CC BY
19
(ЕЕ
KiMYA PROBLEMLÖRi 2018 № 3(16) ISSN 2221-8688
437
УДК 544.344; 577.1.08
ИССЛЕДОВАНИЕ КАТАЛАЗНОЙ АКТИВНОСТИ БИОМИМЕТИЧЕСКИХ СЕНСОРОВ
Н.Н. Меликова, Н.И. Али-заде, Т.М. Нагиев
Институт Катализа и Неорганической Химии им. акад. М.Нагиева Национальной АН Азербайджана AZ1143 Баку, пр.Г.Джавида, 113; e-mail: tnagiev@azeurotel. com
Поступила в редакцию 26.05.2018
Разработанный на основе смарт биомиметического материала и полупроводника биомиметический сенсор своей высокоактивностью, чувствительностью, и устойчивостью позволяет определить концентрацию Н2О2 в растворе до 10-6мас.%. Показано влияние количества смарт биомиметического материала и температуры на физико-химические свойства разработанного биомиметического сенсора. Ключевые слова: биомиметический сенсор, смарт материал, каталазный, полупроводник, концентрация Н2О2
ВВЕДЕНИЕ
Одним из бурно развивающихся направлений современной биотехнологии является целенаправленный синтез биосенсоров с заданными свойствами. Перспективным направлением в этой области является создание высокочувствительных биосенсоров и их ми-метиков, в которых качестве рабочих материалов (биоселекторов) используются ферменты. В работах [1-5] проведены исследования в этом направлении. Было показано, что замена активной части (рабочий эле-
мент) на химические аналоги (биомимети-ки) позволило сконструировать и исследовать физико-химические особенности биомиметических сенсоров каталазного и пе-роксидазного типов.
В связи с вышеизложенным, нами разработаны биомиметические электроды ка-талазного типа целью сознательного конструирования биомиметического сенсора для определения низких концентраций Н2О2 в водных растворах.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Исследования проводили в электрохимической ячейке (рис.1). Каталазная активность биомиметических сенсоров определялись потенциометрическим методом.
Экспериментальная установка для выполнения этих исследований состояла из электродной части, ячейки иуниверсально-го вольтметра В7-21А и "8апа"-МУ-Ме1егБЬ 901. Электродная часть установки состояла из электрода сравнения (А§/А§С1/С1-) и приготовленных нами биомиметических сенсоров. Фоновым раствором служила бидистилирован ная вода. Приготовленные биомиметические сенсоры состоят из двух компонентов: главного ра-
бочего смарт материала - активной части (биомиметик) и преобразователя первичного сигнала (трансдьюсера). Для исследования физико-химических особенностей приготовленных биомиметических сенсоров нами, в качестве рабочего смарт материала, использован тетрафенилпорфирин железа и гемин.
Рабочий материал - биомиметик должен находиться в прямом контакте с транс-дьюсером. Поэтому, для создания этой связи нами использована серебряная паста. Было установлено, что серебряная паста практически инертна по отношению к водному раствору Н2О2.
KiMYA PROBLEMLÖRi 2018 № 3 (16)
V
Склеивающее вещество
Электрод
Электрод сравнения
ТРИРБе ОН/А1 О
2 3
Рис. 1. Электрохимическая ячейка
Носитель представляет собой полупро- р ин железа фирмы "АЫпсЬ СИет. Со." и водник в виде пластинки, на который нано- гемин, адсорбированный на тонко измель-сится активный центр - тетрафенилпорфи- ченном А12О3 фирмы "З^еатСИетюаПпс".
ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
Впервые серебряная паста, как склеивающий материал (для создания контакта рабочего материала с трансдьюсером), была использована нами при исследовании физико-химических особенностей биомиметического сенсора, где в качестве транс-дьюсера был использован РЬ, а рабочим
3+
материалом - ТРИРБе /А12О3. В результате проведенных исследований биомиметического сенсора на каталазную активность было установлено, что биомиметического
3+
сенсор ТРИРБе /А12Оз//РЬ позволяет обнаружить следовые концентрации пероксида водорода в водном растворе в количестве равном 10-8мас.% [6,7].
Эти успешно проведенные исследования позволили продолжить наши поисковые работы в области биомиметических сенсоров каталазного типа. Подложками исследований были выбраны полупроводники (Б1, Те, Ое), которые широко используются в синтезе биосенсоров, химических датчиков, радиотехнике и т.д. Однако при использовании Ge в качестве подложки для биомиметического сенсора было жено, что при добавлении в систему Н2О2 происходит растворение Ge. Поэтому ис-
следования с использованием Ge были прекращены.
Исследования каталазной активности
3+
ТРЬРБе^/АЬОз^ содержащего биомиметического сенсора, приготов ленного путем склеивания последнего на поверхность Бь электрода при помощи серебряной пасты приведены на рис.2.
Как видно из рисунка, наличие перок-сида водорода в системе приводит к нению значения ДЕ, причем повышение концентрации Н2О2 от 10-6 до 1 мас.% личивает скачок электрохимического пстен-тенциала (рис.2., кривые 1-4). Рассматривая кривые 1-4, не трудно заметить, что через несколько секунд все кривые достигают своего максимума. Затем электрохимический потенциал в системе биомиметический сенсор/Н2О2//С1/А§С1/А§ продолжает синусоидоподобно изменяться до практического разложения Н2О2. Это связано с тем, что в этот промежуток времени концентрация Н2О2 в системе уменьшается и кривые электрохимического потенциала каталазной реакции при ближаются к значению потенциала воды.
Рис.2. Изменение э.д.с. системы в зависимости от времени при низких концентрациях Н202 для TPhPFe+3/A1203/Si биомиметического сенсора. Т=22оС.
1. 1 мас.% ^02; 3. 1х10"6мас.% Щ02.
2. 0.5 мас.% ^02; 4. 1х10"4мас.% H202.
Были проведены опыты для изучения влияния температуры и количества использованного смарт материала ТРЬРЕе3+ на ка-талазную активность приготовленного биомиметического сенсора. Кроме того интересно было при этих условиях определить предел чувствительности для следовых количеств Н2О2, т.е. порог чувствительности.
Для выполнения этой задачи были приготовлены биомиметические сенсоры с содержанием активного материала ТРЬРЕе3+ в количестве 0.012мг и 0.025мг. Опыты для выявления каталазной активности биомиметического сенсора проводились при температурах 22оС и 40оС.
В результате проведенных исследований было установлено, что изменение количества смарт материала ТРЬРБе3, а также повышение температуры от 22оС до 40оС существенно не влияют на чувствительность приготовленного биомиметического сенсора. Порог чувствительности составил 10-6мас.%. Результаты экспериментальных данных приведены на рис.3-4, из которых видно, что наличие в 10-6мас.%-ой концентрации пероксида водорода в системе приводит к изменению значения ДЕ и через несколько секунд все кривые дости-гаютсвоего максимума и синусоидоподоб-но изменяются до практического разложения Н2О2.
Рис.3. Изменение э.д.с. системы в зависи-
мости
от времени
при
низких
концентрацияхН202 для TPhPFc /Al20,//Si биомиметического сенсора CHiq„= 1x10"
6мас.%. Т=22°С.
1.ф=0.6х0.6см). Количество TPhPFe3 =0.025мг
2.(81=0.3х0.3см). Количество TPhPFe3=0.012мг
О 5 10152025303540455 t,sec
Рис.4.Изменение э.д.с. системы в зависимости от времени при низких концентрациях Н202 для TPhPFc /AbOV/Si биомиметического сенсора СНаОа=1х10"бмас.%.
Т=40°С.
1.ф=0.6х0.6см).
Количество TPhPFe3 =0.025мг
2.(81=0.3х0.3см). Количество TPhPFe3=0.012мг.
В этот промежуток времени концен- зультате в системе последовательно проте-
трация Н2О2 в системе уменьшается, и кри- кают каталазная (1) и электрохимическая
вые электрохимического потенциала ката- (2) реакции, которые можно представить в
лазной реакции приближаются к значению следующем виде: потенциала воды. Как известно [1-3], в ре-
ТРЬРЕе3+/А12О3
2 Н2О2 -> 2Н2О + О2 (1)
электрод
О2+2Н+ +4е- -> 2ОН- (2)
Было установлено, что изменение количества смарт материала ТРИРБе3+ и температуры не влияет на каталазную активность биомиметического сенсора. Порог чувствительности 10-6мас.%-ой Н2О2.
Следующая серия опытов была посвящена определению низких концентраций Н2О2 (10-4мас.% Н2О2 и 10-6мас.% Н2О2) в водном растворе с помощью геминсодер-жащего биомиметического сенсора. Как
показали результаты экспериментов, ге-минсодержащий биомиметический сенсор имеет определенную чувствительность в начале эксперимента (рис.5, кривые 1,2). Однако в дальнейшем наблюдается вымывание гемина с поверхности А12О3 и некоторое помутнение раствора. Поэтому при проведении следующих экспериментов каждый раз готовили новый образец.
Рис.5. Изменение э.д.с. системы в зависимости от времени при низких концентрациях Н202 для гемин/А1203^ биомиметического сенсора. 1. 1х10"6 масс.%. 2. 1х10"4 масс.%.
Рис.6. Изменение э.д.с. системы в зависимости от времени при низких концентрациях Н2О для ТРЬРРе3+Л1203//Те биомиметического сенсора 1. Сн2о2=1 мас.%; 2. Сн2о2=0.5 мас.%.
3.Сн2о2=0.1 мас.%.
В следующей серии экспериментов, для обнаружения следовых концентраций Н2О2 в водных растворах, нами использован не менее популярный (чем Si) в приготовлении химических датчиков, радиотехнике и т.д.полупроводник Те. Был приготовлен ТРЬРРе3+0ШЛ1203/Те содержащий биомиметический сенсор, по выше описанной методике. На рис. 6 показаны результаты по-тенциометричес- кого исследования желе-зопорфирин- содержащегобиомиметиче-ского сенсора при низких концентрациях Н202 в водном растворе (0.1 мас.%, 0.5 мас.%, 1мас.%,). Как видно из рис.6, присутствие пероксида водорода различной концентрации в электрохимической ячейке во всех трех случаях в начале (менее секунды) приводит к резкому изменению значения потенциала системы. Такое изменение значения потенциала системы связано, прежде всего, с формированием нового поверхностного слоя на границе сенсор -раствор. Через определенное время в системе устанав- ливается равновесный поверхностный слой и значение потенциала на границе биомиметический сенсор - раствор стабилизируется. Во всех опытах на-
блюдается незначительное повышение рН в кислой среде, не доходящей до нейтральной.
Для выявления порога чувствительности ТРЬРРе3+0ШЛ1203/Те содержащего биомиметического сенсора были проведены соответствующие опыты, где использованы низкие концентрации Н202 (1х10-4мас.% и 1х10-6мас%). Как видно из
рис.7, кривая 1, при добавлении в систему 1х10-4мас.% Н202 наблюдается скачок электрохимического потенциала, затем формируется новый поверхностный слой на границе сенсор - раствор и значение потенциала стабилизируется. На 100-ой секунде наблюдается максимальное значение э.д.с. системы, затем оно медленно снижается и, начиная с 170-ой секунды, становится постоянной, следовательно, каталаз-ная реакция прекратила свое протекание. Этот факт объясняется, скорее всего, снижением концентрации Н202 в реакционной среде. Действительно рН раствора составлял 6.0.
В присутствии в реакционной системе 1х10-6мас% Н202 наблюдается низкая чувствительность биомиметического сенсора.
Незначительно повышается значение потенциала системы от (-0.096 мВ) до (-0.1 мВ) (кривая 2). В дальнейшем это значение медленно снижается до (-0.095 мВ).
На 150-ой секунде наблюдается изменение рН раствора до 6.2, что объясняется снижением концентрации Н2О2 в реакционной среде.
АО
А
-ода ■ -оде -
-0,14 --0,12
-0,1 ф -0,08 --0,06 -0,04 -
-0,02 -
+++++-
ж ж ж ж анк ж ж ж яннин:
то
0 50 100 150 200 t sec
Рис.7. Изменение э.д.с. системы в зависимости от времени при низких концентрациях Н2О для TPhPFe3/Al2O3//Te биомиметического сенсора.
1.Сн2о2=1*10-4мас.%;
2.Сн2о2=Ш0-6мас.%.
Таким образом, на основе железо-порфиринового комплекса синтезирован устойчивый к окислению, доступный и дешевый биомиметический электрод каталаз-ного типа. Установлено, что Бьэлектрод с
3+
ТРhPFe OH позволяет обнаружить Н202 в водном растворе в количестве, равном
10-6 мас.%. При апробировании этого же биомиметичес- кого сенсора на перокси-дазную активность была показана возможность обнаружения этилового спирта в водном растворе в количестве, равном 10-4мас.% [8-9].
REFERENCES
1. Nagiev T.M. Interaction of synchronous reactions in chemistry and biology. Baku: Elm Publ., 2001, 403 р.
2. Nagiev T.M. Coherent Synchronized Oxidation by Hydrogen Peroxide. Elsevier, Amsterdam, 2007, p. 325.
3. Nagiev T.M. "Biomimetic Based Application". Preface IX, Chapter 4, Croatia, INTECH, 2011, р.105.
4. Nagiev T.M., Abbasova M.T., Baba-zade S.N. et al. Physico-chemical features of catalase-imitating sensors. Zhurnal fizicheskoj himii - Russian Journal of Physical Chemistry. 1999, vol. 73, no. 12, pp. 2246-2250.
5. Agamamedova L.M., Abbasova M.T., Nagiev T.M. Peroxidase-mimetic sensor for the determination of low concentrations of ethanol in aqueous solutions. Zhurnal fizicheskoj himii - Russian Journal of Physical Chemistry. 2002, vol. 70, no. 12, рр. 2194-2198.
6. Malikova N.N., Ali-zadeh N.I., Nagiev T.M. Catalase biomimetic sensor on base of electro chemical electrode TPhPFe(III)/Al2Ü3/Pb. 2nd International Conference on Bioinspired and Biobased Chemistry & Materials, October 15-17, Nice, France 2014, SMARTTECH-OR208. p. 348.
7. Malikova N.N., Ali-zadeh N.I., Nagiev T.M. Catalase-biomimetic sensor on base of electrochemical electrode TPhPFe(III)/Al2O3/Pb and TPhPFe(III)/Al2O3/Si. Journal of Chemistry and Chemical Engineering (USA). 2015, vol. 9, no. 1, (Serial Number 86), pp. 67-70. www.davidpublishing.com
8. Malikova N.N., Ali-zadeh N.I., Nagiev T.M. Catalase biomimetic sensor on base of silicon electrode TPhPFe3+/Al2O3//Si. 34th International Conference on Solution Chemistry 2015 30th August-3rd September, Prague, Czech Republic. p. 41.
9. Malikova N.N., Ali-zadeh N.I., Nagiev T.M. Peroxidase-biomimetic sensor on base of silicon elec-trode-TPhPFe(III)/Al2O3/Si. // ECCE10+ECAB3+EPIC5 September 27th - October 1th 2015, Nice, France, p.1039.
RESEARCH INTO CATALASE ACTIVITY OF BIOMIMETIC SENSORS
N.N. Malikova, N.I. Ali-zadeh, T.M. Nagiev
Acad. M. Nagiyev Institute of Catalysis and Inorganic Chemistry
National Academy of Sciences of Azerbaijan AZ1143 Baku, H.JavidAve., 113; e-mail: [email protected]
Developed on the basis of smart biomimetic material and semiconductor, the biomimetic sensor with its high activity, sensivity and stability makes it possible to determine the concentration of H2O2 in the solution up to 10-6 wt%. Influence of smart biomimetic material and temperature on physical-chemical properties of the developed biomimetic sensor was revealed. Keywords: biomimetic sensor, smart material, catalase semiconductor, concentration H2O2.
BiOMiMETiKSENSORLARINKATALAZAKTiVLiYiNiN TODQiQi
N.N. Malikova, N.i. dli-zada, T.M. Nagiyev
AMEA-nin akad. M.Nagiyev adina Kataliz vd Qeyri-uzvi Kimya institutu AZ 1143, Baki, H.Cavid pr., 113; e-mail: [email protected]
Smart biomimetik material uzarinda i§lanib hazirlanmi§ yarimkegirici biomimetik sensor ozunun yuksak aktivliyi, hassasligi ila H2O2 mahlulunda 10'6kut.% qatiligini olgmaya imkan yaradir. Biomimutik sensorun fiziki-kimyavi xassalarina biomimetik materialin miqdarinin va temperaturun tasiri gostarilmi§dir.
Agar sozlar: biomimetik sensor, smart material, katalaz, yarimkegirici, H2O2 qatiligi.
