Математичний опис електроокиснення допаміну, що супроводжується його хімічною та електрохімічною полімеризацією
The electrooxidation of dopamine is accompanied by its chemical and electrochemical polymerization, and in which either the monomer or the polymer may be oxidized to the respective quinonic form, was investigated from the theoretical point of view. Dopamine is one of the important neurotransmitters...
Gespeichert in:
| Datum: | 2020 |
|---|---|
| Hauptverfasser: | , , , , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Englisch |
| Veröffentlicht: |
V.P. Kukhar Institute of Bioorganic Chemistry and Petrochemistry of the National Academy of Sciences of Ukraine
2020
|
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | https://bioorganica.com.ua/index.php/journal/article/view/8 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Ukrainica Bioorganica Acta |
| Завантажити файл: |  |
Institution
Ukrainica Bioorganica Acta| _version_ | 1871193615695347712 |
|---|---|
| author | Tkach, Volodymyr V. Kushnir, Marta V. Ivanushko, Yana G. Lukanova, Svitlana M. Oliveira, Silvio C. de Yagodynets, Petro I. |
| author_facet | Tkach, Volodymyr V. Kushnir, Marta V. Ivanushko, Yana G. Lukanova, Svitlana M. Oliveira, Silvio C. de Yagodynets, Petro I. |
| author_institution_txt_mv | [
{
"author": "Volodymyr V. Tkach",
"institution": "Universidade Federal de Mato Grosso do Sul, Ave. Sen. Felinto. Müller, 1555, C\/P. 549, 79074-460, Campo Grande, MS, Brazil"
},
{
"author": "Marta V. Kushnir",
"institution": "Yuriy Fedkovich Chernivtsi National University, 2 Kotsiubynsky St., Chernivtsi, 58012, Ukraine "
},
{
"author": "Yana G. Ivanushko",
"institution": "Bukovinian State Medical University, 9 Teatralna Sq., Chernivtsi, 58000, Ukraine"
},
{
"author": "Svitlana M. Lukanova",
"institution": "Yuriy Fedkovich Chernivtsi National University, 2 Kotsiubynsky St., Chernivtsi, 58012, Ukraine"
},
{
"author": "Silvio C. de Oliveira",
"institution": "Universidade Federal de Mato Grosso do Sul, Ave. Sen. Felinto. Müller, 1555, C\/P. 549, 79074-460, Campo Grande, MS, Brazil"
},
{
"author": "Petro I. Yagodynets",
"institution": "Yuriy Fedkovich Chernivtsi National University, 2 Kotsiubynsky St., Chernivtsi, 58012, Ukraine"
}
] |
| author_sort | Tkach, Volodymyr V. |
| baseUrl_str | https://bioorganica.com.ua/index.php/journal/oai |
| collection | OJS |
| datestamp_date | 2026-07-19T14:56:52Z |
| description | The electrooxidation of dopamine is accompanied by its chemical and electrochemical polymerization, and in which either the monomer or the polymer may be oxidized to the respective quinonic form, was investigated from the theoretical point of view. Dopamine is one of the important neurotransmitters in human and mammal organisms. It is a precursor to epinephrine, which influences the cardiovascular, hormonal and renal functions. Its lack causes diseases like Parkinson, therefore, dopamine has been used as a drug for their treatment. On the other hand, its excess stimulates the sympatic nervous system yielding the metabolic disorders and even schizophrenia. Thus, the development of the rapid and accurate method for its concentration measurement is very important. Dopamine is very popular analyte in electroanalytical systems. The modified electrodes for its determinations have been developed by many researchers. Dopamine is widely used as a monomer for synthesis of a conducting polymer – polydopamine, whis is used as electrodes’ modifier in capacitors and in anticorrosive coatings. The electropolymerization of dopamine into polydopamine proceeds along with its traditional quinone-hydroquinonic oxidation. Both processes give their impact to the electrochemical behavior of dopamine during its electropolymerization. The mechanism’s complexity is also responsible for the electrochemical instabilities during electro-oxidation. In order to understand these instabilities it’s necessary to develop the mathematical model that is capable to describe the behavior of the system. It also helps us to esteem the influence of the electrochemical instabilities, by which it may be accompanied. The goal of this work is to describe an electrochemical oxidation and polymerization of dopamine that will provide an important connection between the electrochemical detection of biologically active compounds and their electropolymerization for electrode modification. |
| doi_str_mv | 10.15407/bioorganica2020.01.047 |
| first_indexed | 2025-07-17T12:19:59Z |
| format | Article |
| fulltext |
ISSN 1814-9758. Ukr. Bioorg. Acta, 2020, Vol. 15, N 1
UDC 544.6 + 541.138.3: 539.2: 539.216
DOI: https://doi.org/10.15407/bioorganica2020.01.047
47
Ukrainica Bioorganica Acta
www.bi oorgan ica .org .ua
RESEARCH ARTICLE
The mathematical description of dopamine electrochemical oxidation,
accompanied by its chemical and electrochemical polymerization
Volodymyr V. Tkach1,2*, Marta V. Kushnir1, Yana G. Ivanushko3, Svitlana M. Lukanova1,
Silvio C. de Oliveira2, Petro I. Yagodynets1
1 Yuriy Fedkovich Chernivtsi National University, 2 Kotsiubynsky St., Chernivtsi, 58012, Ukraine
2 Universidade Federal de Mato Grosso do Sul, Ave. Sen. Felinto. Müller, 1555, C/P. 549, 79074-460, Campo Grande, MS, Brazil
3 Bukovinian State Medical University, 9 Teatralna Sq., Chernivtsi, 58000, Ukraine
Abstract: The electrooxidation of dopamine is accompanied by its chemical and electrochemical polymerization, and in which either the
monomer or the polymer may be oxidized to the respective quinonic form, was investigated from the theoretical point of view. Dopamine
is one of the important neurotransmitters in human and mammal organisms. It is a precursor to epinephrine, which influences the
cardiovascular, hormonal and renal functions. Its lack causes diseases like Parkinson, therefore, dopamine has been used as a drug for their
treatment. On the other hand, its excess stimulates the sympatic nervous system yielding the metabolic disorders and even schizophrenia.
Thus, the development of the rapid and accurate method for its concentration measurement is very important. Dopamine is very popular
analyte in electroanalytical systems. The modified electrodes for its determinations have been developed by many researchers. Dopamine
is widely used as a monomer for synthesis of a conducting polymer – polydopamine, whis is used as electrodes’ modifier in capacitors and
in anticorrosive coatings. The electropolymerization of dopamine into polydopamine proceeds along with its traditional quinone-
hydroquinonic oxidation. Both processes give their impact to the electrochemical behavior of dopamine during its electropolymerization.
The mechanism’s complexity is also responsible for the electrochemical instabilities during electro-oxidation. In order to understand these
instabilities it’s necessary to develop the mathematical model that is capable to describe the behavior of the system. It also helps us to
esteem the influence of the electrochemical instabilities, by which it may be accompanied. The goal of this work is to describe an
electrochemical oxidation and polymerization of dopamine that will provide an important connection between the electrochemical
detection of biologically active compounds and their electropolymerization for electrode modification.
Keywords: dopamine; polydopamine; electrooxidation; electropolymerization; mathematical model.
Introduction
Dopamine is a hormone and one of the major
neurotransmitters in human and mammalian organisms [1-
4] that is synthesized in the body. It is a member of the
catecholamine family of neurotransmitters in the brain and
is a precursor to epinephrine (adrenaline) and
norepinephrine (noradrenaline) hormons [5]. Its lack causes
Received:
Revised:
Accepted:
Published online:
03.04.2020
10.04.2020
14.05.2020
30.06.2020
Corresponding author. Tel.: +380-50-640-0359;
e-mail: nightwatcher2401@gmail.com (V. V. Tkach)
ORCID: 0000-0001-7696-0954
illnesses like Parkinson disease [6], therefore it can be used
as a drug in medical protocols [7]. Its excess can cause
different effects on sympathic segment of neurosystem,
methabolic disturbance and even schizophrenia [8].
Therefore, the development of a novel method that is
capable to detect its concentration in a rapid, precise,
accurate and sensitive way is very important task.
Chemically modified electrodes have various
advantages, the main of which is the affinity between the
modifier and the analyte, reason why they are one of the
modern, cheap and tunable electroanalytic tools. For
example, for detection of hydroquinonic compounds,
various electrode modifiers of a different nature and
composition were developed [9-15]. Some hydroquinonic
and quinonic compounds may also serve as electrode
© Tkach V. V. et al. This is an open-access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution License, which permits unrestricted
use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original author and source are credited.
V. V. Tkach, M. V. Kushnir, Y. G. Ivanushko et al.
48
modifiers [16-17]. Dopamine is a polymerizable compound
[18] and its polymer can be used as an electrode modifier
similarly as of polyalizarine [19]. Moreover, if the
supporting electrolyte contains oxidizing ions, they can
promote chemical polymerization of dopamine. In order to
evaluate the effect of polymerization by the electrochemical
(electroanalytical) process it´s necessary to investigate the
system with polymerization-accompanied electrochemical
oxidation of dopamine from mechanistic point of view.
Therefore, it’s important to develop and analyze the
mathematical model that is capable to describe the behavior
of the system. It will be useful us to evalate the influence of
the electrochemical instabilities that can be occurred
[20-21].
The goal of this work is to evaluate by mechanistic way
the influence of chemical and electrochemical
polymerization of dopamine and introduce an important
connection between the electrochemical detection of
biologically active compounds and their electropoly-
merization.
System and its modeling
The dopamine polymerization is occured in electrode
potential lower than for benzolic compounds. It is due to the
presence of donor groups (two hydroxyls and an ethylamine
group) in the benzene ring, therefore, the number of
chemical oxidants that is capable to promote
polymerization, has to be higher compared to benzene. The
bond between monomer units is formed either by
participation of oxygen, or by creating C-C bond between
positions 3 and 6 of the ring.
While the hydroquinonic structure is present (at least in
part) in the polymer backbone, the polymer can be also
oxidized further to its quinonic form. The oxidation of
hydroquinonic monomer units makes the system similar to
so called “polythiophene paradox” [22]. The
electrochemical oxidation of the dopamine polymer is
reversable in nature while overoxidation of the same
polymer is irreversible. Therefore we can safely assume that
these processes are different.
Taking in account the described assumptions, we are
introducing three variables:
c – the dopamine concentration in the pre-surface layer;
θ – dopamine coverage degree;
θp – polydopamine (chemically, or electrochemically
obtained) coverage degree.
In order to simplify the mathematical model, we
introduce several assumptions:
• the background electrolyte is present in an excess,
therefore we can disregard the migration flow and the
oxidizing dopant concentration change;
• the reactor is intensively stirred, so we can disregard
the influence of convection flow;
• the concentration profile of dopamine in the pre-surface
layer is linear;
• the thickness of pre-surface layer is constant and equal
to δ.
It is possible to demonstrate that the differential
equations’ set that are describing the electrochemical
oxidation system can be defined as following:
321
21211
110
1
1
2
rrr
Jdt
d
rrrrr
Gdt
d
rrcc
dt
dc
pp
p
pp
(1)
where Δ is the dopamine diffusion coefficient to from
electrolite to the surface, c0 is its concentration in the
solution, G and J are the maximal surface concentration of
the dopamine and its polymer correspondengly, and the
parameters r are the dopamine rates of adsorption (r1),
desorption (r-1), electrooxidation (r2), chemical (rp1) and
electrochemical (rp2) polymerization, and the rate of
polydopamine oxidation (r3). These rates can be express as
following:
exp)1(11 pckr ; (2)
exp11 kr ; (3)
RT
F
kr
2
exp22 ; (4)
)(exp1 p
n
pp f
RT
zF
kr
; (5)
)(2 p
m
pp fkr ; (6)
RT
jF
kr
p
p
exp33 (7)
where the parameters k are the correspondent reaction rate
constants, parameter α is a variable, which describes the
interaction between the dopamine adsorbed molecules, F is
the Faraday number, z and j are the numbers of transferred
electrons during the polymer formation and oxidation
correspondingly, γ and ξ are parameters that describes the
influences of the electrochemical processes on the double
electric layer (DEL) capacitances, R is the universal gas
constant, T is the absolute temperature of the solution, f is
the function that describes the autocatalytic reaction of the
dopamine polymerization and relates to the
polymerization’s reaction order.
ISSN 1814-9758. Ukr. Bioorg. Acta, 2020, Vol. 15, N 1
49
The electrochemical dopamine polimerization system is
similar to “the polythiophene paradox” that combines
nearly all variables. Its behavior, however, is slightly
different, and will be discussed in the next section.
Results and discussion
In order to understand and investigate the behavior of the
electrochemical system that includes dopamine’s
electrooxidation and polymerization we apply a linear
stability theory to equation set (1). Its steady-state Jacobian
matrix members can be described as :
333231
232221
131211
aaa
aaa
aaa
(8)
where variables can be described by Equations 9-17
(Figure 1).
exp)1(
2
111 pka (9)
expexpexp)1(exp
2
111112 kkckcka p (10)
exp
2
113 cka (11)
exp)1(
1
121 pk
G
a (12)
)(exp)(exp
2
exp
2
exp
expexpexp)1(exp
1
1
22
1111
22
p
n
pp
n
p
p
f
RT
zF
kf
RT
zF
nk
RT
F
k
RT
F
k
kkckck
G
a
(13)
)exp)(('exp
1
123
m
p
n
pp k
RT
zF
kfck
G
a
(14)
031 a (15)
)(exp)(exp
1 1
32 p
n
pp
n
p f
RT
zF
kf
RT
zF
nk
J
a
(16)
RT
jF
k
RT
jF
kk
RT
zF
kf
J
a
p
p
pm
p
n
pp
expexp)exp)(('
1
3333
(17)
0)())(( (30)
0)())(( (31)
Figure 1. The series of Equations 9-17 and 30-31.
V. V. Tkach, M. V. Kushnir, Y. G. Ivanushko et al.
50
Observing the expressions (8), (12) and (15), it’s
possible to demonstrate the oscillatory behavior of the
system. Moreover, it is even more likely occurance compare
to similar systems [20-21]. It happens because the main
matrix diagonal contains more positive elements compare to
mathematical models for similar systems [20-21, 23-24].
The oscillatory behavior will be observed under
following conditions:
• attraction between the adsorbed molecules that are
represented by the positivity of the element
exp)1(1 pck
and of exp1k .
This influence factor is common to all similar systems and
represents the surface instability that was described
experimentally [20-21] and theoretically [23-24];
• strong influence of electrochemical processes on DEL
capacitances. This cause is common to all similar systems
and represent the electrochemical instability the oscillation
amplitudes and electrolyte’s composition [20]. In the case
of dopamine three electrochemical processes are taking
place that can cause changes to electrolyte’s conductivity
(increases or decreases). Therefore, the DEL capacitance
will have its value altered, which will cause the
electrochemical oscillations. Mathematically, they are
described by the positivity of the elements
RT
jF
k
p
p
exp3 ,
RT
F
k
2
exp2
(18) (19)
and
)(exp p
n
p f
RT
zF
k
(20)
which make part of the main diagonal elements a22 and a33.
• the autocatalysis during polymer formation can occur
because of rapid transference of an olygomer and a polymer
compare to a monomer. This factor as a cause of the
oscillatory behavior occures during the “polythiophene
paradox”. Mathematically it can be described by the
positivity of the element
)exp)((' m
p
n
pp k
RT
zF
kf
(21)
The oscillatory behavior has three possible causing
factors compare to the two factors that are existing in the
general [23]. Ther factors are being similar to the
polythiophene paradox [24].
In order to evaluate the steady-state stability we apply
the Routh-Hurwitz stability criterion to the differential
equations’ set (1). To avoid the appearance of the
cumbersome expressions we introduce new variables:
(22)
exp)1(1 pk (23)
expexpexp)1(exp 1111 kkckck p
(24)
exp1ck (25)
RT
F
k
RT
F
k
2
exp
2
exp 22 (26)
)(exp)(exp1
p
n
pp
n
p f
RT
zF
kf
RT
zF
nk
(27)
RT
jF
k
RT
jF
k
p
p
p
expexp 33
(28)
so the Jacobian determinant can be described as following:
0
2
GJ
(29)
Opening the brackets and applying to the determinant the
requirement Det J < 0 that is derived from the criterion we
can obtain the steady-state stability condition that is
described in Equation 30 (Figure 1).
The topological area of satisfaction of the inequation
(30) is less than in the similar cases, including even the case
of the polythiophene paradox [20-24]. Nevertheless, the
steady-state stability is easy to maintain as it will be
warranted to be stable if:
• the repulsion between the adsorbed particles that is
described by the positivity of the parameter when the
parameter α is negative. Together with the satisfaction of
the conditions exposed below, the element is
maintained positive, and the left-side expression of the
inequation is more negative;
• the influence of the electrochemical processes to the
DEL capacitances that is described by the positivities of the
parameters , and . Each parameter corresponds to
the certain electrochemical process – electrooxidation ( ),
electropolymerization ( ) and the polymer electrooxidation
( ). In the case of the positivity of the these parameters the
expression will have the a positive
value, and it will “push” the left-side expression of the
ISSN 1814-9758. Ukr. Bioorg. Acta, 2020, Vol. 15, N 1
51
inequation (30) to more negative values, resulting in its
satisfaction;
• the absence or fragility of autocatalytic effect during
electropolymerization. If the autocatalysis isn’t realized,
f(θ)=const and f´(θ)=0, which anihilates the elements
containing the parameter K, the nulity or negativity of
which “pushes” the left-side expression of the inequation
(30) to more negative values, satisfying the steady-state
stability condition.
Depending on dopamine concentration and on
electrode’s shape the electrochemical process can be
diffusion-controlled or adsorption-controlled.
It will correspond to a linear dependence between an
electrochemical parameter and a dopamine concentration
from the electroanalytical point of view. It will correspond
to a polymer formation from electrosynthetic point of view.
The monotonic instability is also probable if the
destabilizing and stabilizing influences are equal and it
relates to a detection limit from the electroanalytical point
of view. It will be caused by an autocatalysis and its
conditions can be described by Equation 31 (Figure 2).
Not only dopamine, but also other compounds that are
having a hydroquinonic structural characteristics and active
sites for electropolymerization can undergo the process that
is described in this work. For example, acetaminophen
(paracetamole) can be also polymerized [25]. Its
electrochemical detection on poly- (aniline blue) electrodes
was reported [26] and described theoretically [27]. The
section 2 reported electropolymerization that was
accompanied by electrochemical detection of paracetamol
over polymeric surface. Our model can be used to described
polyacetaminophen electrooxidation.
Conclusions
The analysis of dopamine electrooxidation that is
accompanied by chemical and electrochemical
polymerization allow us to conclude that:
• the stable steady-state, despite to the narrower
parameter topological zone, can be easily maintain. The
factors, which are warranting the steady-state stability, are
repulsion between particles, fragility of DEL influences of
electrochemical processes and the absence or fragility of
autocatalysis
• depending on dopamine concentration, the electrode
area and the presence of active sites, the process will be
controlled by diffusion or by adsorption;
• the oscillatory behavior in this case is more probable
than in the cases of electropolymerization. It caused by a
surface, an electrochemical and an autocatalytical factors;
• the monotonic instability of this system can appear and
can be caused by autocatalysis in electropolymerization.
Notes
The authors declare no conflict of interest.
Author contributions. The manuscript was written
through contributions of all authors. All authors have given
approval to the final version of the manuscript.
References
1. Fellous, J-M.; Suri, R. E. The Roles of Dopamine. In The Handbook
of Brain Theory and Neural Networks, 2nd Ed.; Arbib, M. A., Ed.;
MIT Press: Cambridge, MA, 2003; pp 361-365.
2. Benes, F. M. Carlsson and the discovery of dopamine. Trends in
Pharmacol. Sci. 2001, 22, 46-47.
3. Dopamine, CID=681. In PubChem Database. National Center for
Biotechnology Information [Internet]. Available from:
https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/compound/dopamine#section=Use
-and-Manufacturing (accessed on April 03, 2020).
4. Dopamine, GtoPdb Ligand ID: 940. In IUPHAR Database
(IUPHAR-DB) via the Guide to PHARMACOLOGY website
[Internet]. Available from: http://www.guidetopharmacology.org/
GRAC/LigandDisplayForward?tab=biology&ligandId=940
(accessed on April 03, 2020).
5. Kirshner, N.; Goodall, Mc. C. The formation of adrenaline from
noradrenaline. Biochim. Biophys. Acta 1957, 24, 658-659.
6. Triarhou, L. C. Dopamine and Parkinson's Disease. In Madame Curie
Bioscience Database [Internet]. (Austin, TX: Landes Bioscience;)
2000-2013. Available from: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/
books/NBK6271/ (accessed on April 03, 2020).
7. Seeman, P. Glutamate and dopamine components in schizophrenia. J.
Psychiatry Neurosci. 2009, 34, 143-149.
8. Costa, M. de L.; Loria, A.; Marchetti, M.; Balaszczuk, A. M.;
Arranz, C. T. Effects of dopamine and nitric oxide on arterial
pressure and renal function in volume expansion. Clin. Exp.
Pharmacol. Physiol. 2002, 29, 772-776.
9. Sasso, L.; Heiskanen, A.; Diazzi, F.; Dimaki, M.; Castillo, J.;
Vergani, M.; Landini, E.; Raiteri, R.; Ferrari, G.; Carminati, M.;
Sampietro, M.; Svendsen, W. E.; Emnéus, J. Doped Overoxidized
Polypyrrole Microelectrodes as Sensors for the Detection of
Dopamine Released from Cell Populations. Analyst 2013, 138, 3651-
3659.
10. Scarpetta, A.; Mariño, K.; Bolaños et al. Determination of
hydroquinone using a glassy carbon electrode modified with
chitosan, multi-wall carbon nano-tubes and ionic liquid. Possible use
as sensor. Rev. Colomb. Cienc. Quim. Farm. 2015, 44, 311-321. (In
Spanish).
11. Ankireddy, R.; Kim, J. Selective detection of dopamine in the
presence of ascorbic aced via fluorescence quenching of InP/ZnS
quantum dots. Int. J. Nanomed. 2015, 10, 113-119.
12. Fayemi, O. F., Adekunle, A. S., Ebenso, E. E. Metal oxide
nanoparticles/multi-walled carbon nanotube nanocomposite modified
electrode for the detection of dopamine: comparative electrochemical
study. J. Biosens. Bioelectr. 2015, 6, 190-204.
13. Peik-See, T.; Pandikumar, A.; Nay-Ming, H.; Hong-Ngee, L.;
Sulaiman, Y. Simultaneous electrochemical detection of dopamine
and ascorbic acid using an iron oxide/reduced grapheme oxide
modified glassy carbon electrode. Sensors 2014, 14, 15227-15243.
14. Vishwanatha, C. C.; Swamy, B. E. K.; Pai, K. V. Electrochemical
Studies of Dopamine, Ascorbic Acid and Uric Acid at Lignin
Modified Carbon Paste Electrode by Cyclic Voltammetric. J. Anal.
Bioanal. Tech. 2015, 6, 237-242.
15. Raoof, J. B.; Kiani, A.; Ojani, R.; Valliolahi, R. Electrochemical
determination of dopamine using banana-MWCNTs modified carbon
paste electrode. Anal. Bioanal. Electrochem. 2011, 3, 59-66.
16. Ojani, R.; Rahimi, V.; Raoof, J. A new voltammetric sensor for
hydrazine based on michael addition reaction using 1-amino-2-
naphtol-4-sulfonic acid. J. Chin. Chem. Soc. 2015, 62, 90-96.
17. Khajvand, T.; Ojani, R.; Raoof, J. B. Tetrachloro-ortho-
Benzoquinone as Catalyst for Electrocatalytic Oxidation of Sulfite in
Acidic Media and its Analytical Application. Anal. Bioanal.
Electrochem. 2014, 6, 501-514.
18. Wang, J. L.; Li, B. C.; Li, Z. J. et. al. Electropolymerization of
dopamine for surface modification of complex-shaped cardiovascular
stents. Biomaterials 2014, 35, 7679-7689.
https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/compound/dopamine#section=Use-and-Manufacturing
https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/compound/dopamine#section=Use-and-Manufacturing
http://www.guidetopharmacology.org/%0bGRAC/LigandDisplayForward?tab=biology&ligandId=940
http://www.guidetopharmacology.org/%0bGRAC/LigandDisplayForward?tab=biology&ligandId=940
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/%0bbooks/NBK6271/
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/%0bbooks/NBK6271/
V. V. Tkach, M. V. Kushnir, Y. G. Ivanushko et al.
52
19. Mahantesha, K. R.; Swamy, B. E. K.; Pai, K. V. Poly (alizarin)
Modified glassy carbon electrode for the electrochemical
investigation of omeprazole: A voltammetric study. Anal. Bioanal.
Electrochem. 2014, 6, 234-244.
20. Das, I., Agrawal, N.R.; Ansari, S. A.; Gupta, S. K. Pattern formation
and oscillatory polymerization of thiophene. Ind. J. Chem. 2008,
47A, 1798-1803.
21. Tkach, V.; Nechyporuk, V.; Yagodynets, P. Electropolymerization of
heterocyclic compounds. Mathematical models. Ciên. Tecn. Mat.
2012, 24, 54-58 (In Portuguese).
22. Krische, B.; Zagorska, M. The polythiophene paradox. Synth. Met.
1989, 28, 263-268.
23. Tkach, V.; Nechyporuk, V.; Yagodynets, P. Description matematica
de la sintesis electroquimica de polimeros conductors en la presencia
de surfactants. Avances en. Quimica. 2013, 8, 9-15 (In Spanish).
24. Tkach, V.; Ojani, R., Nechyporuk, V.; Yagodynets, P. The
mathematical description for the sensor of dopamine, based on
carbon paste electrode, modified by nanotubes and banana tissues.
Rev. Colomb. Cien. Quim. Farm. 2015, 44, 58-71 (In Portuguese).
25. Li, Y.; Chen, Sh. M. The Electrochemical Properties of
Acetaminophen on Bare Glassy Carbon Electrode. Int. J.
Electrochem. Sci. 2012, 7, 2175-2187.
26. Vishwanath, C. C.; Swamy, B. E. K. Electrochemical studies of
paracetamol at Poly (Aniline Blue) modified carbon paste electrode:
A voltammetric study. Anal. Bioanal. Electrochem. 2014, 6, 573-582.
27. Tkach, B. Kumara-Swamy, R. Ojani et al. Paracetamol behavior
during the electrocatalytic oxidation of poly (aniline blue) and its
mathematical description. Rev. Colomb. Cienc. Quim. Farm. 2015,
44, 148-161 (In Portuguese).
Математичний опис електроокиснення допаміну, що супроводжується його
хімічною та електрохімічною полімеризацією
В. В. Ткач1,2*, M. В. Кушнір1, Я. Г. Іванушко3, С. М. Луканова1, С. C. де Олівейра2, П. І. Ягодинець1
1 Чернівецький національний університет імені Юрія Федьковича, вул. Коцюбинського, 2, Чернівці, 58012, Україна
2 Федеральний університет штату Мату-Ґросу- ду-Сул, просп. Сенадора Філінто Мюллера, 1555, Кампу-Гранді, Мату-Ґросу-ду-Сул,
79074-460, Бразилія
3 Буковинський державний медичний університет, пл. Театральна, 2, Чернівці, 58002, Україна
Резюме: Цікавий випадок електроокиснення допаміну, що супроводжується його хімічною та електрохімічною полімеризацією, в умовах якої як
мономер, так і полімер можуть електрохімічно окиснюватися, досліджено з теоретичної точки зору. Допамін – один із найважливіших
нейротрансмітерів в людських організмах, а також в організмах інших ссавців. Він є прекурсором епінефрину – однієї із найважливіших молекул
нейтротрансмітерів з важливими впливами на функції серцево-судинної системи, гормонального апарату, нирок тощо. Його нестача стає
причиною ряду хвороб – таких, як хвороба Паркінсона. Відтак, допамін використовується як лікарський препарат при їх лікуванні. З іншого боку,
надлишок допаміну призводить до стимулювання симпатичної нервової системи, метаболічних порушень і навіть шизофренії. Відтак, розробка
методу його визначення точно і швидко – дійно актуальна задача. Сам по собі допамін є дуже популярним аналітом в електроаналітичних
системах. Модифіковані електроди для його визначення були розроблені багатьма вченими. Допамін також широко використовується як
мономер провідного полімеру – полідопаміну, який використовується як модифікатор електроду у конденсаторах та як протикорозійне покриття.
Оскільки електрополімеризація допаміну іде паралельно з його традиційним окисненням за хінон-гідрохінонним механізмом, обидва процеси
вносять свій вклад в електрохімічну поведінку допаміну під час його електрополімеризації. Відтак гібридність механізму теж стає
відповідальною за появу електрохімічних нестійкостей при електроокисненні допаміну, що супроводжується його електрополімеризацією. Вони
можуть призводити до ускладнення інтерпретації аналітичного сигналу, а також до поломки електрохімічного обладнання. Щоби з’ясувати
імовірність появи цих нестійкостей, необхідно апріорно дослідити поведінку у даній системі з теоретичної точки зору, що і відбувається у цій
роботі. Для цього поведінка в електроаналітичному процесі описується системою трьох балансових диференціальних рівнянь, аналіз якої
показує, що: a). Cтійкість стаціонарного стану, незважаючи на звуження топологічної області параметрів, яка їй відповідає, підтримується легко.
Фактори, що забезпечують стійкість стаціонарного стану – відштовхуюча взаємодія адсорбованих молекул мономеру або полімеру, слабкість
впливів електрохімічних процесів на подвійний електричний шар та відсутність або слабкість автокаталізу; б). В залежності від концентрації
допаміну та активної площі електроду, електроаналітичний процес може бути дифузійно- або адсорбційно-контрольованим; в). Осциляторна
поведінка в цьому випадку стає більш імовірною, ніж в загальних випадках електрополімеризації. Вона спричиняється поверхневими,
електрохімічними та автокаталітичними факторами; - монотонна нестійкість в цій системі можлива. Вона спричиняється головно факторами
автокаталітичного росту ланцюга.
Ключові слова: допамін; полідопамін; електроокиснення; електрополімерізація; математична модель.
http://www.electrochemsci.org/papers/vol7/7032175.pdf
http://www.electrochemsci.org/papers/vol7/7032175.pdf
Notes
|
| id | oai:ojs2.bioorganica.com.ua:article-8 |
| institution | Ukrainica Bioorganica Acta |
| keywords_txt_mv | keywords |
| language | English |
| last_indexed | 2026-07-20T01:01:32Z |
| publishDate | 2020 |
| publisher | V.P. Kukhar Institute of Bioorganic Chemistry and Petrochemistry of the National Academy of Sciences of Ukraine |
| record_format | ojs |
| resource_txt_mv | bioorganicacomua/0e/cddc20af6d4bff39315c6379ab66580e.pdf |
| spelling | oai:ojs2.bioorganica.com.ua:article-82026-07-19T14:56:52Z The mathematical description of dopamine electrochemical oxidation, accompanied by its chemical and electrochemical polymerization Математичний опис електроокиснення допаміну, що супроводжується його хімічною та електрохімічною полімеризацією Tkach, Volodymyr V. Kushnir, Marta V. Ivanushko, Yana G. Lukanova, Svitlana M. Oliveira, Silvio C. de Yagodynets, Petro I. dopamine polydopamine electrooxidation electropolymerization mathematical model допамін полідопамін електроокиснення електрополімерізація математична модель The electrooxidation of dopamine is accompanied by its chemical and electrochemical polymerization, and in which either the monomer or the polymer may be oxidized to the respective quinonic form, was investigated from the theoretical point of view. Dopamine is one of the important neurotransmitters in human and mammal organisms. It is a precursor to epinephrine, which influences the cardiovascular, hormonal and renal functions. Its lack causes diseases like Parkinson, therefore, dopamine has been used as a drug for their treatment. On the other hand, its excess stimulates the sympatic nervous system yielding the metabolic disorders and even schizophrenia. Thus, the development of the rapid and accurate method for its concentration measurement is very important. Dopamine is very popular analyte in electroanalytical systems. The modified electrodes for its determinations have been developed by many researchers. Dopamine is widely used as a monomer for synthesis of a conducting polymer – polydopamine, whis is used as electrodes’ modifier in capacitors and in anticorrosive coatings. The electropolymerization of dopamine into polydopamine proceeds along with its traditional quinone-hydroquinonic oxidation. Both processes give their impact to the electrochemical behavior of dopamine during its electropolymerization. The mechanism’s complexity is also responsible for the electrochemical instabilities during electro-oxidation. In order to understand these instabilities it’s necessary to develop the mathematical model that is capable to describe the behavior of the system. It also helps us to esteem the influence of the electrochemical instabilities, by which it may be accompanied. The goal of this work is to describe an electrochemical oxidation and polymerization of dopamine that will provide an important connection between the electrochemical detection of biologically active compounds and their electropolymerization for electrode modification. Цікавий випадок електроокиснення допаміну, що супроводжується його хімічною та електрохімічною полімеризацією, в умовах якої як мономер, так і полімер можуть електрохімічно окиснюватися, досліджено з теоретичної точки зору. Допамін – один із найважливіших нейротрансмітерів в людських організмах, а також в організмах інших ссавців. Він є прекурсором епінефрину – однієї із найважливіших молекул нейтротрансмітерів з важливими впливами на функції серцево-судинної системи, гормонального апарату, нирок тощо. Його нестача стає причиною ряду хвороб – таких, як хвороба Паркінсона. Відтак, допамін використовується як лікарський препарат при їх лікуванні. З іншого боку, надлишок допаміну призводить до стимулювання симпатичної нервової системи, метаболічних порушень і навіть шизофренії. Відтак, розробка методу його визначення точно і швидко – дійно актуальна задача. Сам по собі допамін є дуже популярним аналітом в електроаналітичних системах. Модифіковані електроди для його визначення були розроблені багатьма вченими. Допамін також широко використовується як мономер провідного полімеру – полідопаміну, який використовується як модифікатор електроду у конденсаторах та як протикорозійне покриття. Оскільки електрополімеризація допаміну іде паралельно з його традиційним окисненням за хінон-гідрохінонним механізмом, обидва процеси вносять свій вклад в електрохімічну поведінку допаміну під час його електрополімеризації. Відтак гібридність механізму теж стає відповідальною за появу електрохімічних нестійкостей при електроокисненні допаміну, що супроводжується його електрополімеризацією. Вони можуть призводити до ускладнення інтерпретації аналітичного сигналу, а також до поломки електрохімічного обладнання.&nbsp; Щоби з’ясувати імовірність появи цих нестійкостей, необхідно апріорно дослідити поведінку у даній системі з теоретичної точки зору, що і відбувається у цій роботі. Для цього поведінка в електроаналітичному процесі описується системою трьох балансових диференціальних рівнянь, аналіз якої показує, що: a). Cтійкість стаціонарного стану, незважаючи на звуження топологічної області параметрів, яка їй відповідає, підтримується легко. Фактори, що забезпечують стійкість стаціонарного стану – відштовхуюча взаємодія адсорбованих молекул мономеру або полімеру, слабкість впливів електрохімічних процесів на подвійний електричний шар та відсутність або слабкість автокаталізу; б). В залежності від концентрації допаміну та активної площі електроду, електроаналітичний процес може бути дифузійно- або адсорбційно-контрольованим; в). Осциляторна поведінка в цьому випадку стає більш імовірною, ніж в загальних випадках електрополімеризації. Вона спричиняється поверхневими, електрохімічними та автокаталітичними факторами; - монотонна нестійкість в цій системі можлива. Вона спричиняється головно факторами автокаталітичного росту ланцюга V.P. Kukhar Institute of Bioorganic Chemistry and Petrochemistry of the National Academy of Sciences of Ukraine 2020-06-30 Article Article application/pdf https://bioorganica.com.ua/index.php/journal/article/view/8 10.15407/bioorganica2020.01.047 Ukrainica Bioorganica Acta; Vol. 15 No. 1 (2020): Ukrainica Bioorganica Acta; 47-52 Ukrainica Bioorganica Acta; Том 15 № 1 (2020): Ukrainica Bioorganica Acta; 47-52 1814-9766 1814-9758 10.15407/bioorganica2020.01 en https://bioorganica.com.ua/index.php/journal/article/view/8/11 Copyright (c) 2020 Volodymyr V. Tkach, Marta V. Kushnir, Yana G. Ivanushko, Svitlana M. Lukanova, Silvio C. de Oliveira, Petro I. Yagodynets https://creativecommons.org/licenses/by/4.0 |
| spellingShingle | допамін полідопамін електроокиснення електрополімерізація математична модель Tkach, Volodymyr V. Kushnir, Marta V. Ivanushko, Yana G. Lukanova, Svitlana M. Oliveira, Silvio C. de Yagodynets, Petro I. Математичний опис електроокиснення допаміну, що супроводжується його хімічною та електрохімічною полімеризацією |
| title | Математичний опис електроокиснення допаміну, що супроводжується його хімічною та електрохімічною полімеризацією |
| title_alt | The mathematical description of dopamine electrochemical oxidation, accompanied by its chemical and electrochemical polymerization |
| title_full | Математичний опис електроокиснення допаміну, що супроводжується його хімічною та електрохімічною полімеризацією |
| title_fullStr | Математичний опис електроокиснення допаміну, що супроводжується його хімічною та електрохімічною полімеризацією |
| title_full_unstemmed | Математичний опис електроокиснення допаміну, що супроводжується його хімічною та електрохімічною полімеризацією |
| title_short | Математичний опис електроокиснення допаміну, що супроводжується його хімічною та електрохімічною полімеризацією |
| title_sort | математичний опис електроокиснення допаміну, що супроводжується його хімічною та електрохімічною полімеризацією |
| topic | допамін полідопамін електроокиснення електрополімерізація математична модель |
| topic_facet | dopamine polydopamine electrooxidation electropolymerization mathematical model допамін полідопамін електроокиснення електрополімерізація математична модель |
| url | https://bioorganica.com.ua/index.php/journal/article/view/8 |
| work_keys_str_mv | AT tkachvolodymyrv themathematicaldescriptionofdopamineelectrochemicaloxidationaccompaniedbyitschemicalandelectrochemicalpolymerization AT kushnirmartav themathematicaldescriptionofdopamineelectrochemicaloxidationaccompaniedbyitschemicalandelectrochemicalpolymerization AT ivanushkoyanag themathematicaldescriptionofdopamineelectrochemicaloxidationaccompaniedbyitschemicalandelectrochemicalpolymerization AT lukanovasvitlanam themathematicaldescriptionofdopamineelectrochemicaloxidationaccompaniedbyitschemicalandelectrochemicalpolymerization AT oliveirasilviocde themathematicaldescriptionofdopamineelectrochemicaloxidationaccompaniedbyitschemicalandelectrochemicalpolymerization AT yagodynetspetroi themathematicaldescriptionofdopamineelectrochemicaloxidationaccompaniedbyitschemicalandelectrochemicalpolymerization AT tkachvolodymyrv matematičnijopiselektrookisnennâdopamínuŝosuprovodžuêtʹsâjogohímíčnoûtaelektrohímíčnoûpolímerizacíêû AT kushnirmartav matematičnijopiselektrookisnennâdopamínuŝosuprovodžuêtʹsâjogohímíčnoûtaelektrohímíčnoûpolímerizacíêû AT ivanushkoyanag matematičnijopiselektrookisnennâdopamínuŝosuprovodžuêtʹsâjogohímíčnoûtaelektrohímíčnoûpolímerizacíêû AT lukanovasvitlanam matematičnijopiselektrookisnennâdopamínuŝosuprovodžuêtʹsâjogohímíčnoûtaelektrohímíčnoûpolímerizacíêû AT oliveirasilviocde matematičnijopiselektrookisnennâdopamínuŝosuprovodžuêtʹsâjogohímíčnoûtaelektrohímíčnoûpolímerizacíêû AT yagodynetspetroi matematičnijopiselektrookisnennâdopamínuŝosuprovodžuêtʹsâjogohímíčnoûtaelektrohímíčnoûpolímerizacíêû AT tkachvolodymyrv mathematicaldescriptionofdopamineelectrochemicaloxidationaccompaniedbyitschemicalandelectrochemicalpolymerization AT kushnirmartav mathematicaldescriptionofdopamineelectrochemicaloxidationaccompaniedbyitschemicalandelectrochemicalpolymerization AT ivanushkoyanag mathematicaldescriptionofdopamineelectrochemicaloxidationaccompaniedbyitschemicalandelectrochemicalpolymerization AT lukanovasvitlanam mathematicaldescriptionofdopamineelectrochemicaloxidationaccompaniedbyitschemicalandelectrochemicalpolymerization AT oliveirasilviocde mathematicaldescriptionofdopamineelectrochemicaloxidationaccompaniedbyitschemicalandelectrochemicalpolymerization AT yagodynetspetroi mathematicaldescriptionofdopamineelectrochemicaloxidationaccompaniedbyitschemicalandelectrochemicalpolymerization |