Способ электрохимического оксидирования функциональной поверхности кварцевого резонатора

Изобретение относится к прикладной биохимии и иммунологии и может быть использовано при конструировании гравиметрических иммуносенсоров на основе кварцевых резонаторов, а также при проведении опытно-конструкторских разработок. Раскрыт способ электрохимического оксидирования функциональной поверхности кварцевого резонатора, заключающийся в приложении энергии постоянного электрического поля через плоские электроды из химически неактивного металла к фильтрованному водному раствору сернокислого железа. При этом в микрофоретической камере устанавливают магниты, образующие равномерное магнитное поле, концентрирующее кислород на обоих полюсах постоянного магнита, катодом является функциональная поверхность золотого электрода кварцевого резонатора, а подаваемое калиброванное электрическое поле с удельной мощностью относительно площади поперечного сечения камеры составляет 0,24-3,75 Вт/см². Изобретение повышает стабильность и эффективность иммобилизации сенсорных белковых молекул, сокращает время их иммобилизации за счет функционально активных групп и развитой поверхности оксида железа. 4 з.п. ф-лы, 3 пр.

 

Изобретение относится к прикладной биохимии и иммунологии и может быть использовано при конструировании гравиметрических иммуносенсоров на основе кварцевых резонаторов, а также при проведении опытно-конструкторских разработок.

Проблема иммобилизации белковых (сенсорных) молекул на функциональных поверхностях или частицах носителей остается актуальной для современной биотехнологии и требует дальнейшего развития и усовершенствования. Необходимость иммобилизации сенсорных молекул на разнородных поверхностях возникает при конструировании микрогравиметрических биосенсоров, медицинских иммуно-биологических препаратов (МИБП) для диагностики особо опасных и других инфекций, а также в опытно-конструкторской экспериментальной работе.

Известно, что оксиды металлов, в том числе природные, обладают хорошими сорбционными свойствами, в том числе и в отношении белковых молекул (Неймарк И.Е. Синтетические минеральные адсорбенты и носители катализаторов. - Киев: Наукова думка, 1982. - 216 с.; Колида Ю.Я. и др. Магнитные оксиды железа как сорбенты катионов тяжелых металлов // Вестн. Удм. ун-та. Сер. Физика и химия. 2014. Вып. 4. С. 52-61.). Метод электрохимического оксидирования разработан при подготовке к выполнению поисковой темы «Разработка технологии получения универсальных магнитных сорбентов с магнитными свойствами на основе силикагеля для выделения ДНК».

Известен способ формирования защитных пленок на поверхности металла за счет создания поверхностных оксидных слоев на поверхности железа путем обработки его поверхности в тлеющем разряде в атмосфере остаточных газов при давлениях порядка 0,1…0,4 Па. При этом скорость роста оксида железа при комнатной температуре достаточно велика. Разработанный технологический процесс был рекомендован для предварительной защиты различных металлических изделий в условиях складского хранения продукции (Чебан Т.В., Подолян Р.А., Костржицкий А.И. Оксидные пленки на поверхности железа. Одесская национальная академия пищевых технологий (2006); http://www.rusnauka.com/ONG_2006/Chimia/17958.doc.htm).

Недостатком этого технологического процесса является необходимость обработки поверхности железа в тлеющем разряде в атмосфере остаточных газов при давлениях порядка 0,1…0,4 Па, а также его перспективное применение для защиты металлических изделий в условиях складского хранения.

Известен способ получения многослойных нано периодических структур (МНС), представляющих собой систему «нано кристаллический кремний/оксид» (nc-Si/оксид), полученный путем высокотемпературного (1000-1100°С) отжига (ВТО) аморфных Si/оксид или a-SiOx/оксид МНС с периодом до 10 нм. Формирование наноструктур основано на модификации фазового состава МНС при ВТО: в кремнийсодержащих слоях образуются нано кристаллы (НК) Si и их размер в направлении роста ограничен толщиной исходных (наносимых) слоев. При осуществлении этого способа использовали современную технологию напыления с применением совершенных вакуумных установок, обеспечивающих высокую воспроизводимость параметров сверх решеток, таких как состав, толщина и периодичность нано слоев. Важным достоинством МНС nc-Si/диэлектрик является возможность независимого изменения распределения, размера и плотности формируемых НК Si [Чугров И.А., Ершов А.В. Оптические и электрофизические свойства системы вертикально упорядоченных массивов nc-Si в диэлектрической матрице: учеб.-метод. пособ. Нижний Новгород: Нижегородский госуниверситет, 2011. - 43 с. 140. pdf; Сайт: www.unn.ru].

Основным недостатком этого способа, с одной стороны, является его перспективное приборное применение многослойных Si-наноструктур в резонаторных оптических электронных устройствах, с другой - требуется обеспечение прецизионным оборудованием с высокой степенью контроля вакуумного нанесения слоев оксида кремния и высокотемпературной обработкой в пределах до 1100°С.

Наиболее близким к предполагаемому изобретению является технология электрохимического оксидирования алюминия на основе сернокислого электролита. Для этого в 1 л растворяют 170÷200 г серной кислоты (р - 1,84 г/см³) с органической добавкой - моноэтаноламин в количестве 150 г/л. Плотность тока при электролизе 1÷2 А/дм², напряжение 12÷15 B при температуре электролита 18÷20°С в течение 60÷80 мин. Для повышения антикоррозионной стойкости поверхности алюминиевого изделия применяют пассивирующий раствор [http://www.sdelaysam.info/metal/golsilox.shtm].

Основным недостатком вышеприведенной технологии является использование сильного электролита на основе серной кислоты и значительной концентрации органической добавки (моноэтаноламина), а также применения пассивирующего раствора. Указанные недостатки составляют основное препятствие для электрохимического оксидирования золотой функциональной поверхности кварцевого резонатора

Ионы в электролите движутся хаотично, но при создании электрического поля характер движения становится упорядоченным: положительные ионы (катионы) движутся к катоду, отрицательные ионы (анионы) движутся к аноду.

Электрический ток в электролитах обуславливает упорядоченное движение положительных и отрицательных ионов.

Известно влияние магнитного поля на свойства вещества, которое наблюдается при наложении магнитных полей напряженностью уже несколько десятков эрстед, что сопровождается изменениями на десятки процентов скоростей реакций, протекающих в органических кристаллах, органических и водных растворах [В.И. Лесин https://refdb.ru/look/1516110.html]. В тоже время известно, что кислород, в отличие от многих других газов, обладает парамагнитными свойствами и для активации процессов окисления за счет концентрации молекул кислорода у магнитных полюсов концентрируется на обоих полюсах постоянного магнита, дипольные молекулы воды ориентируются вдоль силовых линий магнитного поля (http://www.ai08.org/index.php/term/7-tehnicheskiij-slovar-tom-vii,16180-magnitnaya-vospriimchivost-kislorod.xhtml).

Вышеприведенные данные были учтены при разработке способа электрохимической оксидации функциональной поверхности кварцевого резонатора.

Целью изобретения является разработка технологических условий нанесения тонкой оксидной пленки на функциональную поверхность кварцевого резонатора ДМ-7 с золотыми электродами за счет приложения энергии постоянного электрического поля в водном растворе сернокислого железа и равномерном магнитном поле.

Для достижения поставленной цели намечено решение следующих задач:

- увеличение эффективности адсорбции белковых молекул на электрохимически оксидированной поверхности ДМ-7 с магнитными и кондуктометрическими свойствами;

- подготовка оксидированных кварцевых резонаторов для создания экспериментальной модели гравиметрического иммуносенсора;

- использование постоянных электромагнитов при оксидации функциональной поверхности ДМ-7.

Технологическое решение способа заключается в экспериментальном обосновании электрофизических и химических параметров электрического поля и концентрации водного раствора сернокислого железа для образования на токопроводящей поверхности ДМ-7 оксидной пленки с магнитными и сорбционными свойствами.

Для методического обеспечения экспериментальной работы была изготовлена прозрачная микрофоретическая камера с электродами в виде пластин с установленными ниобиевыми или электромагнитми на металлических пластинах электродов и возможностью изменения объема камеры. При этом удельная мощность электрического поля относительно объема раствора электролита за счет динамичности размеров микрофоретической камеры изменяется в 20 раз. Уровень удельной энергии прикладываемой к обрабатываемой функциональной поверхности кварцевого резонатора компенсируется за счет увеличения длительности процесса или изменения размера микрофоретической камеры.

Электрометрические параметры - напряженность, ток, сопротивление системы контролировали мультиметром DM830C (Китай). Водные 10% растворы сернокислого железа готовили из соли сульфата железа (II) FeSO₄×7H₂O (ГОСТ 4148-66) на дистиллированной воде с последующим фильтрованием для отделения гидроксидов железа (II, III). Экспозиция обрабатываемых объектов проводилась при визуальном контроле в течение от 5 до 60 сек при варьировании напряженности от 1,2 до 6,0 В; тока от 0,3 до 2,5 А, при сопротивлении системы 9-25 кОм, удельной мощности от 0,24 до 3,75 Вт/см², при температуре окружающей среды 20±2°С. Частотные характеристики модифицированных в сравнении с необработанными кварцами ДМ-7 определяли до и после адсорбции сенсорных белковых молекул с использованием векторного анализатора цепей CPNA-330 «ЗАО ЭТНА» (Москва). Для определения напряженности поля ниобиевых магнитов использовали магнитометр Lake Shove 425 Gaussmeter (USA).

По отношению к прототипу заявляемый способ имеет следующие отличительные признаки:

а) в качестве электролита используют водный раствор сернокислого железа без каких-либо дополнительных ингредиентов;

б) для однотипной ориентации молекул воды (диполи) и концентрации молекул кислорода у полюсов постоянных магнитов в электрофоретической камере использовали равномерное магнитное поле;

в) для динамичной обработки кварцевых резонаторов ДМ-7 использовали управляемые постоянные электромагниты;

Возможность практического использования заявляемого способа подтверждается примерами его конкретного выполнения на кварцах ДМ-7 с золотыми электродами.

Пример 1. Кварцевый резонатор ДМ-7 обезжиривали в ацетоне, высушивали на воздухе, с помощью векторного анализатора цепей определяли среднюю величину исходной частоты (F), которая составила 9994716 Гц.

Пластину кварцевого резонатора клипсой фиксировали к электроду из нержавеющей стали толщиной 0,1 мм и помещали в прозрачную камеру с 10% (вес/объем) отфильтрованным водным раствором сернокислого железа. На каждом из электродов располагали образующие равномерное магнитное поле ниобиевые магниты в разнополярной ориентации. К электроду с кварцем подсоединяли катод АКБ (отрицательный полюс АКБ), на котором концентрировались положительно заряженные ионы железа, упорядоченные, как и диполи молекул воды, в равномерном магнитном поле, создающим повышенную концентрацию молекул кислорода у электродов

[https://otvet.mail.ru/question/43784411].

Мультиметром определяли электрометрические параметры, соответственно, составившие 2,5 В, 0,3 А и 9,0 кОм прикладывали в течение 60 сек с удельной мощностью 0,24 Вт/см². Визуально отмечали изменения на функциональной поверхности кварца. Кварцевую пластину резонатора с оксидированной функциональной поверхностью извлекали из камеры, промывали 0,1 М физиологическим раствором, высушивали и с помощью CPNA-330 определяли F, которая составила 9989596 Гц. Сдвиг F после оксидирования составил 5120 Гц. При значительной массе оксида железа на резонаторе варьировали пределами режима попадания в резонанс с шагом в 50 кГц.

В растворе специфической антитуляремийной сыворотки с концентрацией 0,125 мг/мл белка экспозировали электрохимически оксидированную пластину резонатора в течение 5 мин при 20±2°С. После промывания пластины 0,1 М физиологическим раствором и высушивания сдвиг F по белку после экспозиции в растворе специфической антитуляремийной сыворотки составил 3034 Гц.

Пример 2. Отличается от примера 1 тем, что исходная средняя частота кварцевого резонатора ДМ-7 составила 9997404 Гц, условия обработки ДМ-7 и длительность, соответственно, составили при 6,0 В, 2,5 А, 25 кОм при t=5,0 сек с удельной мощностью до 3,75 Вт/см². К каждому электроду прикладывали постоянные электромагниты. Средняя частота кварцевого резонатора после электрохимического оксидирования его функциональной поверхности составила 9776361 Гц. Сдвиг частоты после оксидирования составил 221043 Гц. Сдвиг F по белку после экспозиции в растворе специфической антитуляремийной сыворотки составил 5821 Гц.

Пример 3. Отличается от примера 1 тем, что исходная частота F составила 9992289,7 Гц. Сдвиг F после экспозиции в растворе специфической антитуляремийной сыворотки составил 497,7 Гц.

В результате было установлено, что при электрохимическом оксидировании в растворе сернокислого железа на функциональной поверхности ДМ-7 в зависимости от энергетических условий и продолжительности обработки на золотой функциональной поверхности ДМ-7 образуется светло-серое быстро темнеющее равномерное покрытие с магнитными и сорбциоными свойствами. После электрохимической оксидации отмечали снижение частот у ДМ-7 от 5,0 до более 200 кГц с сохранением способности нести дополнительную нагрузку массы белковых молекул при контакте функциональной поверхности кварца в 0,125 мг/мл растворе специфической антитуляремийной сыворотки в течение 5 мин. Кварц ДМ-7 с оксидной пленкой, в сравнении с такой же необработанной пластиной, проявил более чем 10-ти кратное увеличение снижения частотной характеристики за счет нагрузки массы белковых молекул, что является свидетельством увеличения эффективности адсорбции белковых молекул оксидированной поверхностью резонатора.

Таким образом, есть основания полагать, что оксидная пленка на электрохимически оксидированных поверхностях резонаторов ДМ-7 повышает стабильность и эффективность иммобилизации сенсорных белковых молекул, сокращает время их иммобилизации за счет функционально активных групп и развитой поверхности оксида железа, образовавшегося под влиянием энергии постоянного электрического поля, парамагнитных свойств молекул кислорода в равномерном магнитном поле.

1. Способ электрохимического оксидирования функциональной поверхности кварцевого резонатора, заключающийся в приложении энергии постоянного электрического поля через плоские электроды из химически неактивного металла к раствору электролита, отличающийся тем, что в качестве электролита используют фильтрованный водный раствор сернокислого железа, в микрофоретической камере устанавливают магниты, образующие равномерное магнитное поле, концентрирующее кислород на обоих полюсах постоянного магнита, при этом катодом является функциональная поверхность золотого электрода кварцевого резонатора, а подаваемое калиброванное электрическое поле с удельной мощностью относительно площади поперечного сечения камеры 0,24-3,75 Вт/см².

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в микрофоретической камере с раствором электролита устанавливают ниобиевые магниты, образующие равномерное магнитное поле, для активации процессов окисления за счет концентрации молекул кислорода у магнитных полюсов и упрощения контактов с тоководами.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в микрофоретической камере с раствором электролита устанавливают постоянные управляемые электромагниты, образующие равномерное магнитное поле, для активации процессов окисления за счет концентрации молекул кислорода у магнитных полюсов и упрощения контактов с тоководами.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что уровень удельной энергии, прикладываемой к обрабатываемой функциональной поверхности кварцевого резонатора, компенсируется за счет увеличения длительности процесса или изменения размера микрофоретической камеры.

5. Способ по п. 4, отличающийся тем, что интенсивность процесса электрохимического оксидирования функциональной поверхности кварцевого резонатора контролируют визуально за счет прозрачности микрофоретической камеры.