Miniaturowe elektrody planarne czułe na jony chlorkowe w układzie przepływowym”

Wydział Chemii UW

Pracownia Teoretycznych Podstaw

Chemii Analitycznej

Autoreferat rozprawy doktorskiej:
„Miniaturowe elektrody planarne czułe na jony chlorkowe w układzie przepływowym”
Promotor: prof dr hab. Magdalena Maj-Żurawska
Potencjometria jest jedną z najstarszych metod analizy instrumentalnej. Do jej zalet należą prostota, niskie koszty oraz możliwość oznaczania aktywności wybranego jonu w próbce. Aktywność jonów jest niezmiernie istotna w analizie klinicznej, ponieważ równowaga pomiędzy różnymi jonami decyduje o funkcjonowaniu organizmu człowieka. Stosowane powszechnie w potencjometrii elektrody jonoselektywne (ISE – ang. Ion Selective Electrodes) są udoskonalane od prawie 50 lat wskutek różnorodnych badań pod kątem ich parametrów takich jak selektywność czy granica wykrywalności. Prowadzone są również badania nad miniaturyzacją ISE, której milowym krokiem było opracowanie elektrod ze stałym kontaktem, w szczególności elektrod sitodrukowanych.

Celem pracy było opracowanie sitodrukowanych elektrod czułych na jony chlorkowe o wydłużonym czasie działania, umożliwiających oznaczanie chlorków w analizie klinicznej w jako element analizatora klinicznego Microlyte. Konstrukcja tych elektrod powinna w możliwie najprostszy sposób (głównie poprzez zmianę membrany jonoselektywnej) umożliwić opracowanie planarnych elektrod czułych na pozostałe jony oznaczane w tym analizatorze.

W pierwszym etapie badań opracowano planarne elektrody i odpowiadającą im komorę do pomiarów w warunkach zatrzymanego przepływu, stosowanego analizatorze klinicznym Microlyte. Elektrody te mają warstwę elektrochemicznie osadzonego złota, na które nakrapiane były kolejno warstwa pośrednia i czuła na chlorki membrana jonoselektywna. Warstwa pośrednia zawiera polimer przewodzący polioktylotiofen (POT) oraz związek adhezyjny aminopropylotrietoksysilan (APS), tworzący w podwyższonej temperaturze wiązanie kowalencyjne z podłożem. Matrycą polimeryczną membrany jonoselektywnej stanowi polichlorek winylu (PVC) lub poliuretan o nazwie tecoflex. Membrana z tecoflexem okazała się lepsza pod wieloma względami od membrany z PVC, toteż była stosowana również w następnych konstrukcjach ISE.

Elektrody te były kalibrowane w roztworach chlorku sodu (NaCl), zaś następnie w roztworach standardów klinicznych („std3”, „std1” i „std2”) stosowanych również w analizatorze. Kalibracje te były wykonywane w warunkach stacjonarnych (w zlewce) jak również w przepływowych (w komorze przepływowej zestawionej ze strzykawką i elektrodą odniesienia). Parametry kalibracji w przepływie są zbieżne z wynikami w zlewce dlatego dalsze pomiary potencjometryczne z użyciem badanych elektrod były wykonywane wyłącznie w przepływie.

Przy użyciu badanych elektrod oznaczono zawartość chlorków w certyfikowanych surowicach kontrolnych („Nortrol”, „A” i „N”) zaś wyniki tych oznaczeń zostały porównane z wynikami analizatora oraz danymi z certyfikatu. Membrana z tecoflexem dawała wyraźnie lepsze wyniki pod względem dokładności i precyzji niż z PVC (porównywalne z wynikami analizatora). Były też podjęte badania nad planarną wersją elektrod odniesienia, w których warstwą pośrednią stanowił film polietylenodioksytiofenu (PEDOT-SSA) na którym została utworzona warstwa polipirolu (PPy-MOPS), której zadaniem było utrzymanie stałego potencjału w trakcie kalibracji i pomiarów. Warstwa ta była przed pomiarami kondycjonowana w specjalnym buforze.

W dalszym etapie badane były elektrody sitodrukowane, w których warstwa złota była zastąpiona warstwą pasty grafitowej. Powierzchnia tej warstwy była chemicznie oczyszczana z dodatków organicznych. Początkowo stosowanym odczynnikiem był 3M NaOH, nakrapiany na aktywną powierzchnię elektrod przy użyciu mikropipety. Dodatkowo powierzchnia ta była elektrochemicznie utleniana tak jak poprzednio powierzchnia złota. Innym sposobem modyfikacji powierzchni grafitu było nakropienie zawiesiny nanorurek węglowych (MWCNT), która zwiększa powierzchnię oraz przewodnictwo warstwy a przy tym jest nieszkodliwa dla warstwy izolacyjnej elektrod.

Stosowana warstwa pośrednia zawierała polimer przewodzący polioktylotiofen (POT) lub poli-N-toluenopirol (PTPy), między którymi nie stwierdzono widocznych różnic w działaniu tej warstwy. Po nakropieniu zawierającej tecoflex membrany jonoselektywnej elektrody były wygrzewane przez 10 minut celem poprawy polimeryzacji nakropionych warstw. Badane były również elektrody zawierające tylko warstwę pośrednią (w roli membrany jonoselektywnej) lub tylko membranę jonoselektywną na powierzchni grafitu.

Tak przygotowane elektrody były kalibrowane w roztworach NaCl oraz badane na selektywność wobec jonów octanowych (Ac^-), salicylanowych (Sal^-) węglanowych (HCO₃^-) oraz fosforanowych (H₂PO₄^-). Rezultatem tych badań był następujący szereg współczynników selektywności (Sal^- >> Ac^-  HCO₃^- >H₂PO₄^-), który uzasadnia skuteczność maskowania interferentów anionowych w próbkach buforem fosforanowym (pH=2).

Badane elektrody zostały użyte do oznaczania chlorków w surowicach kontrolnych, zaś w dalszym etapie roztworach standardów klinicznych charakteryzujących się prostszą matrycą. Ze względu na słabą dokładność i precyzję oznaczeń zastosowano bufor fosforanowy, którego dodatek znacznie poprawił wymienione parametry oznaczeń.

Niezależnie od konstrukcji (układu warstw) elektrody grafitowe stopniowo traciły po kilku dniach swoje właściwości przez co ich kalibracje wykazywały coraz słabszą czułość na jony chlorkowe. Jednakże w ciągu 2 tygodni stwierdzono ponowny wzrost ich czułości do wartości nernstowskiej, utrzymującej się przez wiele miesięcy. Wyniki ponownego oznaczania tymi elektrodami chlorków w buforowanych standardach klinicznych jak również badania selektywności były, poza wydłużonym czasem odpowiedzi, zadowalające.

W celu zweryfikowania obecności cienkiej warstwy wodnej pomiędzy kolejnymi warstwami elektroaktywnymi zostało wykonane badanie dryftu potencjału metodą Fibbioli, które nie wykazało obecności warstwy wodnej.

Badane elektrody, umieszczone w komorze przepływowej, umożliwiają dokładne i precyzyjne oznaczanie chlorków w buforowanych standardach klinicznych przez wiele miesięcy, jakkolwiek wydłużony czas odpowiedzi elektrod (po odzyskaniu właściwości) stanowi istotną przeszkodę ze względu na czas pomiaru stosowany w analizatorze Microlyte równy 2 minuty. Monitoring składu warstw elektrodowych w trakcie kondycjonowania (pomiędzy pomiarami) może być pomocny w znalezieniu rozwiązania tego problemu.