Вольтамперометрические сенсоры: от макро к наноструктурированной поверхности
, ,
Уральский государственный экономический университет,
Екатеринбург, ул. 8 Марта, 62
Сигнал в индикаторной электрохимической системе формируется на границе раздела фаз электрод/раствор и зависит от состояния поверхности электрода. Используя принципы модифицирования поверхности, можно целенаправленно изменять вещественную и структурную организацию электродов, обеспечивая получение селективного электрохимического отклика на изменение концентрации аналита. За последнее десятилетие накоплен достаточно большой опыт в области развития модифицированных электродов. В качестве матриц для модифицирования широко используются углеродные материалы, обладающие высокой поверхностной энергией, адсорбционной и комплексообразующей способностью. Микрогеометрия углеродсодержащей поверхности, безусловно, вносит значительный вклад в общую энергию электрохимической системы и оказывает воздействие на электродные процессы, аналитический сигнал и свойства электрода в целом. В научной литературе практически отсутствуют сведения о корреляции между размером частиц металла, их организацией на поверхности и процессами разряда-ионизации металла, о взаимосвязи морфологии твердой поверхности и электрохимических свойств наночастиц металла, иммобилизованных на твердую поверхность. В связи с этим актуально многогранное изучение электродной поверхности, развитие теоретических представлений, предсказывающих свойства и характеристики модифицированных электродов, переход от макро - к микро/наноструктурам на поверхности электрода, коренным образом изменяющим его свойства.
Цель настоящей работы состояла в изучении особенностей электродных процессов с участием ультрамикро- и наночастиц металлов, (золота, серебра и висмута) и их агрегатов в зависимости от размера и распределения на поверхности, исследование влияния микрорельефа твердой поверхности на структурную организацию металла-модификатора и его электрохимическую активность, создании «безртутных» электрохимических сенсоров на основе наночастиц металлов с высокими аналитическими и метрологическими характеристиками.
В результате исследований разработаны новые способы поверхностного модифицирования графитсодержащих электродов, включающие приемы поверхностного синтеза модификаторов неорганической и органической природы. Впервые предложен способ формирования ансамблей ультрамикро - и наночастиц металлов путем восстановления ионов металла из соединений, локализованных на графитсодержащей поверхности. Оптимизированы условия получения химическим способом золей с разным размером наночастиц золота, серебра и висмута. С помощью микроскопических исследований установлен средний размер наночастиц металлов и их агрегатов в золях и на поверхности углеродсодержащих подложках.
С помощью электрохимических и микроскопических исследований установлена корреляция между размером (степенью агрегации) частиц металла, их организацией на поверхности и процессами разряда-ионизации. Показано, что наиболее электрохимически активные ультрамикро - и наноструктуры металла-модификатора образуются из соединений, иммобилизованных на микронеоднородной и дефектной графитсодержащей поверхности.
Установлена корреляция между величиной (степенью агрегации) частиц металла, их организацией на поверхности и процессами разряда-ионизации металла. Обнаружено повышение электрохимической активности металла-модификатора и улучшение показателей вольтамперометрического определения элементов (предела обнаружения, нижней границы определяемых концентраций, воспроизводимости и правильности результатов анализа, экспрессности) с уменьшением размера частиц металла, т. е. при переходе от макро к наноструктурированной поверхности электрода. Агрегация наночастиц металла влияет на процессы разряда-ионизации. Впервые установлено, что агрегация наночастиц снижает их электрохимическую активность. Согласно микроскопическим и электрохимическим исследованиям возникновение агрегатов на поверхности электрода с наночастицами серебра приводит к формированию характерного раздвоенного сигнала.
Разработаны вольтамперометрические сенсоры с высокими аналитическими и метрологическими характеристиками для определения различных элементов (Hg, As, Se, Zn, Cd, Pb. Сu и др.) в природных объектах, биологических жидкостях, пищевом сырье, фармпрепаратах. Отличительными чертами разработанных сенсоров на основе наночастиц металлов от макроэлектродов, широко используемых в методе ИВ для определения катионов и анионов, являются простота и экспрессность, более высокая чувствительность и селективность, отсутствие необходимости длительной регенерации поверхности, экологическая безопасность, обусловленная отсутствием токсичной металлической ртути, и длительный срок службы без изменения электрохимических показателей.
