Синтез та дослідження електропровідних полімерних платформ для біосенсорів
Досліджено вплив природи електропровідних полімерів, електрохімічно осаджених на поверхні платинового електрода, на їхню здатність адсорбувати на своїй поверхні ферменти глюкозооксидазу, алкогольоксидазу або біферментну систему алкогольоксидаза+пероксидаза (АО+ПО). Іммобілізація ферментів на поверхн...
Saved in:
| Date: | 2006 |
|---|---|
| Main Authors: | , , , , |
| Format: | Article |
| Language: | Ukrainian |
| Published: |
Інститут загальної та неорганічної хімії ім. В.І. Вернадського НАН України
2006
|
| Series: | Украинский химический журнал |
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/185564 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Синтез та дослідження електропровідних полімерних платформ для біосенсорів / Є.П. Ковальчук, Б.Б. Остапович, З.Л. Турик, Я.С. Ковалишин, М.В Гончар // Украинский химический журнал. — 2006. — Т. 72, № 11. — С. 29-36. — Бібліогр.: 13 назв. — укр. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-185564 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-1855642025-02-09T23:52:42Z Синтез та дослідження електропровідних полімерних платформ для біосенсорів Синтез и исследование электропроводных полимерных платформ для биосенсоров Synthesis and investigation of electrically conductive polymer platforms for biosensors Ковальчук, Є.П. Остапович, Б.Б. Турик, З.Л. Ковалишин, Я.С. Гончар, М.В. Электрохимия Досліджено вплив природи електропровідних полімерів, електрохімічно осаджених на поверхні платинового електрода, на їхню здатність адсорбувати на своїй поверхні ферменти глюкозооксидазу, алкогольоксидазу або біферментну систему алкогольоксидаза+пероксидаза (АО+ПО). Іммобілізація ферментів на поверхні електродів, модифікованих електропровідними полімерами, дозволяє застосувати одержані ферментні електроди в ролі амперометричних біосенсорів. Исследовано влияние природи электропроводных полимеров, электрохимически осажденных на поверхности платинового электрода, на их способность адсорбировать на своей поверхности ферменты глюкозооксидазу, алкогольоксидазу или биферментную систему алкогольоксидаза + пероксидаза (АО+ПО). Иммобилизация ферментов на поверхности электродов, модифицированных электропроводными полимерами, позволяет применять полученные ферментные электроды в качестве амперометрических биосенсоров. The influence of nature of electroconductive polymers on their ability to adsorb on it’s surfaces ferments: glucose oxidase; alcohol oxidase; alcohol oxidase + peroxidase biferment system were studied. Polymers were electrochemically precipitated on platinum electrode surface. The ferments immobilization on surface of electrodes, modified by the electroconductive polymer allows to use the prepared ferment electrodes as the amperometric biosensors. 2006 Article Синтез та дослідження електропровідних полімерних платформ для біосенсорів / Є.П. Ковальчук, Б.Б. Остапович, З.Л. Турик, Я.С. Ковалишин, М.В Гончар // Украинский химический журнал. — 2006. — Т. 72, № 11. — С. 29-36. — Бібліогр.: 13 назв. — укр. 0041–6045 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/185564 541.64+541.13 uk Украинский химический журнал application/pdf Інститут загальної та неорганічної хімії ім. В.І. Вернадського НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Ukrainian |
| topic |
Электрохимия Электрохимия |
| spellingShingle |
Электрохимия Электрохимия Ковальчук, Є.П. Остапович, Б.Б. Турик, З.Л. Ковалишин, Я.С. Гончар, М.В. Синтез та дослідження електропровідних полімерних платформ для біосенсорів Украинский химический журнал |
| description |
Досліджено вплив природи електропровідних полімерів, електрохімічно осаджених на поверхні платинового електрода, на їхню здатність адсорбувати на своїй поверхні ферменти глюкозооксидазу, алкогольоксидазу або біферментну систему алкогольоксидаза+пероксидаза (АО+ПО). Іммобілізація ферментів на поверхні електродів, модифікованих електропровідними полімерами, дозволяє застосувати одержані ферментні електроди в ролі амперометричних біосенсорів. |
| format |
Article |
| author |
Ковальчук, Є.П. Остапович, Б.Б. Турик, З.Л. Ковалишин, Я.С. Гончар, М.В. |
| author_facet |
Ковальчук, Є.П. Остапович, Б.Б. Турик, З.Л. Ковалишин, Я.С. Гончар, М.В. |
| author_sort |
Ковальчук, Є.П. |
| title |
Синтез та дослідження електропровідних полімерних платформ для біосенсорів |
| title_short |
Синтез та дослідження електропровідних полімерних платформ для біосенсорів |
| title_full |
Синтез та дослідження електропровідних полімерних платформ для біосенсорів |
| title_fullStr |
Синтез та дослідження електропровідних полімерних платформ для біосенсорів |
| title_full_unstemmed |
Синтез та дослідження електропровідних полімерних платформ для біосенсорів |
| title_sort |
синтез та дослідження електропровідних полімерних платформ для біосенсорів |
| publisher |
Інститут загальної та неорганічної хімії ім. В.І. Вернадського НАН України |
| publishDate |
2006 |
| topic_facet |
Электрохимия |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/185564 |
| citation_txt |
Синтез та дослідження електропровідних полімерних платформ для біосенсорів / Є.П. Ковальчук, Б.Б. Остапович, З.Л. Турик, Я.С. Ковалишин, М.В Гончар // Украинский химический журнал. — 2006. — Т. 72, № 11. — С. 29-36. — Бібліогр.: 13 назв. — укр. |
| series |
Украинский химический журнал |
| work_keys_str_mv |
AT kovalʹčukêp sinteztadoslídžennâelektroprovídnihpolímernihplatformdlâbíosensorív AT ostapovičbb sinteztadoslídžennâelektroprovídnihpolímernihplatformdlâbíosensorív AT turikzl sinteztadoslídžennâelektroprovídnihpolímernihplatformdlâbíosensorív AT kovališinâs sinteztadoslídžennâelektroprovídnihpolímernihplatformdlâbíosensorív AT gončarmv sinteztadoslídžennâelektroprovídnihpolímernihplatformdlâbíosensorív AT kovalʹčukêp sinteziissledovanieélektroprovodnyhpolimernyhplatformdlâbiosensorov AT ostapovičbb sinteziissledovanieélektroprovodnyhpolimernyhplatformdlâbiosensorov AT turikzl sinteziissledovanieélektroprovodnyhpolimernyhplatformdlâbiosensorov AT kovališinâs sinteziissledovanieélektroprovodnyhpolimernyhplatformdlâbiosensorov AT gončarmv sinteziissledovanieélektroprovodnyhpolimernyhplatformdlâbiosensorov AT kovalʹčukêp synthesisandinvestigationofelectricallyconductivepolymerplatformsforbiosensors AT ostapovičbb synthesisandinvestigationofelectricallyconductivepolymerplatformsforbiosensors AT turikzl synthesisandinvestigationofelectricallyconductivepolymerplatformsforbiosensors AT kovališinâs synthesisandinvestigationofelectricallyconductivepolymerplatformsforbiosensors AT gončarmv synthesisandinvestigationofelectricallyconductivepolymerplatformsforbiosensors |
| first_indexed |
2025-12-01T22:11:16Z |
| last_indexed |
2025-12-01T22:11:16Z |
| _version_ |
1850345607311392768 |
| fulltext |
бальту та нікелю m(Co(detm)Hdetm)⋅n(NiCl2), де detm
— HN(CH2CH2O)2
2–. Встановлено, що оптимальне спів-
відношення Co3+ : Ni2+ в біметалічних комплексах для
отримання активних каталізаторів складає 2:1. Отри-
мані каталізатори можуть бути використані в мета-
лоповітряних ХДС, електрохімічних генераторах та
сенсорах.
SUMMARY. Oxide electrocatalysts, based on bime-
tallic diethanolamine complexes with different cobalt and
nickel content, m(Co(detm)Hdetm)⋅n(NiCl2) (where detm
— HN(CH2CH2O)2
2–), for the reduction of molecular
oxygen have been synthesized. It has been found that the
optimum ratio of Co3+ to Ni2+ in bimetallic complexes
for the production of active catalysts is 2:1. The catalysts
obtained can be used in air-metal electrochemical cells,
electrochemical generators and sensors.
1. Soriaga M .P. // Chem. Rew. -1990. -90, № 5. -P.
771—793.
2. Пирский Ю.К., Прокопчук А .Л. // Укр. хим. журн.
-2003. -69, № 3. -С. 72—75.
3. Пирский Ю.К., Левчук Я.Н ., Рейтер Л.Г., Кубла-
новский В.С. // Там же. -2003. -69, № 3. -С. 77—80.
4. Разина Н .Ф. // Окисные электроды в водных
растворах. -Алма-Ата: Наука, 1982.
5. Проблемы электрокатализа / Под ред. В.С. Багоц-
кого. -М .: Наука, 1980.
6. Ефремов Б.Н ., Тарасевич М .Р. // Электрокатализ
и электрокаталитические процессы. Сб. науч. тр.
-Киев: Наук. думка, 1986. -С. 44—71.
7. M akhankova V.G., Vassilyeva O.Y u., Kokozay V.N. et
al. // Eur. J. Inorg. Chem. -2002. -№ 8. -P. 2163—2169.
8. M akhankova V .G., Vassilyeva O.Y u., Kokozay V.N.
et al. // J. Chem. Soc., Dalton Trans. -2002. -P.
4253—4259.
9. Cтепаненко О.Н ., Рейтер Л.Г. // Укр. хим. журн.
-1992. -58, № 12. -С. 1047—1053.
10. Степаненко О.Н ., Потаскалов В.А ., Русанов Э.Б.
// Там же. -2001. -67, № 9. -С. 9—11.
11. Мазус М .Д., Коваленко А.Л., Поляков В.Н. и др. //
Журн. неорган. химии. -1986. -31, № 3. -С. 716—719.
12. Степаненко О.Н ., Потаскалов В.А ., Потаскалова
Н .И . // Укр. хим. журн. -2003. -69, № 2. -С. 78—80.
13. Тарасевич М .Р., Радюшкина К.А. // Катализ и элек-
трокатализ металлопорфиринами. -М .: Наука, 1982.
14. Штейнберг Г.В., Кукушкина И .А ., Багоцкий В.С.,
Тарасевич М .Р. // Электрохимия. -1979. -15, № 4.
–С. 527—532.
Институт общей и неорганической химии им. В.И . Вернадского Поступила 12.08.2005
НАН Украины, Киев
Национальный технический университет Украины "КПИ", Киев
УДК541.64+541.13
Є.П. Ковальчук, Б.Б. Остапович, З.Л. Турик, Я.С. Ковалишин, М.В Гончар
СИНТЕЗ ТА ДОСЛІДЖЕННЯ
ЕЛЕКТРОПРОВІДНИХ ПОЛІМЕРНИХ ПЛАТФОРМ ДЛЯ БІОСЕНСОРІВ
Досліджено вплив природи електропровідних полімерів, електрохімічно осаджених на поверхні платинового
електрода, на їхню здатність адсорбувати на своїй поверхні ферменти глюкозооксидазу, алкогольоксидазу
або біферментну систему алкогольоксидаза+пероксидаза (АО+ПО). Іммобілізація ферментів на поверхні елек-
тродів, модифікованих електропровідними полімерами, дозволяє застосувати одержані ферментні електроди
в ролі амперометричних біосенсорів.
Електропровідні органічні полімери (ЕПП)
із системою спряжених π-звязків у макроланцюгу
знайшли застосування у багатьох областях науки
та техніки [1—3] і продовжують привертати до
себе увагу дослідників, оскільки поєднують елек-
тричну провідність металів і неорганічних напів-
провідників та можуть служити платформою для
інкорпорації ферментів, що при використанні елек-
трохімічних методів осадження дає можливість
локалізувати біологічно активні молекули на елек-
тродах будь-якого розміру чи форми [4].
Сьогодні існує велика потреба у виготовлен-
ні електродів, які є сумісними із біологічними ком-
понентами, що служить умовою забезпечення швид-
кого переносу електрона на поверхні. Провідні по-
лімери розглядаються як перспективний матеріал
для такого застосування, тому ключовою пробле-
мою при використанні ЕПП для створення ампе-
рометричних біосенсорів є стабільна іммобіліза-
ція макромолекулярних ферментів на провідній
мікропористій поверхні із повним збереженням
їхніх біологічних властивостей [5].
© Є.П . Ковальчук, Б.Б . Остапович, З.Л. Турик, Я.С. Ковалишин, М .В Гончар , 2006
ISSN 0041-6045. УКР. ХИМ . ЖУРН . 2006. Т . 72, № 11 29
Дана робота присвячена дослідженню впли-
ву природи ЕПП (поліанілін, політіофен, поліпі-
рол, полікарбазол, полімета-амінофенол), елект-
рохімічно осаджених на поверхні платинового
електроду, на їхню здатність іммобілізувати на сво-
їй поверхні алкогольоксидазу або біферментну си-
стему пероксидаза+алкогольоксидаза (АО+ПО)
з метою застосування сконструйованих фермент-
них електродів у якості сенсорів, оскільки АО-
електрод, із амперометричною детекцією перок-
сиду водню може служити алкогольчутливим еле-
ментом біосенсора, в якому струм, що генеруєть-
ся в результаті відновлення кисню, є пропорцій-
ним до вмісту спирту в аналіті [6]:
СН3СН2ОН +2О2
AO
2СН3СНО + 2Н2О2 ,
2Н2О2 2Н2О + О2 .
У залежності від режимів електролізу, складу
реакційного середовища можливе одержання елек-
трохімічно активних полімерних шарів різної
товщини, мікропористості, ступеня допування, що
впливатиме на їхню здатність до адсорбції фер-
ментів та переносу заряду при використанні мо-
дифікованих з допомогою ЕПП електродів в яко-
сті платформ для біосенсорів [7].
При вивченні особливостей електрохімічного
синтезу плівок ЕПП на поверхні платинового дис-
кового електрода (d=3 мм) електроосадження по-
лімерів проводили в потенціостатичному та по-
тенціодинамічному режимах (електрод порівн-
яння — Ag/AgCl), використовуючи розчини мо-
номерів у воді або в ацетонітрилі із додаванням
Рис. 1. Циклічні вольтамперограми окиснення мономерів на платиновому електроді. Умови синтезу: С(аніліну)
= 0.2 М ; С(H2SO4) = 0.25 М ; v = 20 мВ/с (а); С(тіофену)=0.1 М ; С(LiClO4) = 1.0 М ; v=20 мВ/с (б); С(карбазолу)=0.1
М ; С(LiClO4)=1.0 М ; v=50 мВ/с (в); С(піролу)=0.2 М ; С(LiClO4)=1.0 М ; v=50 мВ/с (г); С(амінофенолу)=0.5 М ;
С(H2SO4)=0.5 М ; v=50 мВ/с (д).
а
б
д
г
в
30 ISSN 0041-6045. УКР. ХИМ . ЖУРН . 2006. Т. 72, № 11
H2SO4 і LiClO4 відповідно для надання поліме-
рам електропровідності.
Для синтезу поліаніліну в 0.25 М розчині
H2SO4 нами був використаний потенціодина-
мічний метод із розгорткою потенціалу в інтер-
валі (–0.1 — +1.5) В [8] (рис. 1, а).
На першому циклі (рис. 1, а) видно чіткий
максимум окиснення аніліну біля 1.2 В, якому
відповідає утворення катіон-радикала, наступні
хімічні перетворення останнього приводять до одер-
жання поліаніліну і його осадження на поверхні
електрода, що супроводжується одночасним окис-
ненням до пернігралінової основи. Наступні ска-
нування потенціалу супроводжуються прогресую-
чим окисненням–відновленням утвореного в пер-
шому циклі поліаніліну і його переходом від лей-
коемеральдину до перніграліну. Близькі до оборот-
них піки струмів при 0.26, 0.4, 0.8 В відповідають
утворенню полярона, окисненню продуктів елек-
трохімічної деструкції поліаніліну і утворенню бі-
полярона відповідно [9].
Для створення амперометричного біосенсора
в якості платформи використовували модифіко-
ваний нанорозмірною поліаніліновою плівкою
Pt-електрод, що забезпечувалось часом електро-
лізу, достатнім для проходження 5–6 циклів роз-
гортки потенціалу в інтервалі (–0.1 — +1.5) В
(таблиця).
Для вивчення особливостей електрохімічно-
го одержання полімерних плівок політіофену про-
водились вольт-амперометричні дослідження син-
тезу даного полімеру на платиновому електроді
(рис. 1, б). Аналіз загального вигляду одержаних
циклічних вольтамперограм електрохімічного син-
тезу плівок політіофену із 0.1 М розчину тіофену
в ацетонітрилі в присутності 1 М перхлорату лі-
тію при розгортці потенціалу від –0.6 до +2.1 В
і оцінка величини струмів окиснення і відновлен-
ня свідчать про доцільність синтезу політіофену
потенціостатичним методом, який проводили із
0.3 М розчину в ацетонітрилі на фоні LiCIO4 при
потенціалі +1.6 В. Кінетична залежність І= f(t)
(вставка на рис. 1, б, потенціал +1.6 В) дає мож-
ливість розрахувати товщину плівки політіофе-
ну, нанесеної на Pt-електрод (≈60 нм), а високі зна-
чення струмів електролізу (≈300 мкА) свідчать
про електропровідність одержаної плівки.
Аналіз ЦВА, які відображають процеси, що
відбуваються під час полімеризації карбазолу в
ацетонітрилі (рис. 1, в) — окиснення мономеру
при +(0.75—0.85) В, власне полімеризаційний про-
цес при +(1.15—1.20) В, окиснення полімеру при
+(1.30—1.50) В дозволяє обгрунтувати доціль-
ність синтезу полікарбазольної плівки на Pt-елек-
троді потенціостатичним методом при потенці-
алі +1.2 В.
Для модифікації поверхні Pt-електрода плі-
вкою електропровідного поліпіролу застосовува-
ли потенціостатичний метод синтезу із ацетоні-
трильного розчину мономеру при потенціалі +1.1
В, змінюючи час експозиції (2—5 с), одержували
полімерну плівку товщиною 40—100 нм. Опти-
мальні умови синтезу поліпіролу вибрані на ос-
нові аналізу ЦВА електрохімічної полімеризації
Характеристики амперометричних біосенсорів на основі платинового електрода, модифікованого електро-
провідними полімерами
Модифікатор поверх-
ні Pt-електрода
Іммобілізовані
ферменти КМ , мкМ Іmax, нА Чутливість,
нА/мкМ
Лінійна
область, мМ
Поліанілін AO 409.4 ± 328.2 33.02 ± 3.0 0.80 1000–3000
AO+ПО 377.96 ± 11.4 410.74 ± 1.56 1.08 1000–5000
Політіофен АО+ПО 30.2 ± 2.5 889.1 ± 60.3 29.4 1000–5000
Полікарбазол AO+ПО 33.74 ± 0.79 860.0 ± 0.28 26.0 1000–5000
ГО 1980.1 ± 60.9 917.1 ± 8.26 0.46 1000–5000
Поліпірол AO+ПО 344.8 ± 4.76 177.5 ± 0.25 0.51 1000–5000
ГО 2874.8 ± 69.4 2313.4 ± 18.7 0.82 1000–10000
Полі-м-амінофенол AO 292.82 ± 7.55 126.5 ± 0.29 0.43 1000–5000
AO+ПО 1142.8 ± 37.165 1824 ± 126 1.59 1000–5000
ГО 2245.9 ± 1265.8 888.9 ± 15.4 0.39 1000–5000
Безполімерний немо-
дифікований електрод
AO –23.7 ± 0.3 2094.4 ± 0.29 48.1 —
AO+ПО 232.8 ± 2.7 314.45 ± 0.3 1.3 1000–4000
ГО 3856.6 ± 182.6 2336.5 ± 24.7 0.6 1000–5000
ISSN 0041-6045. УКР. ХИМ . ЖУРН . 2006. Т . 72, № 11 31
цього мономеру в ацетонітрилі (рис. 1, г), на яких
процесам полімеризації піролу відповідає макси-
мум при +(0.85—0.95) В, а одночасному проті-
канню полімеризації та окиснення — максимум
при +(1.30—1.50) В та +(1.60—1.70) В.
Синтез поліамінофенольної плівки на плати-
новому електроді проводили потенціодинаміч-
ним методом із 0.1 М водного розчину в 0.5 М
H2SO4 при розгортці потенціалу в межах (–0.2—
1.2) В (рис. 1, д).
На ЦВА, які характеризують електросинтез
амінофенолу, проявляються два анодних макси-
муми, характер зміни яких є різним при повтор-
них накладаннях розгортки потенціалу. В області
потенціалів Е=0.6—0.9 В спостерігаються необо-
ротні максимуми струму, які, очевидно, відпові-
дають окисненню вихідної речовини по гідрокси-
льній групі фенолу. На відміну від необоротного
електронного переносу при окисненні гідрокси-
льної групи анодна реакція із участю аміногрупи
носить необоротний характер, який спостеріга-
ється в діапазоні потенціалів 0—0.5 В. Багатокра-
тне циклювання потенціалу в досліджуваному
інтервалі приводить до росту як катодного, так і
анодного максимумів струму, що може бути зв’я-
зане з утворенням на поверхні електрода шару
електроактивної речовини. Для нанесення фермен-
тних систем використовували плівки полі-м-амі-
нофенолу, одержаного 4–10-кратним циклюван-
ням у діапазоні розгортки потенціалу (–0.2—1.2) В.
На поверхню Pt-електрода , модифікованого
одним із досліджуваних ЕПП , які одержували,
використовуючи обговорені вище режими елек-
трохімічної полімеризації, адсорбувалися із буфер-
них водних розчинів протеїнові молекули фер-
мента, іммобілізація яких на поверхні макромо-
лекулярного шару ЕПП проводилась з допомо-
гою парів глутарового альдегіду. Для запобіган-
ння швидкого змивання адсорбованих фермент-
них протеїнів на поверхню сформованого елект-
рода накладалась пориста діалізна плівка, яка є
проникною для молекул субстрата і низькомоле-
кулярних продуктів реакції (виробництво Sigma-
Aldrich.com, D9777, Lot2140628).
В роботі використовували алкогольоксидазу
(АО) — фермент із Hansenula polymorpha з ак-
тивністю 4 од./мг, пероксидазу хрону (ПО) з пи-
томою активністю 90 од./мг та глюкозооксида-
зу (ГО) — фермент із Penicilinium Vitale з акти-
вністю 85 од./мг, препарат виробництва КНПО
Діагностикум (Львів), глюкозу, етанол і 50 %-й
водний розчин глутарового альдегіду (Sigma-
Aldrich Chimie S.a.r.l, Франція).
В ролі робочого фосфатного буферу викорис-
товували (KH2PO4–Na2HPO4⋅12H2O) із рН 7.4.
Дослідження проводили в електрохімічній ко-
мірці з постійним перемішуванням реакційної
суміші з допомогою потенціостата ПІ-50 із вико-
ристанням трьохелектродної системи вимірювань:
робочий електрод (платиновий дисковий, D=3 мм),
хлорсрібний електрод порівняння і допоміжний
Pt-електрод. На поверхню синтезованих електро-
провідних нанорозмірних плівок (поліаніліну,
поліпіролу, політіофену, полікарбазолу, поліамі-
нофенолу) нами іммобілізовано алкогольокси-
дазу, глюкозооксидазу або біферментну систему
(алкогольоксидаза + пероксидаза) і проведено по-
рівняння електрохімічних та аналітичних харак-
теристик ферментних електродів на платформах
вказаних електропровідних полімерів з анало-
гічними параметрами для немодифікованого
ЕПП платинового електроду.
На рис. 2 зображені циклічні вольтамперо-
грами ферментних електродів у чистому буфер-
ному розчині та при додаванні до нього субстра-
ту, з яких видно, що для поліпірольного біфер-
ментного (АО+ПО) електрода, наприклад, при
додаванні в комірку етанолу спостерігається пік
з максимумом при ~ +0.5 В, який може бути на-
слідком анодного окиснення Н2О2. Аналогічне
збільшення анодного струму окиснення має місце
при додаванні етанолу та глюкози до сконструйо-
ваних на платформі ЕПП до алкогольоксидазних
та глюкозооксидазних електродів відповідно, що
свідчить про можливість використання їх для ам-
Рис. 2. Циклічні вольтамперограми біоелектрокаталі-
тичного окиснення етанолу на ферментних електродах,
модифікованих ЕПП: поліпірол + (АО+ПО), 50 мМ фос-
фатний буфер, рН 7.4 (а); поліпірол + (АО+ПО), 100 мМ
етанол, 50 мМ фосфатний буфер, рН 7.4 (б).
32 ISSN 0041-6045. УКР. ХИМ . ЖУРН . 2006. Т. 72, № 11
перометричної детекції сигналу при збільшенні
концентрації субстрату. Виготовлені АО-фермен-
тні електроди були протестовані на вміст етанолу
в аналіті в інтервалі концентрацій 0.2—100 мМ
при рН 7.4. На рис. 3 зображені криві залежності
струму відклику електрохімічної ячейки від кон-
центрації етанолу у фосфатному буфері при
потенціалі +0,5В та величин струму відклику від
часу експозиції при додаванні фіксованих
кількостей етанолу.
Аналогічні дослідження були проведені для пла-
тинового електрода, модифікованого досліджува-
ними ЕПП у присутності глюкозооксидази (GОx)
при реєстрації амперометричних відкликів на
глюкозу, а також для платинового електрода із
ферментною системою, нанесеною безпосередньо
на поверхню металу.
Сумарний вигляд калібрувальних кривих ам-
перометричного відклику ферментних електродів
на етанол та глюкозу приведено на рис. 4.
На основі експериментальних даних (рис. 4)
були розраховані величини констант Міхаеліса
(КМ) для дослідження ферментно-каталітичних
реакцій, які протікають між субстратом та фер-
ментом на поверхні електрода (таблиця).
Рис. 3. Амперометричні відклики електрохімічної ячей-
ки на додані кількості етанолу. Pt-електрод, модифіко-
ваний поліаніліном в присутності алкогольоксидази
(а) та біферментної системи (алкогольоксидаза+перок-
сидаза) (б). Вимірювання проводились в 50 мМ фос-
фатному буферному розчині (рН 7.4) при потенціалі
+0.5 В. Графік на вставці: калібрувальна крива для ви-
значення етанолу.
а
б
Рис. 4. Калібрувальні криві амперометричного відклику
на етанол (а) і глюкозу (б), виміряного при +0.5 В
відносно електроду порівняння Ag/AgCl при рН 7.4
для платинового електрода, модифікованого електро-
провідними полімерами з адсорбованими на їхній по-
верхні ферментами. Будова поверхневого шару на Pt-
електроді: 1 — без полімеру (АО); 2 — поліамінофенол
(АО+ПО); 3 — полікарбазол (АО+ПО); 4 — поліанілін
(АО+ПО); 5 — поліанілін (АО); 6 — без полімеру
(АО+ПО); 7 — поліпірол (АО+ПО); 8 — поліамінофенол
(АО) (а); 1′ — поліпірол (ГO); 2′ — без полімеру (ГО);
3′ — полікарбазол (ГО); 4′ — поліамінофенол (ГО) (б).
а
б
ISSN 0041-6045. УКР. ХИМ . ЖУРН . 2006. Т . 72, № 11 33
Порівнюючи електрохімічні та аналітичні ха-
рактеристики електродів на основі електропро-
відних полімерів, можна відмітити, що при ад-
сорбції самої алкогольоксидази на поверхні пла-
тини, сенсор практично не реагує на додавання
етанолу, хоча загальний фоновий струм у цьому
випадку є високим, що може бути обумовлено про-
цесами електрохімічного окиснення функціональ-
них груп макромолекулярного ланцюга білка, які
каталізуються платиновою поверхнею у випадку
прямого нанесення фермента на неї.
Відомо, що у білковому середовищі, яке вва-
жається діелектриком, перенос електрона із доно-
ра на акцептор носить переважно "тунельний" ха-
рактер [10]. Надлишковий електрон, здійснивши
"тунельний" перехід від "збудженого" активного
центру фермента до "кінцевого" атомного угрупу-
вання білка, попадає на границю розділу фаз пла-
тина—білок, тобто на електронні орбіталі металу,
який є матеріалом електрода. У випадку немоди-
фікованого електрода швидкість передачі елект-
рона залежить як від тунельних факторів, так і
від взаємного розміщення рівнів енергії атомів
макромолекули білка і деталей розподілу електрон-
ної густини в молекулах-переносчиках.
Наявність ароматичних амінокислотних за-
лишків у макромолекулі фермента або наявність
системи спряжених зв’язків і неподілених елек-
тронних пар на атомах азоту, які утворюють
рухливу систему π-електронів, забезпечує доста-
тню кількість π-мостиків, які утворюють у струк-
турі білка подібність "доріжки", вздовж якої туне-
лювання електрона іде ефективніше, аніж по ін-
ших шляхах, чим можна пояснити зміну провід-
ності фонового струму залежно від природи фер-
мента. Важливу роль в організації процесів елек-
тронного транспорту в молекулах білків (ферме-
нтів) відіграють також електронно-конформацій-
ні взаємодії, які обумовлені відносним зміщенням
білкових груп з амплітудами, що перевищують
амплітуди валентних коливань атомів (>1 Ao )
(обмежена дифузія). Спонтанний тепловий рух біл-
кових груп по конформаційних ступенях свобо-
ди сприяє виходу системи в реакційно-здатну кон-
фігурацію, яка при адсорбції фермента на макро-
молекулярній поверхні ЕПП буде також залежа-
ти від розподілу заряджених центрів у ланцюгах
полімерних матриць, що модифікують поверхню
платинового електрода, а розподіл визначається
хімічною природою елементарної ланки ЕПП, спо-
собом допування і видом допуючого агенту, умо-
вами електрохімічного синтезу плівки ЕПП. Ос-
новною моделлю переносу заряду в полімерах на
сьогодні признана поляронна теорія провідності,
згідно з якою при окисненні полімеру спочатку
відбувається утворення поляронів, а при збіль-
шенні окисленості можливе утворення біполяро-
нів, кожний з яких локалізується протягом кіль-
кох мономерних ланок [2, 3]. Після акту переносу
електрона з’являються нові заряджені центри і
змінюється баланс електростатичних сил у мо-
лекулі білка. Це приводить до зміни рівноваж-
них положень молекулярних груп, тобто до пев-
ної зміни просторової форми білка або до конфор-
маційного переходу. В новій конформації мікро-
оточення окремих груп може істотно змінитися
і, як наслідок, зміниться їхня реакційна здатність.
Тим самим створюються передумови для регулю-
вання в ланцюжку послідовних реакцій.
Чутливість немодифікованого полімером пла-
тинового електрода до етанолу підвищується при
адсорбції на його поверхні біферментної системи
АО+ПО. Очевидно, в присутності ПО покращу-
ється передача електрона до поверхні електрода.
Зростання струмів миттєвих відкликів для фер-
ментного електрода АО+ПО (рис. 4, крива 4), мо-
дифікованого поліаніліном, порівняно із АО-елек-
тродом (крива 5) теж може бути пов’язано із пок-
ращенням транспорту електрона із зони біохіміч-
ної реакції (активний центр фермента) до поверхні
поліанілінової плівки внаслідок кращої здатності
пероксидази до передачі електрона, оскільки при-
близно 50 % її активних центрів розміщені на
поверхні макромолекул фермента. На відміну від
пероксидази, у якої гем-вмісний редокс-центр ви-
являється доступним для електронного переносу,
алкогольоксидаза містить два редокс-центри, то-
му електронний перенос відбувається направлено
від периферійного центру до внутрішнього ком-
понента реакції [11]. Особливо яскраво ефект по-
кращення передачі електрона у присутності перок-
сидази проявляється для Pt-електрода, модифі-
кованого поліамінофенольною плівкою (рис. 4,
а, крива 2), очевидно, це обумовлено зростанням
функціональності модифікуючої плівки полімеру
і здатності до окисно-відновних взаємодій із пе-
роксидазою. Приведені результати дослідження, а
також порівняння параметрів одержаних сенсорів,
числові значення яких подано у таблиці, свідчать
про вплив природи модифікуючого полімера на
швидкість досліджуваних ферментно-каталітич-
них реакцій, розраховані величини констант Мі-
хаеліса–Ментен (КМ) змінюються в межах від
11.64 ± 2.9 до 4391.2 ± 169.6 мМ при адсорбції на
поверхні електропровідного полімеру самої ал-
когольоксидази та в межах від 33.74 ± 0.79 до
34 ISSN 0041-6045. УКР. ХИМ . ЖУРН . 2006. Т. 72, № 11
1142.8 ± 37.16 мМ — у випадку адсорбованої
суміші ферментів (алкогольоксидаза + пероксида-
за). Тип і природа фермента, адсорбованого на
поверхні макромолекулярної плівки, яка моди-
фікує Pt-електрод, теж впливає на величину стру-
мів відклику амперометричної комірки і на ха-
рактер взаємодії протеїн—електропровідний по-
лімер: Іmax для поліамінофенольного електрода
зростає при переході від алкогольоксидази (≈100
нА) до глюкозооксидази (120—600 нА) і до бі-
ферментної системи АО+ПО (900—1700 нА). Глю-
козооксидаза, яка в водному розчині несе нега-
тивний заряд, може при накладанні електричного
потенціалу допуватись у макромолекулярний лан-
цюг електропровідного полімеру [12]. Покращен-
ня операційної стабільності глюкозооксидазно-
го електрода після циклювання (рис. 5, 6), оче-
видно, теж зв’язано з додатковою інкорпорацією
фермента в полікарбазольну та в поліамінофено-
льну плівки [13]. Операційна стабільність алко-
гольоксидазного та (АО+ПО)-електрода, визначена
через 2 год, навпаки, дещо зменшується порівня-
но із первинним відкликом (12 та ≈30 % відпо-
відно), що може обумовлюватись складними
йонообмінними, електростатичними та окисно-
відновними взаємодіями в системі електропро-
відний полімер—функціональні групи макромо-
лекул фермента, оскільки, згідно із літературни-
ми даними, електрохімічні властивості поліані-
ліну, наприклад, не залежать від наявності Н2О2,
який є основним електроактивним продуктом да-
ної ферментативної реакції [12].
При адсорбції АО та АО+ПО на немодифі-
кованому платиновому електроді його чутливість
до зміни концентрації субстрату спостерігає-
ться тільки для біферментної системи, макси-
мальна величина струму відклику якої знахо-
диться в межах 170—1820 нА і зростає в ряду мо-
дифікуючих плівок: поліпірол > поліанілін >
чистий Pt-електрод < полікарбазол < поліаміно-
фенол (рис. 4, а).
Отже, при глобулярній структурі ЕПП вна-
слідок розвинутої площі поверхні контакту фер-
мент—полімер можуть бути покращені мехaні-
зми транспорту електронів між ферментами і
електродом, що впливатиме на активність ім-
мобілізованих молекул. Змінюючи природу елек-
тропровідного полімеру, з допомогою якого мо-
дифіковано поверхню електрода чи товщину по-
лімерного шару, яку можна регулювати кількіс-
тю сканувань електродного потенціалу в заданих
межах в потенціодинамічному режимі чи кіль-
кістю пропущеної електрики через систему в
гальваностатичному режимі електролізу, мож-
на впливати на характеристики амперометрич-
них алкогольоксидазних біосенсорів, працездат-
ність яких забезпечується перш за все сумісніс-
тю синтезованих ЕПП із даними ферментами,
що свідчить про перспективність досліджень їх од-
ночасного електроосадження на струмопровід-
них поверхнях.
Досліджені ферментні електроди, для яких
іммобілізація біологічно активних компонентів
Рис. 5. Визначення операційної стабільності фермен-
тного електроду ГО: 1 — відклик через 1 добу; 2 —
первинний відклик; 3 — відклик через 3 доби; 4 —
через 6 діб. Pt-електрод, модифікований полікарбазо-
лом. Е = +0.5 В.
Рис. 6. Оцінка операційної стабільності ферментного
електроду ГО: 1 — відклик через 3 доби; 2 — через
2 год; 3 — початковий відклик. Pt-електрод, мо-
дифікований поліамінофенолом. Е= +0.5 В.
ISSN 0041-6045. УКР. ХИМ . ЖУРН . 2006. Т . 72, № 11 35
у матрицю ЕПП проводилась шляхом адсорбці-
йної інкорпорації, характеризуються пропор-
ційним зростанням струмового відклику ензим-
ного електрода до кількості субстрату в аналіті,
що може бути використано з діагностичною ме-
тою в медицині, для аналізу харчових продуктів
та в екології.
РЕЗЮМЕ. Исследовано влияние природи элект-
ропроводных полимеров , электрохимически осаж-
денных на поверхности платинового электрода , на
их способность адсорбировать на своей поверхности
ферменты глюкозооксидазу, алкогольоксидазу или
биферментную систему алкогольоксидаза + перокси-
даза (АО+ПО). Иммобилизация ферментов на повер-
хности электродов, модифицированных электропро-
водными полимерами, позволяет применять получен-
ные ферментные электроды в качестве амперометри-
ческих биосенсоров.
SUMMARY. The influence of nature of electrocon-
ductive polymers on their ability to adsorb on it’s surfa-
ces ferments: glucose oxidase; alcohol oxidase; alcohol
oxidase + peroxidase biferment system were studied. Po-
lymers were electrochemically precipitated on platinum
electrode surface. The ferments immobilization on surface
of electrodes, modified by the electroconductive polymer
allows to use the prepared ferment electrodes as the ampe-
rometric biosensors.
1. Alan J. Heeger // Current Appl. Physics. -2000. -№
1. -P. 247—267.
2. Alan G. MacDiarmid. // Ibid. -2001. -№ 1. -P. 269—279.
3. Saraswathi R., Gerard M ., M alhotra B.D. // J. Appl.
Polym. Sci. -1999. -74. -P. 145—150.
4. M anju Gerard, A sha Chaubey, M alhotra B.D. // ELSE-
VIER. Biosensors and Bioelectronics. -2002. -17. -P.
345—359.
5. Шеллер Ф., Кирштайн Д., Шуберт Ф. и др. Фермен-
ты в электрохимических биосенсорах. Электрохи-
мия. -1993. -29, № 12. -С. 1522—1527.
6. Gonchar M ., M aidan M ., Korpan Y a. et al. // ELSEI-
VER. -2002. -2. -P. 307—314.
7. Тарасевич М .Р., Богдановская В.А ., Жутаева Г.В.
// Электрохимия. -1993. -23, № 12. -С. 1554—1561.
8. Koval’chuk E.P., W hittingham S., Skolozdra O.M . et
al. // Mater. Chem. Phys. -2001. -69. -P. 154—162.
9. Genies E. M ., Lapkowski M . // J. Electroanal. Chem.
-1987. -236. -P. 189—197.
10. Шайтан К.В. // Соросовский образовательный
журн. -1999. -№ 3. -С. 55—62.
11. Cass A.E.G., Davis G., Francis G.D. et al. // Anal.
Chem. -1984, -56. -P. 667—671.
12. Shaolin M u., Huaiguo Xue. // Sensors and actuators.
-1996. -B31. -P. 155—160.
13. Bartlett P.N., Caruana D.J. // Analyst. -1992. -117.
-P. 1287—1292.
Львівський національний університет ім. Івана Франка Надійшла 16.06.2005
36 ISSN 0041-6045. УКР. ХИМ . ЖУРН . 2006. Т. 72, № 11
|