CC BY
17
18
AZЭRBAYCAN К1МУА JURNALI № 4 2014
УДК 544.344; 577.1.08
БИОМИМЕТИЧЕСКИЙ КАТАЛАЗНЫЙ СЕНСОР ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СЛЕДОВЫХ КОНЦЕНТРАЦИЙ ПЕРОКСИДА ВОДОРОДА
Н.Н.Меликова, Т.Г.Валиева, Н.И.Али-заде, Т.М.Нагиев
Институт катализа и неорганической химии им. М.Ф.НагиеваНациональной
АН Азербайджана
tnagiev@azeurotel. сот
Поступила в редакцию 25.07.2014
Разработан биомиметический электрод, который в течение длительного времени не терял свою активность. С его помощью определены низкие концентрации H2O2 в водных растворах и показаны изменения в них pH.
Ключевые слова: биомиметический сенсор, электрод, каталазная активность.
В последние годы проводятся инновационные исследования по разработке биомиметических сенсоров, которые сочетают высокую специфичность и селективность биохимических методов анализа с достоинствами химических сенсоров (устойчивость, дешевизна, доступность). Опираясь на успехи, достигнутые в области имитационного катализа [1, 2], нами проведены исследования и синтезированы биомиметические аналоги соответствующих ферментов, использование которых в сенсорах позволяет избавиться от известных недостатков, присущих аналоговым биосенсорам.
В работах [3, 4] были исследованы электроды, которые не реагируют с Н202. В результате потенциометрических исследований отобраны электроды РЬ, А§. В настоящем исследовании мы использовали РЬ-электрод.
Склеивающее вещество
Электрод
4 ТРЫТеСШ )/А1203
С целью создания высокочувствительного миметического биосенсора нами исследован электрод каталазного типа для определения низких концентраций Н202 в водном растворе, а также изучены его физико-химические особенности. На электрод методом склеивания (в качестве клеящего материала была использована серебряная паста) наносили тетрафенилпорфиринжелезо (ТРкРЕе(Ш)/А1203).
Каталазную активность биомиметического электрода определяли потенциометри-ческим методом. Экспериментальная установка для выполнения этих исследований состо-
о о>
"го <
Рис. 1. Электрическая ячейка.
Электрод сравнения
БИОМИМЕТИЧЕСКИЙ КАТАЛАЗНЫЙ СЕНСОР ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ
19
яла из электродной части, ячейки и вольтметра (рис.1). Электродная часть установки состоит из электрода сравнения (Ag/AgCl/Cl-) и биомиметического электрода.
Исследования проводили в ячейке, заполненной определенным количеством биди-стилированной воды (фоновый раствор), определяли э.д.с. (ДЕ) раствора и затем добавляли разные количества пероксида водорода (каталазная реакция), фиксировали изменения ДЕ раствора.
Во всех опытах использовали магнитную мешалку для уменьшения влияния диффузионного фактора на ход каталазной реакции. Результаты потенциометрического исследования каталазной активности TPhPFe(Ш)/Al2O3 биомиметического электрода приведены на рис. 2.
АЕ, В -0,5 -0,4 -0,3 -0,2 "0,1 о
Н2О
Рис. 2. Изменение э.д.с. системы в зависимости от времени при низких концентрациях Н202 для TPhPFe(III)/Al2Oз/Pb-электрода: 1 - 1.0-10"6 мас.%, 2 - 1.0-10"8 мас.%.
10 12 х, мин
Как видно из рисунка, электродный потенциал фонового раствора составляет
ДЕ=(-0.30 мВ) для концентрации Н202 в водном растворе, равной 1-10-6 мас.% и ДЕ=
£
(-0.33 мВ) для концентрации в 1-10- мас.%. Из рисунка также следует, что при добавлении Н202 наблюдается резкое изменение электродного потенциала системы до ДЕ=(-0.15 мВ) для обеих концентраций.
РЬ-электрод с нанесенным на него путем склеивания серебряной пастой тетрафе-нилпорфиринжелезом (TPhPFe(Ш)/Al203) проявляет наибольшую каталазную активность в начале опыта с максимальным значением ДЕ=(-0.15 мВ) при т=2 мин.
Изменение э.д.с. системы в зависимости от времени для Pb-электрода (без имитатора) и для TPhPFe(Ш)/Al203/Pb-электрода (концентрация Н202 в водном растворе 1-10-4 мас.%) показано на рис.3.
АЕ, В -0,5
-0,4
-0,3 -0,2 --0,1 -
. .1.
1111 -1-1-V
Рис. 3. Изменение э.д.с. системы в зависимости от продолжительности реакции при низкой концентрации Н202 (1.0-10-4 мас.%) для Pb-электрода (1) (без имитатора) и с имитатором TPhPFe(III)/Al20з (2).
0 2 4 6
х, мин
20
Н.Н.МЕЛИКОВА и др.
На рис. 4 представлены результаты исследования РЬ-электрода без и с имитатором (для двух концентраций Н202).
Рис. 4. Изменение э.д.с. системы в зависимости от времени для РЬ-электрода: без имитатора (1) и с имитатором ТРЬРРе(Ш)/Л1203 при низких концентрациях Н202, равных 0.5 мас.% (2) и 1 мас.% (3).
Рассматривая рис. 3 и 4, можно заметить, что добавление пероксида водорода в систему в обоих случаях вначале приводит к резкому изменению потенциала системы. Кроме того, видно также, что для РЬ-электрода (без имитатора), начиная с 10-ой минуты ДЕ не меняется (кривая 1, рис. 3 и 4). Это указывает на то, что в случае РЬ-электрода без имитатора (кривая 1) каталазная реакция, видимо, практически не происходит, а в случае тет-рафенилпорфиринсодержащего биомиметического электрода ТРЬРРе(Ш)/Л1203/РЬ (кривая 2, рис.3 и кривые 2, 3 рис.4) наблюдаются изменения ДЕ до определенного времени, затем значение электронного потенциала доходит до величины фонового раствора (для концентрации в 1 мас.% - через 60 мин, для 0.5 мас.% - через 48 мин, а для 1.0-10-4 мас.% - через 18 мин - на рис. не показано). Следовательно, при указанных условиях (время и концентрация) каталазные реакции прекращаются.
Исследования показывают, что РЬ-электрод (без имитатора) практически не разлагает низкие концентрации Н202. А использование электрода с имитатором (ТРЬРРе(Ш)/Л1203/РЬ) влияет на характер кривых и, как видно из рисунков (кривая 2 рис. 3,) и (кривая 2, 3 рис. 4), они продолжают синусоидально изменяться, что указывает на протекание в системе ката-лазной реакции.
Таким образом в результате проведенного исследования показано, что электродный потенциал фонового раствора ДЕ для РЬ-электрода (без имитатора) составил (-0.50 мВ); для РЬ-электрода с имитатором при концентрации Н202 в водном растворе 1-10-4 мас.% -(-0.30 мВ), для 0.5 мас.%. - (-0.37 мВ), для 1 мас.%. - (-0.30 мВ).
Было изучено также изменение рН системы в исследуемых растворах. Результаты показали, что при контакте Н202 в водном растворе с биомиметическим электродом ТРЬРРе(Ш)/Л1203/РЬ в интервале исследуемых концентраций рН-системы растет от значения кислой среды до величины нейтральной (рН = 6.8, фоновый раствор). Это свидетельствует о полном разложении Н202 в исследуемых растворах за счет протекания ката-лазной реакции.
БИОМИМЕТИЧЕСКИЙ КАТАЛАЗНЫЙ СЕНСОР ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ
21
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Nagiev T.M. Coherent Synchronized Oxidation by Hydrogen Peroxide. Amsterdam: Elsevier, 2007. 325 p.
2. Nagiev T.M. Biomimetic Based Application. Croatia. INTECH. 2011. Preface IX. Chapter 4. P.105-123.
3. Меликова Н.Н., Нагиев Т.М. Akademik M.F.Nagiyevin 105 illiyina hasr olunmu§ Elmi Konfransinin Materiallari. I cild. Baki 2013. S. 52-54.
4. Malikova N.N., Ali-zadeh N.I., Nagiev T.M. Nature Inspires Chemistry Engineers 2nd International Conference on Bioinspired and Biobased Chemistry & Materials. Nice, France. 2014. October 15-17. Tezis. P. 348.
HÍDROGEN PEROKSÍDÍN CÜZÍ QATILIQLARINI T3YÍN ETM3K Ü£ÜN BÍOMÍMETÍK KATALAZ SENSOR
N.N.Malikova, T.H.Valiyeva, N.l.Qli-zada, T.M.Nagiyev
Uzun müddat arzinda oz aktivliyini itirmayan biomimetic elektrod hazirlanmi§dir. Elektrodun komayi ila H2O2-in sulu mahlullarda a§agi qatiliqlari müayyan edilmi§ va tadqiq olunan mahlullarin pH-in dayi§masi gostarilmi§dir.
Agar sozlsr: biomimetik sensor, elektrod, katalaz aktivliyi.
BIOMIMETIC CATALASE SENSOR FOR DETERMINATION OF TRACE CONSENTRATION OF HYDROGEN PEROXIDE
N.N.Malikova, T.H.Valieva, N.I.Ali-zadeh, T.M.Nagiev
Biomimetic electrode which for a long time did not lose its activity has been developed. With the use of electrode the low concentrations of H2O2 in aqueous solution have been defined and changes in pH of the test solutions are shown.
Keywords: biomimetic sensor, electrode, catalase activity.
