Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Модифицированные электроды с каталитическими свойствами в вольтамперометрии органических и неорганических соединений (Литературный обзор) 11
1.1. Явления, лежащие в основе действия ХМЭ 11
1.2. Механизм электрокатализа 14
1.3. Типы модификаторов 18
1.3.1. Металлы и сплавы* 19
1.3.2. Оксиды металлов 23
1.3.3. Неорганические комплексы металлов 26
1.3.4. Органические комплексы металлов 33
1.3.5. Полимерные материалы 37
1.3.6. Композитные материалы 45
1.4. Использование химически модифицированных электродов на основе переносчиков электронов в проточно-инжекционном анализе . 51
1.5. Медиаторные химические и биохимические сенсоры 56
1.6. Методы определения серосодержащих органических соединений 64
ГЛАВА 2. Экспериментальная часть 68
2.1. Приборы и реактивы 68
2.2. Способы получения химически модифицированных электродов и биосенсоров на их основе 70
2.3. Объекты исследования 75
ГЛАВА 3. Электрокаталитическое определение серосодержащих аминокислот на электродах, модифицированных рутением и его соединениями 77
3.1. Электрохимическое поведение серосодержащих аминокислот на угольно-пастовом электроде 77
3.2. Электрохимическое поведение серосодержащих аминокислот на модифицированных электродах 80
3.2.1. Электрохимическое поведение рутения и его соединений, включенных в состав модифицированных электродов 80
3.2.2. Электроокисление серосодержащих аминокислот на электроде с электроосажденным рутением 85
3.2.3. Электроокисление серосодержащих аминокислот на угольно-пастовом электроде, модифицированном оксидом рутения(1У) 86
3.2.4. Электроокисление серосодержащих аминокислот на пленочном электроде, модифицированном гексацианоферратом(П) рутения(Ш) 92
3.2.5. Сопоставительная характеристика свойств электродов, модифицированных рутением и его соединениями 94
3.3. Определение серосодержащих аминокислот на химически модифицированных электродах на основе соединений рутения 100
3.3 1. Вольтамперометрическое определение цистеина, цистина и метионина на ХМЭ на основе оксида рутения(ІУ) 101
3.3.2. Амперометрическое детектирование серосодержащих аминокислот на ХМЭ на основе оксида рутения(ІУ) и
гексацианоферратом(11) рутения(Ш) в условиях проточно- инжекционного анализа 101
ГЛАВА 4. Электрокаталитическое определение серосодержащих соединений на электродах, модифицированных металлофталоцианинами 108
4.1. Электрохимическое поведение комплексов фталоцианина с 3d-переходными металлами, введенных в состав модифицированных электродов 108
4.2. Электрокатализ аминокислот на химически модифицированных электродах на основе металлофталоцинанинов 111
4.3. Электрокатализ пестицидов дитиокарбаминового ряда на электродах, модифицированных металлофталоциани нами 124
4.4. Применение угольно-пастового электрода, модифицированного фталоцианином кобальта(П) для электрокаталитического определения серосодержащих соединений 128
4.5. Использование медиаторного электрода на основе фталоцианином кобальта(И) при разработке холинэстеразных биосенсоров 132
. 4.5.1. Электрохимическое поведение тиохолиновых эфиров субстратов на угольно-пастовом электроде 132
4.5.2. Разработка амперометрических медиаторных холинэстеразных биосенсоров 137
Выводы 149
Список литературы 151
- Типы модификаторов
- Способы получения химически модифицированных электродов и биосенсоров на их основе
- Электроокисление серосодержащих аминокислот на электроде с электроосажденным рутением
- Электрокатализ аминокислот на химически модифицированных электродах на основе металлофталоцинанинов
Введение к работе
Актуальность исследования. Создание сенсоров на основе химически модифицированных электродов (ХМЭ) для определения различных органических соединений является перспективным направлением аналитической химии. Среди традиционно используемых в электрохимии индикаторных электродов ХМЭ на основе переносчиков электронов занимают особое место. Использование таких электродов позволяет уменьшить перенапряжение окисления (восстановления) анализируемых соединений, увеличить чувствительность определения, а также расширить круг объектов анализа.
Электрокаталитические свойства ХМЭ достигаются за счет иммобилизации редокс-медиаторов (металлов, их оксидов, металлокомплексов и полимерных материалов) на поверхности электродов или в их объеме.
Хорошо известно, что металлы платиновой группы и металлокомплексы являются наиболее эффективными катализаторами окисления или восстановления различных органических соединений. Среди металлов платиновой группы рутений отличается своей способностью образовывать разнообразные устойчивые соединения в различных степенях окисления. Поэтому использование химически модифицированных электродов на основе рутения и его соединений открывает широкие возможности для электрокаталитического определения органических соединений. Электроды на основе металлофталоцианинов (МРс), привлекают внимание исследователей, так как этими макроциклическими комплексами металлов катализируется большой круг электрохимических реакций. Следует отметить, что большое число работ посвящено изучению физических, химических и электрохимических свойств ХМЭ на основе соединений рутения и металлофталоцианинов. Однако сведения об использовании этих электродов в электроанализе различных органических соединений ограничены. Учитывая
широкое практическое применение и биологическую важность различных серосодержащих органических соединений, разработка новых эффективных способов определения этих соединений является актуальной задачей.
Среди эффективных подходов к автоматизации аналитического процесса важное место занимает проточно-инжекционный анализ (ПИА). К его преимуществам следует отнести многообразие получаемой информации и высокую производительность. Сочетание гетерогенного электрокатализа с методологией ПИА позволяет значительно расширить аналитические возможности ХМЭ с электрокаталитическими свойствами. Поэтому поиск новых ХМЭ с электрокаталитическим откликом для вольтамперометрического определения и амперометрического детектирования серосодержащих соединений является актуальной задачей.
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 веществ" (№ гос. регистрации 0120107141), при частичной финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект № 00-03-32389 и 03-03-33116) и совместного гранта CRDF и Российского Министерства образования "Basic Research & Higher Education" (REC-007).
Цель работы. Настоящая работа посвящена поиску новых способов вольтамперометрического определения серосодержащих соединений на химически модифицированных электродах с электрокаталитическими свойствами, используя ХМЭ на основе рутения и его соединений, а также комплексов фталоцианина с 3(3-переходными металлами, в том числе и в условиях проточно-инжекционного анализа.
Научная новизна.
> Разработаны способы изготовления химически модифицированных электродов на основе рутения, оксида рутения(1У), гексацианоферрата(П)
рутения(Ш), а также комплексов фталоцианина с Fe(II), Co(II), Ni(II) и Cu(II). Найдены оптимальные соотношения компонентов модифицированных электродов.
Получены вольтамперные характеристики окисления/восстановления серосодержащих аминокислот на разработанных ХМЭ. Предложены схемы механизмов электроокисления и электровосстановления цистеина, цистина и метионина.
Сопоставлены каталитические свойства электродов на основе рутения, оксида рутения(ІУ) и гексацианоферрата(П) рутения(Ш) при окислении цистеина, цистина и метионина. Выявлено влияние природы и степени окисления центрального атома металлофталоцианинов на электрохимическое поведение серосодержащих аминокислот.
Найдены условия (фоновый электролит, рН среды, электрохимические и гидродинамические параметры) амперометрического детектирования серосодержащих аминокислот на ХМЭ на основе оксида рутения(ІУ) и неорганической пленки из гексацианоферрата(П) рутения(Ш) в условиях проточно-инжекционного анализа.
Разработаны способы вольтамперометрического определения некоторых серосодержащих аминокислот и пестицидов дитио карбам иново го ряда на ХМЭ на основе металлофталоцианинов.
Установлена возможность вольтамперометрического детектирования продуктов гидролиза в системе холинэстераза (ХЭ) - тиохолиновый эфир с помощью электродов, модифицированных фталоцианинами Со(П) и Fe(II). Оценено влияние состава и способа изготовления первичного преобразователя на свойства медиаторного холинэстеразного биосенсора.
Практическая значимость работы. Использование разработанных ХМЭ на основе диоксида рутения и гексацианоферрата(ТІ) рутения(ІІІ) в качестве детекторов ПИА-определений серосодержащих аминокислот представляет большой интерес для аналитической химии и практической медицины. Кроме
того, эти аминокислоты можно рассматривать как модельные соединения, содержащие различные функциональные группы серы: - SH, - S-, - S - S -. Поэтому полученные результаты могут быть использованы для определения других серосодержащих органических соединений.
Предложены методики совместного вольтам перометри чес кого определения цистеина и цистина на электроде, модифицированном фталоцианином кобальта(Н). Также предложены методики определения пестицидов дитиокарбаминового ряда, субстратов и ингибиторов холинэстеразы в условиях ПИА с помощью медиаторного холинэстеразного биосенсора на основе фгалоцианина кобальта(П).
Апробация работы. Результаты исследований были доложены и обсуждены на Международных и Российских конференциях: Международной конференции по современным электроаналитическим методам (Прага, 1999), конференции по электрохимическим методам анализа - ЭМА-99 (Москва, 1999), IV Всероссийской конференции "Экоаналитика - 2000" с международным участием (Краснодар, 2000), 8-ой Европейской конференции по электроанализу ESEAC-2000 (Бонн, 2000), Поволжской конференции по аналитической химии (Казань, 2001), Всероссийской - конференции "Актуальные проблемы аналитической химии (Москва, 2002), 9-ой Международной конференции по электроанализу (Краков, 2002), Международного симпозиума "Разделение и концентрирование в аналитической химии" (Краснодар, 2002), XVII Менделеевского съезда по общей и прикладной химии (Казань, 2003), Итоговой конференции КГУ (Казань, 2002), II и III Научных конференциях молодых ученых, аспирантов и студентов научно-образовательного центра Казанского государственного университета "Материалы и технологии XXI века" (Казань, 2001 и 2003), III и IV Всероссийских конференциях молодых ученых (Саратов, 2001 и 2003).
По результатам работы опубликовано 6 статей и 14 тезисов докладов.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, экспериментальной части, двух глав результатов и их обсуждения, выводов и списка литературы из 153 наименований. Работа изложена на 168 страницах машинописного текста, содержит 46 рисунков и 24 таблицы.
Первая глава (литературный обзор) дает представление о современном состоянии области вольтамперометрии на химически модифицированных электродах с каталитическими свойствами. Обсуждаются аспекты использования разных типов модификаторов в анализе органических и неорганических соединений. Приводятся литературные данные по применению химических и биохимических сенсоров на основе медиаторных электродов в проточно-инжекционном анализе.
Во второй главе описываются условия проведения эксперимента, методики изготовления химически модифицированных электродов и объекты исследования.
Третья глава посвящена обсуждению вольтамперометрических данных, полученных при электрокаталитическом окислении серосодержащих аминокислот на электродах, модифицированных рутением, оксидом рутения(ІУ) и гексацианоферратом(П) рутения(Ш). Приводятся аналитические методики проточно-инжекционного определения серосодержащих аминокислот на разработанных электродах.
В четвертой главе приводятся экспериментальные результаты по использованию химически модифицированных электродов на основе металлофталоцианинов в реакциях электроокисления некоторых серосодержащих органических соединений. Предлагаются способы вольтамперометрического определения цистеина и цистина, а также некоторых пестицидов дитиокарбаминового ряда на электродах, модифицированных металлофталоцианинами. Оцениваются факторы, влияющие на электрохимический сигнал медиаторного холинэстеразного биосенсора на основе электрода, модифицированного фталоцианином кобальта(П).
Типы модификаторов
Материалу электрода, способам его регенерации и модифицирования поверхности, определяющим область потенциалов поляризации, величину волътамперометрического отклика и возможности достижения заданных метрологических характеристик всегда уделялось большое внимание [17]. Использование модификаторов с электрокаталитическими свойствами при изготовлении химически модифицированных электродов позволяет создавать новые, более чувствительные методики определения органических и неорганических соединений, а также модернизировать ранее разработанные.
Многочисленные методики изготовления модифицированных электродов могут быть разделены на следующие основные группы: адсорбция (хемосорбция) реагента на поверхности электрода; химическое привязывание с фиксацией модификатора через различные группы с образованием ковалентных связей; включение в полимерную или неорганическую пленку; введение в пасту из графитовых материалов различных веществ; электрохимический синтез на поверхности электрода металлокомплексного или полимерного модификатора; вакуумное напыление микрочастиц металла на проводящую подложку. Широко известно, что металлы (особенно металлы платиновой группы) и их сплавы катализируют многие химические реакции, такие как гидрирование / дегидрирование углеводородов, окисление / восстановление кислород- и серосодержащих соединений [18, 19]. С точки зрения электрохимии на химически модифицированных электродах, металлы как модификаторы являются простой, доступной, обратимой и хорошо воспроизводимой ре доке системой. Металлы, закрепленные на поверхности твердых электродов, облегчают электроокисление и электровосстановление многих органических соединений. Традиционно используют 2 способа модифицирования электродов металлами - это электроосаждение пленок из растворов солей металлов или введение в угольную пасту. В первом случае часто получаются высоко дисперсные осадки, обладающие хорошей каталитической активностью. Однако при отравлении поверхности электрода требуется заново получать пленки модификатора. Этого удается избежать при использовании модифицированной угольной пасты, которая позволяет обновлять поверхность электрода на абразивном материале. Обычно пленки металлов на поверхности электрода получают методом потенциодинамического осаждения. В работе [20] описан метод изготовления хиншчески модифицированного электрода на основе палладия.
Электроосаждение металла на стеклоуглерод проводили циклированием потенциала в интервале 0.0 0,4 В в течение 5 циклов при 50 мВ/с в растворе 5 10 М PdCb и 2 М НС1. Расчет концентрации частиц палладия на поверхности показал, что все редокс-центры палладия электроактивны. Изучено влияние скорости наложения потенциала, рН, объемной концентрации палладия, скорости вращения модифицированного электрода на окисление щавелевой кислоты в кислой среде. Обнаружено, что при электроокислении протекают два независимых процесса, в которые вовлекаются разные частицы и интермедиаты палладия [20]. Описанный в работе [20] модифицированный электрод на основе палладия был использован для определения щавелевой кислоты в условиях ПИА и жидкостной хроматографии [11]. Стабильность электрода, точность, предел обнаружения и линейная область были оценены при постоянном потенциале 1.1 В относительно хлоридсеребряного электрода. Градуировочный график, полученный для жидкостной хроматографии, линеен в интервале 0.2 мкмоль -ь 1.2 ммоль (г2 = 0.9986), предел обнаружения составил 0.15 мкмоль для инжекции в 50 мкл. Разработанная методика была использована для детектирования щавелевой кислоты в моче после хроматографического разделения [11]. Метод потенциостатического осаждения при разных потенциалах (0.1, 0.3, 0.5 и 0.6 В) применен для изготовления ряда графитовых электродов с высокодисперсными осадками палладия [21]. Адсорбционные и электрокаталитические свойства этих ХМЭ изучены в реакции окисления муравьиной кислоты. Самым активным оказался тот электрод, который был сформирован при Е = 0.3 В. Для него характерна самая высокая величина удельной поверхности электрода, а размеры кристаллитов Pd составляют 20 им, то есть полученный осадок обладает высокой дисперсностью. В работе [22] получен сенсор на основе ультратонкой пористой угольной пленки с распределенными частицами металла (рутения или платины) на кварцевой подложке.
При использовании этого электрода значительно увеличивается скорость электронного переноса в реакциях с участием таких соединений как NADH, мочевая и аскорбиновая кислоты, ацетаминофен, гидразин, пероксид водорода [22]. При модификации поверхности Pt(lll) методом потенциостатического осаждения (при Е = 0.8 В) рутений осаждается в основном в виде атомов [23]. Результаты изучения адсорбированного СО на таком электроде методами туннельной сканирующей микроскопии и ИК-спектроскопии показали, что наноструктуры Pt-Ru электрода проявляют особые характеристики при окислении СО. В этой же работе [23] сульфитным методом катализатор Pt-Ru был осажден на углеродный электрод и изучен в реакции окисления метанола. Несмотря на то, что нет прямых данных подтверждающих формирование сплава, полученная высокая активность сопоставима с активностью коммерческого катализатора, являющегося сплавом. В работе [24] в качестве модификаторов подложек из А1203 и Si02 применялись рутениевая чернь, металлический рутений и биметаллический сплав Ru-Sn. Для определения состояния рутения на поверхности при электрокаталитическом окислении и восстановлении адсорбированного водорода была использована циклическая вольтамперометрия. Установлено, что для получения корректных и воспроизводимых результатов во всех случаях необходимо образование оксида. Однако редокс свойства полученных оксидов слегка отличаются от свойств черни Ru02 [24]. Авторами [25] изучалась адсорбция СО при электрокаталитическом окислении метанола и муравьиной кислоты на электродах, модифицированных Pt, Ru и сплавом Pt-Ru в кислой среде. Установлено, что добавление даже
Способы получения химически модифицированных электродов и биосенсоров на их основе
Каталитические свойства модифицированного электрода в значительной степени зависят от способа нанесения модификатора на его поверхность. К наиболее простым и доступным методам модификации электродов относят электроосаждение металла на поверхности электрода, получение неорганической проводящей полимерной пленки и включение металла или его оксида в состав угольной пасты. Были сопоставлены каталитические свойства и эксплуатационные характеристики следующих электродов: ХМЭ с электроосажденным Ru (/грансдъюсер - СУ); ХМЭ на основе УПЭ, модифицированного Ru02; ХМЭ с проводящей неорганической пленкой из гексацианоферрата(И) рутения(Ш) (трансдъюсер - СУ); ХМЭ на основе УПЭ, модифицированного металлофталоцианинами. Электроосаждение рутения на поверхности УПЭ. Осаждение Ru на поверхности УПЭ проводили электрохимически в потенциостатическом режиме. УПЭ, поверхность которого сначала полировали на фильтровальной бумаге и ополаскивали в дистиллированной воде, опускали в электрохимическую ячейку, содержащую свежеприготовленный раствор из 1x10 М RuCIj и 0.1 М H2S04 (рН 2), и устанавливали потенциал электролиза Е, = - 0.8 В; электролиз проводили в течение 10 мин. Затем электрод вынимали и высушивали. Получение плёнки ti гексацианоферрата(П) рутения(Щ) смешанной валентности на поверхности УПЭ. Методика изготовления этого электрода заключается в следующем: УПЭ, поверхность которого сначала полировали на фильтровальной бумаге и ополаскивали в дистиллированной воде, опускали в электрохимическую ячейку, содержащую свежеприготовленный раствор из 1хЮ"3М RuCl3, 1хЮ_3М K4Fe(CN)6] и 0.1 М H2S04 (рН = 2), и сканировали потенциал в интервале от -0.5 В до +1.1 В со скоростью 50 мВ/с в течение 30 минут. Затем электрод вынимали и высушивали. Получение композитной пленки из поли (2-винилпиридина) с включенным рутением. Для получения пленки готовили ацетон итр ильный раствор, содержащий 1 мг/мл поли-(2-винилпиридина) и 0.1 М LiClO. . Раствор переносили в электрохимическую ячейку, где проводили электроосаждение полимерной пленки на УПЭ в результате электролиза при Еэ = -1.5 В, постоянно перемешивая раствор.
Полученный модифицированный электрод вынимали из ячейки и высушивали. Затем осуществляли электроосаждение рутения на ПВП-пленку. Для этого электрод погружали в электрохимическую ячейку, содержащую 5x10"3 моль/л RuCl3 и 0.01 М H2S04 и электросаждали металл при Е = -0.8 В, в течении 10 минут, постоянно перемешивая раствор. Полученный электрод снова высушивали. Получение угольно-пастовых электродов, модифицированных оксидом рутения (IV) ипи метачпофталогщанинами. Угольно-пастовые электроды, модифицированные оксидом рутения (IV) или металлофталоцианинами, готовили следующим образом: сначала активированный уголь и модификатор тщательно перемешивали в агатовой ступке, затем смесь переносили в тигель и добавляли вазелиновое масло; смесь компонентов после перемешивания переносили в полость стеклянной трубки диаметром 2,6 мм. В работе использовали ХМЭ с массовой долей модификатора, равной 5 %. Поскольку модификатор равномерно распределялся по всему объему пасты (а не только на поверхности электрода, как в случае пленочных электродов), поэтому обновление поверхности проводилось с помощью фильтровальной бумаги без потери каталитической активности электрода. Для обновления поверхности пленочных электродов проводили зачишение повехности на фильтровальной бумаге и кальке, затем заново получали пленку на поверхности электрода. При разработке медиаторных биосенсоров объектами исследования служили субстраты и ингибиторы холинэстеразы. В качестве специфических субстратов ХЭ применяли перекристаллизованные иодид (БТХИ) и хлорид (БТХХ) бутирилтиохолина. Препарат ХЭ (КФ 3.1.1.8.) с активностью 110 Е/мг изготовлен Пермским НИИ вакцин и сывороток. Для получения биочувствительной части сенсора использовали 25 % глутаровый альдегид (ГА) фирмы "Reanal" (Венгрия), глицерин марки х.ч., нитроцеллюлозу (НЦ) [СбН702(ОН)з-х (ON02)x]n типа коллоксилин с содержанием азота от 10.7 до 12.2 %, поли-(2-винилпиридин), желатин, агар-агар и хитозан марки (х.ч.). Устройство биочувствительной части биосенсора. Получение объемных биосенсоров на основе угольной пасты. Состав биосенсора: уголь, ХЭ, вазелин. Навеску ХЭ 0.01 г растворяли в 1 мл дистиллированной воды. Активированный уголь (0.12 г) переносили в тигель и добавляли раствор фермента, смесь высушивали. Затем добавляли вазелиновое масло (0.07 г); полученную смесь компонентов после перемешивания переносили в полость стеклянной трубки диаметром 2,6 мм. Поверхность электрода выравнивали на фильтровальной бумаге и кальке. Состав биосенсора: уголь, ХЭ, ГА, вазелин. Навеску ХЭ 0.01 г растворяли в 3 мл дистиллированной воды, добавляли 0.5 мл 5 %-ного раствора ГА. Активированный уголь (0.12 г) переносили в тигель и добавляли раствор ХЭ и ГА, смесь высушивали.
Затем добавляли вазелиновое масло (0.07 г); полученную смесь компонентов после перемешивания переносили в полость стеклянной трубки диаметром 2,6 мм. Поверхность электрода выравнивали на фильтровальной бумаге и кальке. Состав биосенсора: уголь, ХЭ, ГА, СоРс, вазелин. Активированный уголь (0.12 г) и СоРс (0.01 г) тщательно перемешивали в агатовой ступке, смесь переносили в тигель, добавляли раствор ХЭ и ГА (0.01 г фермента растворяли в 3 мл воды и добавляли 0.5 мл 5 %-ного раствора ГА) и высушивали. Затем в полученную смесь добавляли вазелиновое масло; смесь компонентов после перемешивания переносили в полость стеклянной трубки. Состав биосенсора: уголь, ХЭ, ГА, СоРс, НЦ, вазелин. Навески ХЭ (0.01г), СоРс (0.01г), НЦ (0.05 г) растворяли в 1.2 мл бутилацетата и 0.75 мл толуола, добавляли 0.5 мл 5 %-ного раствора ГА. Полученный раствор переносили в тигель, содержащий активированный уголь (0.12 г), смесь высушивали. Затем в полученную смесь добавляли вазелиновое масло; смесь компонентов после перемешивания переносили в полость стеклянной трубки.
Электроокисление серосодержащих аминокислот на электроде с электроосажденным рутением
Вольтамперограммы электроокисления серосодержащих аминокислот на УПЭ, модифицированном частицами Ru, представлены на рис. 3.6. При окислении цистеина на вольтамперной кривой на ХМЭ по сравнению с фоновой кривой (пунктирная линия) наблюдается двукратный прирост тока в области образования Ru02 (En = 0.6 В). Величина тока пика, соответствующего окислению Ru02 до Ru03, наоборот уменьшается. Вероятно, это связано с тем, что образующийся в качестве продукта окисления цистеина цистин экранирует поверхность электрода. Аналогичное уменьшение высоты этого пика при Е 1.0 В наблюдается и при окислении цистина. Возможно, и в этом случае адсорбция молекул цистина на поверхности ХМЭ приводит к пассивации поверхности электрода. Однако эффект пассивации поверхности электрода исчезает при окислении цистина на электроде, покрытом поливинил пиридиновой пленкой с электроосажденным рутением. Это, вероятно, связано с увеличением дисперсности осадка рутения, т.к. авторами [128] установлено, что размеры кристаллитов в композитном полимерном электроде на порядок ниже величин кристаллитов электроосажденных на стеклоуглероде [128]. На композитном полимерном электроде каталитические свойства рутения по отношению к цистину проявляются в - 2-х кратном приросте тока окисления медиатора. В случае метионина высота пика при Е„ = 0.6 В увеличивается, а высота пика при Е„ = 1.00 В остается без изменений. Использование электрода, модифицированного электроосажденным и частицами рутения приводит к уменьшению перенапряжения окисления только цистеина и метионина, что составляет примерно 300 мВ (Е = 0.9 и 0.6 В на УПЭ и на ХМЭ) и 600 мВ (Е = 1.2 и 0.6 В на УПЭ и на ХМЭ) для цистеина и метионина соответственно.
Электрокаталитическое окисление аминокислот наблюдается в широкой области рН, с увеличением рН каталитический эффект увеличивается. пастовом электроде, модифицированном оксидом рутения(ІУ) При электроокислении цистеина на ХМЭ на основе диоксида рутения на вольтамперной кривой наблюдается увеличение как первой, так и второй ступени окисления аминокислоты, которые регистрируются уже в форме пиков (рис. 3.7, кривая 2). Пик окисления цистеина регистрируется при потенциале окисления модификатора, характерного для редокс-пары RuC /RibCb, то есть наблюдается уменьшение потенциала окисления цистеина. Величина тока пика (7П) возрастает по сравнению с токами пиков индивидуального окисления модификатора (рис. 3.3, кривая 2) и субстрата (рис. 3.7, кривая 1) и зависит от концентрации (С) цистеина. При изучении зависимости величины тока пика от скорости наложения потенциала (v) было установлено, что угловой коэффициент логарифмической зависимости 1п от v (Alg//A]gv) на ХМЭ составляет 0.28, что свидетельствует о процессе, осложненном химической реакцией. Отсутствие катодного пика на циклической вольтамперограмме при обратном сканировании потенциала (рис. 3.7, кривая 3) указывает на необратимый характер стадии окисления цистеина. В зависимости от природы медиатора цистеин может окисляться на ХМЭ до дисульфида [126] или до цистеиновой кислоты [52].
Окисление цистеина на ХМЭ на основе Ru02, вероятнее всего, происходит до цистина. Подтверждением этого предположения служит значительное увеличение второй ступени окисления субстрата, соответствующего окислению цистина. Поскольку при наложении потенциала, равного -0.0 В, всегда фиксируется катодный ток, соответствующий согласно обратному уравнению (3.2) образованию частиц Ru(III) на поверхности ХМЭ, то электрокаталитическое окисление цистеина можно представить следующим образом: на первой стадии происходит электроокисление модификатора в форме Ru(III) с образованием оксо- и гидроксочастиц Ru(IV), которые окисляют цистеин. Схема электрокатализа имеет следующий вид: Таким образом, Ru02 выступает в роли катализатора при электроокислении цистеина. Следует отметить, что с ростом рН на вольтамперограмме помимо электрокаталитического пика окисления цистеина появляется предволна адсорбционного характера (Alg//Algv = 0.64 при рН 9.0). Значительное увеличение тока второй ступени окисления цистеина можно также объяснить с позиции электрокатализа. Только в этом случае в качестве катализатора выступают частицы Ru(VI). Поскольку при этих потенциалах окисляется цистин, поэтому следует подробней рассмотреть особенности этой электрохимической реакции по вольтамперограммам цистина.
На вольтамперограмме окисления цистина на ХМЭ (рис. 3.8, кривая 2) первая волна не зависит от концентрации аминокислоты и связана с изменением степени окисления модификатора: Ru(III) — Ru(IV), а второй пик соответствует окислению цистина, поскольку ток пика зависит от концентрации субстрата, причем линейная зависимость /п от с наблюдается при С 1 10"5М. Замена УПЭ (рис. 3.8, кривая 1) на ХМЭ (рис. 3.8, кривая 2) также приводит к смещению потенциала окисления этой аминокислоты к меньшим анодным потенциалам. Следует отметить многократное увеличение тока пика окисления субстрата, намного превышающее ток окисления цистина на УПЭ. Все эти изменения связаны с электрокаталитическими свойствами модификатора.Поскольку электрохимический сигнал окисления цистина регистрируется в области потенциалов, характерной для редокс-пары
Электрокатализ аминокислот на химически модифицированных электродах на основе металлофталоцинанинов
Электрокатспиз цистеина на УПЭ на основе металлофталоцинанинов Известно [41, 47], что в исходной форме комплекса МРс аксиальные положения занимают молекулы воды, поэтому при взаимодействии МРс с цистеином происходит замещение одной молекулы воды молекулой аминокислоты: [Co"Pc(H20)2J4- + RSH [CouPc(RSH)(H20)]4- + Н20. В дальнейшем молекулы воды в координационной сфере комплекса будут опускаться. При погружении модифицированного комплексом СоРс электрода в раствор цистеина равновесный потенциал (Ег) по сравнению с Ег, измеренным в фоновом растворе при разомкнутой цепи, смещается в катодную область на -150 мВ (табл. 4.1), то есть в область потенциалов, характерных для редокс-пары Co c/Co c. Как и в [48] можно предположить, что это связано с образованием на поверхности электрода комплекса цистеина с СоРс с последующим переносом заряда на ион металла. Схему этого процесса можно представить следующим образом (при рН 13.0): При замыкании цепи при Е = 0.0 В наблюдается рост анодного тока, связанный с окислением частиц Со(1), образующихся в результате взаимодействия цистеина с исходной формой комплекса. При изменении потенциала в анодную область, начиная с 0.0 В, происходит электрокатапитическое окисление цистеина.
Вольтамперограммы, полученные на электроде, модифицированном СоРс, в отсутствие и в присутствии цистеина приведены на рис. 4.3-А. При добавлении цистеина в раствор величина пика окисления модификатора при Е 0.8 В возрастает и линейно изменяется с ростом концентрации субстрата, то есть электрокатализ цистеина протекает при потенциалах, характерных для редокс-пары CoIIIPc/CoIIPc. Рост тока объясняется регенерацией исходной формы комплекса при окислении цистеина [54]. При этом существенную роль играют процессы координации молекул субстрата с металлическим центром макроцикл ического комплекса. Если учесть установленный в [48] факт более эффективного взаимодействия субстрата с электрогенерированными частицами Со Рс+, то схему электрокаталитического процесса можно представить следующим образом: Электродная реакция включает электроокисление Со"Рс с образованием комплекса [СоП1Рс]+, участвующего в окислении аминокислоты через образование экстракоординированного комплекса [ConiPc...RS] с последующим переносом электрона и регенерацией исходной формы комплекса, при этом цистеин окисляется до цистин а, образование которого доказано в [126]. При регистрации вольтамперограммы, начиная с Е = -0.8 В, в щелочной среде каталитический эффект наблюдается уже в другой области потенциалов, характерной для редокс-пары СопРс/Со!Рс (рис. 4.3-Б). Изменение степени окисления центрального атома Со(1) — Со(П) в щелочной среде происходит при Е= -0.2 В, а электроокисление цистеина происходит при Е= -0.05
В, то есть при более положительных потенциалах по сравнению с потенциалом окисления комплекса. Механизм окисления цистеина в этих условиях был описан в работах [52, 53]. Он сводится к окислению цистеина электрогенерироваными частицами СопРс. С учетом более поздних сведений о форме существования экстракоординированного комплекса на поверхности модифицированного электрода при наложении потенциала [48] механизм окисления цистеина в щелочной среде на электроде, модифицированном СоРс, выражается следующей схемой: Электрохимическое поведение цистеина в значительной степени зависит от рН раствора (см раздел 3.1.1), При окислении этого соединения на модифицированном СоРс электроде (рис. 4.4) получены разные зависимости каталитических токов, наблюдаемых при Е= -0.5 и 0.8 В с участием частиц СопРс и СошРс+ в качестве катализаторов, от рН. В первом случае каталитический ток с ростом рН увеличивается, что, вероятно, связано с увеличением доли анионных форм аминокислоты (pKi (-СООН) = 1.96; рК2 (-NH3+) = 8.18; рК3 (-SH) = 10.28 [138]). Во втором случае максимальный каталитический эффект наблюдается в нейтральной среде. Уменьшение каталитического эффекта при рН 7 и отсутствие электрокатализа в сильно щелочи ой среде можно объяснить мешающим влиянием гидроксильных групп, которые окисляются в близкой или в той же области рН. Таким образом, при электроокислении цистеина на электроде, модифицированном СоРс, каталитической активностью обладают электрогенерироованные частицы Со Рс и СошРс. В щелочной среде окисление этой аминокислоты преимущественно протекает в области потенциалов, характерных для редокс-пары Со VCo, а в кислых и нейтральных растворах -при потенциалах, характерных для редокс-пары Сога/Соп. В этих условиях частица СошРс , полученная электрохимически, является более эффективным катализатором. Это, возможно, связано с тем, что в отличие от нейтрального комплекса СопРс положительно заряженная частица СошРсч легче взаимодействует с отрицательно заряженной тиольной серой. Были сопоставлены вольтамперные характеристики электроокисления цистеина на электродах, мбдифицированных фталоцианинами Fe(U), Со(П), Ni(II) и Си(11\ представленные в табл. 4.2.
