Содержание к диссертации
Введение
1. Электрокатализ на электродах, модифицированных гексацианометаллатами (Литературный обзор) 11
1.1. Принципы электрокатализа на химически модифицированных электродах 11
1.2. Типы модификаторов и способы модификации электродов 15
1.3. Электроды, модифицированные гексацианометаллатами 18
1.3.1. Гексацианоферратные пленки 19
1.3.1.1. Получение пленок ГЦФ на поверхности электрода 19
1.3.1.2. Электрохимическое поведение пленок ГЦФ 28
1.3.2. Пленки смешанных гексацианометаллатов 36
1.3.2.1. Получение пленок смешанных гексацианоферратов 36
1.3.2.2. Электрохимическое поведение пленок смешанных ГЦФМ. 38
1.4. Применение ХМЭ на основе ГЦМ для определения органических и неорганических соединений 40
1.4.1. ХМЭ на основе ГЦФМ 41
1.4.2. ХМЭ на основе ГЦРМ 46
1.4.3. ХМЭ на основе смешанных гексацианоферратов 48
2. Экспериментальная часть 51
2.1. Постановка задачи 51
2.2. Приборы и реактивы 53
3. Электрохимическое осаждение гексацианометаллатов на графитовых электродах 58
3.1. Электрохимическое поведение гексацианометаллатов 58
3.1.1. Условия получения ГЦФ пленки на СУ 59
3.1.2. Условия получения пленки ГЦФ Со на СУ 61
3.1.3. Условия получения пленки ГЦФ Ni на СУ 63
3.1.4. Условия получения пленки ГЦФ Си на СУ 66
3.1.5. Условия получения пленки ГЦФ Pd на СУ 70
3.1.6. Условия получения пленки ГЦФ Ru на СУ 71
3.1.7. Условия получения пленки ГЦР Ru на СУ 73
3.2. Электрохимическое поведение пленок из смешанных ГЦФМ 78
3.2.1. Электрохимическое поведение пленки ГЦФ Co-Си 78
3.2.2. Электрохимическое поведение пленки ГЦФ Ni-Pd 80
4. Электрокаталитическое окисление биологически активных веществ на электродах, модифицированных гексацианометаллатами 84
4.1. Электрохимическое поведение биологически активных веществ на СУ 84
4.1.1. Электрохимическое поведение углеводов на СУ 84
4.1.2. Электрохимическое поведение аминокислот на СУ 87
4.1.3. Электрохимическое поведение витаминов группы В на СУ 88
4.1.4. Электрохимическое поведение лекарственных препаратов на СУ 90
4.2. Электроокисление биологически активных веществ на ХМЭ с ГЦФ пленками 90
4.2.1. Электроокисление углеводов на ХМЭ с ГЦФ пленками 90
4.2.2. Электроокисление аминокислот на ХМЭ с ГЦФ пленками 93
4.3. Электрокаталитическое окисление биологически активных веществ на ХМЭ с пленкой ГЦР Ru 100
4.3.1. Электроокисление серосодержащих аминокислот 100
4.3.2. Электроокисление витаминов 103
4.3.3. Электроокисление лекарственных препаратов и углеводов 107
4.4. Электрокаталитическое окисление углеводов и аминокислот на ХМЭ со смешанными ГЦФ пленками 110
4.4.1. Электроокисление углеводов 111
4.4.2. Электроокисление аминокислот 113
4.5. Сопоставление электрокаталитических свойств ГЦМ при окислении биологически активных веществ 116
5. Вольтамперометрическое определения биологически активных веществ на электродах, модифицированных гексацианометаллатами 122
5.1. Методы определения биологически активных веществ 122
5.1.1. Определение углеводов 122
5.1.2. Определение аминокислот 123
5.1.3. Определение витаминов группы В 123
5.1.4. Определение инсулина и гентамицина 124
5.2. Вольтамперометрическое определение углеводов и аминокислот на электродах, модифицированных ГЦФ пленками 125
5.3. Вольтамперометрическое определение биологически активных веществ на электродах, модифицированных пленкой ГЦР Ru 132
5.4. Проточно-инжекционное определение биологически активных веществ на электродах, модифицированных пленками ГЦР Ru 136
5.5. Определение отношения инсулина и глюкозы на ХМЭ с ГЦМ... 149
Список литературы 160
Приложение 183
- Электроды, модифицированные гексацианометаллатами
- Электрохимическое поведение пленок из смешанных ГЦФМ
- Электроокисление биологически активных веществ на ХМЭ с ГЦФ пленками
- Вольтамперометрическое определение углеводов и аминокислот на электродах, модифицированных ГЦФ пленками
Введение к работе
Актуальность темы: Одним из приоритетных направлений аналитической химии является вольтамперометрия с использованием химически модифицированных электродов (ХМЭ) с каталитическим откликом [1-7]. Данный метод отличается высокой чувствительностью, хорошей воспроизводимостью, точностью и экспрессностью определений. Электрокаталитические свойства достигаются за счет иммобилизации редокс-медиаторов на поверхности или в объеме электродов. Редокс-медиаторы способны уменьшить перенапряжение электрохимических реакций и повысить чувствительность определения органических соединений, среди которых особое значение имеют биологически активные.
Для модификации электродов в электроаналитической химии все чаще используют графитовые электроды. В качестве модификаторов широко используют оксиды и комплексные соединения металлов 3d- и 4d-переходного ряда. В последнее время большое внимание уделяют электродам, модифицированным гексацианометаллатами (ГЦМ) [2]. ГЦМ -это класс полиядерных неорганических соединений с общей формулой -MAa[MB(CN)6]b-xH20, где МА и Мв ионы переходных металлов с различными формальными степенями окисления, и относящиеся к внешней и внутренней координационной сфере соответственно.
Улучшение свойств ХМЭ с пленками из ГЦМ достигается в результате изменения природы иона металла как во внутренней, так и внешней координационной сфере, а также включения дополнительного 3-d переходного или платинового металла в состав индивидуальной ГЦФ-пленки. Такие пленки имеют высокую каталитическую активность и стабильность электрохимического отклика ХМЭ и могут быть использованы в качестве химического сенсора или амперометрического детектора в проточных методах анализа, в том числе и в условиях проточно-инжекционного анализа (ПИА).
Разработка новых вольтамперометрических способов определения биологически активных веществ (БАВ) с использованием электродов, модифицированных пленками ГЦМ, представляется актуальной задачей.
В настоящей работе исследованы и сопоставлены каталитические свойства гексацианометаллатов, осажденных на поверхности графитовых электродов, при электроокислении некоторых аминокислот, углеводов, витаминов и лекарственных соединений. В качестве редокс-медиаторов использовали гексацианоферраты (III) железа (II) (ГЦФ Fe), кобальта (II) (ГЦФ Со), никеля (II) (ГЦФ Ni), меди (II) (ГЦФ Си), палладия (II) (ГЦФ Pd), рутения (III) (ГЦФ Ru), гексацианорутенат (III) рутения (III) (ГЦР Ru), а также смешанные гексацианоферраты (III) кобальта (И) и меди (II) (ГЦФ Со-Си), никеля (И) и палладия (И) (ГЦФ Ni-Pd). Изучена возможность использования полученных модифицированных электродов в стационарных и проточных условиях для определения этих соединений в биологических жидкостях, пищевых продуктах и фармпрепаратах.
Работа выполнялась в соответствии с планами научно-исследовательских работ Казанского государственного университета по теме "Развитие теоретических и прикладных основ методов определения малых количеств биологически активных соединений" (№ гос. регистрации 0120107141) и при частичной финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект №03-03-33116).
Цель работы:
Разработка новых способов вольтамперометрического определения биологически активных веществ по электрокаталитическому отклику электродов, модифицированных гексацианометаллатами, в стационарном режиме и в условиях проточно-инжекционного анализа.
Научная новизна:
> Разработаны способы изготовления ХМЭ на основе гексацианоферратов (III) железа (И), кобальта (II), никеля (И), меди (И), палладия (II), рутения (II) и гексацианорутената (III) рутения (И),
8 смешанного гексацианоферрата (III) кобальта (И) и меди (II), а также гексацианоферрата (III) никеля (II) и палладия (II).
Изучено электроокисление БАВ, относящихся к разным классам органических соединений (углеводов, аминокислот, витаминов и лекарственных соединений) на электродах, модифицированных пленками ГЦМ, предложены схемы реакций электроокисления.
Сопоставлены каталитические, метрологические и эксплуатационные характеритики ХМЭ на основе пленок ГЦМ, определены факторы, влияющие на электрохимический сигнал, установлены условия регистрации максимального каталитического эффекта.
Разработаны способы вольтамперометрического определения некоторых БАВ на электродах, модифицированных пленками ГЦМ. Предложены способы определения аминокислот (цистеина, цистина и метионина), углеводов (сорбита, маннита, глюкозы, мальтозы, сахарозы), витаминов (Вь Вг, Вз), и лекарственных соединений (гентамицина и инсулина). Установлена возможность использования ХМЭ на основе ГЦМ в качестве амперометрических сенсоров на глюкозу и инсулин.
Изучена стабильность электрокаталитического отклика ХМЭ с пленками ГЦМ в условиях ПИА. Оценена возможность использования электрода, модифицированного пленкой ГЦР Ru, в качестве амперометрического детектора для анализа аминокислот (цистеина, цистина и метионина), витаминов (Ві, В2, В3) и лекарственных соединений (инсулина и гентамицина).
Практическая значимость работы:
Использование разработанных ХМЭ на основе неорганических пленок из ГЦМ в качестве индикаторных электродов-сенсоров или детекторов ПИА-определений БАВ представляет большой интерес для аналитической химии, клинической медицины, контроля качества пищевых продуктов и фармпрепаратов. Предложенные способы определения углеводов, аминокислот и лекарственных соединений в стационарных и проточных
9 условиях с помощью ХМЭ на основе ГЦМ и смешанных пленок на их основе имеют практическое значение. Предложен метод совместного вольтамперометрического определения водорастворимых витаминов группы В на электроде, модифицированном пленкой ГЦР Ru. Разработан способ определения глюкозы и инсулина при совместном присутствии на ХМЭ с пленкой ГЦФ Ni-Pd и ГЦР Ru соотвественно. Методики апробированы на модельных системах.
На защиту выносятся:
Способы получения ХМЭ на основе графитовых электродов с электроосажденными пленками ГЦМ. Выбор рабочих условий получения ГЦМ-пленок.
Результаты исследования электрохимического поведения ГЦМ, осажденных на поверхности графитовых электродов. Выявление факторов, влияющих на вольтамперные характеристики окисления редокс-медиаторов.
Выбор системы редокс-медиатор - субстрат при электроокислении БАВ на ХМЭ с неорганическими пленками ГЦМ. Нахождение условий регистрации максимального каталитического эффекта.
Аналитические и метрологические характеристики модифицированных электродов в стационарных условиях и в потоке. Определение рабочих условий регистрации ПИА сигнала при окислении БАВ.
Новые способы вольтамперометрического определения БАВ (углеводов, аминокислот, витаминов и лекарственных соединений) на ХМЭ с неорганическими пленками ГЦМ.
Апробация работы: Результаты исследований были доложены и обсуждены на международных и российских конференциях и изложены в материалах: III Всероссийской конференции молодых ученых (Саратов, 2001), Поволжской конференции по аналитической химии (Казань, 2001), XVII Менделеевского съезда по общей и прикладной химии (Казань, 2003), IV Всероссийской конференции молодых ученых "Современные проблемы
10 теоретической и экспериментальной химии" (Саратов. 2003), III Научной конференции молодых ученых, аспирантов и студентов научно-образовательного центра Казанского государственного университета "Материалы и технологии XXI века" (Казань, 2003), VI Всероссийской конференции по электрохимическим методам анализа "ЭМА-2004" (Уфа, 2004), Всероссийской конференции по аналитической химии "Аналитика России 2004" (Клязьма, 2004), Всероссийской научной конференции "Электроаналитика-2005" (Екатеринбург, 2005), II Международного симпозиума "Разделение и концентрирование в аналитической химии и радиохимии" (Краснодар, 2005), Международной конференции молодых ученых по фундаментальным наукам "Ломоносов-2006" (Москва, 2006).
Публикации: По результатам работы опубликовано 4 статьи и 12 тезисов докладов.
Структура и объем диссертации: Диссертация состоит из введения, обзора литературы, экспериментальной части, трех глав результатов и их обсуждения, выводов, списка используемой литературы и приложения. Работа изложена на 190 страницах, содержит 59 рисунков, 44 таблицы и список литературы из 194 наименований.
Первая глава (литературный обзор) содержит описание возможных способов получения гексацианометаллатных пленок на поверхности электродов. Сопоставлены электрохимические свойства ГЦМ, используемых в качестве модификаторов индикаторных электродов. Описаны примеры использования ХМЭ на основе ГЦМ и смешанных пленок на их основе в анализе органических и неорганических соединений. Во второй главе изложены задачи и условия проведения эксперимента. Третья глава посвящена разработке ХМЭ на основе ГЦМ и смешанных пленок на их основе. В четвертой главе прведены данные по электрокаталитическому окислению БАВ на графитовых электродах, модифицированных ГЦМ пленками. В пятой главе предлагаются аналитические методики определения БАВ в стационарных и проточно-инжекционных системах.
Электроды, модифицированные гексацианометаллатами
Гексацианометаллаты переходных металлов (ГЦМ) - это класс неорганических комплексных соединений, обладающих ионобменными, электрохимическими, электрохромными и электрокаталитическими свойствами [1, 25-29]. Большинство ГЦМ имеют кубическую кристалличесую систему. Хотя некоторые ГЦМ имеют гексагональную кристаллическу структуру, такие как ГЦФ Zn [30-31] и ГЦФ Ag [32]. Среди различных медиаторов, используемых для модифицирования электродов, наиболее полным набором полезных свойств, которые требуются на электрохимической границе (включая форму, размер, заряд, физическую и химическую устойчивость, высокую способность к ионному обмену в микроскопическом окружении) обладают твердые гексацианоферраты металлов (ГЦФМ) [1, 33-106]. Интерес к этим соединениям вызван, прежде всего, их эффективными медиаторными способностями, не говоря о доступности и простоте их получения. Пленки гексацианометаллатов переходных металлов - типичный пример электроактивных полимеров, неподвижные редокс-центры которых могут обмениваться электронами, что приводит к наличию в таких объектах проводимости [107]. Возникающее при этом в объеме пленки изменение локальной плотности заряда компенсируются изменениями концентрации противоионов, роль которых обычно играют ионы, сорбирующиеся в пленку из примыкающего к ней раствора электролита. Процесс сопряженности подобных электронных и ионных потоков относится к смешанному ионно-электронному типу проводимости таких объектов. Проводящие ГЦФМ принадлежат к классу полиядерных неорганических соединений, которые могут быть разделены на два типа: 1.
В кристаллической решетке ГЦМ имеются два иона металла, один -во внешней координационной сфере, другой - во внутренней. Такие системы могут быть представлены общей формулой мДм СКУь, где М1 и Мп ионы переходных металлов с различными формальными степенями окисления и относящиеся к внешнему и центральному ионам, соответственно [22-59]. 2. Ко второму типу можно отнести ГЦМ, во внешней сфере которых имеется два разных иона металла, общей формулой MaIMbII[MIII(CN)6]c -смешанные (или гибридные) ГЦМ [63-76]. Природа переходного металла (М1, Мп, Мш) играет ключевую роль в электрохимических и электрокаталитических свойствах ГЦМ [77]. Среди гексацианометаллатов важное место занимают гексацианоферраты переходных металлов, которые отличаются простотой и доступностью изготовления. Развитие исследований по изучению свойств электродов, модифицированных ГЦФМ, во многом определяется возможностями применения таких объектов в различных областях современной техники. Немало работ посвящено исследованию структуры и свойств ГЦФ переходных металлов: ГЦФ хрома [27], марганца [52], железа [26], кобальта [39-45], никеля [28-29, 34], меди [55], цинка [31], рутения [108], палладия [109], индия [47, 48, ПО], осмия [111]. Тонкие пленки гексацианоферратов переходных металлов, сформированные на поверхности металлического или полупроводникового электрода, являются типичным примером модифицированных электродов. 1.3.1.1. Получение пленок ГЦФ на поверхности электрода Существует множество методик получения ГЦМ на поверхности электрода: химическое и электрохимическое осаждение, адсорбция, введение в полимерную матрицу, механическая иммобилизация порошка ГЦМ на поверхности электрода или ковалентная сшивка, например ГЦФ монослоями серосодержащего соединения на золотом электроде [29, 33, 75]. Серьёзным недостатком электродов, поверхностно модифицированных ГЦФМ, является пассивации поверхности ХМЭ (или даже потеря ГЦФМ пленки) после многократного циклического изменения потенциала. После чего возникает необходимость повторной иммобилизации ГЦФМ на электроде.
Для облегчения процедуры обновления поверхности электрода предлагается использовать объемные композитные электроды, приготовленные по "золь-гель" технологии и содержащие ГЦФМ, равномерно распределенные во всем объеме электрода [33]. Как правило, модификацию поверхности электродов ГЦМ, проводят электрохимически, используя различные способы осаждения [29, 109]: погружение электродной поверхности в раствор модификатора, содержащий ионы Fe(CN)63" и переходного металла и последующее сканирование потенциала в заданной области [28-25, 41]; электроосаждение переходного металла на матрицу и затем электрохимическое анодирование полученного электрода в присутствии гексацианоферрата калия в качестве дериватизационного агента; электроосаждение переходного металла на подложку и затем химическая дериватизация полученного электрода в присутствии гексацианоферрата калия [29-33]; погружение поверхности электрода с переходным металлом в раствор Fe(CN)6 и последующее выдерживание электрода при подходящем значении потенциала [34]; механическая иммобилизация готового твердого ГЦМ путем втирания его в поверхность электрода [37, 46] или включение в объем электрода [47-50]. Во всех случаях нерастворимые гексацианоферраты переходных металлов формируются электрохимическим или химическим окислением переходных металлов и последующей реакцией металла с гексацианоферратом. Структурному исследованию пленок ГЦФ переходных металлов посвящено немало работ [79-84]. Физическими методами (сканирующей электронной микроскопии, рентгеноэлектронной спектроскопии и
Электрохимическое поведение пленок из смешанных ГЦФМ
Осаждение смешанной пленки ГЦФ с переходными металлами кобальта (II) и меди (II) на поверхности стеклоуглерода проводили методом циклической вольтамперогметрии, сканируя потенциал в фиксированной области. На рис. 3.17. представлены циклические вольтамперограммы, полученные на ХМЭ с пленками ГЦФ Со (кривая 1), ГЦФ Си (кривая 2) и ГЦФ Co-Си (кривая 3) на фоне 0.1 М K2SQ4. Изменение формы вольтаперограммы и вольтамперных характеристик (величины тока и потенциала пиков) по сравнению с результатами, полученными для индивидуальных ГЦФ пленок, говорит об образовании пленки смешанного ГЦФ Co-Си. Установлено [74], что замена 79 внешнесферного металла другим переходным металлом ведет к изменению длины и энергии связей Fe-C, C=N и N-Co(Cu). Электронный перенос как и для других ГЦФМ также связан с редокс-парой [Fe(CN)6]3 /[Fe(CN)6]4 . При этом регистрация двух редокс-пиков отражает наличие двух фаз, характерных для смешанного комплекса ГЦФ Со-Си. Электрохимические свойства ГЦМ пленок, обладающих ионообменными свойствами, зависят от природы катиона фонового электролита. Для смешанной пленки ГЦФ Co-Си лучшие вольтамперные характеристики были получены в растворе калиевых солей (рис. 3.18). Помимо природы катиона фонового электролита на устойчивость смешанных ГЦФ пленок будет влиять рН фонового электролита. Пленка ГЦФ Co-Си устойчива в кислой и нейтральной средах (табл. 3.4). Для получения смешанной пленки ГЦФ Ni-Pd использовали метод циклической вольтамперометрии, изменяя потенциал в фиксированной области в растворе гексацианоферратов никеля (II) и палладия (И). Рис. 3.19. Циклические вольтамперограммы, плученные в растворе осаждения смешанной пленки ГЦФ Ni-Pd в 0.1 М K2S04 (1) 0.1 М Na2S04 (2) При выборе рабочих условий получения ХМЭ проводили сопоставление вольтамперных характеристик по анодному пику, соответствующему редокс переходу Fe(CN)63" — Fe(CN)6" + е. При этом варьировали область, скорость и время сканирования потенциалов, а также природу фонового электролита. При изучении влияния скорости наложения потенциала на вольтамперные характеристики установлено, что наибольший ток окисления медиатора наблюдали при скорости осаждения пленки, равной 200 мВ/сек. Электрохимическое поведение смешанной неорганической пленки зависит от природы катиона фонового электролита.
Лучшие вольтамперные характеристики для ГЦФ Ni-Pd были получены в растворе калиевых солей (рис. 3.19). Устойчивость смешанной пленки проявляется в широкой области рН, причем с увеличением рН происходит рост высоты анодно-катодных пиков, а в сильно-щелочной среде формируется одна пара анодно-катодных пиков, характерных для редокс пары Ni(II)/Ni(III), как для ГЦФ Ni (табл. 3.4). Полученная смешанная пленка обладает рядом преимуществ по сравнению с индивидуальными ПДФМ. Механизм электродного процесса не меняется при переходе от индивидуальной к смешанной пленке и соответствует электронному переходу Fe(CN)64 — Fe(CN)63" + е, (в кислой и нейтральной средах), но улучшаются электрокаталитические свойства пленок, а самое главное, повышается химическая и электрохимическая стабильность. Устойчивость пленочных электродов, продемонстрированная на рис. 3.20 , сохраняется в течение рабочего дня (8 часов). Оптимальные условия получения смешанных ГЦФ пленок на поверхности СУ представлены в таблице табл. 3.5. Таким образом, установлено, что для пленок ГЦФ Fe, Ni и Си, а также для смешанных пленок ГЦФ Co-Си и ГЦФ Ni-Pd наиболее выраженные пики на циклических вольтамперограммах наблюдаются в растворе калиевых солей, а для ГЦФ
Со - в растворе натриевых солей. Для пленок ГЦФ Ru и ГЦР Ru характерно отсутствие влияния природы катиона фонового электролита: присутствие в растворе ионов Na+, К+, NH/, Li+, Rb+ не влияет на вольтамперные характеристики. Электроды с пленкой ГЦФРе и Pd можно использовать только в кислой среде, ГЦФ Си и смешанной пленкой ГЦФ Co-Си в КИСЛОЙ И нейтральной средах, а ГЦФ Со, ГЦФ Ni и смешанной пленкой ГЦФ Ni-Pd в широкой области рН: кислых, нейтральных и даже щелочных растворах. Вольтамперограммы, полученные на ХМЭ с ГЦФ Ru и ГЦР Ru, имеют воспроизводимую форму только в кислой среде. Стабильность вольтамперных характеристик для пленок ГЦФ Со, Ni и Си наблюдается только в течение 3-х часов, после выдерживания в 0.001 М растворе RuCb электрохимическая стабильность пленок повышается до часов. Такую же стабильность электрохимических откликов демонстрируют электроды с гибридными пленками ГЦФ Co-Си и ГЦФ Ni-Pd. Высокая стабильность в течение нескольких недель зафиксирована для пленок ГЦФ Pd и Ru. Самые воспроизводимые вольтамперограммы регистрируются на ХМЭ с ГЦР Ru. Стабильной эта пленка сохраняется в нечение нескольких месяцев (но, к сожалению, только в кислой среде).
Электроокисление биологически активных веществ на ХМЭ с ГЦФ пленками
Рассмотрена каталитическая активность индивидуальных ГЦФ таких, как ГЦФ Fe, ГЦФ Со, ГЦФ Ni, ГЦФ Си и ГЦФ Pd, осажденных на СУ, при окислении углеводов. Окисление проводили в различных средах: в кислой -на фоне 0.1 М НС1 (для ГЦФ Fe и ГЦФ Pd) и в нейтральной - на фоне 0.1 М K2S04 (для ГЦФ Ni и ЩФ Си) и Na2S04 (для ГЦФ Со). Установлено, что во всех случаях не происходило изменений вольтамперных характеристик медиатора, на основе чего был сделан вывод об отсутствии каталитических свойств рассматриваемых систем в этих условиях. Щелочная среда не использовалась, так как в этой среде ГЦМ-пленки разрушаются из-за гидролиза металлокомплексов. Исключение составляет пленка из ГЦФ№. Как было установлено ранее (см. главу 3), ХМЭ с пленкой ЩФ№ и в щелочной среде дает достаточно устойчивый электрохимический сигнал, который при многократном сканировании потенциала сначала увеличивается, а затем стабилизируется. Этот факт объясняется изменением механизма электрохимического отклика, который связан с окислением оксо и гидроксо-частиц никеля (II). Установлено, что электрогенерированные в сильно щелочной среде на поверхности ХМЭ оксо- и гидроксо-частицы Ni (III) проявляют каталитическую активность при окислении рассматриваемых углеводов (табл. 4.3). При этом на вольтамперной кривой наблюдается увеличение тока пика окисления медиатора при Е = 0.55 В. Величина тока зависит от концентрации органического соединения, то есть окисление углеводов происходит при потенциалах окисления модификатора со значительным уменьшением перенапряжения.
Многократный прирост тока, уменьшение перенапряжения окисления субстрата, позволяет отнести электрохимический процесс к каталитическому. Электрокаталитическое окисление субстратов на ХМЭ наблюдается при потенциалах окисления редокс-пары Ni(II)/Ni(III). Каталитический эффект, рассчитывали как отношение каталитического тока окисления органического соединения (/КАТ) к току окисления модификатора (/мод) Механизм электроокисления углеводов в общем виде можно представить следующим образом: медиатор М вступает в обратимую электрохимическую реакцию с образованием радикальных частиц М , которые вступают в химическую реакцию с субстратом S, образуя продукты реакции Р: Регенерация частиц медиатора позволяет отнести этот процесс к каталитическому, экспериментально наблюдаемому в приросте тока медиатора в присутствии субстрата по сравнению с током, регистрируемым в его отсутствие. В качестве примера на рис. 4.2 приведена циклическая вольтамперограмма окисления глюкозы на электроде с пленкой ГЦФ№.
Наблюдаемый на фоновой кривой пик при Е = 0.50 В (рис. 4.2, пунктирная линия) увеличивается в присутствии глюкозы (рис. 4.2, сплошная линия) и растет с ростом концентрации углевода (рис. 4.3). Вероятно, в этой области потенциалов происходит окисление глюкозы до глюконовой кислоты [136]: Аналогичный каталитический эффект, но несколько в большей степени проявляется при окислении на этом ХМЭ моносахаридов - сорбита и маннита. При окислении дисахаридов - мальтозы и сахарозы регистрируется меньший каталитический ток (табл. 4.3). Уменьшение каталитического эффекта связано с более сложным строением органической молекулы дисахаридов и более сложным механизмом электроокисления, (см. уравнение 23-24). 4.2.2. Электроокисление аминокислот на ХМЭ с ГЦФ пленками Среди аминокислот на рассматриваемых электродах выявлены каталитические эффекты при окислении цистеина, цистина, метионина глицина и серина. При окислении цистеина установлена каталитическая активность всех рассматриваемых ГЦМ, при этом величина каталитическая эффекта зависит как от природы медиатора, так и природы фонового электролита и рН раствора (табл. 4.4). Изучена зависимость каталитической активности ГЦФ пленки от скорости наложения потенциала как при осаждении пленки, так и при регистрации вольтамперограммы на ХМЭ с пленкой.
На примере ГЦФ Со 95 установлено, что наибольшая каталитическая активность ХМЭ при электроокислении цистеина наблюдается при v = 20 мВ/с в ходе осаждения пленки ГЦФМ и при v = 200 мВ/с при регистрации вольтамперограммы окисления субстрата на ХМЭ с пленкой ГЦФ Со (рис. 4.4). Установлена зависимость величины тока пика окисления модификатора и цистеина на ХМЭ от количества циклов осаждения пленки ГЦФ Со. Лучшие результаты получены при осаждении пленки в течение 5 циклов. Каталитическая активность ГЦФ Fe, ГЦФ Pd и ГЦФ Ru проявляется только в кислой среде, например, на фоне 0.1 М раствора НС1. В нейтральной среде можно использовать пленки из ГЦФ Со и ГЦМ Си, причем на ХМЭ с пленкой ГЦФ Со больший каталитический эффект фиксируется на фоне 0.1 М раствора Na2S04, а на ХМЭ с пленкой ГЦФ Си - при использовании в качестве фонового электролита 0.1 М раствор K2SO4. Электрокаталитическое окисление цистеина на ХМЭ с пленкой ГЦФ Ni можно наблюдать в любой среде, но больший эффект наблюдается в щелочной среде. При этом в кислой и нейтральной среде электрокаталитическое окисление цистеина наблюдается при потенциалах, характерных для редокс-пары цианидных комплексов железа (ИДИ) - Fe(CN)62 / Fe(CN)63 , а в щелочной среде - при потенциалах окисления редокс-пары Ni(II)/Ni(III). Следует отметить, что в последнем случае катализ по току и по потенциалу наблюдается в большей степени: Екат = 0.40 Ви/ Кат/Люд = 90. Для объяснения такого большого каталитического эффекта рассмотрим более подробно электроокисление цистеина на ХМЭ с пленкой ГЦФ Ni. На вольтамперограмме окисления цистеина на этом электроде наблюдаются два пика (рис. 4.5, 2). Первый пик регистрируется при Е = 0.40 В. В этой области потенциалов на фоновой кривой наблюдается незначительный максимум тока, по величине на два порядка меньше тока окисления медиатора при Е = 0.60 В, который можно отнести к окислению частиц медиатора, меньшего
Вольтамперометрическое определение углеводов и аминокислот на электродах, модифицированных ГЦФ пленками
Электрокаталитическое окисление углеводов в щелочной среде происходит только на ХМЭ на основе ГЦФКГі и ГЦФ Ni-Pd, но лучшие результаты получены на последнем электроде (см. главу 4). Поэтому приводится методика вольтамперометрического определения углеводов: сорбита, маннита, глюкозы, мальтозы и сахарозы на электроде с пленкой ГЦФ Ni-Pd. Методика определения углеводов на СУ, модифицированном пленкой из ГЦФ Ni-Pd. В мерную колбу на 10 мл вносили точную навеску определяемого углевода и доводили до метки 0.1 М раствором КОН. Раствор переносили в электрохимическую ячейку, затем в исследуемый раствор опускали ХМЭ, вспомогательный и хлоридсеребряный электроды и регистрировали циклическую вольтамперограмму в интервале от 0.0 В до +0.80 В, на которой измеряли величину тока пика электроокисления при Е = 0.55 В. Концентрацию углеводов находили по градуировочным графикам. Интервалы линейных зависимостей тока пиков от концентрации аналитов и уравнения регрессии для этих зависимостей приведены в табл. 5.1 Правильность методик оценена методом введено-найдено (табл. 5.2). Относительное стандартное отклонение (Sr) не превышает 5 % во всем диапазоне исследуемых концентраций. Данная методика может быть использована для определения углеводов в фармпрепаратах и пищевых продуктах после предварительной пробоподготовки. Из аминокислот на изученных ХМЭ с пленками смешанных ГЦФ окисляется только цистеин. На электроде, модифицированном пленкой ГЦФ Ni-Pd, определение цистеина можно проводить в различных средах: в кислой, в нейтральной и щелочной.
Однако лучшие аналитические характеристики были получены на фоне 0.1 М КОН. На электроде, модифицированном пленкой ГЦФ Co-Си, окисление цистеина происходит в кислой и нейтральной средах. Однако лучшие аналитические характеристики получены в нейтральной среде на фоне солей калия. Методика определения цистеина на электроде, модифицированном пленкой ГЦФ Ni-Pd или ГЦФ Co-Си. В мерной колбе на 10 мл растворяли точную навеску цистеина и доводили до метки 0.1 М КОН для ХМЭ с ГЦФ Ni-Pd (или 0.1 М K2S04 для ХМЭ с ГЦФ Co-Си). Раствор переносили в электрохимическую ячейку, затем в исследуемый раствор погружали ХМЭ, вспомогательный и хлоридсеребрянный электроды и регистрировали циклическую вольтамперограмму в интервале от 0.0 В до 1.0 В, на которой измеряли величину тока пика электроокисления при Е = 0.40 В на ГЦФ Ni-Pd (при Е = 0.70 В на ГЦФ Со-Си). Концентрацию цистеина находили по градуировочным графикам. Интервалы линейной зависимости тока пиков от концентрации аналитов и уравнения регрессии для этих зависимостей приведены в табл. 5.3. Правильность методик оценена методом введено-найдено (табл. 5.4). Относительное стандартное отклонение (Sr) не превышает 5 % во всем диапазоне исследуемых концентраций. Использование в качестве медиаторов индивидуальных ЩФ приводит к уменьшению чувствительности метода и воспроизводимости результатов. Тем не менее, ХМЭ с ЩФМ также могут использоваться в аналитических целях. При окислении цистеина в кислой среде лучше использовать ГЦФРе и ГЦФРгі В. В нейтральной среде, то есть при рН физиологических растворов, лучшие каталитические свойства установлены для ЩФ Со и ГЦФ Си. При окислении цистеина в щелочных растворах максимальный катализ и по току, и по потенциалу регистрируется на ЩФ Ni. В этих же условиях протекает электроокислении гицина и серина.
Поэтому разработаны методики определения глицина, серина и цистеина на ХМЭ с пленкой ГЦР Ni, цистеина - на ХМЭ с пленкой ГЦР Си и ГЦФ Pd. Методика определения глицина, серина и цистеина, на электроде с пленкой ГЦФ NL В мерной колбе на 10 мл растворяли определенное количество цистеина и доводили до метки 0.1 М раствором КОН. Раствор переносили в электрохимическую ячейку. В исследуемый раствор погружали электрод ГЦФ Ni-СУ, вспомогательный и хлоридсеребряный электроды и регистрировали циклическую вольтамперограмму в интервале от 0.0 В до 0.80 В, на которой измеряли величину тока пика окисления аминокислоты: для глицина и серина при Е = 0.55 В, а для цистеина при Е = 0.40 В. Электроокисление цистеина на СУ, модифицированных пленками ГЦФ Со и ГЦФ Си, протекает в нейтральной среде. Лучшие аналитические характеристики для ГЦФ Со были получены на фоне солей натрия, а для ГЦФ Си - на фоне солей калия. Методика определения цистеина на электроде с пленкой ГЦФ Со или ГЦФ Си. В мерной колбе на 10 мл растворяли определенное количество цистеина и доводили до метки 0.1 М раствором Na2SC 4 при использовании ГЦФ Со-СУ (K2SO4 при использовании ГЦФ Cu-СУ). Раствор переносили в электрохимическую ячейку. В исследуемый раствор погружали ХМЭ, вспомогательный и хлоридсеребряный электроды и регистрировали циклическую вольтамперограмму в интервале от 0.0 В до 0.9 В для ГЦФ Со-СУ (от 0.4 В до 0.9 В для ГЦФ Cu-СУ), на которой измеряли величину тока пика при Е = 0.45 В на ГЦФ Со-СУ (при Е = 0.80 В для ГЦФ Cu-СУ). На ХМЭ с пленками ГЦФРе и ГЦФРс! определение цистеина возможно только в кислой среде. Методика определения цистеина на СУ, модифицированном пленкой ГЦФ Pd или ГЦФ Fe. В мерную мерную колбу на 10 мл вносили определенное количество цистеина и доводили до метки 0.1 М раствором НС1. Раствор переносили в электрохимическую ячейку. В исследуемый раствор погружали ХМЭ, вспомогательный и хлоридсеребряный электроды и регистрировали циклическую вольтамперограмму в интервале от 0.0 В до
