru (bpy) // J. of the American Chem. Society, 1980. — V. 102. — P. 6641−6642.
7. Qian L., Yang X. One-step immobilization of tris (2,2 -bipyridyl)ruthenium (II) via vapor-surface sol-gel deposition towards solid-state
electrochemiluminescence detection // Anal. Chim. Acta, 2008. — V. 609. — P. 210−214.
8. Wang X., Yun W. et al. A controllable solid-state Ru (bpy)3 2+ electrochemiluminescence film based on conformation change of ferro-
cene-labeled DNA molecular beacon // Langmuir, 2008. — V. 24. — P. 2200−2205.
9. Zholudov, Y., Snizhko, D. et. al. Aqueous electrochemiluminescence of polycyclic aromatic hydrocarbons immobilized into Langmuir-
Blodgett film at the electrode // Electrochimica Acta, 2008. — V. 54. — P. 360−363.
10. Liu X., Cheng L. et al. Dopamine detection based on its quenching effect on the anodic electrochemiluminescence of CdSe quantum dots // Analyst, 2008. — V. 133. P. 1161−1163.
11. Jie G., Huang H. et al. // Biosensors and Bioelectr., 2008. — V. 23. — P. 1896−1899.
12. Liu X., Ju H. Coreactant enhanced anodic electrochemiluminescence of CdTe quantum dots at low potential for sensitive biosensing amplified by enzymatic cycle // Anal. Chem. 2008. — V. 80. — P. 5377−5382.
13. Zhang L., Zou X. Quantum dot electrochemiluminescence in aqueous solution at lower potential and its sensing application // J. of Physical Chem, 2008. — V. 112. -. P. 4451−4454.
14. Wang W., Xiong T, and Cui H. Fluorescence and Electrochemiluminescence of Luminol-Reduced Gold Nanoparticles: Photostability and Platform Effect // Langmuir, 2008. — V. 24. — P. 2826−2833.
15. Diez I., Pusa M. et al Color Tunability and Electrochemiluminescence of Silver Nanoclusters // Angewandte Chem. Intern. Ed., 2009.
— Vol. 48. — P. 2122−2125.
16. Lia G.- Zhenga X. Highly Sensitive Electrogenerated Chemiluminescence Isoniazid with NiO Nanoparticles-modified Graphite Electrode // Analytical Letters, 2007. — V. 40. — P. 1853 — 1863.
17. Shan Y., Xu J. -J., Chen H. -Y. Opto-magnetic interaction between electrochemiluminescent CdS: Mn film and Fe3O4 nanoparticles and its application to immunosensing // Chem. Commun., 2010. — V. 46. — P. 4187 — 4189.
18. Wei H., Liu J.- et al. Ru (bpy)3]2±Doped Silica Nanoparticles within Layer-by-Layer Biomolecular Coatings and Their Application as a Biocompatible Electrochemiluminescent Tag Material / Chemistry, 2008. — V. 14. — P. 3687−3693.
19. Dai H, Wang Y, Wu X, Zhang L, Chen G. An electrochemiluminescent sensor for methamphetamine hydrochloride based on multiwall carbon nanotube/ionic liquid composite electrode // Biosens Bioelectron, 2009. — V. 24. — P. 1230−1234.
20. Tans S.J., Devoret M.H. Individual single-wall carbon nanotubes as quantum wires // Nature, 1997. — V. 386. — P. 474 — 476.
21. Kong J., Franklin N.R., et al. Nanotube molecular wires as chemical sensors // Science, 2000. — V. 287. — P. 622 — 625.
22. Lina Z., Huanga L. et al. Electrochemiluminescent biosensor based on multi-wall carbon nanotube/nano-Au modified electrode // Electrochem. Commun., 2008. — V. 10. — P. 1708−1711.
23. Lina Z. and Chen G. Determination of carbamates in nature water based on the enhancement of electrochemiluminescent of Ru (bpy)32+ at the multi-wall carbon nanotube-modified electrode // Talanta, 2006. — V. 70. — P. 111−115.

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой