ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЙ СЕНСОР ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДОФАМИНА

Заявленное техническое решение относится к области аналитической химии и фармакологии и может быть использовано для определения легко окисляющихся соединений, таких как дофамин, в лекарственных препаратах и плазме крови. Определение дофамина необходимо для медицины, биохимии, фармакологии, в производстве лекарственных препаратов и контроле их качества.
Известно устройство (патент CN 104483364 A) для определения дофамина на основе угольно-пастового электрода. Устройство состоит из свинцового токосъемника, политетрафторэтиленовой трубки или трубки из кварцевого стекла с внутренним диаметром 3 мм, заполненной углеродной пастой. Углеродная паста формируется путем равномерного измельчения и смешивания порошка графита, твердого парафина и графен/додецилсульфат-композитного материала. К недостаткам данного устройства можно отнести высокую стоимость компонентов устройства (композитного материала), продолжительность и сложность изготовления вследствие большого количества компонентов, невысокую воспроизводимость сигнала вследствие сложности обеспечения однородности пасты, формируемой путем измельчения и смешивания большого числа твердых компонентов.
Известно устройство (Elhag S., Ibupoto Z.H., Nur O., Willander M. Incorporating β-Cyclodextrin with ZnO nanorods: A potentiometric strategy for selectivity and detection of dopamine // Sensors, 2014. - V. 14. - №1. - P. 1654-1664.) для определения концентрации дофамина в потенциометрическом режиме на основе наностержней из оксида цинка. Наностержни оксида цинка выращивают на стеклянной подложке, покрытой слоем золота методом низкотемпературного химического роста из водного раствора. На поверхности наностержней иммобилизуют полимерную мембрану, включающую поливинилхлорид в качестве пленкообразователя, бета-циклодекстрин и тетракис-(4-хлорфенил)борат калия.
-2
-6
-1
Устройство позволяет проводить определение дофамина в 10 М ацетатном буферном растворе при pH 5.45 в диапазоне концентраций от 1×10 до 1×10 М. К недостаткам сенсора можно отнести наличие сложной в изготовлении и дорогостоящей кристаллической основы, сложной в изготовлении полимерной мембраны, недостаточно низкий предел обнаружения, сложную конструкцию сенсора, сложность его изготовления.
Кроме того, к недостаткам всех твердоконтактных электродов с полимерными мембранами относится сложность достижения однородной толщины мембраны, изготовляемой из большого количества компонентов, и неравномерное распределение в ней компонентов. Процедура изготовления устройства продолжительна и многостадийна, что приводит к снижению воспроизводимости аналитических и операционных характеристик и сигнала сенсора.
Наиболее близким аналогом, выбранным в качестве прототипа по наибольшему количеству совпадающих признаков и достигаемому техническому результату, является твердоконтактный ионоселективный электрод для определения дофамина (Yin, T., Qin, W. Potentiometric determination of dopamine using a solid-contact polymeric membrane ion-selective electrode // Sensor Letters, 2013. - V. 11. - №3. - P. 607-612.).
-5
-3
В качестве твердого контакта устройства используется гидрофобный поли(3-октилтиофен). Полимерная ионоселективная мембрана включает поливинилхлорид в качестве пленкообразователя, гептакис(2, 3, 6-три-о-метил)-бета-циклодекстрин в качестве ионофора и тетракис[3,5-бис(трифторметил)фенил]борат натрия в качестве ионной добавки. Устройство используется для обнаружения дофамина в растворе 2 мМ ацетатного буфера (pH 4.4) в диапазоне концентраций от 3.0×10 ч÷1.0×10 М.
-5
Устройство позволяет проводить определение дофамина с пределом обнаружения 1.3×10 М. Устройство может быть использовано для прямого потенциометрического определения дофамина в водных растворах фармацевтических препаратов.
К недостаткам сенсора можно отнести:
- наличие сложной в изготовлении полимерной мембраны;
- недостаточно низкий предел обнаружения;
- узкий диапазон определяемых концентраций;
- сложную конструкцию сенсора, включающую большое количество компонентов;
-сложность его изготовления.
Кроме того, основным недостатком всех твердоконтактных пленочных электродов с полимерными мембранами является сложность достижения однородной толщины мембраны, изготовляемой из большого количества компонентов, и неравномерное распределение в ней компонентов. Процедура изготовления поверхностного слоя многостадийна, что приводит к снижению воспроизводимости характеристик мембраны и сигнала сенсора при замене полимерного слоя.
Технической задачей создания данной полезной модели является устранение недостатков прототипа, а именно:
- упрощение конструкции сенсора;
- снижение стоимости сенсора;
- снижение предела обнаружения;
- увеличение диапазона определяемых концентраций;
- повышение воспроизводимости измерения сигнала сенсора.
Заявленное техническое решение устраняет недостатки, присущие наиболее близкому аналогу, и обеспечивает реализацию поставленной задачи.
Технический результат заключается в упрощении конструкции сенсора (за счет наличия в составе сенсора электрополимеризованной мембраны, изготавливаемой в одну стадию и включающей небольшое число (два) компонентов), в обеспечении широкого диапазона определяемых концентраций и в снижении предела обнаружения (за счет использования в качестве ионофора предорганизованного макроциклического рецептора - пилларарена - в составе электрополимеризованной пленки диазокрасителя Бисмарка коричневого Y), в снижении стоимости сенсора за счет использования небольшого количества недорогих компонентов и потенциометрического способа детектирования сигнала сенсора (не требует дорогостоящего оборудования), причем чувствительность потенциометрического измерения аналитического сигнала обеспечивается наличием супрамолекулярного комплекса Бисмарка коричневого с пилларареном, который также обладает свойствами медиатора электронного переноса, в повышении воспроизводимости сигнала сенсора за счет однородной толщины мембраны, изготовляемой в одну стадию из небольшого количества компонентов (Бисмарк коричневый Y и пилларарен), и за счет равномерного распределения компонентов в мембране за счет одностадийности процесса электрополимеризации Бисмарка коричневого из раствора, содержащего пилларарен, образующий супрамолекулярный комплекс с Бисмарком коричневым.
Техническая задача решается за счет наличия на поверхности стеклоуглеродного электрода слоя электрополимеризованного Бисмарка коричневого, содержащего ионофор - пилларарен, что облегчает перенос электронов в составе поверхностного слоя, и за счет нахождения на поверхности сенсора электрополимеризованной пленки в отсутствие дополнительных компонентов, которые могут приводить к утолщению и неоднородности мембраны. Полученная мембрана, состоящая только из Бисмарка коричневого Y с включенным в него пилларареном, имеет простую конструкцию, низкую стоимость, малое время изготовления за счет отсутствия в ее составе пленкообразователя, однородный состав и одинаковую толщину по всей поверхности за счет малого числа компонентов и одностадийности изготовления в процессе электрополимеризации. Принципиальным отличием заявленного технического решения является наличие слоя электрополимеризованного Бисмарка коричневого, включающего пилларарен, который обеспечивает электронно-ионную проводимость и распознавание аналита (дофамина), увеличивает обратимость электронного обмена, что приводит к увеличению воспроизводимости сигнала сенсора и его величины. Кроме того, супрамолекулярный комплекс пилларарена с Бисмарком коричневым образуется в процессе электрополимеризации, поэтому на поверхности сенсора пилларарен находится не на поверхности проводящей пленки, а в ее объеме, в составе наноструктурированного супрамолекулярного комплекса, который за счет множественных взаимодействий заряженных групп обладает высокой чувствительностью к взаимодействию ионофора с дофамином.
Таким образом, электрополимеризованная мембрана, состоящая из супрамолекулярного комплекса, включающего электрополимеризованный Бисмарк коричневый и пилларарен, обладает принципиально новыми свойствами по связыванию и распознаванию аналитов, а воспроизводимость сигнала сенсора, расширение диапазона определяемых концентраций и снижение предела обнаружения дофамина достигнуты за счет того, что пилларарен, взаимодействующий с допамином и одновременно являющийся медиатором электронного переноса, находится в составе наноструктурированного супрамолекулярного комплекса, образованного за счет множественных взаимодействий заряженных групп.
Твердоконтактный потенциометрический сенсор для определения дофамина в водном растворе, характеризующийся тем, что сенсор представляет собой стеклоуглеродный электрод в тефлоновом корпусе, рабочая область которого покрыта слоем электрополимеризованного Бисмарка коричневого Y, включающего пилларарен.
Такое выполнение электрохимического сенсора обеспечивает возможность реализации заявленных технических результатов:
- простоту конструкции сенсора;
- широкий диапазон определяемых концентраций;
- низкий предел обнаружения;
- низкую стоимость сенсора - за счет использования потенциометрического способа детектирования сигнала сенсора и за счет использования дешевых и доступных реактивов в составе мембраны;
- высокую воспроизводимость сигнала сенсора за счет однородной толщины мембраны и за счет равномерного распределения компонентов в мембране, изготовляемой в одну стадию из небольшого количества компонентов.
Наличие электрополимеризованной пленки, содержащей пилларарен в качестве ионофора и медиатора электронного переноса, обеспечивает высокую чувствительность определения дофамина, широкий диапазон определяемых концентраций и низкий предел обнаружения дофамина, воспроизводимость сигнала, однородность и устойчивость покрытия, характеристики которого определяются параметрами электрополимеризации и легко регулируются на стадии получения полимера.
Заявленное техническое решение поясняется материалами, представленными Фиг. 1 и Фиг. 2
-4
-3
Конструкция твердоконтактного потенциометрического сенсора представлена на фиг. 1. Потенциометрический сенсор состоит из стеклоуглеродного электрода в тефлоновом корпусе, а также из полимерной наноструктурированной пленки электрополимеризованного Бисмарка коричневого Y, включающего пилларарен (фиг. 2). Полимерная пленка выполнена путем электроосаждения из раствора, содержащего 0.015-0.05 М фосфатный буферный раствор, 20-50% ацетон, 0.001 М Бисмарк коричневый Y и 5×10-2×10 М пилларарен, на стеклоуглеродный электрод в потенциодинамическом режиме в интервале потенциалов -1.0÷1.0 В, при скорости сканирования потенциала 80-100 мВ/с, 8-10 циклов сканирования потенциала. После проведения электролиза электрод ополаскивали дистиллированной водой с последующим высушиванием на воздухе при комнатной температуре. Характеристики электрохимического сенсора определяли в растворе дофамина в диапазоне концентраций 5 мкМ-0.1 М. Раствор дофамина готовили растворением точной навески в дистиллированной воде.
Заявленное устройство используется для определения дофамина. Устройство работает следующим образом.
Потенциометрический сенсор и хлоридсеребряный электрод сравнения погружают в электрохимическую ячейку, содержащую 10 мл 0.05 М фосфатного буфера или 0.04 М универсального буферного раствора. Регистрируют значение ЭДС. В ячейку добавляют аликвоту (10-100 мкл) раствора дофамина и регистрируют значение ЭДС ячейки после установления постоянного значения. Аналитическим сигналом является величина ЭДС ячейки. Строят градуировочную зависимость в координатах «ЭДС, мВ - отрицательный логарифм концентрации дофамина». Воспроизводимость сигнала составляет 2.0÷0.5%. Устройство позволяет проводить определение дофамина с пределом обнаружения 0.5 мкМ.
Таким образом, по сравнению с прототипом заявленное техническое решение имеет следующие преимущества:
1) широкий диапазон определяемых концентраций;
2) низкий предел обнаружения дофамина;
3) простое устройство сенсора;
4) низкую стоимость сенсора,%;
5) высокую воспроизводимость сигнала,
6) высокую чувствительность определения концентрации аналита,
7) более надежное функционирование устройства благодаря наличию в его составе однородного электрополимеризованного покрытия, включающего супрамолекулярный комплекс Бисмарка коричневого и пилларарена.