Лазерно-индуцированный синтез и исследование свойств бесферментных микросенсоров на основе иридийсодержащих материалов

Объём магистерской диссертации составляет 57 страниц, на которых размещены 30 рисунков и 5 таблиц.
В рамках данной работы мы использовали метод лазерно-индуцированного осаждения металлов из раствора (ЛОМР). В результате такого лазерного синтеза образуются микроосадки, которые можно применять в качестве бесферментных электрохимических микроэлектродов. Таким образом, нами были получены иридиевые (Ir), иридиево-золотые (Ir-Au), иридиево-платиновые (Ir-Pt) и иридиево-золото-платиновые (Ir-Au-Pt) микроосадки на поверхности стекла и стеклокерамики под воздействием лазерного излучения на длине волны 532 нм. Были изучена электрохимическая активность полученных иридийсодержащих микроэлектродов по отношению к бесферментному определению D-глюкозы методами циклической вольтамперометрии (ЦВА) и прямой амперометрии.
Целью данной работы является синтез и изучение сенсорных свойств иридийсодержащих материалов.
В результате электрохимических исследований была выявлена высокая сенсорная активность иридиево-золото-платиновых (Ir-Au-Pt) микроструктур. Максимальная чувствительность данного материала по отношению к бесферментному определению D-глюкозы составляет 9959 мкА/мМ см2. Линейный диапазон определения концентрации D-глюкозы находится между 0,5 и 1000 мкМ. Также для Ir-Au-Pt был посчитан предел обнаружения (LOD), который равен 0,12 мкМ. Амперометрический анализ показал хорошую селективность Ir-Au-Pt по отношению к D-глюкозе в присутствие ряда мешающих веществ (H2O2, аскорбиновая кислота (АА), 4- ацетамидофенол (AP) и мочевая кислота (UA)).
Микроэлектроды, синтезированные методом ЛОМР в рамках данной работы, являются перспективными для дизайна и последующего производства недорогих и эффективных портативных микросенсорных устройств для экспрессного лабораторного и домашнего биохимического анализа крови человека.

1. Rothwell, S.A.; Killoran, S.J.; Neville, E.M.; Crotty, A.M.; O’Neill, R.D. Poly(o-
phenylenediamine) electrosynthesized in the absence of added background electrolyte provides a
new permselectivity benchmark for biosensor applications. Electrochem. Commun. 2008, 10,
1078-1081.
2. Si, P., Huang, Y., Wang, T., & Ma, J. Nanomaterials for electrochemical non-enzymatic
glucose biosensors. RSC Advances, 2013, 3(11), 3487.
3. Holt-Hindle, P., Nigro, S., Asmussen, M., & Chen, A. Amperometric glucose sensor based
on platinum–iridium nanomaterials. Electrochemistry Communications, 2008, 10(10), 1438–
1441.
4. 4. Kochemirovsky, V.A., Skripkin, M.Yu., Tveryanovich, Yu.S., Mereshchenko, A.S., Gorbunov,
A.O., Panov, M.S., Tumkin, I.I., Safonov, S.V., 2015. Russian Chemical Reviews 84 (10), 1059–
1075.
5. A.P.F. Turner, Biosensors: sense and sensibility, Chem. Soc. Rev. 42 (2013) 3175–3648.
6. G. Calia, G. Rocchitta, R. Migheli, G. Puggioni, Y. Spissu, G. Bazzu, V. Mazzarello, J.P. Lowry,
R.D. O’Neill, M.S. Desole, P.A. Serra, Biotelemetric monitoring of brain neurochemistry in
conscious rats using microsensors and biosensors, Sens. (Basel) 9 (2009) 2511–2523.
7. A. Rasooly, K.E. Herold, Biosensors for the analysis of food- and waterborne pathogens and their
toxins, J. AOAC Int. 89 (2006) 873–883.
8. A. Kaushik, S.K. Arya, A. Vasudev, S. Bhansali, Recent advances in detection of Ochratoxin-A,
Crit. Rev. Biotechnol. 2 (2013) 1–11.
9. A. Morales, F. Cespedes, S. Alegret, Mater. Sci. Eng., C 7 (2000) 99.
10. T. Coradin, J. Livage, CR Chim. 6 (2003) 147.
11. J.E.N. Dolatabadi, Y. Omidi, D. Losic, Curr. Nanosci. 7 (2011) 297.
12. M. Hasanzadeh, N. Shadjou, L. Saghatforoush, J.E.N. Dolatabadi, Colloids. Surf., B 92 (2012)
91.
13. J. Wang, Chem. Rev. 108 (2008) 814.
14. E. Magner, Analyst (Cambridge, UK) 123 (1998) 1967.
15. J. Wang, Electroanalysis (NY) 13 (2001) 983.
16. L.A. DeLouise, B.L. Miller, Anal. Chem. 76 (2004) 6915.
17. K.J. Cash, H.A. Clark, Trends Mol. Med. 16 (2010) 584.
18. G. Cao, Nanostructures & Nanomaterials: Synthesis, Properties & Applications, Imperial College
Press, London, UK, 2004.
19. J. Li, X. Wei, Y. Yuan, Sens. Actuators, B 139 (2009) 400.
20. J. Jime´nez, R. Sheparovych, M. Pita, A.N. Garcı´a, E. Dominguez, S. Minko, E. Katz, J. Phys.
Chem. C. 112 (2008) 7337.
21. B. Khalilzadeh, M. Hasanzadeh, S. Sanati, L. Saghatforoush, N. Shadjou, J.E.N. Dolatabadi, P.
Sheikhzadeh, Int. J. Electrochem. Sci. 6 (2011) 4164.
22. J.E.N. Dolatabadi, M. de la Guardia, Trends Anal. Chem. 30 (2011) 1538.
23. J.E.N. Dolatabadi, O. Mashinchian, B. Ayoubi, A.A. Jamali, A. Mobed, D. Losic, Y. Omidi, M.
de la Guardia, Trends Anal. Chem. 30 (2011) 459.
24. K. Besteman, J.O. Lee, F.G.M. Wiertz, H.A. Heering, C. Dekker, Nano Lett. 3 (2003) 727.
25. J. Lin, C. He, Y. Zhao, S. Zhang, Sens Actuators, B 137 (2009) 768.
26. Z. Wen, S. Ci, J. Li, J. Phys. Chem. C. 113 (2009) 13482.
27. L.-H. Li, W.-D. Zhang, J.-S. Ye, Electroanalysis (NY) 20 (2008) 2212
28. Grieshaber, D. et al. (2008). Electrochemical biosensors – sensor principles and architectures.
Sensors. https://doi.org/10.3390/s80314000
29. Thévenot, D.R. et al. (2001). Electrochemical biosensors: recommended definitions and
classification. Biosensors and Bioelectronics. https://doi.org/10.1016/s0956-5663(01)00115-4
30. Park, S., Boo, H., & Chung, T. D. (2006). Electrochemical non-enzymatic glucose sensors.
Analytica Chimica Acta, 556(1), 46–57. doi:10.1016/j.aca.2005.05.080
31. Shen, J., Dudik, L., & Liu, C.-C. (2007). An iridium nanoparticles dispersed carbon based thick
film electrochemical biosensor and its application for a single use, disposable glucose biosensor.
Sensors and Actuators B: Chemical, 125(1), 106–113. doi:10.1016/j.snb.2007.01.043
32. Int. J. Electrochem. Sci., 5 (2010) 1246 – 1301
33. G. Wu et al. / Talanta 105 (2013) 379–385
34. Lay, B., Coyle, V. E., Kandjani, A. E., Amin, M. H., Sabri, Y. M., & Bhargava, S. K. (2017).
Nickel–gold bimetallic monolayer colloidal crystals fabricated via galvanic replacement as a
highly sensitive electrochemical sensor. Journal of Materials Chemistry B, 5(27), 5441–5449.
doi:10.1039/c7tb00537g
35. Miao, X. et al. Application of iridium(III) complex in label-free and non-enzymatic
electrochemical detection of hydrogen peroxide based on a novel “on-off-on” switch
platform. Sci. Rep. 6, 25774; doi: 10.1038/srep25774 (2016).
36. Dong, Q., Song, D., Huang, Y., Xu, Z., Chapman, J. H., Willis, W. S., … Lei, Y. (2018). High-
temperature annealing enabled iridium oxide nanofibers for both non-enzymatic glucose and
solid-state pH sensing. Electrochimica Acta, 281, 117–126. doi:10.1016/j.electacta.2018.04.205
37. J. Electrochem. Soc. 2001, Volume 148, Issue 4, Pages H29-H36.
38. Tobias Reier, Mehtap Oezaslan, Peter Strasse. dx.doi.org/10.1021/cs3003098 | ACS Catal. 2012,
2, 1765−1772.
39. S. Marzouk , S. Ufer , R. Buck , T. Johnson , W. Cascio , Anal. Chem. 1998 , 70 , 5054 .
40. A. M. Sayed , S. Marzouk , R. Buck , L. Dunlap , T. Johnson , W. Cascio , Anal. Biochem. 2002 ,
308 , 52 .
41. T. Khan , B. Soller , M. Naghavi , W. Cassecells , Cardiol. 2005 , 103 , 10 .
42. G. Gettin , Wounds 2007 , 3 , 52
43. L. A. Schneider , A. Korber , S. Grabbe , J. Dissemond , Arch. Dermatol. Res. 2007 , 298 , 413 .
44. S. Grinstein , D. Rotin , M. J. Mason , Biochim. Biophys. Acta 1989 , 988 , 73 .
45. M. L. Garcia-Martin , G. Herigault , C. Remy , R. Farion , P. Ballesteros , C. A. Coles , S. Cerdan
, A. Ziegler , Cancer Res. 2001 , 61 , 6524
46. I. N. Rich , D. Worthington-White , O. A. Garden , P. Musk , Blood 2000 , 95 , 1427
47. 2013 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim. Adv. Healthcare Mater. 2014, 3,
59–68
48. Analytical Chemistry, Vol. 75, No. 6, March 15, 2003. 10.1021/ac0261404
49. Miao, X. et al. Application of iridium(III) complex in label-free and non-enzymatic
electrochemical detection of hydrogen peroxide based on a novel “on-off-on” switch
platform. Sci. Rep. 6, 25774; doi: 10.1038/srep25774 (2016).
50. Dong, Q., Song, D., Huang, Y., Xu, Z., Chapman, J. H., Willis, W. S., … Lei, Y. (2018). High-
temperature annealing enabled iridium oxide nanofibers for both non-enzymatic glucose and
solid-state pH sensing. Electrochimica Acta, 281, 117–126. doi:10.1016/j.electacta.2018.04.205
51. J. Wang, L. Xu, Y. Lu, K. Sheng, W. Liu, C. Chen, Y. Li, B. Dong, H. Song, Engineered IrO2@
NiO Core–Shell Nanowires for Sensitive Non-enzymatic Detection of Trace Glucose in Saliva,
Analytical Chemistry, 88 (2016) 12346-12353.
52. Ribet, F., Stemme, G., & Roxhed, N. (2017). Ultra-miniaturization of a planar amperometric
sensor targeting continuous intradermal glucose monitoring. Biosensors and Bioelectronics, 90,
577–583. doi:10.1016/j.bios.2016.10.007
53. Wang, X., Chen, H., Zhou, T., Lin, Z., Zeng, J., Xie, Z., … Wang, X. (2009). Optical
colorimetric sensor strip for direct readout glucose measurement. Biosensors and Bioelectronics,
24(12), 3702–3705. doi:10.1016/j.bios.2009.05.018
54. Shinwari, M. W., Zhitomirsky, D., Deen, I. A., Selvaganapathy, P. R., Deen, M. J., & Landheer,
D. (2010). Microfabricated Reference Electrodes and their Biosensing Applications. Sensors,
10(3), 1679–1715. doi:10.3390/s100301679
55. S. Ardizzone, A. Carugati, and S. Trasatti, J. Electroanal. Chem., 126, 287 ~1981!
56. K. Kinoshita and M. J. Madou, J. Electrochem. Soc., 131, 1089 ~1984!.
57. . P. J. Kinlen, J. E. Heider, and D. E. Hubbard, Sens. Actuators, B22, 13 ~1994!.
58. Aoun, S. Ben et al. Effect of metal ad-layers on Au(111) electrodes on electrocatalytic oxidation
of glucose in an alkaline solution. J. Electroanal. Chem. 567, 175–183 (2004).40. Kurniawan, F.,
Tsakova, V. &Mirsky, V. M. Gold Nanoparticles in Nonenzymatic Electrochemical Detection of
Sugars. Electroanalysis 18, 1937–1942 (2006).
59. Saurina J, Hernandez-Cassou S, Alegret S, Fabregas E. Amperometric determination of lysine
oxidase biosensor based on rigid-conducting composites. BiosensBioelectron 1999;14:211–20.
60. Vrbova E, Marek M, Ralys E. Biosensor for determination of L-lisin. Anal ChimActa
1992;279:131–6.
61. I I Tumkin, V A Kochemirovsky, M D Bal’makov, S V Safonov, E S Zhigley, L S Logunov, E V
Shishkova Surf. Coat. Technol. 264 187 (2014)
62. V A Kochemirovsky, L S Logunov, S V Safonov, I I Tumkin, Yu S Tver’yanovich, L G
Menchikov Appl. Surf. Sci. 259 55 (2012)
63. V A Kochemirovsky, S V Safonov,M K Strukov, I I Tumkin, L S Logunov, L G Menchikov
Glass Phys. Chem. 39 403 (2013)
64. Khlebtsov B.N., Melnikov A.G., Zharov V.P., Khlebtsov N.G. // Nanotechnology. 2006. V. 17. P.
1437–1445.
65. Templeton A.C., Pietron J.J., Murray R.W., Mulvaney P. // J. Phys. Chem. B. 2000. V. 104. P.
564–570.
66. Egerton, R. F. (2005) Physical principles of electron microscopy: an introduction to TEM, SEM,
and AEM. Springer, 202.
67. Shen, J., Dudik, L., & Liu, C.-C. (2007). An iridium nanoparticles dispersed carbon based thick
film electrochemical biosensor and its application for a single use, disposable glucose biosensor.
Sensors and Actuators B: Chemical, 125(1), 106–113. doi:10.1016/j.snb.2007.01.043
68. Rodríguez, M. C., & Rivas, G. A. (1999). Glucose Biosensor Prepared by the Deposition of
Iridium and Glucose Oxidase on Glassy Carbon Transducer. Electroanalysis, 11(8), 558–564.
69. Federico Ribet, Göran Stemme and Niclas Roxhed, Ultraminiaturization of a planar
amperometric sensor targeting continuous intradermal glucose monitoring, Biosensors and
Bioelectronic, http://dx.doi.org/10.1016/j.bios.2016.10.007
70. Holt-Hindle, P., Nigro, S., Asmussen, M., & Chen, A. (2008). Amperometric glucose sensor
based on platinum–iridium nanomaterials. Electrochemistry Communications, 10(10), 1438–
1441. doi:10.1016/j.elecom.2008.07.042
71. Kim SH, Choi JB, Nguyen QN, Lee JM, Park S, Chung TD, Byun JY (2013) Nanoporous
platinum thin films synthesized by electrochemical dealloying for nonenzymatic glucose
detection. Phys Chem Chem Phys 15:5782–5787.
72. Li, Y.; Song, Y.-Y.; Yang, C.; Xia, X.-H., Electrochem. Commun., 2007, 9, 981-988.
73. Cheng, T.-M.; Huang, T.-K.; Lin, H.-K.; Tung, S.-P.; Chen, Y.-L.; Lee, C.-Y.; Chiu, H.-T., ACS
Appl. Mater. Interfaces, 2010, 2, 2773-2780.
74. Gao H, Xiao F, Ching CB, Duan H (2011) One-step electrochemical synthesis of PtNi
nanoparticle-graphene nanocomposites for nonenzymatic amperometric glucose detection. ACS
Appl Mater Inter 3:3049–3057.