CC BY
21
ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКАЯ БИОЛОГИЯ
УДК 543.31 DOI: 10.24412/2071-6176-2022-3-32-41
СИНТЕЗ РЕДОКС-АКТИВНОГО ПОЛИМЕРА НА ОСНОВЕ ХИТОЗАНА И МЕДИАТОРА САФРАНИНА О
Т.В. Лаврова, А.С. Харькова, В. А. Арляпов
Был проведен синтез редокс-активного полимера на основе хитозана и медиатора сафранина О. В качестве сшивающего реагента использовали глутаровый альдегид. Взаимодействие аминогрупп хитозана с глутаровым альдегидом и медиатором происходит в результате конденсации с образованием оснований Шиффа. При исследовании ИК-спектра синтезированной матрицы наблюдались уменьшение и сдвиг интенсивности сигналов поглощения в области 3400 - 3200 см-1, свидетельствующий об образовании основания Шиффа. Методом циклической вольтамперометрии была определена константа гетерогенного переноса электронов составившая 0,23 см/с.
Ключевые слова: редокс-активный полимер, хитозан, медиаторы электронного транспорта, сафранин О.
Введение
В настоящее время все более широко изучается использование микробиологических процессов для определения состояния качества водных сред и удаления из них токсичных веществ. Наиболее часто для мониторинга объектов водной среды применяются микробные биосенсоры [1], [2]. Для увеличения чувствительности биосенсора прибегают к модификации рецепторного элемента при помощи редокс-активных полимеров. Они представляют собой полимер, ковалентно связанный с электроактивным веществом - медиатором электронного транспорта.
Интерес к редокс-активным полимерам обусловлен широкими возможностями их практического применения. Они используются для разработки различных биоэлектрохимических устройств:
амперометрических биосенсоров, биоэлектрокатализа и систем преобразования или хранения энергии. Например, высокие показатели имеют серосодержащие полимеры на основе тетратиафульвалена, используемые в батареях. Хотя электрод содержит всего 10 мас.% активного материала, батарея демонстрировала емкость 108 мАч/г (82 % от теоретической емкости при первом цикле) и длительный срок службы, превышающий 250 циклов [3]. Окислительно-восстановительные полимеры могут применяться для электролюминесцентных устройств или органических солнечных элементов из-за их оптоэлектронных свойств. Для этих целей могут быть использованы политиофены. Так как это универсальный класс соединений, их применяютв светодиодах,
фотодиодах и лазерах [4]. Хорошими редокс-активными полимерами являются полимеры на основе ферроцена и его производных. Ферроценкарбоновая кислота,ковалентно связанная с
аминополиэфирсульфоновой пленкой используется в качестве матрицы в амперометрических датчиках для определения пероксида водорода в образцах коровьего молока [5]. Матрица на основе ферроценкарбальдегида и бычьего сыворочного альбумина может применяться в качестве основы для определения БПК. Высокие электрохимические показатели (гетерогенная константа переноса равна 0,45±0,01 см/с) говорят о перспективности использования редокс-активных полимеров для конструирования амперометрических биосенсоров [6].
В данной работе получен редокс-полимер на основе сафранина О и хитозана. Следует отметить, что электро-активные соединения азинового ряда с высокой скоростью реагируют с биоматериалом [6], а формирование редокс-полимера на их основе позволит увеличить скорость электронного обмена с электродом. Целью данной работы является исследование электрохимических свойств редокс-полимера на основе модифицированного сафранином О хитозана.
Материалы и методы
Хитозан («Диаэм», Россия) и уксусную кислоту («Диаэм», Россия) использовали для синтеза редокс-активного полимера. Для создания рабочего графито-пастового электрода применяли графитовую пудру с размером частиц 75 микрон с высокой чистотой 99,997% («Fluka», Германия), минеральное масло («Fluka», Германия) и диализную мембрану с пределом пропускания 14 кДа («Roth», Германия). В качестве медиатора электронного транспорта был использован сафранин О («Диаэм», Россия). Калий-натрий фосфатный буферный раствор с рН = 6,8 (33 мM KH2PO4 + 33 мM Na2HPO4, «Диаэм», Россия) использовали для работы с полученной матрицей.
Синтез редокс-активного полимера на основе хитозана и сафранина О. Для формирования рецепторного элемента использовали 1% раствор хитозана в 1% уксусной кислоте, добавляли 6 мкл водного раствора сафранина О с концентрацией 0,6 моль/дм3 и 50 мклкалий-натрий фосфатного буферного раствора с рН = 6,8. Перемешивали полученный раствор в течение 5 минут. Затем прибавляли 7,5 мклглутарового альдегида.
ИК-спектроскопия. ИК-спектры регистрировали с помощью инфракрасного Фурье-спектрометра ФМС 1201 (ООО «Мониторинг», Россия), используя приставку МНПВО (многократно нарушенного полного внутреннего отражения) горизонтального типа с призмой из селенида цинка (разрешение 4 см-1).
Для измерения спектров прессовали таблетки на основе хитозана, сафранина О, синтезированной матрицы и бромида калия (300 мг) при давлении 200 бар в течение 3 минут. Спектры веществ снимали относительно воздуха.
Формирование рабочего электрода, модифицированного редокс-полимером. При создании электрода использовали пластиковую трубку, заполненную графитовой пастой, для получения которой смешивали 0,09 г графитовой пудры и 40 мкл минерального масла. На электрод наносили 10 мклредокс-полимера и фиксировали при помощи диализной мембраны и пластикового кольца.
Вольтамперная характеристика. Вольтамперограммы
регистрировали, с помощью вольтамперометрического анализатора Экотест-ВА (000«Эконикс-Эксперт», Россия), используя трехэлектродную ячейку. В качестве рабочего электрода использовали графито-пастовый электрод, модифицированный редокс-активным полимером, в качестве вспомогательного электрода - платиновый. В качестве электрода сравнения был использован насыщенный хлоридсеребряный электрод (Ag/AgCl). Циклические вольтамперограммы регистрировали при скорости развертки 10-250 мВ/с в калий-натрий-фосфатном буфере (рН=6,8).
Результаты и их обсуждение
В работе получены и исследованы электрохимические и структурные свойства редокс-полимерана основе хитозана и сафранина О. Сшивающим реагентом в данном случае являлся глутаровый альдегид. Взаимодействие аминогрупп хитозана с глутаровым альдегидом и сафранином О происходит в результате конденсации с образованием оснований Шиффа. С ростом молекулярной массы и концентрации раствора хитозана увеличивается вероятность межмолекулярной сшивки с глутаровым альдегидом и медиатором, приводящей к образованию пространственно-структурированного геля. На рис. 1 представлена реакция синтеза исследуемой матрицы, в результате которой происходитсвязывание с образованием имина за счет свободных КН2-групп хитозана и медиатора.
С1
Рис. 1. Реакция образования имина путем связывания хитозана и сафранина О при помощи глутарового альдегида
Для подтверждения строения редокс-полимера были получены ИК-спектры чистого хитозана, сафранина О и образовавшегося при сшивке полимера. На рис. 2 представлены данные ИК-спектроскопии, по которым был проведен сравнительный анализ, анализируемые полосы поглощения представлены в табл. 1.
Волновое число, 1/см
Рис. 2. ИК-спектры сафранина О, хитозана и синтезированной
матрицы
Таблица 1
Расшифровка ИК-спектров хитозана, сафранина О и синтезированной
матрицы
№ п/п полосы поглощения Волновое число, см-1 Структурный фрагмент
Экспериментальные данные Литературные данные [7]
1 1100 1110-1070 Монозамещенные деформационные колебания С-Н ароматического кольца
2 3450 3500-3300 Валентные колебания КН первичных аминов, (ср.)
3 3400 3400-3300 Валентные колебания -0Ну полимеров
4 1335 1340-1250 Колебания С-К, первичные аром. амины, (с.)
5 1540 1580-1520 Пиримидины, колебания кольца средней интенсивности
6 1640 1690-1640 Имины, УС=Ы
7 1645 1650-1590 -КН2, деформац. с.-ср.
8 3370 3400-3200 Имины, валентные колебания -С=К
При исследовании ИК-спектра хитозана были обнаружены характерные сигналы поглощения в области 3500-3300 см-1(1,2), обусловленные валентными колебаниями первичных аминогрупп и -ОН-групп, присоединенных к пиранозному кольцу. В ИК-спектре синтезированного полимера наблюдается уменьшение и сдвиг интенсивности сигналов поглощения в области 3400 - 3200 см-1, свидетельствующий об образовании основания Шиффа за счет свободных аминогрупп. Кроме того, отсутствует полоса поглощения 1335 см-1 (4), соответствующая деформационным колебаниям первичной аминогруппы сафранина О. Это объясняется тем, что взаимодействие альдегида с
аминогруппой сопровождается образованием имина. На ИК-спектре модифицированного хитозана наблюдается широкая полоса поглощения 1650 см-1 (6), соответствующая валентным колебаниям связи -С=К. Также наблюдается увеличение полосы поглощения при частоте 1100 см-1 (5), что указывает на деформационные колебания С-Н ароматического кольца.
Для графито-пастового электрода на основе матрицыхитозан -сафранин О были сняты циклические вольтамперные зависимости при скоростях развертки от 10 до 250 мВ/сек (рис.3).
Л ^........
1 »
■у /
/
/
.........
п
Л
V /
-
Рис.3. Вольтамперная зависимость для графито-пастового электрода с модифицированным сафранином О и хитозаном при скорости развертки потенциала 60 мВ/с.
На вольтамперограмме видны два пика. Анодному пику соответствует потенциал 530 мВ, а катодному 200 мВ.Перенос электронов может лимитироваться передачей электронов между редокс-частицами полимера (прыжковый механизм) или передачей электронов от редокс-частиц на поверхность электрода (поверхностная реакция). Обе лимитирующие стадии диагностируются методом циклической вольтамперометрии [3]. Если предельный катодный и предельный анодный токи пропорциональны корню квадратному из скорости развертки потенциала, в соответствии с уравнением Рэндлса-Шевчика (1) (рис. 4), перенос электронов лимитирует прыжковый механизм, если же предельный ток пропорционален скорости развертки (2) (рис. 5) -лимитирующей является поверхностная реакция.
/р = -0,496^ап • п¥С, (1)
где а - коэффициент переноса, п- количество электронов, участвующих в реакции, Б - постоянная Фарадея, С - концентрация, Б - коэффициент диффузии, Я- газовая постоянная, Т - температура,У - скорость развертки потенциала.
/р = 9,4-105Га)Ап27, (2)
где Гот- предельное количество редокс-частиц на поверхности электрода, А - площадь поверхности электрода, п - количество электронов, участвующих в реакции, V - скорость развертки потенциала.
V1'2, В/с
0,06 V, В/с
0,05
0,10
0,15
0,20
0,25
0,30
0,35
Рис. 4. График зависимости анодного тока от У1/2 для процессов окисления модифицированного сафранином Охитозана на графито-пастовом электроде
Рис. 5. График зависимости анодного тока от скорости развертки для процессов окисления модифицированного сафранином Охитозана на графито-пастовом электроде
Зависимость анодного тока от квадратного корня скорости развертки не линейна. Следовательно, лимитирующей стадией является поверхностная реакция.
Определение гетерогенной константы скорости. На константу скорости электронного переноса оказывают влияние различные факторы, такие как природа, предварительная обработка поверхности электрода, адсорбция или диффузия исходных веществ и продуктов реакции на электроде. Так как лимитирующей стадией является поверхностная реакция, то для расчёта константы скорости электронного переноса от редокс-активного полимера на электрод использовали уравнение Лавирона (3)
1<*К = (1 — а)^а + 01<*(1-а) - к^- , (3)
где К- константа скорости электронного переноса (с-1); а - коэффициент переноса для анодного процесса; (1-а) - коэффициент переноса для катодного процесса; V - скорость развертки потенциала (В/с); Я- универсальная газовая постоянная (Дж-моль/К); Т - температура (К); п - число переносимых электронов; Еа - предельный потенциал анода (В); Ек - предельный потенциал катода (В).
Гетерогенная константа скорости для системы угольно-пастовый электрод-модифицированный матрицей хитозан-сафранин О составила 0,23 см/с. В таблице 2 представлены гетерогенные константыизвестных редокс-активных полимеров.
Таблица 2
Сравнительная характеристика редокс-активных полимеров.
Редокс-активный полимер Лимитирующая стадия переноса электронов Гетерогенная константа переноса, см/с
Хитозан-сафранин О Поверхностная реакция 0,23
Хитозан-нейтральный красный [6] Прыжковый механизм 0,054
Хитозан-ферроценкарбальдегид [6] Поверхностная реакция 0,44
БСА-нейтральный красный [6] Поверхностная реакция 0,012
Редокс-полимер хитозан-сафранин О по скорости взаимодействия с электродом уступает полимерам на основе ферроценкарбоксальдегида, однако среди редокс-полимеров на основе соединений азинового ряда характеризуется более высокой скоростью электронного обмена с поверхностью электрода: гетерогенная константа исследуемого полимера выше, чем для полимера на основе БСА и нейтрального красного, а также полимера на основе хитозана и нейтрального красного более чем в 4 раза.
Заключение
Был проведен синтезредокс-активного полимера на основе хитозана и медиатора сафранина О. С помощью ИК-спектроскопии было подтверждено строение матрицы. В редокс-полимере наблюдается отсутствие полосы поглощения 1335 см-1, соответствующей колебаниям первичной аминогруппы медиатора. Наблюдается наличие новой полосы
поглощения в синтезируемомполимере 1650 см-1, что подтверждает образование новых связей -C=N и получение основания Шиффа. С помощью метода циклической вольтамперометрии были изучены электрохимические свойства матрицы. Лимитирующей стадией является поверхностная реакция. Гетерогенная константа скорости для системы угольно-пастовый электрод-модифицированный матрицей хитозан-сафранин О равна 0,23 см/с. Высокие электрохимические показатели полученного редокс-активного полимера позволяют использовать его в дальнейшем для разработки различных систем преобразования или хранения энергии или безреагентных биосенсоров.
Работа выполнена в рамках гранта Президента Российской Федерации для государственной поддержки молодых российских ученых -кандидатов наук, номер гранта №МК-4815.2022.1.4.
Список литературы
1. Lagarde F., Jaffrezic-Renault N. Cell-based electrochemical biosensors for water quality assessment//Analytical and bioanalytical chemistry. 2011. V. 400. №. 4. P. 947-964.
2. Redox Mediator-Based Microbial Biosensors for Acute Water Toxicity Assessment: A Critical Review / D. Fang, G. Gao, Y. Yang [et al]. //ChemElectroChem. 2020.V.7. №. 12. P. 2513-2526.
3. Current trends in redox polymers for energy and medicine/ Casado N., G.Hernandez, H. Sardon[et al]. //Progress in Polymer Science. 2016. V. 52. P. 107-135.
4. Substituted polythiophenes designed for optoelectronic devices and conductors/ M. R. Andersson, O. Thomas, W. Mammo[et al]. //Journal of Materials Chemistry. 1999. V.9. №. 9. P. 1933-1940.
5. Mattoussi M., Matoussi F., Raouafi N. Non-enzymatic amperometric sensor for hydrogen peroxide detection based on a ferrocene-containing cross-linked redox-active polymer //Sensors and Actuators B: Chemical. 2018. V. 274. P. 412-418.
6. Use of biocompatible redox-active polymers based on carbon nanotubes and modified organic matrices for development of a highly sensitive BOD biosensor / V. A. Arlyapov, A. S. Kharkova, S. K. Kurbanaliyeva [et al].//Enzyme and microbial technology. 2021.V. 143.P. 109706.
7. Беллами Л.Инфракрасныеспектрысложныхмолекул // М.: Издательствоиностраннойлитературы. 1963. Т. 590. С. 355 - 358.
Лаврова Татьяна Валерьевна, студент, [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Харькова Анна Сергеевна, канд. хим. .наук, доц., [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Арляпов Вячеслав Алексеевич, канд. хим. наук, доц., вед. науч. сотр. лаборатории биологически активных соединений и биокомпозитов, [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет.
SYNTHESIS OF A REDOX-ACTIVE POLYMER BASED ON CHITOSAN AND
SAFRANIN O MEDIATOR
T.V. Lavrova, A. S. Kharkova, V. A. Arlyapov
A redox-active polymer based on chitosan and mediator safranin O was synthesized. Glutaraldehydewas used as a crosslinking agent. The interaction of the amino groups of chitosan with glutaraldehyde and the mediator occurs as a result of condensation with the formation of Schiff bases. When studying the IR spectrum of the synthesized matrix, a decrease and a shift in the intensity of absorption signals in the region of 3400 - 3200 cm-1was observed, indicating the formation of a Schiff base. The method of cyclic voltammetry was used to determine the constant of heterogeneous electron transfer, which was 0.23 cm/s.
Key words: chitosan, electron transport mediators, safranin O, cyclic voltammetry, IR spectroscopy.
Lavrova Tatyana Valerievna, student, [email protected], Russia, Tula State University,
Kharkova Anna Sergeevna, candidate of ^emistry science, docent, [email protected], Tula, Russia, Tula State University,
ArlyapovVyacheslavAlekseevich, candidate of ^emistry science, docent, leading researcher of Bioactive Compounds and Biocomposites Laboratory, [email protected], Tula, Russia, Tula State University.
