Границы раздела жидких фаз для электрохимической регистрации неэлектроактивных биомолекул тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.15 ВАК РФ

Введение

1. Литературный обзор

1.1 Биоаналитические подходы к регистрации аффинных взаимодействий

1.1.1 Липидные мембраны

1.1.2 Стабилизированные липидные мембраны

1.1.3 Физические свойства сБЛМ

1.1.4 Иммобилизация биологических элементов распознавания в БЛМ. Биосенсорные приложения

1.1.5 ДНК-сенсоры

1.1.6 Методы регистрации сигнала биотрансдьюсера

1.2 Основные принципы электрохимической импедансной спектроскопии

1.2.1 Теоретические основы

1.2.2 Интерпретация импедансных спектров

1.3 Границы раздела несмешивающихся жидкостей

1.3.1 Введение

1.3.2 Структура

1.3.3 Перенос ионов

1.3.3.1 Индуцированный перенос ионов

1.3.3.2 Перенос неорганических ионов

1.3.3.3 Перенос органических ионов и молекул

1.3.3.4 Адсорбция органических молекул на ГРНЭ

1.4 Граница раздела водной фазы и тонкой жидкой плёнки органического растворителя

2. Постановка задачи

3. Экспериментальная часть

3.1 Реактивы

3.2 Приборы

3.3 Электрохимические методы

3.4 Приготовление аффинных сенсоров

3.4.1 ДНК-сенсор

3.4.2 Иммуносенсор

3.5 Исследование системы с ГРНЭ

3.6 Изучение систем с тонким слоем органического растворителя

4. Результаты и обсуждение

4.1 Бислои Brij-52 53 4.1.1 Регистрация аффинных взаимодействий на поверхности бислоя Brij

4.1.1.1 ДНК-сенсор

4.1.1.2 Иммуносенсор

4.2 Граница раздела двух несмешивающихся электролитов 68 4.2.1 ПАВ, как вещества, индуцирующие перенос

4.2.1.1 Ионогенные ПАВ

4.2.1.2 Неионогенные ПАВ

4.2.1.3 Полимерные ПАВ

4.3 Тонкие жидкие мембраны

4.3.1 Электрод, находящийся в двух фазах несмешивающихся электролитов

4.3.2 Тонкий слой органического растворителя

4.3.3 Регистрация молекул белка на границе тонкого слоя органического растворителя

5. Выводы

6. Литература

В современной клинической диагностике огромное значение имеют обнаружение и оличественное определение различных физиологически-активных соединений, аркирующих ряд опасных заболеваний. Существует потребность в определении специфических последовательностей человеческих, вирусных и бактериальных ДНК в иагностике различных заболеваний, а также в поиске соответствующей терапии.

Для регистрации биомолекул используются специфические взаимодействия определяемых веществ, например, гибридизации комплементарных последовательностей РК и взаимодействия антитело-антиген и лиганд-рецептор. На сегодняшний день редложены биосенсоры на основе биологических аффинных взаимодействий с различными етодами детекции метки, а также сенсоры на основе косвенной электрохимической или ьезоэлектрической регистрации. Однако большинство данных подходов основано на спользовании методов иммунобиотехнологии, применение которых становится всё более граниченным из-за необходимости использования либо животных, либо дорогих и сложных ибридомных технологий. Существующие альтернативы пока не получили широкого рименения. Поэтому разработка основ селективной электрохимической регистрации иомолекул является важной для современной аналитической химии.

Граница раздела жидких фаз, реализованная, как на мембране амфифильных молекул, ак и в виде поверхности раздела двух несмешивающихся жидкостей, является моделью иологической мембраны. Связывание анализируемого вещества на поверхности приводит к зменению мембранных свойств, что может быть зарегистрировано различными физико-имическими методами. Поэтому весьма многообещающей является возможность спользования мембран амфифильных молекул в качестве преобразователей сигнала для рямой электрохимической детекции аффинных взаимодействий.

Системы с границей раздела между двумя жидкими несмешивающимися растворами лектролитов, позволяющие проводить регистрацию неэлектроактивных ионов методами радиционной электрохимии, являются перспективными для осуществления лектрохимической регистрации биомолекул, не содержащих электроактивных групп.

Такми образом, целью данной работы является разработка подходов для лектрохимической регистрации биомолекул на границах раздела жидких фаз.

1. Литературный обзор

5. Выводы

На основе проделанной работы можно сделать следующие выводы:

1. На поверхности твёрдого электрода была впервые сформирована однородная бислойная мембрана амфифильных молекул. Бислой сохранял мембранные свойства в течение длительного времени, что было продемонстрировано как электрохимическими методами, так и с помощью сканирующей электронной и туннельной микроскопии;

2. С использованием полученной мембраны амфифильных молекул на поверхности твёрдого электрода показана возможность прямой электрохимической регистрации взаимодействий антитело-антиген и гибридизации ДНК;

3. В четырёхэлектродной электрохимической системе с границей раздела несмешивающихся электролитов впервые методом вольтамперометрии зарегистрировано самопроизвольное образование мицелл. Удалось также наблюдать принудительное образование мицелл, индуцированное электрохимическим потенциалом;

4. Предложена и изучена новая электрохимическая система с границей раздела двух жидких фаз на основе тонкого слоя органического растворителя на поверхности твёрдого гидрофобного электрода, позволяющая исследовать перенос заряда через границу раздела двух жидкостей любой полярности;

5. Впервые зафиксирована электроактивность белков, не содержащих редокс-активных групп. Показано, что наблюдаемая электроактивность является чувствительной к размерам белковой глобулы.

1. D P. Nikolelis, U.J. Krull. Electroanalysis, 5 (1993), 539-545.

2. P. Mueller, D.O. Rudin, H.T. Tien, W.C. Wescott. Nature, 194 (1962), 979.

3. P. Mitchell. Biol. Rev., 41, (1966), 445-502.

4. S. McLaughlin. Cur. Top. Membr. Transp., 9 (1977), 71.

5. M. Thompson, U.J. Krull. Anal. Chim. Acta., 141 (1982), 33.

6. U.J. Krull, M. Thompson. Trends in Anal. Chem., 4(4) (1985), 90.

7. D P. Nikolelis, J.D. Brennan, R.S. Brown, U.J.Krull. Anal. Chim. Acta., 257 (1992), 49.

8. D P. Nikolelis, U.J. Krull. Anal. Chim. Acta., 257 (1992), 239.

9. H.G.L. Coster, J.R. Smith. Biochim. Biophys. Acta., 373 (1974), 151-164.

10. D R. Laver, J.R. Smith, H.G.L. Coster. Biochim. Biophys. Acta., 772 (1984), 1-9.

11. T. Hanai, D A. Haydon, J.L. Taylor. Proc. R. Soc. London, 281 (1964), 337-391.

12. H. Minami, M. Sugawara, K. Odashima, Y. Umazawa, M. Uto, E.K. Michaelis, T. Kuwana. Anal. Chem., 63 (1991), 2787.

13. V.A. Andreou, D.P. Nikolelis, B. Tarns. Analytica Chimica Acta, 350, (1997), 121-127.

14. T. Hianik, M. Fajkus, B. Tarns, P.T. Frangopol, V.S. Markin, D.F. Landers. Bioelectrochem. Bioenerg., 46, (1998), 1-5.

15. D.P. Nikolelis, T. Hianik, U.J. Krull. Electroanalysis, 11, (1999), 7-15.

16. M. Thompson, R.B. Lennox, R.A. McClelland. Anal. Chem., 54 (1982), 76.

17. H.T. Tien, Z. Salamon. Bioelectrochem. And Bioenerg., 22 (1989) 211-218.

18. K.-L. Chiang, U.J. Krull, D.P. Nikolelis. Anal. Chimica Acta, 357, (1997), 73-77.

19. J.J. Ramsden, G.I. Bachmanova, A.I. Archakov Biosensors & Bioelectron., 11 (1996), 5,523-528.

20. Lindholm-Sethson, B. Langmuir, 12 (1996), 3305-3314.

21. N. Nakashima, Y. Yamaguchi. J. Electroanal. Chem, 384 (1995), 187-189,

22. V.I, Passechnik, T. Hianik, S.A. Ivanov, B. Sivak. Electroanalysis, 10, (1998), 295,

23. T. Hianik, J. Dlugopollsky, V.I. Passechnik, D.F. Sargent, S.A. Ivanov. Colloids Surfaces A: Physicochem. Eng. Aspects, 106 (1996), 109-118.

24. T. Hianik, M. Snejdarkova, M. Rehak, V.I. Passechnik, L. Sokolikova, B. Sivak, S.A. Ivanov. Thin Solid Films, 284-285 (1996), 817-821.

25. T.L. Fare. Langmuir, 6, (1990), 1172-1179.

26. H. Lang, C. Duschl, H. Vogel. Langmuir, 10, (1994), 197-210.

27. S. Terrettaz, Т. Stora, С. Duschl, H. Vogel. Langmuir, 9, (1993), 1361-1369.

28. J. Ramsden, F. Hucho, H. Vogel. In: Biosensors: Fundamentals, Technologies and Applications. (Eds.: F. Scheller, R.D. Schmid). Contributions to the BMFT Status Seminar, 12-14 May, 1991, 435-441.

29. T. Hianik, M. Snejdarkova, V.I. Passechnik, M. Rehak, M. Babincova. Bioelectrochem. Bioenerg., 41 (1996), 221-225.

30. T. Hianik, V.I. Passechnik, L. Sokolikova, M. Snejdarkova, B. Sivak, M. Fajkus, S.A. Ivanov, M. Franek. Bioelectrochem. Bioenerg., 47, (1998), 47-55.

31. T. Hianik, M. Snejdarkova, L. Sokolikova, E. Meszar, R. Krivanek, V. Tvarozek, I. Novotny, J. Wang. Sensors and Actuators B, 57, (1999), 201-212.

32. C. Berggren, G. Johansson. Anal. Chem., 69, (1997), 3651-3657.

33. J. Feng, L. Zhu, Y.X. Ci, X.Y. Wang,, Z.Q. Guo. Biotechnol. Applied Biochem., 26, (1997), 163-167.

34. V.M. Mirsky, M. Riepl, O.S. Wolfbeis. Biosens. Bioelectron., 12, (1997), 977989.

35. J. Rickert, W. Gopel, W. Beck, G. Jung, P. Heiduschka. Biosens. Bioelectron., 11,1997), 757-768.

36. H. Tiara, K. Nakano, M. Maeda, M. Takagi. Analytical Sciences, 9, (1993), 199206.

37. S R. Mikkelsen. Electroanalysis, 8, 1, (1996), 15-19.

38. K.M. Millan, A. Spurmanis, S.R. Mikkelsen. Electroanalysis, 4, (1992), 929.

39. D. Hanafi-Bagby, P.A.E. Piunno, C.C. Wust, U.J. Krull. Analytica Chimica Acta, 411, (2000), 19-30.

40. K. Hashimoto, K. Ito, Y. Ishimori. Sensors and Actuators B, 46, (1998), 220-225.

41. J. Wang, M. Jiang, A. Fortes, B. Mukherjee. Analytica Chimica Acta, 402, (1999), 7-12.

42. J. Wang, M. Jiang, B. Mukherjee. Anal. Chem., 71, (1999), 4095-4099.

43. C.G. Siontorou, D.P. Nikolelis, A. Miernik, U.J. Krull. Electrochimica Acta, 43,1998), 3611-3617.

44. C. Berggren, P. Stalhandske, J. Brundell, G. Johansson. Electronalysis, 11, 3,1999), 156-160.

45. V.M. Mirsky, M. Mass, C. Krause, O.S. Wolfbeis. Anal. Chem., 70 (1998), 36743678.

46. M. Liu, G.A. Rechnitz, K. Li, Q.X. Li. Anal. Letters, 31, (1998), 2025-2038.

47. H. Maupas, С. Saby, С. Martelet, N. Jaffrezic-Renault, A.P. Soldatkin, M.H. Charles, T. Delair, B. Mandrand, B. J. Electroanal. Chem., 406, (1996), 53-58.

48. H. Berney, J. Alderman, W. Lane, J.K. Collins. Sensors and Actuators B, 44, (1997), 578-584.

49. A GE. Saum, R.H. Cumming, F.J. Rowell. Biosen. Bioelectron., 13, (1998), 511518.

50. Macdonald J.R. Impedance spectroscopy. J.Wiley&Sons.

51. H.G.L. Coster, T.C. Chilcott, J.R. Smith. Bioelectrochem. Bioenerg., 40 (1996), 79-98.

52. T. Hanai, D A. Haydon, J. Taylor. J. Theoret. Biol. 9, (1965), 422-432.

53. W. Nernst, Z. Phys. Chem. 2, 613, (1888).

54. J. Koryta, P. Vanysek, M. Brezina. J. Electroanal. Chem. 67, 263 (1976).

55. P. Vanysek. Electrochimica Acta, 40, 18, 2841-2847 (1995).

56. F. Reymond, D. Fermin, H.J. Lee, H.H. Girault. Electrochimica Acta, 45, 26472662, (2000).

57. M. Lauterbach, E. Engler, N. Muzet, L. Troxler, G. Wipff. J. Phys. Chem. B, 102, 245-256, (1998).

58. L.X. Dang. J. Phys. Chem. B, 103, 39, 8195-8200, (1999).

59. P A. Fernandes, M.N.D.S. Cordeiro, J.A.N.F. Gomes. J. Mol. Structure (Theochem), 463, 151-156, (1999).

60. Z. Samec. Chem. Rev., 88, 617-632, (1988).

61. I. Benjamin. J. Phys. Chem. 97 (1992), 1432.

62. K.J. Schweighofer, I. Benjamin. J. Electroanal. Chem. 391 (1995), 1.

63. Z. Samec, J. Langmaier, A. Trojanek. J. Electroanal. Chem., 463, (1999), 232241.

64. Z. Samec, A. Lhotsky, H. Janchenova, V. Marecek. J. Electroanal. Chem., 483, (2000), 47-56.

65. J.D. Reid, P. Vanysek, R.P. Buck. J. Electroanal. Chem., 170, (1984), 109.

66. H.H. Girault, D.J. Schiffrin. J. Electroanal. Chem., 150, (1983), 43.

67. A.V. Indenbom. Electrochimica Acta, 40, 18, (1995), 2985-2991.

68. K.J. Schweighofer, I. Benjamin. J. Phys. Chem., 99, (1995), 9974.

69. M. Tsionsky, A.J. Bard, M.V. Mirkin. J. Phys. Chem., 100, (1996), 17881-17888.

70. K. Maeda, S. Nagami, Y. Yoshida, H. Ohde, S. Kihara. J. Electroanal. Chem., 496, (2001), 124-130.

71. К. Arai, S. Fukurama, F. Kusu, K. Takamura. Electrochimica Acta, 40, (1995), 2913.

72. J.A. Manzanares, R. Lahtinen, B. Quinn, K. Kontturi, D.J. Schiffrin. Electrochimica Acta, 44, (1998), 59-71.

73. Q. Fulian, A.C. Fisher, R.A.W. Dryfe, E.P.L. Roberts, (short commun.) J. Electro anal. Chem., 483, (2000), 197-200.

74. G. Gritzner. Electrochimica Acta, 44, (1998), 73-83.

75. J. Koryta. Electrochimica Acta, 24, (1979), 293.

76. Z. Yoshida, H. Freiser. Inorg. Chem., 23 (1984), 3931.

77. E. Wang, Y. Liu. J. Electronal. Chem., 214, (1986), 186.

78. M. Senda, T. Kakiuchi, T. Osaki. Electrochimica Acta, 36, (1991), 253.

79. G. Lagger, L. Tomaszewski, M.D. Osborne, B.J. Seddon, H.H. Girault. J. Electroanal. Chem., 451, (1998), 29-37.

80. S. Wilke, H. Wang, M. Maruczewska, H. Muller. Fresenius J. Anal. Chem., 356, (1996), 233.

81. D. Homolka, H. Wendt. Ber. Bunsenges. Phys. Chem., 89 (1985), 1075.

82. H. Doe, M. Hoshiyama, L. Jian. Electrochimica Acta, 40, (1995), 2947.

83. Z. Yoshida, H. Aoyagi, Y. Meguro, Y. Kitatsuji, S. Kihara. J. Alloys Compounds, 213/214, (1994), 324.

84. M. Lauterbach, E. Engler, N. Muzet, L. Troxler, G. Wipff. J. Phys. Chem., 102, (1998), 245-256.

85. F. Reymond, V. Chopineaux-Courtois, G. Steyaert, G. Bouchard, P.-A. Carrupt, B. Testa, H.H. Girault. J. Electroanal. Chem., 462, (1999), 235-250.

86. Y.-T. Kong, T. Kakiuchi. J. Electroanal. Chem., 483, (2000), 22-28.

87. Y. Selzer, D. Mandler. J. Phys. Chem., 104, 20 (2000), 4903-4910.

88. T. Kakiuchi. J. Electroanal. Chem., 345, (1993), 191.

89. Y.-T. Kong, S.-I. Imabayashi, T. Kakiuchi. J. Am. Chem. Soc., 122, (2000), 82158219.

90. A. N. Frumkin. Dokl. Acad. Nauk SSSR 85 (1952), 373.

91. T. Kakiuchi, T. Kondo, M. Kotani, M. Senda. Langmuir, 8, (1992), 169.

92. J.A. Manzanares, R.M. Allen, K. Kontturi. J. Electroanal. Chem., 483, (2000), 188-196.

93. T. Kakiuchi, Y. Teranishi, K. Niki. Electrochimica Acta, 40, 18, (1995), 28692874.

94. T. Kakiuchi. J. Electroanal. Chem., 496, (2000), 137-142.

95. D. Grandell, L. Murtomaki, G. Sundholm. J. Electroanal. Chem., 469, (1999), 7278.

96. R.A. Iglesias, S.A. Dassie, A.M. Baruzzi. J. Electroanal. Chem., 483, (2000), 157162.

97. V. Marecek, A. Lhotsky, H. Janchenova., 483, (2000), 174-179.

98. M. Nakagawa, N. Sezaki, T. Kakiuchi. J. Electroanal. Chem., 501, (2001), 260263.

99. C. Shi, F.C. Anson. Anal. Chem., 70, (1998), 3114-3118.

100. C. Shi, F.C. Anson. J. Phys. Chem. В., 102, (1998), 9850-9854.

101. A.L Barker, P.R. Unwin. J. Phys. Chem., В., 104, (2000), 2330-2340.

102. С. Shi, F.C. Anson. J. Phys. Chem. B, 105, 5, (2001), 1047-1049.

103. C. Shi, F.C. Anson. J. Phys. Chem. B, 105, 37, (2001), 8963-8969.

104. T.D. Chung, F.C. Anson. J. Electroanal. Chem., 508, (2001), 115-122.

105. T.D. Chung, F.C. Anson. Anal. Chem., 73, (2001), 337-342.

106. C. Shi, F.C. Anson. J. Phys. Chem. В., 103, (1999), 6283-6289.

107. S. Amemiya, Z. Ding, J. Zhou, A.J. Bard. J. Electroanal. Chem., 483, (2000), 717.

108. H. Ohde, K. Maeda, Y. Yoshida, S. Kihara. Electrochimica Acta, 44, (1998), 2328.

109. R.D. Webster, R.A.W. Dryfe, B.A. Coles, R.G. Compton. Anal. Chem., 70, (1998), 792-800.

110. R. Lahtinen, D.J. Fermin, K. Kontturi, H.H. Girault. J. Electroanal. Chem., 483, 81-87, (2000).

111. F. Marken, R.D. Webster, S.D. Bull, S.G. Davies. J. Electroanal. Chem., 437, (1997), 209-218.

112. F. Scholz, S. Komorsky-Lovric, M. Lovric. Electrochem. Commun., 2, (2000), 112-118.

113. Y. Cheng, R.M. Corn. J. Phys. Chem. B, 103, (1999), 8726-8731.

114. Y. Cheng, L. Murtomaki, R.M. Corn. J. Electroanal. Chem., 483, (2000), 88-94.

115. S. Ulmeanu, H.J. Lee, D.J. Fermin, H.H. Girault, Y. Shao. Electrochemistry Commun., 3 (2001), 219-223.

116. E.B. Малых. Диссертационая работа на соискание ученой степени кандидата химических наук. МГУ им. Ломоносова, Химический факультет, Каф. Хим. Энзимологии. Москва, 2001.

117. A. Hamelin. In Modern Aspects of Electrochemistry, vol. 16 (Eds.: B.E. Conway, R.E. White, J.O'M. Bokris), Plenum Press, New York, 1985, p. 1.

118. H.H. Girault. In: J.O.M. Bockris, B. Conway, R. White (Eds.) Modern Aspects of Electrochemistry, vol. 25, Plenum Press, New York, 1993, pi.

119. M. Itagaki, H. Fukushima, H. Inoue, K. Watanabe. J. Electroanal. Chem., 504, (2001), 96-103.

120. A.M. Baruzzi, H. Wendt. J. Electroanal. Chem., 279, (1990), 19.

121. H. Alemu, B. Hundhammer, T. Solomon. J. Electroanal. Chem., 294, (1990), 165.

122. Z. Sun, P. Yanysek. Anal. Chem. Acta, 228, (1990), 241.

123. H. Katano, M. Senda. J. Electroanal. Chem., 496, (2001), 103-109.

124. A.I. Azcurra, L.M. Yudi, A.M. Baruzzi, T. Kakiuchi. J. Electroanal. Chem., 506, (2000), 138-142.

125. T. Kakiuchi. Anal. Chem., 68, (1996), 3658-3664.