научная статья по теме ПРИМЕНЕНИЕ НАНОЧАСТИЦ В ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОМ АНАЛИЗЕ БИОЛОГИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ Химия

Текст научной статьи на тему «ПРИМЕНЕНИЕ НАНОЧАСТИЦ В ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОМ АНАЛИЗЕ БИОЛОГИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ»

ЖУРНАЛ АНАЛИТИЧЕСКОЙ ХИМИИ, 2007, том 62, № 9, с. 903-915

== ОБЗОРЫ

УДК 543.7

ПРИМЕНЕНИЕ НАНОЧАСТИЦ В ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОМ АНАЛИЗЕ БИОЛОГИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ

© 2007 г. Г. К. Вертелов, А. Ю. Оленин, Г. В. Лисичкин

Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, химический факультет

119992 Москва, Ленинские горы Поступила в редакцию 25.05.2006 г., после доработки 14.08.2006 г.

Рассмотрены вопросы специфического влияния наночастиц различной природы на протекание процессов электрохимического анализа биологических объектов. В основу классификации материала положен структурный принцип организации чувствительного элемента. Наночастицы могут находиться непосредственно на его поверхности, могут располагаться в объеме аналита, но быть при этом химически связанными с поверхностью, могут включаться в состав аналита и служить его метками. Применение наночастиц позволяет существенно расширить возможности биоэлектрохимических методов анализа. В ряде случаев применение наночастиц позволяет отказаться от использования ферментов, что весьма перспективно для клинического анализа. Методы электрохимического анализа биологических объектов с использованием наночастиц могут стать серьезным дополнением к классическим биохимическим методам.

В последние 10-15 лет интенсивно развивается научное направление, находящееся на стыке физики, химии, материаловедения, молекулярной биологии, получившее название "нанотехноло-гии". Для химиков это направление не ново. Такие давно сформировавшиеся области, как коллоидная химия и гетерогенный катализ, уже более столетия оперируют с объектами нанометрового диапазона - наночастицами металлов, нанопленка-ми, макромолекулами, кластерами. Появление новых методов исследования физико-химических свойств наночастиц при финансовой поддержке этого направления привело к появлению потока исследований, направленных на использование нанообъектов в самых различных научно-технических устройствах и приборах, в том числе в аналитических [1]. Хотя применение наночастиц в химическом и биохимическом анализе не всегда оправдано и зачастую искусственно, во многих случаях они действительно позволяют повысить эффективность того или иного конкретного метода. Настоящий обзор посвящен применению наночастиц в электрохимических методах анализа биологических объектов. Это связано с тем, что именно в этой области аналитической биохимии использование наночастиц, по нашему мнению, дает реальные и ощутимые результаты.

По размерам наночастицы занимают пограничное положение между микро- и макромиром: они существенно больше "обычных" молекул или ионов, но и существенно меньше "физических тел". Под наночастицами мы подразумеваем объекты, все три измерения которых лежат в пределах 1-100 нм, преимущественно 1-10 нм. Это могут быть как индивидуальные частицы, так и их

агломераты. С позиций химической термодинамики промежуточное положение наночастиц между фазами и атомами обуславливает их специфику. Фазы - макроскопические образования, и для них принято учитывать только внутреннюю энергию. В случае же атомов или простых молекул оперируют, наоборот, только внешней энергией, внутренняя считается постоянной и ее можно не учитывать. Для наночастиц одинаково важны и внешняя, и внутренняя энергия. Получить частицы нанометровых размеров механическим измельчением трудно. Уменьшение размера частиц приводит к увеличению их поверхности и, соответственно, поверхностной энергии. Рано или поздно процесс диспергирования частиц уравновешивается их слипанием, обусловленным стремлением системы к минимуму энергии. Поэтому практически все препаративные методы получения наночастиц основаны на их "сборке" от атомарного или молекулярного уровня.

Методам синтеза наночастиц посвящена обширная литература (см., например, [2-5]). Практически во всех случаях использование наночастиц требует квалифицированного применения методов химического модифицирования поверхности как самих наночастиц, так и электродов [6].

Информация о методиках синтеза золей золота и серебра - наиболее часто употребляемых металлов - широко представлена в литературе (см. например [7-10]). Суть этих методик состоит в восстановлении в среде растворителя и стабилизатора соединений этих металлов.

Стратегия применения наночастиц в биохимическом анализе в большинстве случаев сводится к

следующему: поверхность наночастицы в момент ее получения, либо непосредственно, либо сразу после модифицируют специфическим высокоселективным биохимическим агентом, затем эти модифицированные частицы вводят в объект исследования, где происходят только комплементарные взаимодействия с аналитом. После такого взаимодействия наночастицы, фактически дважды модифицированные, исследуют тем или иным электрохимическим методом. Такой подход часто позволяет достичь высокой селективности и чувствительности определения.

Электрохимические методы существенно дешевле большинства, используемых в биохимии, молекулярной биологии и медицинской диагностике; приборы хорошо разработаны; а пробо-подготовка в большинстве случаев проще, чем в традиционных биохимических методах [11, 12]. Различным аспектам применения наночастиц в биоэлектрохимическом анализе посвящено несколько обзоров [13-18], систематизированных либо по классам определяемых веществ [13-14], либо по методам анализа [15-18]. Они, как правило, отталкиваются от биохимических превращений, происходящих с участием наночастиц. Главными ограничениями использования электроаналитических методов в биохимическом анализе является селективность и чувствительность по отношению к аналиту. Особенность биохимического анализа состоит в том, что в нативной пробе определяемый компонент, как правило, содержится в низкой концентрации в присутствии широкого спектра веществ, искажающих результат или маскирующих аналит. Модифицирование поверхности индикаторного (рабочего) электрода является важным фактором, влияющим на чувствительность и селективность анализа. Наночастицы могут выступать в роли компонентов поверхности электрода, повышающих селективность и/или чувствительность как сами по себе, так и в роли интермедиатных тел или меток, содержащих рецепторные центры.

Данный обзор посвящен описанию и анализу процессов, происходящих непосредственно на поверхности наночастиц, выявлению специфики использования их для химического и биохимического анализа, поэтому в основу нашей классификации оригинальных работ положен структурный принцип организации чувствительного элемента. Наночастицы могут или находиться непосредственно на его поверхности, или выступать наружу в объем аналита, но быть при этом химически связанными с поверхностью, могут включаться в состав аналита и служить его метками (трейсерами).

ЭЛЕКТРОДЫ, МОДИФИЦИРОВАННЫЕ МЕТАЛЛИЧЕСКИМИ НАНОЧАСТИЦАМИ

Если поверхность электрода удается покрыть многослойной пленкой проводящих наночастиц с высокой пористостью и, следовательно, с большой площадью поверхности, то такой электрод обладает существенно большей сорбционной емкостью по отношению к традиционному [19]. Коллоидное золото, например, успешно используют для увеличения абсолютного количества определяемой ДНК, приходящегося на ту же площадь электрода. Принцип основан на образовании самособирающегося слоя наночастиц золота размером 16 нм, содержащих иммобилизованную ДНК, на поверхности электрода, модифицированной цистамином. Поверхностная плотность полинуклеотидов при этом составляет 4 х 1014 молекул/см2. Методика позволяет определять до 500 пМ ДНК.

Меняя организацию наночастиц на поверхности, их состав и окружение, можно управлять селективностью и чувствительностью электрода [20, 21]. Использование стеклографитового электрода с интеркалированными наночастицами никеля и его оксидов размером 3 нм увеличивает чувствительность метода определения глюкозы на порядок по сравнению с методом определения на никелевом электроде [22].

Интересно, что каталитическая активность некоторых наночастиц снижает перенапряжение окислительно-восстановительных реакций для ряда важных аналитов, делая реакцию обратимой, тогда как на обычном электроде реакция необратима. Например, электрохимическое определение дофамина в присутствии аскорбиновой кислоты возможно благодаря использованию золотого электрода, покрытого монослоем наноча-стиц золота. Наночастицы золота оказывают каталитическое действие на электрохимические превращения аскорбиновой кислоты, тем самым, изменяя потенциал ее окисления. Это в свою очередь приводит к достаточному различию потенциалов окисления для ее детектирования в присутствии дофамина [23].

Серия электрохимических сенсоров сконструирована на основе электростатической сшивки стабилизированных наночастиц золота циклофанами бипиридила (1) и (3) или олигокатионным комплексом Pd(П)-этилендиаминбипиридила (4) [24]. Стабилизированные наночастицы золота, с отрицательно заряженной поверхностью, послойно осаждали на поверхности электрода совместно с олигокатионами.

ГУ ^с ( о\ { о н

"О р

т

1 **

(олигокатион)

(анионный коллоид)

** ** *х

Рис. 1. Формирование многослойного покрытия, содержащего наночастицы, за счет последовательной обработки субстрата [24].

2+ I

О О О О О

о о о о о

N

и2ы

О

о

N

(1)

(2)

Н2Ы' I 2+

О

N

< 2+ I

N

и2ы2+

(3)

(4)

Циклофаны бипиридила выступают в роли рецептора для тс-донорных субстратов, которые располагаясь в полостях молекулы, способствуют концентрированию аналита на электроде. Обеспеченная проводящими наночастицами объемная структура электрода (см. рис. 1), а также равномерное распределение молекул-рецепторов между наночастицами приводит к проникновению аналита в глубь электрода.

Большое значение имеет число слоев наноча-стиц, закрепленных на поверхности. На примере электрохимического определения я-гидрохинона на поверхности индий-олово-оксидного электрода, модифицированного золотыми наночастицами и (1), показано, что чувствительность сенсора плавно возрастает с увеличением количества слоев наночастиц на поверхности (достаточно пяти

слоев). Более того, при замене молекул-рецепторов (1) на нециклический ^№-диаминоэтил-4,4'-бипиридил

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком