Введение к работе
Актуальность темы.
Современные методы анализа с помощью различных химических сенсоров представляют собой достаточно широкую область науки и техники и играют заметную роль в аналитической химии. Область применения химических сенсоров очень широка: от определения состава внутриклеточной жидкости до анализа газов, природных и сточных вод, продуктов питания и т.д. Анализ биологических жидкостей очень быстро выделился в отдельное направление аналитического применения химических сенсоров, а необходимость определения состава проб малых объемов обуславливает важность разработки и изготовления микросенсоров для этих целей.
Появление ионоселективных полевых транзисторов (ИСПТ) в значительной степени упростило проблему создания миниатюрных датчиков, но сложности, связанные с неудовлетворительной адгезией традиционных мембранных материалов к затвору ИСПТ и с герметизацией кристалла транзистора, нельзя считать до конца решенными, что в значительной степени препятствует массовому распространению этого вида химических сенсоров. Здесь особую актуальность приобретает исследование новых полимерных материалов, которые могли бы служить основой для мембранных матриц, а также герметизирующими покрытиями. При этом, учитывая технологические особенности производства ИСПТ, эти материалы и методы их нанесения должны быть совместимы с технологией микроэлектроники. Перспективными с этой точки зрения являются фотополимеризуемые материалы, позволяющие использовать методы фотолитографии при их нанесении. Однако, применение новых полимеров в качестве химически чувствительных мембран сенсоров требует их детального исследования с целью получения оптимальных аналитических параметров.
Цель работы заключалась в создании и исследовании миниатюрных химических сенсоров (ИСПТ) для анализа ионного состава проб малых объемов в медико-биологических исследованиях с мембранами нового типа на основе фотополимеризуемых диакрилатов; изучении влияния состава ионоселективной мембраны на основе фотополимеризуемой матрицы с нейтральными переносчиками на аналитические характеристики сенсоров, чувствительных к ионам калия и аммония; оптимизации параметров К+-селективного ИСПТ с мембраной на основе фотополимеризуемого уретандиакрилата для его применения в медико-биологических исследованиях, а также в поиске новых герметизирующих материалов для ионоселективных полевых транзисторов.
Научная новизна.
-
С целью выбора нового полимерною материала, который по своим свойствам мог бы служить основой для мембранных матриц химических сенсоров, проведено сравнение свойств ряда олигомеров фотополимеризуемых диакрилатов. Исследованы их химическая устойчивость в водных растворах различной кислотности, адгезионные свойства, совместимость с рядом пластификаторов и собственная катионная проницаемость. Впервые показана возможность формирования мембранных матриц химических сенсоров на основе фотополимеризуемого уретандиакрилата с нейтральными переносчиками в качестве электродноактивного вещества.
-
Для получения сенсоров с оптимальными аналитическими параметрами (областью линейности калибровочного графика, пределом обнаружения и коэффициентами селективности) изучено влияние состава мембранной матрицы (количества фотоинициатора, сшивающих агентов, содержания пластификатора, введения липофильного аниона) и времени облучения на электродные характеристики сенсоров. Показано пониженное влияние липофильных анионов, присутствующих в растворе, на ход калибровочной кривой по сравнению с традиционной поливинилхлоридной матрицей.
-
Разработан метод нанесения фотополимеризуемых мембран на ионоселективные полевые транзисторы, изучены их аналитические характеристики в модельных растворах. Для К+-ИСПТ показана возможность аналитического применения в медико-биологических исследованиях при анализе диализных растворов искусственной почки и плазмы крови.
-
На основании данных о химической устойчивости, адгезионных и изоляционных свойствах и способности к поглощению воды фотополимеризуемого эпоксиакрилата этот полимер предложен в качестве перспективного герметика и разработан новый автоматизированный метод герметизации ИСПТ.
Основные положения, выносимые на защиту:
фотополимеризуемые уретандиакрилаты, как альтернативная поливинилхлориду полимерная матрица для формирования мембран химических сенсоров;
влияние состава мембраны на основе фотополимеризуемого уретандиакрилата на аналитические параметры химических сенсоров, содержащих нейтральные переносчики в качестве электродноактивного вещества.
обоснование возможности использования К+-селективного ИСПТ с фотополимери-зуемой мембраной в медико-биологических исследованиях.
фотополимеризуемые диакрилаты, как перспективные материалы для использования при разработке ионоселективных полевых транзисторов вследствие высокой адгезии к поверхности оксида кремния и метод герметизации ИСПТ;
Практическая ценность работы.
Экспериментальные данные, полученные при исследовании фотополимеризуемых мембранных материалов для ИСПТ, позволили изготовить К+-ИСПТ с достаточной стабильностью и селективностью для применения его в медико-биологических исследованиях состава крови и анализе диализных растворов при работе искусственной почки. Опытные образцы переданы на кафедру нефрологии Санкт-Петербургского медицинского института. Разработанный в настоящей диссертации метод герметизации ИСПТ успешно применяется при изготовлении этого вида химических сенсоров в Национальном Центре Микроэлектроники (Барселона, Испания).
Апробация работы.
Результаты работы были представлены в двух докладах на 8-ой Международной конференции TRANSDUCERS-EUROSENSORS IX (Стокгольм, Швеция, 1995);
Публикации.
По материалам диссертации опубликовано 7 печатных работ - 5 статей и 2 тезисов конференции.
Объем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав и выводов. Во введении обосновывается актуальность поиска новых полимерных материалов для создания химических сенсоров. Здесь же сформулирована цель работы, указана ее новизна и практическая ценность. В обзоре литературы обсуждаются принципы работы потенциометрических ионных сенсоров на примере ионоселективных электродов (ИСЭ) на основе жидкостных мембран с нейтральными переносчиками и ионоселективных полевых транзисторов (ИСПТ). Рассмотрены достоинства и недостатки различных полимерных материалов, применяющихся для создания данных химических сенсоров, и сформулированы требования, предъявляемые к полимерным материалам, используемым в качестве мембран ионных сенсоров, а также в качестве герметизирующих покрытий. Отдельно рассмотрены основные
принципы фотополимеризации. На основании представленных литературных данных, сформулированы основные цели исследования. В экспериментальной части представлены основные методики эксперимента, реактивы и приборы, использованные в работе. Последующие четыре главы посвящены экспериментальным данным и их обсуждению.
Работа занимает 153 страниц, содержит 20 таблиц, 35 рисунков, библиография составляет 103 наименования.
