На правах рукописи

АРТАМОНОВА МАРТА ЛЕОНИДОВНА

КОМПОЗИТНЫЕ ЭЛЕКТРОДЫ

С ВКЛЮЧЕННЫМИ МЕТАЛЛОФТАЛОЦИАНИНАМИ ДЛЯ

ВОЛЬТАМПЕРОМЕТРИЧЕСКОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ

ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ

02.00.02 – аналитическая химия

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук

Казань – 2013 2

Работа выполнена на кафедре аналитической химии Химического института им. А.М. Бутлерова Федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего профессионального образования "Казанский (Приволжский) федеральный университет" Министерства образования и науки Российской Федерации

Научный руководитель: доктор химических наук, профессор Шайдарова Лариса Геннадиевна

Официальные оппоненты: Улахович Николай Алексеевич, доктор химических наук, профессор кафедры неорганической химии ФГАОУ ВПО «Казанский (Приволжский) федеральный университет», г. Казань Приймак Елена Валентиновна, кандидат химических наук, доцент кафедры аналитической химии, сертификации и менеджмента качества ФГБОУ ВПО «Казанский национальный исследовательский технологический университет», г. Казань

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Кубанский государственный технологический университет», г.Краснодар

Защита состоится " 5 " декабря 2013 г. в 14 часов 30 минут на заседании диссертационного Совета Д 212.081.30 по химическим наукам Казанского (Приволжского) федерального университета по адресу: г. Казань, ул. Кремлевская, 18, Химический институт им. А.М. Бутлерова, КФУ, Бутлеровская аудитория.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке им. Н.И. Лобачевского Казанского (Приволжского) федерального университета Отзывы на автореферат просим направлять по адресу:

420008, г. Казань, ул. Кремлевская, 18, КФУ, Научная часть.

Автореферат разослан " " октября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного Совета, кандидат химических наук, доцент М.А. Казымова Актуальность темы исследования. Органический электрохимический анализ с применением химически модифицированных электродов (ХМЭ) продолжает привлекать внимание исследователей. Химическая модификация электродной поверхности придает ей особые свойства. Использование в вольтамперометрии ХМЭ с каталитическим откликом позволяет не только уменьшить энергетический барьер протекающей окислительновосстановительной реакции, но и ускорить её, и тем самым повысить чувствительность определения, чем объясняется повышенный интерес к созданию электрокаталитически модифицированных электродов. Один из способов получения таких ХМЭ состоит в иммобилизации на поверхности углеродных электродов макроциклических комплексов 3d-переходных металлов с органическими лигандами. Среди металлокомплексов этого типа особого внимания заслуживают металлофталоцианины (MPc), которые отличаются механической и химической стабильностью, высокой электрокаталитической активностью при окислении как неорганических, так и органических соединений, в том числе проявляющих биологическую активность.

Для получения электродов-сенсоров на основе МРс используют различные способы их иммобилизации такие, как необратимая адсорбция, химическое связывание с образованием ковалентных связей, введение в объем пасты из углеродных материалов, электрохимический синтез полимерной пленки на поверхности электрода, а также формирование самоорганизующихся монослоев (СОМС). В последнее время отдают предпочтение пленочным и композитным электродам.

Использование ХМЭ на основе МРс в электроанализе различных объектов позволяет улучшить аналитические и метрологические характеристики вольтамперометрического определения биологически активных веществ (БАВ) как в стационарных, так и в проточных условиях. Поэтому вольтамперометрического определения органических соединений в стационарных условиях и их амперометрического детектирования в потоке является актуальной задачей.

Работа выполнялась в соответствии с планами научно-исследовательских работ Казанского (Приволжского) федерального университета по теме «Развитие теоретических и прикладных основ методов определения малых количеств биологически активных веществ» (№ гос. регистрации 0120107141) и при частичной финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект № 08-03-00749, 12-03-97031).

Цель и задачи исследования. Целью исследования является создание новых и усовершенствование существующих способов получения химически модифицированных электродов на основе фталоцианиновых комплексов с 3dпереходными металлами и их применение для вольтамперометрического определения органических соединений в стационарном режиме и амперометрического детектирования в условиях проточно-инжекционного анализа (ПИА).

В связи с вышеизложенным в настоящей работе поставлены следующие задачи:

• разработать композитные электроды, используя различные способы иммобилизации MPc: электрохимический синтез полимерных пленок из комплекса тетрасульфофталоцианина никеля (II) (NiTSPc), включение в электропроводящую пленку из полианилина (ПАн) комплексов тетрасульфофталоцианина металлов (MTSPc, где M = Fe(II), Ni(II) и Cu(II)) в качестве допирующих агентов, а также формирование самоорганизующихся монослоев МРс (M = Fe(II), Co(II) и Cu(II));

• изучить каталитические свойства макрокомплексов МPс, иммобилизованных на поверхности СУ, при окислении аминокислот (цистеина, цистина, метионина), алифатических спиртов (этанола, пропанола, бутанола, диэтиленгликоля), оксикислот (гликолевой и винной кислот) и катехоламинов (дофамина (ДА), адреналина (АД)); выявить факторы, влияющие на каталитическую активность МРс;

• разработать новые способы вольтамперометрического определения органических соединений на ХМЭ на основе МРс с высокими аналитическими и метрологическими характеристиками, определить возможность использования полученных ХМЭ для амперометрического детектирования рассматриваемых органических соединений в условиях ПИА;

• показать возможность использования разработанных способов вольтамперометрического определения органических соединений в анализе биологических жидкостей, лекарственных препаратов, витаминных комплексов, косметических средств и пищевых кормов для животных.

Научная новизна:

• разработаны электроды-сенсоры на основе МРс с различными способами их иммобилизации такими, как электрохимическая полимеризация водорастворимого комплекса NiTSPc, включение в электропроводящую пленку из ПАн в качестве допирующего агента MTSPс, а также формирование СОМС комплексов МРс (M = Fe(II), Co(II) и Cu(II)), прослежено изменение морфологии поверхности электрода при иммобилизации на них МРс методом сканирующей зондовой микроскопии, установлено образование наноструктурированных частиц или монослойного покрытия;

• установлены особенности электроокисления некоторых органических соединений (аминокислот, алифатических спиртов, оксикислот, и катехоламинов) на ХМЭ на основе МРс, иммобилизованных разными способами, предложены схемы электроокисления рассматриваемых органических субстратов;

• сопоставлены каталитические, метрологические и операционные характеристики ХМЭ с иммобилизованными различными способами МРс, найдены условия получения ХМЭ и регистрации аналитического сигнала, при которых проявляются наибольшие каталитические эффекты для всех рассматриваемых субстратов; показана избирательная активность катализатора в зависимости от природы металлокомплекса, способа его иммобилизации и рН раствора;

разработаны способы вольтамперометрического определения на ХМЭ некоторых органических соединений, а именно, цистеина, цистина, метионина, этанола, гликолевой кислоты, дофамин и адреналина, на композитных электродах в стационарных условиях; установлена возможность их амперометрического детектирования в условиях ПИА; показано, что использование каталитического отклика ХМЭ на основе МРс по сравнению с немодифицированным электродом улучшает как чувствительность, так и воспроизводимость определения БАВ.

Практическая значимость работы. Разработанные ХМЭ на основе МРс использованы в качестве электродов-сенсоров для вольтамперометрического определения и амперометрического детектирования в условиях ПИА алифатических спиртов, оксикислот, серосодержащих аминокислот и катехоламинов. Каталитический отклик ХМЭ использован при анализе различных объектов: ХМЭ с пленкой CuTSPc-ПАн – для определения дофамина и адреналина в лекарственных средствах и биологических жидкостях, ХМЭ с пленкой poly-NiTSPc – для определения цистеина, метионина и цистина в лекарственных средствах, витаминах, в кормах для животных и гликолевой кислоты в косметических средствах, ХМЭ на основе монослоя FePc – для определения цистеина в витаминных комплексах.

На защиту выносятся:

• Способы получения ХМЭ с каталитическими свойствами на основе иммобилизованных MPc такие, как электрохимический синтез полимерных пленок из комплекса тетрасульфофталоцианина никеля (II), включение в электропроводящую пленку ПАн комплексов MTSPc (M = Fe(II), Ni(II) и Cu(II)) в качестве допирующих агентов, а также формирование самоорганизующихся монослоев МРс (M = Fe(II), Co(II) и Cu(II)). Выбор рабочих условий получения ХМЭ с лучшими электродными характеристиками.

• Результаты исследования электрохимического поведения органических соединений таких, как серосодержащие аминокислоты (цистеин, цистин, метионин), алифатические спирты (этанол, пропанол, бутанол, диэтиленгликоль), оксикислоты (гликолевая и винная кислота) и катехоламины (дофамин, адреналин) на разработанных ХМЭ с каталитическими свойствами;

выявление факторов, влияющих на каталитическую активность МРс, нахождение условий регистрации максимального каталитического эффекта.

амперометрического детектирования в условиях ПИА рассматриваемых органических соединений на разработанных ХМЭ; совокупность факторов, определяющих величину аналитического сигнала; аналитические и метрологические характеристики ХМЭ, данные об устойчивости и воспроизводимости каталитического отклика в стационарных и проточных условиях.

Cтепень достоверности и апробация работы.

Достоверность полученных результатов обеспечивается использованием современных методов вольтамперометрии, а также математической статистики.

Результаты исследований были доложены и обсуждены на международных и российских конференциях и изложены в материалах: X Научной конференции молодых ученых, аспирантов и студентов научнообразовательного центра Казанского (Приволжского) федерального университета «Материалы и технологии XXI» (Казань, 2011), XIX Менделеевском съезде по общей и прикладной химии (Волгоград, 2011), VIII Всероссийской конференции по электрохимическим методам анализа «ЭМА – 2012» (Уфа, 2012), Втором съезде аналитиков России (Москва, 2013) и Итоговой научной конференции Казанского (Приволжского) федерального университета (Казань, 2013).

Публикации. По результатам работы опубликовано 5 статей и 5 тезисов докладов.

Личный вклад автора. Основная экспериментальная работа и выводы сделаны самим автором.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, экспериментальной части, трех глав результатов исследований и их обсуждения, заключения, выводов и списка используемой литературы. Работа изложена на 163 страницах, содержит 54 рисунка, таблиц и список литературы из 170 наименований. Первая глава (литературный обзор) дает представление о современных способах иммобилизации МРс и возможностях использования ХМЭ на основе МРс в электроанализе. Во второй главе формулируется постановка задачи, описываются условия проведения эксперимента и объекты исследования. Третья глава посвящена разработке ХМЭ на основе МРс, нанесенных на поверхность углеродных электродов разными способами. В четвертой главе приведены результаты изучения особенностей электроокисления органических соединений на изготовленных ХМЭ. В пятой главе демонстрируется возможность определения органических соединений по каталитическому отклику ХМЭ в различных объектах.

Методы исследования.

Элекроокисление органических соединений на ХМЭ изучали методом постояннотоковой вольтамперометрии с трехэлектродной ячейкой. В качестве рабочего электрода применяли электрод из стеклоуглерода (СУ) или высокоориентированного пирографита (ВОПГ), а также ХМЭ с электрополимеризованными макрокомплексами NiTSPc (poly-NiTSPc), NiCyclam (poly-NiCyclam) или с осадком Ni(OH)2, ХМЭ на основе пленки ПАн с включенным MTSPc (MTSPc-ПАн), а также ХМЭ с электроосажденным слоем золота с иммобилизованным монослоем 4-меркаптопиридина (МРyr) и самоорганизующимся монослоем МРс (МPc-МРyr-Au). Электродом сравнения служил хлоридсеребрянный электрод, вспомогательным – платиновая проволока. Изучение морфологии поверхности электродов проводили методом атомно-силовой микроскопии (АСМ). Определение органических соединений в модельных системах и реальных объектах проводили, используя вольтамперометрию на ХМЭ и ПИА с амперометрическим детектированием.

Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю доктору химических наук, профессору Шайдаровой Л.Г., научным консультантам: академику РАЕН и МАНВШ, доктору химических наук, профессору Будникову Г.К., кандидату химических наук Гедминой А.В.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Металлофталоцианины – это сложные полиеновые азотсодержащие комплексы металлов. К достоинствам этих металлокомплексов следует отнести их химическую стойкость и разнообразие быстрых редокс-переходов. МРс катализируют большой круг электрохимических реакций.

Каталитический эффект проявляется в увеличении тока окисления медиатора в присутствии субстрата по сравнению с током, регистрируемым в его отсутствие, а иногда в уменьшении потенциала окисления субстрата.

Поэтому при исследовании электроокисления органических соединений на ХМЭ с каталитическими свойствами проводили сопоставление потенциала (Емод) и тока (Iмод) окисления модификатора ХМЭ в отсутствие субстрата в растворе фонового электролита с потенциалом (Екат) и током (Iкат) каталитического окисления субстрата, регистрируемыми на этом ХМЭ в этих же условиях. Эффективность катализатора устанавливали по отношению Iкат/Iмод.

Для иммобилизации МРс на поверхности электродов использовали различные способы. Ранее на кафедре аналитической химии КФУ проводились систематические исследования по разработке ХМЭ с каталитическими свойствами на основе МРс, полученных путем сорбции или включения их в угольную пасту. В продолжение этих исследований рассмотрены другие способы иммобилизации МРс и сопоставлена их каталитическая активность.

1. Электроды, модифицированные полимерными пленками из Один из способов иммобилизации МРс заключается в электрохимической полимеризации металлокомплекса.

1.1 Электрохимическое поведение иммобилизованных полимерных пленок из Рисунок 1.2. Циклическая вольтамперограмма, полуне формируется. На циклической вольтченная на ХМЭ с пленкой poly-NiTSPc на фоне 0.1 М NaOH (1) и боратного буфер- вольтамперная кривая фонового электролита.

количества циклов (N) при осаждении этой пленки (таблица 1.1). Наибольшая величина тока наблюдается при электрополимеризации NiTSPc в области потенциалов от 0.0 В до +1.0 В, в течение 15 циклов.

Таблица 1.1. Электрохимические характеристики окисления иммобилизованной на СУ пленки poly-NiTSPc Область циклического изменения потенциалов при N = 15, В -0.2+0. 0.0+0. poly-NiTSPc, получали электрохимически из 110 М раствора металлокомплекса на фоне 0.1 М NaOH в результате потенциодинамического электролиза. Электрохимическое генерирование частиц Ni(OH)2 проводили в две стадии: сначала электрохимически осаждали на поверхности СУ частицы никеля, затем полученный электрод переносили в раствор 0.1 М NaOH и циклически изменяли потенциал в области от 0.0 В до 1.0 В для образования на поверхности ХМЭ осадка гидроксида Ni (II).

тока пиков окисления на ХМЭ с пленками poly-NiTSPc и poly-NiCyclam меньше по сравнению с током, регистрируемым на условиях. Это, по-видимому, связано с меньшим количеством электрохимически активных центров на поверхности подтверждения этого предположения были этих ХМЭ. Как следует из АСМ изображений этих электродов, ВОПГ характерна плотная упаковка покрытия поликристаллической структуры осадка с диаметром частиц 80-180 нм, а в NiCyclam образуется сетчатая структура электроде poly-NiTSPc-ВОПГ формируются нанокластеры с диаметром 15-50 Рисунок 1.3. Зависимость тока нм, на электроде poly-NiCyclam-ВОПГ – с диаметром 20-50 нм. Формирование изолированных наноструктурированных частиц модификатора по сравнению с Ni(OH)2 может привести к росту каталитической активности полимерной пленки.

Рисунок 1.4. АСМ изображения поверхности электродов Ni(OH)2-ВОПГ (а), polyNiCyclam-ВОПГ (б) и poly-NiTSPc-ВОПГ (в) Стабильность отклика этих ХМЭ различается. Установлено, что при многократном воспроизведении вольтамперограмм значение тока пика для пленки poly-NiTSPc практически не меняется, а в случае пленки poly-NiCyclam и осадка Ni(OH)2 монотонно уменьшается (рисунок 1.3б).

1.2. Электрокаталитические свойства электродов, модифицированных полимерными пленками из тетрасульфофталоцианина никеля (II) Электроокисление серосодержащих аминокислот Рисунок 1.5. Циклические вольтамперограммы, полученные пленкой poly-NiTSPc. При окислении на СУ в присутствии цистеина цистеина на этом ХМЭ на фоне 0.1 М раствора (с=510-3 М) (а) и на ХМЭ с NaOH (рН 13.0) на анодной ветви циклической пленкой poly-NiTSPc в отсут- вольтамперограммы регистрируется пик при ствие (1) и в присутствии (2) Е +0.52 В, в этой же области потенциалов на цистеина (с=510-3 М) на фоне 0.1 М раствора NaOH (б) Ni(III)/Ni(II) (рисунок 1.5б). Ток пика линейно увеличивается с ростом концентрации этой аминокислоты и многократно превышает величину тока пика окисления модификатора. Все эти факторы позволяют отнести процесс окисления цистеина к каталитическому. Согласно диаграмме распределения рН-форм, SH-группа цистеина в растворах с рН 13.0 находится в депротонированном состоянии, что способствует взаимодействию цистеина с центральным атомом металлокомплекса МРс (рК(СООН)= 1.71, рК(NH2)= 8.33, рК(SH)=10.78). В связи с этим электрокаталитическое окисление цистеина на этом ХМЭ в сильно-щелочных растворах можно представить следующими уравнениями:

ХМЭ с пленками poly-NiTSPc, poly-NiCyclam и осадком Ni(OH)2 (рисунок 1.6). Установлено, что наибольшую каталитическую активность электрохимически генерированные оксо- формы никеля (III) из пленки poly-NiTSPc, что, вероятно, связано с экстракоординационным субстратом.

С понижением рН фонового электролита Рисунок 1.6. Зависимость электр каталитические свойства ухудшаются. Так, при окислении цистеина на окислении цистеина (с=510 М) ХМЭ с этой пленкой в боратном буферном NaOH от природы модификатора растворе с рН 9.0 на вольтамперограмме регистрируются две ступени. При потенциалах первой ступени происходит окисление аминокислоты, а при потенциалах второй – окисление модификатора (таблица 1.2), то есть каталитический эффект в этом случае не проявляется, так как не выполняется термодинамическое условие электрокатализа.

Установлена каталиТаблица 1.2. Вольтамперные характеристики, тическая активность ХМЭ с пленкой poly-NiTSPc при (с=510-3М) и цистина (с=110-3М) на СУ и ХМЭ с электроокислении метиони- пленкой poly-NiTSPc-СУ на и цистина в растворах с рН 9.0 (таблица 1.2). В сильно-щелочных растворах каталитические свойства отношению к цистину и Боратный буферный раствор (рН 9.0) катора и субстрата. * - потенциал полуволны варьирование значений рН фонового электролита приводит к избирательному проявлению каталитической активности модификатора poly-NiTSPc при окислении серосодержащих аминокислот, что в свою очередь позволяет разработать способы селективного определения цистеина, метионина и цистина.

Электроокисление алифатических спиртов и оксикислот На немодифицированном СУ этанол (а также пропанол-2, бутанол и диэтиленгликоль) не окисляется в рассматриваемой области потенциалов, хотя равновесный потенциал редокс-системы СН3СНО/ С2Н5ОН равен 0.19 В.

I кат/I мод Рисунок 1.7. Зависимость литического эффекта при окис- при окислении спиртов на рассматриваемых лении этанола от природы моди- ХМЭ, увеличиваются, а в случае фикатора (а), зависимость отношения тока при N=1 (Io) к значению диэтиленгликоля – практически не меняются тока после N-воспроизведений (I), (рисунок 1.8а), что вероятно связано с более от числа воспроизведений вольт- сложным механизмом его окисления.

этанола на ХМЭ с пленкой poly- катализа установлен при окислении гликоNiTSPc (1), poly-NiCyclam (2), и левой и винной кислот, причем наибольшую осадком Ni(OH)2 (3) (б) окислении оксикислот, как и в случае спиртов, проявляет Ni(OH) (рисунок 1.8б). Более высокая воспроизводимость и стабильность каталитического отклика наблюдается на ХМЭ на основе пленки poly-NiTSPc, поэтому в дальнейшем именно этот электрод использовали для аналитических целей.

Рисунок 1.8. Зависимость электрокаталитического эффекта при окислении алифатических спиртов (с=110-2 М) (а) и оксикислот (б) (с=510-3 М) на ХМЭ 2. Композитные электроды на основе полианилина с включенным Другой способ иммобилизации МРс на поверхности трансдьюсера состоит во включении металлокомплекса в качестве допирующего агента в матрицу электропроводящего полимера, например, ПАн.

2.1. Электрохимическое поведение композитов на основе полианилина с включенным тетрасульфофталоцианином металла Сопоставлено электрохимическое поведение пленок из ПАн, электрополимеризованных в отсутствие и присутствии комплексов MTSPc (M = Fe(II), Ni(II) и Cu(II)) в качестве допирующих агентов.

СУ с электрополимеризованной ПАн-пленкой I 3мкА на фоне 0.1 М H2SO4, регистрируются две пары анодно-катодных пиков при Еп 0.15 и 0.60 В (рисунок 2.1). Электрохимическое окисление ПАн в кислых электролитах обычно описывают двумя основными редокспереходами: лейкоэмеральдин/эмеральдин и эмеральдин/пернигранилин. Наибольшие и электроосаждении Рисунок 2.1. Циклические вольтпотенциодинамическом полимерной пленки в интервале потенциалов электродах ПАн-СУ (1) и На циклической вольтамперограмме, растворе H2SO полученной на ХМЭ с композитом CuTSPcПАн, наблюдается смещение потенциала первого пика в анодную, а второго пика наоборот в катодную область потенциалов (рисунок 2.1), что связано с изменением катионно-анионного механизма ионного обмена на катионный в процессе допирования-дедопирования ПАн, при этом в полимерной пленке происходит перемещение только протонов, а CuTSPc остается в матрице ПАн по схеме:

2.2. Электрокаталитические свойства композитных электродов на основе полианилина с включенным тетрасульфофталоцианином металла Электроокисление серосодержащих аминокислот Рисунок 2.2. Циклические вольтамперограммы, получен- ПАн-пленок и композита МTSРс-ПАн при ные на электродах ПАн-СУ электроокислении биогенных катехоламинов – (а) и CuTSPc-ПАн-СУ (б) в ДА и АД (таблица 2.1). Каталитические свойства отсутствие (1) и в присутст-ПАн-пленки по отношению к ДА проявляются в вии (2) дофамина (с=510-3 М) в 0.1 М растворе H2SO CuTSPc в полимерную пленку приводит как к смещению потенциала пика окисления ДА на 250 мВ, так и к значительному увеличению каталитического тока и каталитического эффекта (рисунок 2.2б, таблица 2.1). Катализ по току и потенциалу наблюдаются и при окислении АД на таких ХМЭ (таблица 2.1).

Вольтамперные характеристики окисления дофамина и адреналина (с=510-3 М) на ХМЭ на фоне 0.1 М раствора H2SO Дофамин (Еs= 0.85 В, Is= 25 мкА) Адреналин (Еs= 0.86 В, Is=34 мкА) Установлена зависимость каталитического эффекта от природы центрального атома MTSPc, I кат/I мод иммобилизованного в ПАн. Наибольшее значение каталитического эффекта регистрируется на ХМЭ с пленкой CuTSPc-ПАн (рисунок 2.3). Это электрокаталитических свойств ПАн и CuTSPc при окислении ДА.

используют только в кислых растворах, так как при рН > 4 ПАн неэлектроактивен и не проявляет Рисунок 2.3. Зависимость каталитические свойства, что связано с переходом электрокаталитического эфполимера в непроводящее дедопированное фекта при окислении дофасостояние. Рассмотрена зависимость величины мина (с=510-3 М) на ХМЭ каталитического окисления ДА на электроде CuTSPc-ПАн-СУ от рН фонового электролита.

Установлено, что электрохимическая и электрокаталитическая активность композита ПАн с включенным CuTSPc сохраняется при увеличении рН раствора в интервале от 1 до 7, Биогенные катехоламины в биологических объектах содержатся в малых количествах – на Рисунок. 2.4. Зависимость уровне ~ 110-7 мольл-1, поэтому способы их каталитического эффекта (1) определения должны характеризоваться низким и потенциала пика (2) при пределом обнаружения. В связи с этим ХМЭ на окислении дофамина на основе ПАн с включенным CuTSPc покрывали электроде CuTSPc-ПАн-СУ пленкой из НФ. В этом случае проявляются от рН фонового электролита катионообменные свойства полимера по отношению к протонированной форме ДА, образующейся в кислой среде. Использование композита НФ-CuTSPc-ПАн привело к улучшению электрохимических характеристик окисления ДА (Iкат/Iмод = 100) за счет сочетания двух механизмов функционирования ХМЭ – электрокатализа и концентрирования субстрата.

Аналогичный каталитический эффект наблюдается и при окислении АД на ХМЭ с композитом CuTSPc-ПАн (Iкат/Iмод=18.) и CuTSPc-ПАн-НФ (Iкат/Iмод=30) (таблица 2.1).

3. Композитные электроды с монослоем металлофталоцианина Значительный интерес представляет способ иммобилизации МРс, основанный на формировании самоорганизующегося монослоя МРс в результате аксиального взаимодействия макромолекулы металлокомплекса с самоорганизующимся монослоем 4-меркаптопиридина на золотой поверхности.

Этот способ позволяет получить высокоориентированные ультратонкие монослойные пленки на поверхности электрода.

3.1. Электрохимическое поведение композитов с монослоем металлофталоцианина Сопоставлены электрохимические свойства иммобилизованного осадка золота и самоорганизующегося монослоя МРс (M = Fe(II), Co(II) и Cu(II)) на золотой поверхности с нанесенным монослоем 4-меркаптопиридина.

Рисунок 3.1. Циклические вольт- частиц золота сформированным монослоем амперограммы, полученные на МРyr. На циклической вольтамперограмме, электродах Au-СУ (1), МРyr-Au- полученной на электроде FePc-МРyr-AuСУ (2) и FePc-МРyr-Au-СУ (3) на СУ, регистрируется одна четко выраженная фоне буферного раствора с рН 4. Анодный пик, наблюдаемый при Е 0.50 В, относится к окислению металлокомплекса Fe(II)Pc по уравнению:

Определена поверхностная концентрация модификатора (Г) на поверхности ХМЭ на основе монослоя МРс. Рассчитанное значение Г, равное 2.910-10 моль/см2 указывает на образование монослойного покрытия FePc.

Методом АСМ получены изображения поверхности электродов на каждой стадии изготовления электрода FePc-МРyr-Au-СУ (рисунок 3.2.). Как видно из АСМ изображений, на электроде Au-ВОПГ формируется плотная упаковка покрытия поликристаллической структуры на всей поверхности носителя со средним диаметром частиц золота 40 нм. На электроде МРyr-Au-ВОПГ наблюдается уменьшение размера равномерно распределенных по поверхности ХМЭ частиц по диаметру до 20 нм и высоте до 10 нм, связанное с формированием монослоя МРyr. Дальнейшее уплотнение осадка по высоте до 6 нм, наблюдаемое на электроде FePc-МРyr-Au-ВОПГ, вероятно, связано с формированием монослоя FePc.

Рисунок 3.2. АСМ изображения, полученные на электродах Au-ВОПГ (а), МРyr-Au-ВОПГ (б) и FePc-МРyr-Au-ВОПГ (в) 3.2. Электрокаталитические свойства композитных электродов на основе монослоя металлофталоцианина Электроокисление серосодержащих аминокислот отношению к цистеину.

электроде Au-СУ наблюдается пик при Еп 0.90 В, многократно превышающий значение тока окисления модификатора и тока окисления (рисунок 3.3а,б). При окислении цистеина на ХМЭ с СОМС FeРс наблюдается значительное тока пика от концентрации субстрата позволяют отнести электрохимический процесс окисления наибольшая каталитическая активность по электроде с монослоем FePc (таблица 3.1). Рисунок 3.3. Циклические вольтКаталитический эффект электроокисления амперограммы окисления цисцистеина зависит от рН раствора. С ростом теина (с=510 М) на фоне буфернаблюдается ного раствора сAu-СУ (б) СУFePcрН 4.0 на (а) и закономерное уменьшение потенциала, и МРyr-Au-СУ (в) в отсутствие (1) и значительное уменьшение каталитического присутствии цистеина (2), зависиэффекта, особенно в сильно-щелочных средах мость тока пика окисления (рисунок 3.4), что связано с разрушением пленки цистеина на этом ХМЭ от его из-за десорбции слоя МРyr с поверхности где M – ион щелочного металла фонового полученные при окислении цистеина (с = 510-3М) Электрокаталитическая активность СОМС FePc по отношению к метионину и цистину на фоне буферного раствора с рН 4.0 не проявляется, что вероятно связано с большой разностью потенциалов окисления медиатора и субстратов.

4. Применение модифицированных металлофталоцианинами электродов для определения органических соединений На основании полученных результатов разработаны способы вольтамперометрического определения рассматриваемых органических соединений на ХМЭ на основе МРс (таблица 4.1). Использование каталитического отклика ХМЭ на основе МРс по сравнению с немодифицированным СУ приводит к росту чувствительности и уменьшению нижней границы определяемых содержаний аналитов на 1-4 порядка.

Таблица 4.1. Аналитические характеристики определения органических соединений на ХМЭ на основе МРс Аналит Модификатор рН концентраций Цистеин Цистин Диэтиленгликоль Гликолевая кислота Винная кислота Дофамин НФ-CuTSPc-ПАн Адреналин НФ-CuTSPc-ПАн Как видно из таблицы 4.1, широкий диапазон определяемых концентраций удалось достигнуть при определении цистеина на ХМЭ с композитом FePc-MPyr-Au (рН 4.0) и с пленкой poly-NiTSPc (рН 13.0), а при определении метионина и цистина на ХМЭ с пленкой poly-NiTSPc (рН 9.0).

Использование композитного пленочного электрода НФ-CuTSPc-ПАн по сравнению с немодифицированным электродом позволяет увеличить диапазон определяемых концентраций дофамина и понизить нижнюю границу определяемых содержаний на четыре порядка за счет сочетания упомянутых выше двух механизмов функционирования модифицированного электрода – электрокатализа и концентрирования аналита.

Правильность предлагаемых способов вольтамперометрического определения органических соединений на ХМЭ оценена методом «введенонайдено». При использовании перечисленных выше ХМЭ относительное стандартное отклонение (Sr) не превышала 5 % во всем диапазоне концентраций. Разработанные способы предложены для вольтамперометрического определения органических соединений в различных объектах.

ХМЭ на основе пленки poly-NiTSPc был использован для определения метионина и суммарного содержания метионина и цистина в комбикормах, используемых для питания сельскохозяйственных животных и птиц.

Предварительно было установлено отсутствие мешающего влияния матричных компонентов и других электрофильных соединений, таких как лизин, треонин, на величину аналитического сигнала из-за отсутствия их электрохимической активности в условиях эксперимента. Результаты определения метионина и суммарного содержания метионина и цистина в комбикормах, представлены в таблице 4.2.

Таблица 4.2. Результаты вольтамперометрического определение аминокислот на ХМЭ с пленкой poly-NiTSPc-СУ в кормах для сельскохозяйственных животных;

n = 6, P = 0.95, tтабл = 2. исследования Метионин кормовой Комбикорм для Комбикорм для Определение серосодержащих аминокислот в лекарственных средствах и витаминных комплексах проводили на электродах FePc-MPyr-Au-СУ и polyNiTSPc-СУ. Предварительно было установлено отсутствие влияния различных компонентов, присутствующих в лекарственных средствах и витаминах на результаты определения. Результаты определения рассмотренных серосодержащих аминокислот в некоторых лекарственных средствах и витаминах представлены в таблице 4.3.

Таблица 4.3. Результаты вольтамперометрического определения органических соединений в витаминах, лекарственных и косметических средствах; n = 6, P = 0.95, tтабл = 2. «Эксперт (витамины) formula»

(витамины) Дофамин (в ампулах) Адреналин (в ампулах) Гликолевая (в ампулах) ХМЭ с пленкой poly-NiTSPc использовали в анализе косметических средств, например, для определения гликолевой кислоты в растворах, применяемых для мезопилинга. Результаты определения приведены в таблице 4.3. Композитный электрод НФ-CuTSPc-ПАн-СУ был использован для вольтамперометрического определения катехоламинов в лекарственных средствах и в биологических жидкостях. Результаты определения дофамина, адреналина в лекарственных средствах приведены в таблице 4.3.

При диагностике некоторых заболеваний (гипертонии, шизофрении, болезнь Паркинсона, нейробластомы и др.) определяют содержание дофамина в урине. Результаты определения дофамина в урине приведены в таблице 4.4.

Установлено, что присутствующие в урине другие электрофильные соединения (креатинин, мочевая кислота, мочевина, ксантин и гипоксантин) окисляются в другой области потенциалов, либо содержатся в гораздо меньших концентрациях, чем аналиты, и поэтому не мешают определению.

Таблица 4.4. Результаты вольтамперометрического определения дофамина на электроде НФ-CuTSPc-ПАн-СУ в урине; n = 6, P = 0.95, tтабл = 2. исследования (для здорового человека) проба урины № проба урины № Высокая стабильность каталитического отклика разработанных ХМЭ на основе MPc позволяет проводить высокочувствительное определение рассматриваемых органических соединений в условиях ПИА. Для каждого соединения установлены электрохимические и гидродинамические условия регистрации ПИА-сигнала на рассматриваемых ХМЭ. Получены зависимости каталитического отклика ХМЭ на основе МРс от объема пробы, скорости потока и накладываемого потенциала, на основании которых определены рабочие условия регистрации ПИА-сигнала на ХМЭ. Аналитические характеристики проточно-инжекционного определения органических соединений на ХМЭ на основе МРс представлены в таблице 4.5. Зависимость ПИА-сигнала от концентрации линейна в широком интервале.

Таблица 4.5. Аналитические характеристики определения органических соединений на ХМЭ в условиях проточно-инжекционного анализа Цистеин кислота Использование каталитического отклика ХМЭ в ПИА позволяет автоматизировать процесс анализа, увеличить его производительность, воспроизводимость и понизить нижнюю границу определяемых содержаний исследуемых органических соединений примерно на порядок по сравнению со стационарными условиями.

Проведенные исследования показывают преимущества модификации поверхности электрода в результате полимеризации металлокомплекса NiTSPc, включения CuTSРс в электропроводящую пленку ПАн и образования СОМС из FeРс. Именно в этом случае удается получить тонкие полимерные пленки МРс или наноструктурированные композиты на их основе, обладающие высокой каталитической активностью. По сравнению с электродами, модифицированными другими способами, такими как адсорбция, включение в угольную пасту, на таких ХМЭ регистрировали `большие значения токов или каталитических эффектов и соответственно более высокую чувствительность определения, а также лучшую воспроизводимость и стабильность отклика, что позволило достичь высоких аналитических и метрологических характеристик при определении органических соединений. Поэтому композиты на основе МРс являются весьма перспективными электродными материалами для разработки различных электродов-сенсоров.

ВЫВОДЫ

1. Разработаны различные способы получения модифицированных металлофталоцианинами электродов: электрохимический синтез полимерной пленки из раствора тетрасульфофталоцианина Ni (II), электрохимический синтез композитной полимерной пленки из полианилина с включенными тетрасульфофталоцианинами Fe (II), Ni (II), Cu (II), а также формирование самоорганизующегося монослоя фталоцианина Fe(II), Co(II) и Cu (II). Методом атомно-силовой микроскопии зафиксированы изменения морфологии поверхности электрода при иммобилизации модификатора. Установлено образование наноструктурированных частиц или монослойного покрытия.

2. Сопоставлена каталитическая активность электродов, модифицированных металлофталоцианинами, при окислении серосодержащих аминокислот (цистеина, цистина, метионина), алифатических спиртов (этанола, бутанола, пропанола, диэтиленгликоля), оксикислот (гликолевой и винной) и катехоламинов (дофамина и адреналина). Выявлены факторы, влияющие на каталитические свойства модифицированного электрода: природа металлокомплекса, способ и условия его иммобилизации, рН раствора.

3. Среди электродов модифицированных пленками poly-NiTSPc, polyNiCyclam и осадком гидроксида никеля наибольший каталитический эффект или лучшая стабильность отклика наблюдается при окислении серосодержащих аминокислот, оксикислот и алифатических спиртов на электроде с пленкой poly-NiTSPc. Показана избирательная активность электрогенерированных оксоформ Ni (III) в зависимости от рН раствора: при окислении цистина и метионина каталитический эффект регистрируется в растворах с рН 9.0, а при окислении цистеина – в электролитах с рН 13.0.

4. Обнаружена высокая каталитическая активность композитной пленки из полианилина с включенным комплексом CuTSPc при окислении дофамина и адреналина в растворах с рН 1.0, а композита с самоорганизующимся монослоем FePc – при окислении цистеина в растворах с рН 4.0.

5. Разработаны способы вольтамперометрического определения рассматриваемых органических соединений на модифицированных электродах в стационарных и проточно-инжекционных условиях. Использование модифицированных металлофталоцианинами электродов по сравнению с немодифицированными позволяет снизить нижнюю границу определяемых содержаний на один-четыре порядка. Способы апробированы при анализе различных объектов.

Основное содержание работы

изложено в следующих публикациях 1. Шайдарова, Л.Г. Вольтамперометрическое определение дофамина по электрокаталитическому отклику электрода, модифицированного полианилиновой пленкой с включенным тетрасульфофталоцинином меди (II) / Л.Г. Шайдарова, А.В. Гедмина, М.Л. Артамонова, И.А. Челнокова, Г.К. Будников // Журн. аналит. химии. – 2013. – Т. 68, № 6. – С. 575.

2. Шайдарова, Л.Г. Электрокаталитическое окисление и проточноинжекционное определение серосодержащих аминокислот на политетрасульфофталоцианина никеля (II) / Л.Г. Шайдарова, А.В. Гедмина, М.Л. Артамонова, И.А. Челнокова, Г.К. Будников // Журн.

аналит. химии. – 2013. – Т. 68, № 6. – С. 596.

3. Шайдарова, Л.Г. Вольтамперометрическое определение цистеина на электроде, модифицированном самоорганизующимся монослоем 4меркаптопиридина с фталоцианином железа (II) / Л.Г. Шайдарова, А.В.

Гедмина, М.Л. Артамонова, И.А. Челнокова, Г.К. Будников // Ученые записки Казанского университета. Естественные науки. – 2012. – Т. 154, № тетрасульфофталоцианином меди (II) / Л.Г. Шайдарова, А.В. Гедмина, М.Л. Артамонова, И.А. Челнокова, Г.К. Будников // В сб. научных трудов «Новые химико-фармацевтические технологии». – М.: РХТУ им. Д.И.

Менделеева, 2012, вып. 184. – C. 245.

5. Шайдарова, Л.Г. Вольтамперометрическое определения цистеина на электроде, модифицированном пленкой политетрасульфофталонианина никеля (II) / Л.Г. Шайдарова, А.В. Гедмина, И.А. Челнокова, М.Л.

Артамонова, Г.К. Будников // Ученые записки Казанского университета.

Естественные науки. – 2010. – Т. 152, № 4. – С. 228.

6. Шайдарова, Л.Г. Вольтамперометрическое определение глутатиона на Л.Г. Шайдарова, А.В. Гедмина, М.Л. Артамонова, М.М. Муртазина, И.А. Челнокова, Г.К. Будников // Второй съезд аналитиков России.

Материалы конференции. – Москва, 2013. – С.392.

7. Шайдарова, Л.Г. Каталитическое определение дофамина на электроде, тетрасульфофталоцианинами металлов / Л.Г. Шайдарова, А.В. Гедмина, М.Л. Артамонова, И.А. Челнокова, Г.К. Будников // VIII Всероссийская конференция по электрохимическим методам анализа «ЭМА-2012».

Материалы конференции. – Уфа – Абзаково, 2012. – С.61.

8. Шайдарова, Л.Г. Вольтамперометрическое определение одно- и электрогенерированными оксо-частицами никеля (II) / Л.Г. Шайдарова, А.В. Гедмина, М.Л. Артамонова, А.Р. Гатауллина, И.А. Челнокова, Г.К. Будников // VIII Всероссийская конференция по электрохимическим методам анализа «ЭМА-2012». Материалы конференции. – Уфа – Абзаково, 2012. – С.80.

9. Шайдарова, Л.Г. Вольтамперометрическое определение некоторых аминокислот на пленочных электродах с электрогенерированными оксочастицами никеля (II) / Л.Г. Шайдарова, А.В. Гедмина, И.А. Челнокова, М.Л. Артамонова, Г.К. Будников // XIX Менделеевский съезд по общей и прикладной химии. Тезисы докладов. – Волгоград, 2011. – С. 433.

10. Артамонова, М.Л. Вольтамперометрическое определение дофамина на электроде, модифицированном полианилиновой пленкой с включенным тетрасульфофталоцианином никеля (II) / М.Л. Артамонова, А.В. Гедмина, И.А. Челнокова, Л.Г. Шайдарова, Г.К. Будников // X Научная конференция молодых ученых, аспирантов и студентов научно-образовательного центра Казанского (Приволжского) федерального университета «Материалы и технологии XXI». Тезисы докладов. – Казань: изд-во Казанского университета, 2011. – С.11.