Aspects of improving metrological characteristics of a sensor based on palladium nanoparticles for methionine determination

全文:

Введение

Метионин (Мет) – серосодержащая незаменимая аминокислота, являющийся важнейшей структурной единицей белков и пептидов, донором метильных групп, необходим во многих биохимических процессах [1]. Как фармакологический препарат используется для обмена липидов и фосфолипида, усиливает синтез холина и лецитина в организме [2]. Мет широко используется в качестве аминокислотной добавки к кормам в птицеводстве и скотоводстве, а также в спортивном питании и медицине [3, 4], поэтому необходимо контролировать его содержания в биогеохимических объектах [5].

В настоящее время для повышения чувствительности определения различных веществ широко используют наночастицы металлов, имеющих высокую каталитическую активность. Однако в большинстве исследований приводится только подбор различных составляющих компонентов для формирования сенсоров, чувствительных к определенным соединениям [6]. В литературе имеются разрозненные данные, в которых проводят выбор материалов для создания аналитических систем. При этом не проводят сравнение используемых материалов с уже описанными ранее в литературе, нет четкой систематизации зависимости чувствительных сенсоров для определения Мет от природы наночастиц металлов.

Изменения в электронных и структурных свойствах наночастицы палладия (PdНЧ) по сравнению со свойствами массивных пленок на основе палладия приводят к большему соотношению площади поверхности PdНЧ к их объему и большой поверхностной энергии [7], что повышает их каталитическую и электрохимическую активность. Поэтому PdHЧ широко используются для расширения возможностей электрохимических методов определения различных биоптатов [8, 9].

Традиционными методами определения веществ в биохимии являются оптические, хроматографические и гибридные методы [10, 11]. Между тем электрохимические методы обладают рядом достоинств по сравнению с большинством других физико-химических методов, используемых в биохимии, молекулярной биологии и медицинской диагностике. К таким достоинствам применения электрохимических сенсоров в анализе относятся их универсальность, высокая чувствительность определения, низкая стоимость оборудования и его доступность, простота и компактность, селективность и экспрессность определения [12, 13]. Использование твердых электродов в качестве электрохимических сенсоров в сложных реальных биологических системах для определения Мет затруднено из-за высокого перенапряжения, приводящего к низкой селективности и перекрыванию вольтамперометрических сигналов [12, 13].

В качестве детектора при создании электрохимических сенсоров для определения Мет широкое применение получили нанотрубки в сочетании c низкомолекулярными органическими веществами, например, витаминами [14, 15], полимерные комплексы с переносом заряда [16, 17], квантовые точки [18], наночастицы благородных металлов [19, 20].

Краткий обзор метрологических характеристик сенсоров при определении Мет представлен в табл. 1.

 

Таблица 1. Метрологические характеристики электрохимических сенсоров при определении Мет

Table 1. Metrological characteristics of electrochemical sensors for methionine determination

Сенсор/метод Sensor/method	Аналит Analyte	ПО, моль/л PO, mol/l	Диапазон, моль/л Range, mol/l	Ссылка Reference
Ртутно-пленочный электрод/катодная вольтамперометрия Mercury film electrode/Cathode voltammetry	Комбикорм Compound feed	2·10–4	–	[14]
Углеродсодержащий электрод, модифицированный углеродными нанотрубками и пленкой витамина B12/постоянно-токовая вольтамперометрия Carbon-containing electrode modified with carbon nanotubes and vitamin B12 film/direct current voltammetry	Лекарственные препараты Medications	1·10–7	1·10–7–5·10–5	[15]
Стеклоуглеродный электрод, модифицированный пленкой политетрасульфофталоцианина никеля (II)/вольтамперометрия и амперометрия в условиях проточно-инжекционного анализа Glassy carbon electrode modified with nickel (II) polytetrasulfophthalocyanine film/voltammetry and amperometry under flow injection analysis conditions	Модельный водный раствор Model aqueous solution	1·10–9	1·10–9–·10–6	[16]
Стеклоуглеродный электрод, модифицированный полиариленфталидом/дифференциально-импульсная вольтамперометрия Glassy carbon electrode modified with polyarylene phthalide/differential pulse voltammetry		6,7·10–2	–	[17]
Нанокомпозит (угольнопастовый электрод) на основе ZnS/ZnAl2S и 2-хорбензоилферроцен/квадратно-волновая вольтамперометрия Nanocomposite (сarbon paste electrode) based on ZnS/ZnAl2S and 2-horobenzoylferrocene/square wave voltammetry	Моча, плазма крови Urine, blood plasma	10·10–9	5·10–8–8·10–4	[18]
Графитовый электрод, модифицированный коллоидными частицами золота/циклическая вольтамперометрия Graphite electrode modified with colloidal gold particles/cyclic voltammetry	Модельный водный раствор Model aqueous solution	1·10–13	–	[19]
Графитовый электрод, модифицированный коллоидными частицами палладия/циклическая вольтамперометрия Graphite electrode modified with colloidal palladium particles/cyclic voltammetry		1·10–12	1·10–12–1·10–10	[20]

 

Как видно из таблицы, широкое практическое применение нанотрубок ограничивается низкой чувствительностью, узким диапазоном определяемых концентраций, составляющим 1–1,5 порядка, трудоемкостью изготовления рабочей поверхности сенсора, использованием импортных компонентов (графитовых нанотрубок), имеющих высокую стоимость, применением критического тока для процесса синтеза в режиме реального времени или модифицирования поверхности, приводящих к снижению количества рабочих циклов индикаторного электрода [15].

Использование полимерных комплексов с переносом заряда ограничено низкой чувствительностью, трудоемкостью изготовления сенсора на основе сложных по составу веществ и многостадийностью процесса модифицирования [16, 17].

Использование квантовых точек в сочетании с органическим комплексным соединением 2-хлор-бензоилферроцена ZnS/ZnAl₂S с переносом заряда позволяет понизить чувствительность определения Мет до 1·10^–9 М в присутствии триптофана в реальных биологических объектах. Ограничениями использования данного сенсора являются длительность и трудоемкость операций получения нанокомпозита и модифицирования электрохимического сенсора [18].

Из представленных табличных данных видно, что лучшей чувствительностью обладают электрохимические сенсоры на основе наночастиц благородных металлов. В работах [19, 20] предложены сенсоры на основе наночастиц золота, полученных с использованием восстановителя цитрата натрия (AuНЧ-Ц), и наночастиц палладия с тем же восстановителем (PdНЧ-Ц), которые имеют интервалы определяемых концентраций Мет от 1∙10^–12 до 1∙10^–10 моль/л, в то время как на электрохимических сенсорах на основе наночастиц золота, полученных с использованием боргидрида натрия и смеси восстановителей боргидрида и цитрата натрия, наблюдается одноразовый отклик аналитического сигнала при добавлении Мет. Для выяснения причин линейного увеличения аналитического сигнала Мет в интервале концентраций двух порядков от 10^–12 до 10^–10 моль/л на электрохимическом сенсоре на основе PdНЧ-Ц исследована зависимость морфологических характеристик PdНЧ и состава мицеллы от природы восстановителя и их влияние на метрологические характеристики электрохимических сенсоров при определении Мет.

Целью работы является установление зависимости метрологических характеристик электрохимических сенсоров при определении метионина от морфологических свойств наночастиц палладия и от состава низкомолекулярных восстановителей, используемых для их синтеза.

Материалы и методы исследования

Материалы. Все использованные химические реагенты соответствовали стандарту аналитической чистоты Merc (Darmstadt, Germany). Все растворы готовили на бидистиллированой воде.

Синтез PdНЧ

PdНЧ различных размеров были синтезированы с использованием трех методов получения. Во всех случаях тетрахлорпалладиевую кислоту (Н₂[PdCl₄]) использовали в качестве прекурсора.

1 метод (Боргидридная методика (БГ))

В колбу помещали 10 мл 1·10^–4 М H₂[PdCl₄]), добавляли 85 мл бидистиллированной воды, смесь перемешивали. Затем к полученному раствору по каплям (0,03 мл) добавляли 0,015 М NaBH₄ до появления светло коричневой окраски золя.

2 метод (Цитратная методика (Ц))

В колбу помещали 10 мл 1·10^–4 М Н₂[PdCl₄]), добавляли 30 мл 10^–4 М Na₃C₆H₅O₇ и 60 мл бидистиллированной воды, полученную смесь нагревали и кипятили до получения золя светло-коричневого цвета.

3 метод (Боргидридцитратная методика (БГЦ))

В колбу помещали 10 мл 1·10^–4 М Н₂[PdCl₄]), добавляли 30 мл 10^–4 М Na₃C₆H₅O₇ и 60 мл бидистиллированной воды, после чего по каплям (0,03 мл) добавляли 0,015 М NaBH₄ до получения золя светло-коричневого цвета.

Характеризация PdНЧ

Все синтезированные PdНЧ были охарактеризованы с использованием нескольких аналитических методов.

Форму и размер PdНЧ (обозначенных далее PdНЧ–БГ, PdНЧ–Ц, PdНЧ–БГЦ) определяли методом просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) (JEM–2100F, Япония, JEOL Ltd). Образцы готовили нанесением капли реакционной системы на медные сетки с углеродной подложкой с последующей сушкой на воздухе. После получения ПЭМ-изображений проводили построение диаграмм распределения частиц по размерам согласно статистическим данным не менее чем для 1000 частиц с применением программы iТЕМ-Olympus (Япония).

Элементный анализ проводили с помощью энергодисперсионной спектроскопии (ЭДС).

Обсуждение результатов

Получены вольтамперные зависимости синтезированных PdНЧ c использованием различных восстановителей представлены на рис. 1, а. Как видно из анодных кривых 1'–3', аналитические сигналы PdНЧ находятся в интервале потенциалов от 0,2 до 0,6 В.

 

Рис. 1. Циклические вольтамперные зависимости (а, б) PdНЧ и PdНЧ+1‧10^–10 M Мет от природы восстановителя на фоне 0,1 М NaCl при скорости изменения потенциала 0,1 B‧c^–1: 1' – БГЦ, 2' – БГ, 3' – Ц – анодные кривые, 1'' – БГЦ, 2'' – БГ, 3'' – Ц – катодные кривые; в) катодные кривые PdНЧ–Ц: 1 – фон, 2 – PdНЧ–Ц+ Мет (1 добавка), 3 – PdНЧ–Ц+ Мет (2 добавка)

Fig. 1. Cyclic voltammograms of (a, b) PdNP and PdNP+1‧10^–10 M Met on the nature of the reducing agent in the supporting electrolyte of 0.1 M NaCl, scan rate 0.1 V·s^–1: 1' – BGC, 2' – BG, 3' C – anode curves, 1" – BGC, 2" – BG, 3" – C – cathode curves; (c) Cathode curves for PdNPs – C: 1 – background, 2 – PdNPs – C+ methionine (1 additive), 3 – PdNPs–C+ methionine (2 additive)

 

Рис. 2. ПЭМ-изображения: а) PdНЧ–БГ; б) PdНЧ–БГЦ; в) PdНЧ– Ц

Fig. 2. TEM images: a) PdNPs–BG; b) PdNPs–BGC; c) PdNPs–C

 

На катодных кривых 1" и 2" аналитические сигналы не наблюдаются, в то время как аналитический сигнал PdНЧ–Ц наблюдается при потенциале равном 0,26 В (кривая 3"). Далее изучена электрохимическая активность Мет на электрохимических сенсорах на основе PdНЧ в зависимости от природы восстановителя, используемого при их получении (рис. 1, б). Как видно из рис. 1, б, кривые 1'–3', при добавлении первой добавки Мет аналитические сигналы PdНЧ, независимо от природы восстановителя, снижаются без смещения их потенциалов. В свою очередь на катодных кривых 1"–3" появляются по два дополнительных аналитических сигнала в интервале потенциалов от 0,6 до 0,0 В. Наибольший аналитический сигнал Мет был получен для сенсора на основе PdНЧ–Ц (рис. 1, б, кривая 3"), тогда как на сенсорах на основе PdНЧ–БГ и PdНЧ–БГЦ аналитические сигналы минимальны и менее выражены (рис. 1, б, кривая 1" и 2"). Добавление второй добавки Мет не приводит к увеличению аналитических сигналов на сенсорах на основе PdНЧ–БГ и PdНЧ–БГЦ, что свидетельствует о быстром истощении активных центров сенсоров и разовом отклике. Пропорциональное увеличение аналитического сигнала Мет было обнаружено с помощью сенсора на основе PdНЧ–Ц (рис. 1, в).

Для выяснения причин улучшения чувствительности сенсоров на основе PdНЧ были проведены исследования морфологии полученных частиц.

Морфология, размер и кристаллическая структура полученных PdНЧ были исследованы с использованием ПЭМ. На рис. 2 показаны ПЭМ-изображения PdНЧ, полученных по трем методикам: PdНЧ–БГ (а), PdНЧ–БГЦ (б), PdНЧ–Ц (в).

Изображения ПЭМ показали, что способ восстановления оказывает значительное влияние на размер частиц, их распределение по размерам и форму.

Для изучения распределения частиц по размерам были получены диаграммы распределения PdНЧ по размерам в зависимости от природы восстановителя (рис. 3).

 

Рис. 3. Диаграммы распределения частиц по размерам: а) PdНЧ–БГ; б) PdНЧ–БГЦ; в) PdНЧ–Ц

Fig. 3. Particle size distribution diagrams: a) PdNPs–BG; b) PdNPs–BGC; c) PdNPs–C

 

Как видно из диаграмм распределения частиц по размерам, частицы палладия, синтезируемые по трем методикам, получаются достаточно массивные (рис. 2). Они состоят из множества маленьких зерен сферической и эллипсоидной формы размером 2–5 нм, агломерированные в крупные частицы сферической формы, размер которых определяется силой восстановителя.

Средний размер PdНЧ–БГ составляет 111 нм. Как видно из рис. 2, а, по краям агломерата PdНЧ–БГ наблюдаются светло-контрастированные частицы, что обусловлено наличием мицеллярной оболочки только снаружи наночастицы, тогда как в центре агломерата наблюдается затемненная внутренняя структура без мицеллярной оболочки, согласующаяся с данными табл. 2. Размер частиц находится в диапазоне от 55 до 150 нм. Причиной этого являются сильные восстановительные свойства боргидрида натрия по сравнению с цитратом натрия, согласно данным, приведенным в табл. 3.

 

Таблица 2. Концентрация элементов в PdНЧ с использованием метода ЭДС на основе ПЭМ

Table 2. Concentration of elements in PdNPs using the EDS method based on TEM

Центральная часть частицы, мас. % Central part of the particle, wt %
Восстановитель Reducing agent	Pd	Cl	O	C
БГ/BG	94,83 (17671)	1,9 (1174)	0,56 (219)	1,38 (229)
БГЦ/BGC	80,56 (16135)	4,29 (2858)	3,55 (1498)	7,7 (1377)
Ц/C	83,47 (4831)	5,6 (1100)	1,58 (189)	3,9 (200)
Край частицы (светлая часть), мас. % Particle edge (light part), wt %
Восстановитель Reducing agent	Pd	Cl	O	C
БГ/BG	93,05 (14123)	1,4 (708)	1,02 (325)	3,14 (426)
БГЦ (~)/BGC	76,30 (13479)	10,1 (6728)	10,65 (4494)	15,14 (2747)
Ц/C	70,60 (31755)	12,38 (18521)	4,87 (4611)	7,07 (2841)

 

Таблица 3. Окислительно-восстановительные потенциалы полуреакций

Table 3. Redox potentials of half-reactions

Уравнение полуреакции Half-reaction equation	Потенциал E0, В E0 potential, V
Н2BO3–+5H2O+8e–→BH4–+8OH–	–1,24
→ →О=С–(СН2–СОО–)2+СО2+е–+H2O	–0,5

 

При использовании боргидрида натрия с потенциалом восстановления, равным минус 1,24 В, происходит стремительное восстановление ионов металла, сопровождающееся их моментальной агрегацией без образования мицеллярной структуры (жесткие условия). Согласно результатам количественного анализа методом ЭДС в составе PdНЧ–БГ наблюдается самое большое содержание палладия и самое маленькое содержание остаточных элементов, таких как кислород, углерод и хлор (табл. 2), по сравнению с частицами, полученными с использованием восстановителей органической природы PdНЧ–БГЦ, PdНЧ–Ц.

Размер PdНЧ–БГЦ варьируется в диапазоне от 15 до 115 нм, средний размер составляет 60 нм. Все агломераты имеют форму близкую к сферической. У агломератов наблюдается небольшой ореол, светлая контрастированная область вокруг всей частицы (рис. 3, б), состоящая из углерода, кислорода, хлора (табл. 2) и остаточного органического соединения, образуя плотную мицеллярную оболочку.

PdНЧ–Ц четко сформированы, имеют диапазон размера частиц 15–160 нм и средний размер 65 нм. Частицы, полученные по цитратной методике, имеют дополнительную светло-контрастированную область в виде шлейфа (рис. 2, в). В комбинации с ПЭМ количественный элементный анализ с использованием ЭДС (табл. 2) показал, что в шлейфе содержится меньше палладия и больше углерода, по сравнению с PdНЧ–БГ, что свидетельствует о присутствии остаточных органических соединений в мицелле.

Таким образом, во всех случаях, где для синтеза PdНЧ использовали органический восстановитель, наблюдается светло-контрастированная оболочка в виде «ореола» или участки в виде «шлейфа», связанные с формированием наночастиц по мицеллярному типу [13], что подтверждается результатами количественного анализа образцов, полученных методом ЭДС на основе ПЭМ (табл. 2).

 

Рис. 4. Микродифракционные картины PdНЧ: а) PdНЧ–БГ; б) PdНЧ–Ц; в) PdНЧ–БГЦ

Fig. 4. Microdiffraction patterns of PdNPs: a) PdNPs–BG; b) PdNPs–C; c) PdNPs–BGC

 

Исследуя внутреннее строение синтезированных наночастиц рентгенографическим методом с использованием электронного микроскопа, были получены дифракционные картины, представленные на рис. 4.

Кристаллические решетки всех синтезированных PdНЧ сравнивали со стандартом базы (PowderCell) [21]. Установили, что все дифракционные пики точно отнесены к структурам Pd(0), кристаллические решетки синтезированных PdНЧ являются правильными кубическими гранецентрированными. Структура палладия может способствовать образованию шарообразных формирований за счет межмолекулярных взаимодействий, подобных Ван-дер-Ваальсовым, через палладий и поверхностный кислород соседних структур или через водородные связи с молекулами растворителя [22].

Данные табл. 2 показывают, что металлического палладия в ядре PdНЧ–Ц (рис. 2, б) меньше, чем в PdНЧ–БГ (рис. 2, а), следовательно, часть Pd²⁺ в растворе с органическими соединениями стабилизатора образует мицеллярную оболочку. Это подтверждается данными, представленными табл. 2, где содержание элементов неметаллов, таких как углерод, кислород, хлор, у PdНЧ–Ц (Схема 1) больше, чем у PdНЧ–БГ. Мицеллы, состоящие из лигандов остаточных органических соединений стабилизаторов, соответствуют шлейфу на микрофотографии (рис. 2, в). PdНЧ–БГЦ (рис. 2, б) (Схема 2) покрыты плотной оболочкой, состоящей из Pd²⁺ в растворе с остаточными органическими соединениями смеси стабилизаторов, в которой содержание элементов неметаллов кислорода, углерода больше, чем у PdНЧ–Ц, что также подтверждается данными табл. 2. Полученные мицеллы сглаживают неровности поверхности. На микрофотографиях это соответствует ореолу у PdНЧ–БГЦ (рис. 2, б).

 

 

Выводы

1. Показано, что сенсор на основе наночастиц палладия, полученных с использованием цитрата натрия, обладает наибольшей чувствительностью к метионину по сравнению с сенсорами на основе наночастиц палладия, полученных с использованием боргидрида натрия и смеси боргидрида и цитрата натрия.
2. Установлено, что форма и тип кристаллической решетки наночастиц палладия, полученных в водной среде методом химического восстановления, не зависит от природы восстановителя. Показано, что все синтезированные наночастицы палладия имеют правильные кубические гранецентрированные кристаллические структуры Pd(0). Наночастицы палладия имеют сферическую форму размером ~2–5 нм, агломерированы в более крупные частицы сферической формы. Размер агломерата определяется природой восстановителя. Средний размер наночастиц палладия, полученных с использованием боргидрида натрия, составляет 111 нм, средний размер наночастиц палладия, полученных с использованием смеси боргидрида и цитрата натрия, равен 60 нм, средний размер наночастиц палладия, полученных с использованием цитрата натрия, соответствует 65 нм.
3. Выявлено, что состав мицеллярной оболочки наночастицы палладия зависит от природы восстановителя. У наночастиц палладия, полученных с использованием боргидрида натрия, отсутствует мицеллярная оболочка в свете лавинообразного или стремительного процесса восстановления палладия с образованием крупных частиц. У наночастиц палладия, полученных с использованием смеси боргидрида и цитрата натрия, наблюдается ореол, так как происходит постепенный рост ядра частицы с образованием плотной мицеллярной оболочки. У наночастиц палладия, полученных с использованием цитрата натрия, происходит ступенчатый процесс восстановления палладия с постепенным ростом ядра наночастицы Pd(0) и формирования шлейфа.
4. Показано, что чувствительность к метионину сенсора на основе наночастиц палладия зависит от состава мицеллярной оболочки, который определяется природой используемого восстановителя. Наибольшую чувствительность к метионину проявляет сенсор на основе наночастиц палладия, полученных с использованием цитрата натрия. При использовании этого мягкого восстановителя образуются наночастицы с меньшим содержанием палладия в ядре и большим количеством элементов неметаллов: углерода, кислорода, хлора, входящих в состав мицеллярной структуры на поверхности наночастиц палладия. Увеличение объема мицеллярной оболочки наночастиц палладия на основе цитрата по сравнению с наночастицами на основе боргидрида или боргидридцитрата способствует образованию на материале ядра Pd(0) гетероструктуры, приводящей к дополнительному взаимодействию с метионином с равномерным ростом его аналитического сигнала при увеличении концентрации. 

作者简介

Eduard Gorchakov

Stavropol Regional Institute for the Development of Education, Advanced Training and Retraining of Educational Workers

编辑信件的主要联系方式.
Email: gorchakovedvard@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-2223-5199

Cand. Sc., Associate Professor

俄罗斯联邦, Stavropol

Darya Perevezentseva

National Research Tomsk Polytechnic University

Email: dop@tpu.ru
ORCID iD: 0000-0002-0115-7515

Cand. Sc., Associate Professor

俄罗斯联邦, Tomsk

Elena Vaitulevich

National Research Tomsk Polytechnic University

Email: rhodamine@tpu.ru
ORCID iD: 0000-0002-6900-0784

Cand. Sc., Associate Professor

俄罗斯联邦, Tomsk

Oksana Dubinina

National Research Tomsk Polytechnic University

Email: dubininaov@tpu.ru

Cand. Sc., Associate Professor

俄罗斯联邦, Tomsk

参考

补充文件