Ионоселективные полевые транзисторы (ИСПТ) с мембранами на основе фотополимеризуемых полиакрилатов, чувствительные к ионам калия и аммония тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.02 ВАК РФ

,оХ 4

^^ СЛНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

АБРАМОВА Наталия Юрьевна

ИОНОСЕЛЕКТИВНЫЕ ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ (ИСПТ) С МЕМБРАНАМИ НА ОСНОВЕ ФОТОПОЛИМЕРИЗУЕМЫХ ПОЛИАКРИЛАТОВ, ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЕ К ИОНАМ КАЛИЯ И АММОНИЯ

Специальность 02.00.02 — аналитическая химия АВТОРЕФЕРАТ

диссерт . ш на соискание ученной степени кандидата химических наук

Санкт-Петербург 1998

Работа выполнена в лаборатории химических сенсоров кафедры радиохимии химического факультета Санкт-Петербургского Государственного Университета и на кафедре аналитической химии факультета наук Независимого Университета Барселоны (Испания).

Научные руководители:

доктор химических наук, профессор Власов Ю.Г. доктор химических наук, профессор Баргроли Дж.

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор Воронцов A.M. кандидат химических наук Сугаобова Е.Д.

Ведущая организация: АООТ "Авангард"

Защита состоится ^JJ " ^¿/¿¿Л 1998 г. в час. в dX/jауд. на заседании диссертационного совета Д 063.57.44 по защите диссертаций на соискание ученой степени доктора химических наук при Санкт-Петербургском Государственном Университете по адресу: 199004, Санкт-Петербург, Средний проспект, д. 41, химический факультет.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке им. А.М.Горького Санкт-Петербургского Университета по адресу: 199004, Санкт-Петербург, Университетская набережная, д. 7/9.

Автореферат разослан "Я? " 1998 г.

Ученный секретарь диссертационного совета

Столяров Б. В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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 ионоселеюгивной 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.

1. 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.

2. 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 лшюфильных анионов, присутствующих в растворе, на ход калибровочной кривой по сравнению с традиционной поливинилхлоридной матрицей.

3. 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.

4. 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 ИСГГГ, 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 ТНА^ОиСЕКЗ-ЕиКОЗЕЫБСЖЗ 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

з

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.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Основные сокращения, используемые в работе: ЕЬ-230 - алифатический уретандиакрилат ЕЬесгу]-230, м.в. 5000; ЕЬ-270 - алифатический уретандиакрилат ЕЬесгу1-270, м.в. 1500; ЕЬ-600 - эпоксиакрилат ЕЬесгу1-600, м.в. 500; ГДДА -гександиолдиакрилат; ТПГДА. - трипропиленгликольдиакрилат; фотоинициатор 1гд 651 -2,2'-диметоксифенилацетофенон; пластификаторы: ДОС - диоктилсебациат, ДОФ -диоктилфталат, ДНА - динониладипат, ЕТН 2112 - тетраундецилбензгидрол-3,3',4,4'-тетракарбоксилат; КТОРЬВ - тетрахлорфенилборат калия.

1. Применение фотополимеризуемых акрилатов в качестве полимерных матриц ионоселективных мембран химических сенсоров.

Для исследования применимости фотополимеризуемых акрилатов в качестве мембранных материалов химических сенсоров нами был выбран ряд акрилированных олигомеров, включающих в себя алифатические уретандиакрилаты, эпоксиакрилаты, полиэфиры акриловой кислоты и силиконакрилаты с различным молекулярным весом. Для получения полимера, как правило, необходимы два основных компонента: фотоинициатор, который легко распадается на реакционноспособные частицы в процессе облучения, и мономер, содержащий, как минимум, две ненасыщенные связи. Из-за высокой вязкости олигомеров их обычно используют в смеси с разбавителями (сшивающими агентами), которые представляют собой короткоцепочечные полифункциональные акрилаты, дополнительно увеличивающие скорость реакции и степень сшивки полимера.

Одним из требований, предъявляемых к полимерам, используемым в качестве матрицы ионоселективных мембран твердотельных химических сенсоров, является их химическая инертность и устойчивость в широком диапазоне рН, а также высокая адгезия к твердой подложке. Исследование химической устойчивости полимерных композиций, состоящих из соответствующего олигомера, сшивающего агента и фотоинициатора, проводилось в растворах соляной кислоты и гидроксида натрия с концентрацией 1 моль/л. Эксперименты показали, что достаточной химической 4

устойчивостью обладают алифатические уретапдиакрилаты, полиэфир акриловой кислоты и эпоксиакрилаты.

Адгезионные свойства указанных полимеров изучались на окисленных кремниевых пластинах. Для увеличения адгезии полимерной пленки к поверхности окисленного кремния пластины предварительно модифицировались метакрилоксипропилтри-метоксисиланом. Полимерные композиции наносились на пластины, затем полимеризовались через фотошаблон и промывались этанолом. В результате, на поверхности проявлялись слои полимера толщиной 15-30 мкм и диаметром 1,2 мм. Пластины с проявленными слоями полимеров помещались последовательно в дистиллированную воду и растворы HCl и NaOH концентрации 1 моль/л, где подвергались ультразвуковому воздействию. В результате этих экспериментов было обнаружено, что из отобранных на первой стадии полимеров наилучшей адгезией к поверхности оксида кремния обладают композиции на основе уретандиакрилата и эпоксиакрилата.

Считается, что для нормального функционирования ионоселективной мембраны полимерная матрица должна содержать до 60 вес.% соответствующего пластификатора. Исследование совместимости уретандиакрилатов и эпоксиакрилатов с различными пластификаторами (диоктилфенилфосфонат, дибутилфталат, ДОС, ДНА, 2-нитрофенилоктиловый эфир, 4-нитрофенилфениловый эфир и ДОФ) показало, что эпоксиакрилаты плохо смешиваются с указанными пластификаторами, и после полимеризации и промывания этанолом пластификатор, образующий глобулы в полимерной сетке, вымывается, и получающаяся структура становится пористой. При введении нитрофениловых эфиров полимеризация не наблюдается из-за ингибирования реакции свободно-радикальной полимеризации нитро-группой. Композиции на основе уретандиакрилатов образуют мягкие прозрачные пленки со всеми остальными пластификаторами.

Изучение электродных свойств мембран с нейтральными переносчиками (валиномицином и нонакгином) на основе фотополимеризуемых уретандиакрилатов проводилось с помощью обычной электродной конфигурации с жидким внутренним контактом. Измерения э.д.с. проводились в ячейке, представленной ниже: Ag/AgCl, КС1иас | LiAc 0,1М I исследуемый раствор I мембрана I 0.1М KCl (NH,C1), AgCl/Ag

Внешним электродом сравнения служил хлорсеребряный электрод с солевым мостиком, заполненным раствором ацетата лития. Величина э.д.с. регистрировалась потенциометром с точностью 0,1 мВ. Все измерения проводили в термостатированной

я и

* I э

-1од ак+

лабораторной комнате при температуре 25±1°С. Коэффициенты активности рассчитывались с использованием приближения Дебая-Хюккеля. Коэффициенты селективности определялись как методом раздельных, так и методом смешанных растворов, в последнем случае концентрация мешающего иона оставалась постоянной и равнялась 0,1 моль/л.

Изучение фоновых мембран

уретандиакрилатов ЕЬ-230 и ЕЬ-270, содержащих «40% ДОС и ДОФ показало, что они обладают собственной катионной проницаемостью. Катионная функция электродов с такими мембранами составляет 4047 мВ/рак и обусловлена, по всей вероятности, присутствием фиксированных анионных центров в фазе мембраны. Концентрация данных заряженных центров невелика, т.к. введение в мембраны 0,05% (по весу)

Рис.1 Влияние введения в фоновую анионообменника бромида тетрадодецил-мембрану анионообменника на отклик

ИСЭ в растворах КС1. аммония (рис.1) уже приводило к изменению

катионного отклика электродов на анионный.

Влияние состава полимерной матрицы на электродные свойства.

При проведении экспериментов, описанных выше, нами было обнаружено, что мембраны на основе уретандиакрилата ЕЬ-230 обладают меньшей механической прочностью. В тоже время, существенного различия в ионоселективных свойствах мембран, приготовленных на основе ЕЬ-230 и ЕЬ-270, замечено не было. Поэтому дальнейшие эксперименты по оптимизации состава мембранной композициии и оценка аналитических параметров сенсоров проводились с мембранами на основе уретандиакрилата ЕЬ-270.

Влияние концентрации фотоинициатора. Известно, что фотоинициатор целиком не расходуется в процессе полимеризации, и при концентрации выше 1% (по массе) часть соединения остается непрореагировавшей, что может в дальнейшем влиять на электродные свойства получаемых мембран, поскольку его концентрация сравнима с концентрацией ионофора. Уменьшение же концентрации фотоинициатора, с одной стороны, приводит к уменьшению скорости фотополимеризации, особенно на воздухе, из-за ингибирования реакции кислородом, а с другой стороны, вызывает увеличение

длины цепи образующихся полимерных молекул из-за уменьшения вероятности реакций рекомбинации. В этом случае получающаяся структура оказывается менее сшитой, и пластификаторы с длинными алкильными цепями могут выжиматься из полимерной матрицы. Сравнение характеристик К+-селективных ИСЭ, приготовленных на основе композиций №№1-3 (табл.1) с различной концентрацией фотоинициатора от 0,2 до 1,1%, показало, что угол наклона калибровочной кривой и коэффициент селективности к ионам натрия для этих электродов падают при уменьшении

концентрации фотоинициатора. Чтобы оценить ад шише_смшвающцх—агешшв_на

электродные характеристики, были приготовлены электроды с мембраной, не содержащей ГДДА. (композиция №5, табл.1) и, соответственно, с менее сшитой структурой. Селективность таких электродов не изменилась, но чувствительность стала ниже по сравнению с электродами на основе композиции №1. Увеличение содержания ГДДД до 16% (№4) повысило сопротивление мембраны, сделав результаты измерений невоспроизводимыми. Введение ТПГДА в мембранную композицию вместо ГДДА (композиция №6) привело к уменьшению селективности электродов.

Таблица 1. Влияние количества фотоинициатора и сшивающих агентов на аналитические параметры К*-селективных электродов'.

№ Полимер, (%) Сшивающий агент, (%) Фото инициатор 1гд 651, (%) Пластификатор, (%! Угол наклона, (мВ/рак) -1д к к/м.

1 ЕЬ-270 - 48,1% ГДДА - 10,1% 1,1 ДОС - 38,5% 57,4 3,2

2 ЕЬ-270 - 50,9% ГДДА - 10,6% 0,5 ДОС - 35,5% 54,8 2,8

3 ЕЬ-270 - 46,2% ГДДА - 9,6% 0,2 ДОС - 41,7% 54,9 2,2

4 ЕЬ-270 - 36,5% ГДДА - 16,5 % 1,6 ДОС - 42,7% .

5 ЕЬ-270 - 53,4% - 1,6 ДОС - 42,8% 54,4 3,1

6 ЕЬ-270 - 45,7% ТПГДА - 9,6% 1,1 ДОС - 40,8% 57,5 2,1

"Все мембранные композиции содержат дополнительно 2% валиномицина и 0,5% КТС1Р11В.

Влшше^лрироды и лолинесаша^шаапификаторя, присутствующего в мембранной матрице, на аналитические характеристики К+- и ЫН4+-селективных электродов изучались на примере мембранных композиций, представленных в табл.2. Для успешной работы мембрана должна содержать по крайней мере 35% соответствующего пластификатора (ДОС или ДНА). Электроды с мембранами без пластификатора (образцы №1 и №8) обладают нелинейной функцией, а увеличение содержания пластификатора от 38 до 60% (образцы №№ 2-4) не влияет на чувствительность и селективность. Введение высоколипофилъного пластификатора ЕТН

2112 отрицательно сказывается на работе как калиевого, так и аммониевого электродов (образцы №7 и №12).

Влияние введения КТСЧРкВ в мембранные композиции представлено в табл.3. В этом случае наблюдается увеличение угла наклона калибровочной зависимости и улучшение селективности исследуемых электродов по отношению к наиболее мешающим ионам.

Таблица 2. Влияние количества и природы различных пластификаторов на аналитические параметры Ки ЫН/-селективных электродов'.

№ Полимер, сшивающий агент, фотоинициатор, Пластификатор, (%) Угол наклона, (мВ/ра) -1дК К(№И|/Мл •1д к МН1/К

К+- селективный электрод

1 97,5 40 -

2 59,0 ДОС - 38,5 57,4 3,2

3 52,8 ДОС - 44,7 57,3 3,2

4 38,3 ДОС - 59,2 57,8 3,1

5 59,7 ДНА - 38,4 56,8 3,3

6 58,1 ДОФ - 39,4 56,1 2,7

7 61,5 ЕТН 2112-36,0 54,8 2,1

ИИ.,+-селективный электрод

8 97,5 42

9 63,0 ДОС - 34,5 55,5 1,2 2,7

¡0 59,0 ДНА - 38,5 56,1 1,0 2,8

И 60,0 ДОФ - 37,5 55,4 1,0 2,9

12 61,0 ЕТН 2112-36,5 54,2 0,9 2,4

"Все мембранные композиции содержат дополнительно 2% ионофора и 0,5% КТС1РЬВ.

Таблица 3. Влияние введения КТОРШ в мембранные композиции на аналитические параметры К*- и ЫН^-селективных электродов'.

№ Определяемый ион КТС1РЬВ, (%) Угол наклона, (мВ/ра) к К1нн11ж> -1д к нн1/к

1 К+ - 45,0 2,1 -

2 К+ 0,5 57,4 3,3 -

3 - 45,4 1,0 2,3

4 0,5 55,5 1,2 2,7

'Все мембранные композиции содержат 55% полимера, сшивающего агента и фотоинициатора; 43% пластификатора (ДОС) и 2% ионофора.

-1ог ак+

з. Одна из проблем, которая может возникнуть при работе с фотополимеризуемыми мембранами - это фотодеструкция мембранных компонентов при ультрафиолетовом облучении. Известно, что устойчивость тетрафенилборатных ионов падает в присутствии кислот, окислителей и под действием света, при этом

происходит отщепление протона и образование нейтрального соединения. Это означает, что концентрация липофильного аниона может зависеть от времени полимеризации мембраны. Величиной, характеризующей изменение содержания КТС1Р11В в мембране, может служить степень влияния липофильных анионов,

присутствующих в растворе в высокой концентрации, на ход электродной функции. При уменьшении . содержания

тетрахлорфенилборатных ионов в мембране

отклонение калибровочной кривой от

Рис.2 Влияние времени облучения - , , ,

, , 1 линеиного вида будет наблюдаться при более

ультрафиолетом мембраны калии- 1

селективного электрода на его отклик в низких концентрациях калия в растворах растворах КС№:

1 - 2 мин, 2 - 10 мин, 3 - 20 мин, 4 - таких солей как Ю, КСЮ, или КСКЭ. На

электрод с мембраной без КТС1РЬВ. рис 2 представленЬ1 величины потенциалов

электродов, мембраны которых облучались в течение 2, 10 и 20 минут (кривые 1, 2 и 3, соответственно), и электрода, мембрана которого не содержит КТС1РЬВ (кривая 4), измеренные в растворах КС№ в интервале концентраций от 10'2 до 1 моль/л. Из данных, представленных на рисунке, следует, что отклонение от линейного хода калибровочной кривой зависит от времени облучения, так как часть тетрахлорфенилборатных ионов распадается в первые 10 минут. В случае электрода без липофильной добавки (кривая 4) его отклик меняется на анионный. Таким образом, оптимальным было принято время облучения равное 2 минутам. Уменьшение времени полимеризации до полутора минут и ниже (при толщине мембран 300-400 мкм) приводило к образованию очень мягких мембран, из которых наблюдалось выжимание пластификато ра.

На основании приведенных выше результатов был сделан вывод об оптимальном составе мембранных композиций К+- и ЫН4+-селективных электродов.

9

Таблица 4. Оптимальный состав К*- и ЫН^-селективных мембран и

некоторые параметры электродов на их основе.

К+ 1МН/ I

Олигомер ЕЬ-270, (%) 30-45 35-45

Сшивающий агент ГГДА., (%) 10 10

Фотоинициатор 1гд 651, (%) 0,8-1,2 0,8-1,2

Пластификатор ДОС или ДНА, (%) 35-55 40-50

Ионофор, (%) валиномицян, 2 нонактин, 2

КТС1РЬВ, (%) 0,5 0,5

ЫН/

Время отклика 15-20 сек 15-20 сек

Угол наклона, (мВ/ра) 56 - 58 55 - 56

Область линейности, (моль/л) 1 - МО3 1 - 4,510'4

Предел обнаружения, (моль/л) 2,510* МО*

Коэффициенты селективности, -1дКК([ч1Н<1/м

. К+ - 1.2

Ыа+ 3,2 2,7

и+ 3,4 3,3

Са2+ 4,2 4,9

Мд2+ 3,3 1

Соответствующие данные и некоторые аналитические параметры электродов приведены в табл. 4.

Изучение влияния кислотности раствора показало, что потенциал К+-селективного электрода не зависит от величины рН в пределах от 4,5 до 9,5, а для аммониевого электрода этот интервал составляет от 4 до 7,5 единиц рН. Кроме этого было обнаружено, что на величину угла наклона калибровочного графика МН4+-селективного электрода влияет присутствие буферного раствора, и в случае использования уротропинового или ТРИС (тригидроксиметиламинометан)-буфера угол наклона уменьшается до 45,5 мВ/рЫН4. ю

-150

1

2 3

-Юд ак*

Рис.3 Влияние анионов на отклик калий-селективного электрода в растворах вызывать различных солей калия.

Влияние посторонних анионов на ход калибровочных кривых представлено на рис.3. Сравнивая полученные данные с опубликованными в литературе, можно сказать, что в изучаемых мембранах мешающее влияние анионов существенно ниже, чем для ПВХ-мембран. Так, разница значений потенциалов в растворах хлорида и перхлората калия одинаковой концентрации (10'1 моль/л) в нашем случае составляет 17 мВ, тогда как для ПВХ мембран по некоторым данным около 140-150 мВ. Такое

поведение электродов можно объяснить тем, что изучаемый нами уретандиакрилат чище, чем ПВХ, и не содержит примесей катионного характера, которые могут замену катионного отклика электрода на анионный.

Биосовместимость. Дополнительно была исследована биологическая совместимость алифатического уретандиакрилата ЕЬесгу1-2?0, как материала, предлагаемого для биомедицинского применения. Образцы (2x3мм) пластин оксида кремния покрывались полимером и имплантировались в толстые ткани лабораторной крысы. Через определенные промежутки времени образцы извлекались, промывались физиологическим раствором и изучались под микроскопом. Через 4 месяца никаких патологических изменений в тканях крысы не наблюдалось, а поверхность образцов оставалась чистой.

2. Исследование применимости фотополимеризуемых акрилатов для герметизации ИСПТ и разработка метода герметизации.

Необходимо отметить, что ИСПТ является достаточно сложным микроэлектронным устройством, и такие его параметры, как воспроизводимость показаний, долговременная стабильность, время жизни сенсора, уровень электрического шума выходного сигнала и т.д. определяются не только свойствами ионоселективной мембраны, но и качеством изоляции полупроводникового кристалла. Поэтому, параллельно с изучением электродных свойств мембран на основе фотополимеризуемых акрилатов были проведены исследования по применимости

П

полимеров в качестве герметизирующих материалов ИСПТ. Изолирующи

п/

40

80 120 Время, ч

160

200

5 2

I 0.05

V

е. *

о Н

0.00

20

40 60 Бремя, дни

100

Рис.4 Относительное увеличение во Рис.5 Изменение во времени токов утечю времени веса полимерных пленок тестовых структур, загерметизированные вследствие собрции воды: 1 - ЕЬ-270, 2 - различными полимерами: 1 - ЕЬ-230, 2 - НЬ

ЕЬ-230, 3 - ЕЬ-600.

600.

-•¿Я

н

■1

.ум

УА

I ■

я*»*»»

гж-

■А .

ш

ЗлН"

/

•223&

/

.1

2 3

И

материалы, используемые в качестве герметиков, с одной стороны, должны быть химически устойчивыми, обладать хорошими адгезионными свойствами и практически не сорбировать молекулы воды. С другой стороны, желательно, чтобы они были совместимы с технологическими процессами, позволяющими избегать большого количества ручного труда, в частности, с фотолитографией. На основании данных по изучению химической устойчивости и адгезионных свойств для экспериментов были отобраны уретандиакрилаты ЕЬ-230, ЕЬ-270 и эпоксиакрилат ЕЬ-600. Степень сорбции воды этими полимерами определялась по степени набухаемости полимерных пленок площадью около 4 см2 в растворе №С1 концентрации 1 моль/л (рис.4). Увеличение веса полимеров наблюдалось в первые 90 часов контакта с водным раствором и оставалось неизменным все последующее время.

Для исследования изоляционных свойств полимеров были использованы тестовые структуры, представляющие собой полупроводниковый кристалл с металлическим контактом. На кристалл наносились слои полимеров толщиной 50-100 мкм, структуры помещались в раствор №С1 концентрации 0,1 моль/л, и на них периодически измерялись токи утечки через полимерную пленку относительно электрода сравнения, на который подавалось напряжение +2В (рис.5). Эти величины оказались достаточно

Рис.6 Фотография ИСПТ с герметизирующим слоем и ионоселективной мембраной.

высокими, так как для нормальной работы ИСГГГ они не должны превышать 10-15 нА. При этом было замечено, что, даже не смотря на предварительную модификацию поверхности транзистора метакрилоксипропилтриметоксисиланом, адгезия этих пленок была хуже, чем в случае более токих (10-30 мкм) слоев. Поэтому для окончательного варианта герметизации был выбран эпоксиакрилат ЕЬ-600, показавший лучшие изолирующие свойства, и разработан метод, при котором полимер наносился в два слоя. Первый слой полимера (1, рис.6) толщиной (15-20 мкм) наносился непосредственно на пластину с транзисторами. Далее с помощью соответствующего фотошаблона защитный слой полимеризовался, при этом оставались открытыми затвор транзистора (2, рис.6), контактные площадки (4, рис.6) и линии разреза на пластине. Затем пластина разрезалась на отдельные транзисторы, которые укреплялись на пластмассовые подложки, после чего покрывались толстым (100-200 мкм) слоем полимера и повторно экспонировались через соответствующий шаблон, позволяющий открыть область затвора транзистора, на который на последнем этапе наносилась ионоселективная мембрана (3, рис.6). Данный метод позволил значительно улучшить качество герметизации и снизить значения токов утечки ИСПТ (табл.5).

Таблица 5. Изменение во времени значений токов утечки ИСПТ, загерметизированных эпоксиакрилатон ЕЬ-600.

1 Токи утечки, (нА) [

1 Ани 1 9 19 30 56 68 80 125 I

ИСПТ 1 1 23 8 16 12 10 10 15

ИСПТ 2 1 5 11 7 11 16 14 22 I

ИСПТЗ 1 3 1 9 22 21 32 35

3. К*- и КН/-селективные ИСПТ и их электродные характеристики.

Электродные характеристики К+- и МН(+-селективных ИСПТ с фотополимери-зуемыми мембранами представлены в табл.б и табл.7. Аналитические характеристики сенсоров находятся в соответствии с параметрами ионоселективных электродов с аналогичными мембранами. Использование фотополимеризуемых диакрилатов в случае ИСПТ позволило существенно увеличить срок службы сенсоров (до трех месяцев при постоянном контакте с раствором) по сравнению с ИСПТ с ПВХ мембранами.

Таблица 6. Электродные характеристики К+- и ЫН4+-ИСПТ.

ИСПТ ЫН/

Угол наклона, (мВ/рК(1\тН<) 56-58 55-57

Время отклика, сек. 15-20 15-20

Область линейности, (моль/л) МО1 - МО"1 МО"1 - МО'5

Предел обнаружения, (моль/л) НО'5 310"*

Коэффициенты селективности,-1дКк(№Н)/м

1 К+ - 0,9

1 2,6 2,4

Ц+ 2,8 2,9

Саг+ 4,2 4,5

Мд2+ 3,6 3,8

Таблица 7. Определение ионов ¡С и ЫН/ в модельных растворах с помощью ИСПТ.

I Ионы Введено, моль/л Найдено, моль/л Б-Ю"3 Б,

0,1 0,104 ± 0,004 5,4 0,052

К+ 0,00083 0,00078 ± 0,00005 0,04 0,051

0,1 0,103 ± 0,005 5,5 0,053

! МН/ 0,0021 0,0023 ± 0,0006 0,11 0,048

4. Применение РС-селективных ИСПТ в медико-биологических исследованиях.

Полученные результаты позволили создать сенсор, пригодный для медико-биологических исследований диализных растворов искусственной почки и плазмы крови. В таблице 8 представлены результаты определения концентрации ионов калия врастворе, аналогичном по ионному составу диализному раствору искусственной почки, полученные с помощью К+-ИСПТ и К4селективного электрода с ПВХ мембраной.

Сравнительные характеристики сенсоров с фотополимеризуемой мембраной (ФП) и электрода с ПВХ мембраной, полученные в модельных растворах, отвечающих по ионному составу плазме крови, и в самой плазме, представлены в табл.9.

Таблица 8. Результаты определения ионов калия в растворе, аналогичном по ионному составу диализному раствору искусственной почки.

Состав фонового электролита: Ыа+ - 1,45-Ю'1 моль/л ,Са2+ - 2-Ю'3 моль/л, |

Мд7+ - 5-Ю"1 моль/л I

Сенсор Введено, моль/л (х10 ') Найдено, моль/л (х10 4) 1

К+-ИСЭ 9,0 8,8 ± 0,2 |

I К+-ИСПТ 9,0 8,2 ± 0,8 1

Таблица 9. Сравнительные характеристики К*-селективных сенсоров с фотополимеризуемой мембраной и ИСЭ с ПВХ мембраной в модельных калибровочных растворах и в плазме крови.

I Параметры ИСЭ с ФП мембраной ИСПТ с ФП мембраной ИСЭ с ПВХ мембраной

Угол наклона Б, мВ/[К+] 55,6 56,4 57,5

К 0,9993 0,9996 0,9997

Стандартный раствор Моргана, Ск - 5,0 ммоль/л 4,8 + 0,2 5,4 ± 0,5 5,1 ±0,1

Плазма крови, 3,5 + 0,1 - 3,7 + 0,1 1

Ск - ммоль/л - 19,5 ± 0,7 20,9 + 0,8 |

Концентрация ионов калия в модельных растворах менялась от 1 до 125 мМ, состав фонового электролита был следующим:

ЫаС1 0,1 моль/л

Иа2НР04 (12 Н20) 0,01 моль/л

МдС12 0,0015 моль/л

сахароза 0,027 моль/л

ЫаНСОД СаС12 глюкоза рН

0,02 моль/л 0.0015 моль/л 0,01 моль/л 7,2 - 7,25

Исследование поведения ИСПТ в модельных растворах, аналогичных по составу плазме крови и в самой плазме, показало, что несмотря на возросшее до 2-3-х суток прекондиционное время и пониженные (по сравнению с ПВХ-электродами) значения углов наклона калибровочных кривых в течение первой недели работы, сенсоры этого типа являютя перспективными для анализа биологических жидкостей и сохраняют свои параметры в течение по крайней мере 2-х месяцев постоянного контакта с растворами, что значительно превышает время жизни ИСПТ с ПВХ мембранами.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ.

I. В результате сравнительного исследования ряда полифункционалыш фотополимеризуемых акрилатов и на основании полученных данных о химическо: устойчивости, адгезионных свойствах, собственной ионной проницаемости : совместимости с различными пластификаторами показано, что алифатически: уретандиакрилат может служить новым материалом мембранных матри: химических сенсоров (электродов, ИСПТ, электродов с твердым контактом оптродов и тд.).

1. Обнаружено, что на аналитические параметры сенсоров с фотополимериэуемо! мембраной на основе уретандиакрилата оказывает влияние концентраци) фотоинициатора, сшивающих агентов, присутствие липофильных анионов ] мембране и липофильность пластификатора. Увеличение содержаню пластификатора от 35 до 60% не оказывает влияние на чувствительность I селективность сенсора. На основании полученных данных найден оптимальны?; состав мембранной матрицы.

3. Изучено поведение К+- и ИН/- ИСЭ с мембраной оптимального состава в растворах различной кислотности, обнаружено пониженное (по сравнению с ПВХ мембранами) влияние липофильных анионов на ход калибровочной зависимости, определены коэффициенты селективности к основным мешающим ионам, область линейности калибровочного графика и предел обнаружения. В случае ЫН4+- ИСЭ показано влияние присутствия буферных растворов на угол наклона калибровочной зависимости.

4. Использование фотополимеризуемого уретандиакрилата позволило получить ИСПТ с аналитическими характеристиками аналогичными электродным. Благодаря высокой биосовместимости полиуретановой мембраны, достаточной селективности, удовлетворительному времени жизни и возможности применения для анализа проб малых объемов, созданные К+-селективные ИСПТ были использованы в медико-биологических исследованиях при анализе диализных растворов искусственной почки и плазмы крови.

5. На основании данных по исследованию адгезионых и изоляционных свойств, сорбции воды и химической устойчивости ряда полимеров предложен новый автоматизированный метод герметизации ИСПТ. Применение в качестве мембранного материала и герметизирующего покрытия соединений одного класса позволило увеличить срок службы сенсоров.

Основное содержание диссертации изложено в следующих публикациях:

1. Biatov Л., Abramova N., Munoz J., Dominguez С., Alegret S., Bartroli J. Ion sensor with photocurable polyurelhane polymer membrane // J. Electrochemical Soc. - 1994,- Vol. 141.-P.U11-U12.

2. Bratov A., Abramova N., Munoz J., Dominguez C, Alegret S., Bartroli J. Photocurable polymer matrices for potassium ion-sensitive electrode membrane // Anal. Chem. - 1995. -Vol. 67. - P.3589-3595.

3. Bratov A., Abramova N.Yu, Munoz J., Dominguez C., Alegret S., Bartroli J., Vlasov Yu. Acrylated polytvrethane as an alternative ion-selective membrane matrix for chemical sensors // Techn. Digest 3th Int.Conf. Solid-State Sensor and Actuators, Erosensors IX, Stockholm, Swoeden - June 1995. - P.874-877.

•1. Munoz J. .Bratov A., Mas R., Abramova N., Dominguez C., Bartroli J. Planar compatible polymer technology for packaging of chemical microsensors // J. Electrochem. Soc. - 1996. -Vol.143. - P.2020-2025.

5. Bratov A., Abramova N., Munoz J., Dominguez C., Aiegret S., Bartroli J. Optimization of photocurable polyurethane membrane for ammonium ion sensors // J.Electrochem.Soc. -199?. - Vol.144. - P.617-621.

6. Абрамова Н.Ю., Братов A.B., Власов ЮГ., Бартролл Д., Алегрет С. Применение фотогюлимеризуемих иолиакрилатов в качестве полимерной матрицы ионоселективних мембран химических сенсороа. //Ж. Прикл. Химии. - 1997. - Т.70. - Выи.7. - С,1107-1112.

Лицензия ЛР 040815 от 22.05.97. Подписано к печати 20.04.1998. Заказ 280 Тираж 100 экз. Объем 1,1 п.л. Отдел Оперативной полиграфии НИИХ СПб ГУ 198904 Санкт-Петербург, Старый Петергоф, Университетский пр. 2.