Є Квоальчук, О Перевізник, Н Підлипна - Гетерофазний синтез і сенсорні властивості поліанппнів - страница 1

Страницы:
1 

ВІСНИК ЛЬВІВ. УН-ТУ

Серія хім. 2009. Bun. 50. С. 317-323

VISNYK LVIV UNIV. Ser. Chem. 2009. Is. 50. P. 317-323

УДК 544.138

ГЕТЕРОФАЗНИЙ СИНТЕЗ І СЕНСОРНІ ВЛАСТИВОСТІ ПОЛІАНППНІВ Є. Ковальчук, О. Перевізник, Н. Підлипна

Львівський національний університет імені Івана Франка, вул. Кирила і Мефодія, 6, 79005 Львів, Україна e-mail:kovalch@franko. lviv. ua

Досліджено міжфазну полімеризацію, яка полягала у взаємодії мономерного аніліну, розчиненого в олеофазі, з окиснювачем - пероксидисульфатом натрію - у гелеподібній водно-поліакриламідній системі. Одержаний композит досліджено на предмет чутливого шару в амперометричному хемосенсорі для визначення глюкози і як платформу для створення ензим-ного електрода, який застосовується при амперометричному визначенні пероксиду водню.

Ключові слова: міжфазна полімеризація, електрохімічне окиснення, іммобілізація, амперометричні сенсори, ферменти.

Міжфазна полімеризація охоплює полімеризацію двох різних мономерів на межі вода-органічний розчинник. Один з мономерів розчинний у водній фазі, а інший - в органічному розчиннику. Матрична інкорпорація ґрунтується на фіксації субстанцій в структурі гелю з розмірами пор меншими за розміри інтеркальованих біомолекул. Метод придатний для макромолекул, частинок, мікробів, органел і клітин [1]. Перевагою гель-матричного інкапсулювання є низька токсичність компо­нентів гелю для інкорпорованих живих організмів. Низька молекулярна маса суб­станцій не перешкоджає дифузії з гелю. Гелева матриця становить найбільшу частину внутрішнього об'єму інкапсулату.

Одержання поліанілін-поліакриламідного композита можливе лише за полімеризації на межі фаз і ця межа слугує темплейтом для синтезу полімерних з' єднань з організованою структурою, в яких полімерні ланцюги розташовані не хаотично, а в певному порядку один відносно одного. Згідно з літературними даними поліанілінові ланцюги формуються як нановолокна [2].

На відміну від відомого методу [3], ми замість водної фази використали полі­мерний гідрогель. Для створення гелеподібної структури придатні водорозчинні по­лімери (полівініловий спирт, поліакриламід). Використали поліакриламід, полімери­зацію якого ініціювали пероксидисульфатом натрію (Na2S2O8) у водному середовищі.

Синтезували поліакриламід таким способом. Приготували 20 мл 8% розчину акриламіду (рочинили 1,6 г акриламіду у відповідній кількості води). Додали 0,12 г Na2S2O8, підкислювали 1 М розчином сульфатної кислоти (H2SO4), протягом доби відбувалась полімеризація акриламіду, і, як наслідок, утворився гель, після чого розчиняли 0,91 мл аніліну у 20 мл органічного розчинника і доливали одержаний розчин до 20 мл гелеподібного поліакриламіду, залишаючи на 24 год, протягом яких відбувалась повна полімеризація аніліну у гелеподібному поліакриламіді.

© Ковальчук Є., Перевізник О., Підлипна Н., 2009

Як олеофазу апробовано бензол і хлороформ [4]. Розчин аніліну у випадку бензолу був над шаром поліакриламіду, а у випадку хлороформу - внизу системи, внаслідок того, що питома маса хлороформу дорівнює 1,49.

Полімеризація починалася на межі фаз, а потім утворений полімер дифундував у гель. Його промили від хлороформу ацетоном і висушили у вакуумній шафі при 50 °С протягом 48 год. Утворений композит досліджувався електрохімічно на електроді, на який напресовувався під тиском 150 атм.

Платиновий електрод з напресованим композитним матеріалом став платформою для хемосенсора, за допомогою якого визначали вміст глюкози в аналізованому розчині.

Спочатку ми вивчали сенсорні властивості композита для безензимного визначення глюкози шляхом її прямого окиснення на поверхні електрода у різних середовищах.

На рис. 1 зображено ЦВА електрода у 0,1 М розчині гідроксиду натрію (NaOH) при різних кількостях глюкози.

5

>s CL

О 400 300 200 100 0

-100 -200

10 mM 0 mM

-0,2      0,0       0,2 0,4 Потенціал, В

0,6 0,8

1500

1000

І 500-O '

500 0

-500

0,0       0,2       0,4 0,6 Потенціал, В

б

0,8

1,0

Рис. 1. ЦВА електрода з напресованим поліанілін-поліакриламід композитом, синтезованим у гелеподібному поліакриламіді, на введення в чарунку дозованих кількостей глюкози у лужному (0,1 М NaOH) (а) та кислому (0,1 М H2SO4) (б) середовищах. Діапазон концентрацій глюкози від 0 до 10 мМ з кроком 0,5мМ

Амперометричний відгук сенсора при різних кількостях доданої глюкози в межах від 0,1 до 10 мМ проілюстровано на рис. 2.

Ми досліджували пероксидазний ензимний електрод для визначення Н2О2. Використано два варіанти ензимного електрода, перший з яких містив 3,75 одиниці активності пероксидази, виділеної з хрону (HRP), другий - 7,5 одиниць активності, відповідно.

На рис. 3 зображено амперохронограми ензимного електрода при різних кількостях доданого Н2О2..

5*10

700 600

s 500

2~

S. 400 О

300

200

100

2,5*10-4

5*10-5

5*10-6

,2,5*10-5

200 400

Час, с 600 800

700-^

600

| 500 2~

£ 400 О

300

200 Y

100

0,0 1,0x10-42,0x10-43,0x10-44,0x10-45,0x10-4 Концентрація глюкози, моль/л

б

Рис. 2. Амперометричний відгук хемосенсора на основі напресованого на платиновий електрод композита поліанілін-поліакриламід, синтезованого у гелеподібному поліакриламіді, у лужному середовищі (0,1 М NaOH) на введення в чарунку дозованих кількостей глюкози при 0,7 В відносно хлорсрібного електрода (а) та його калібрувальна крива (б)

0

Е~ >> Q-I-

о

-60 -50 -40 4 -30 -20

-104 0

2,31*10-5

2,01*10-5

1,71*10' 1,41*10-5

-5

1,11*10 8,1*10-6

А

2,61*10-5

1,2*10

5,1*10

-6

1,5*10-6

9*10-7

6*10-7

3*10-7

1,8*10

2,1*10-6

І І

1000

2000 3000

Час, с

4000 5000

О -8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0

1,5*10

2,1*10"

1,8*10-6

,-6'

,-6

1,2*10-6

6*10'

9*10

-7

3*10-7

2000    2500 3000

0      500    1000 1500

Час, с

б

Рис. 3. Амперометричний відклик біосенсора на основі нанесеного на губчастий золотий електрод композита поліанілін-поліакриламід з 3,75 одиницями ферменту перокси-дази у 50 мМ буфері на введення в чарунку дозованих кількостей пероксиду водню від 3х10-7 до 2,61х10-3 (а), від 3х10-7 до 2,1х10-6 (б), відповідно, при потенціалі електрода 0,15 В відносно хлорсрібного електрода

0

Ефективність визначення Н2О2 залежить від кількості ензиму, структури електрода, середовища, в яке інкорпоровано пероксидазу, температури. Фермент пероксидаза, як вже згадувалось, належить до складного типу ензимів - протеїдів, які, крім білкової частини (апоферм), містять фрагменти небілкової природи - кофактор, або кофермент. У пероксидазі коферментом є простетична група - залізопорфіри-новий комплекс. На підставі даних сканувальної мікроскопії [5] було встановлено, що активні центри оточені досить товстим шаром поліпептидних ланцюгів. Якщо глобула ензиму адсорбована на поверхні зазнає деформаційних змін, то це ще більше утруднює доступ субстрату до активного центру. Це є причиною зниження актив­ності ферменту аж до повної її втрати. Тут потрібні спеціальні запобігливі чинники, мета яких полягає у зменшенні збурювального впливу підкладки. Саме через це потрібні буферні матриці, які відіграють роль своєрідної подушки, що запобігає деформації ензиму у поверхневому шарі. Але забезпечення "м'якого" контакту частинок ферменту з поверхнею електрода тягне за собою іншу проблему - проблему електричного контакту редокс-центрів ензиму з поверхнею електрода-перетво-рювача. Взаємодія з Н2О2 неминуче перетворює пероксидазу в окиснену форму, в якій вона стає неактивною і вибуває з каталітичного циклу. Щоб повернути ензим до активного стану, необхідно її відновити взаємодією з донором електронів. Керованим донором слугує від' ємно поляризований електрод або хімічні відновні агенти. Щоб дослідити стан пероксидази після взаємодії її з Н2О2, ми провели ЦВА ензимного електроду (рис. 4).

З ЦВА стає очевидним (рис. 4), що при розгортці потенціалу в діапазоні від -0,7 до +1,2 В немає піків струму окиснення. Це засвідчує, що в пероксидазі порфіринові редокс-центри перебувають в окисленому стані внаслідок взаємодії з Н2О2. Натомість маємо два чітко виражені піки струму відновлення при 0,5 та 0,15 В, які можна віднести до відновленої сполуки Е1 та Е2. На підставі цих даних ми вибрали режим роботи амперметричного біосенсора, коли хроноамперограми знімали при 0,15 В відносно насиченого хлорсрібного електрода.

60

40

З 20 2

2~

£ 0 О

-20 -40

-1,0 -0,5 0,0 0,5

Потенціал, В 1,0 1,5

Рис. 4. ЦВА ензимного електрода на основі нанесеного на губчастий золотий електрод композита поліанілін-поліакриламід з 3,75 одиницями пероксидази у 50 мМ буфері (рН 6,8). Швидкість розгортки потенціалу - 5 мВ/с, стрілками показано пік окиснення-відновлення ферменту

Перенесення електронів на окиснені частини пероксидази можливе лише на незначні відстані. Через те і виникає проблема контакту редокс-центрів HRP з поверхнею електрода. Практично контакт можна забезпечити за допомогою медіато-рів-посередників, які, діючи подібно до ткацьких човників, переносять електрони від електрода до ензиму. Для створення контакту редокс-центрів з поверхнею електрода ми використали губчасте золото, попередньо нанесене на золотий електрод, яке в поєднанні з електропровідними поліаніліновими ланцюгами забезпечує надійний контакт гемінових центрів глюкозопероксидази з електродом. Внаслідок цього величина струму відклику була на порядок вища від описаних в літературі [5].

1. Vorlop K.D., Muscat A., Beyersdorf J. Entrapment of microbial cells within polyurethane hydrogel beades with the advantage of low toxicity // Biotechnol. Tech. 1992. Vol. 6. P. 483-488.

2. MaX., Li G., WangM. et al. Preparation of nanowire-structured polyaniline composite and gas sensitivity studies // Chem Eur. J. 2006. Vol. 12. P. 3254-3260.

3. Huang J. Synthesis and applications of conducting polymer polyaniline nanofibers // Pure Appl. Chem. 2006. Vol. 78. P. 15-27.

4. Caruso F., Fran D., Mohwald M., Reunenberg R. Enzyme encapsulation in layer-by-layer engineered multilayer capsules // Langmuir 2000. Vol. 16. P. 1485-1488.

5. Xu S., Peng B., Han X. A third-generation H2O2 biosensor based on horseradish peroxidase-labeled Au nanoparticles self-assembled to hollow porous polymeric nanopheres // Biosensors and Bioelectronics. 2007. Vol. 22. P. 1807-1810.

THE INTERPHASE POLYMERIZATION AND SENSORY PROPERTIES OF POLYANILINES

E. Kovalchuk, O. Pereviznyk, N. Pidlypna

Ivan Franko National University of Lviv, Kyryla & Mefodiya Str., 6, 79005 Lviv, Ukraine e-mail:kovalch@franko.lviv.ua

The interphase polymerization concerned with co-operation of monomeric aniline which was dissolved in oleophase and oxidation component - sodium peroxy sulfate which was dissolved in gel­like water-polyacrylamid system was researched. The composition was researched as a sensible layer for amperometryc chemosensor for determination of glucose and as a platform for creation of enzyme electrode which is used for amperometryc determination of hydrogen peroxide.

Key words: interphase polymerization, electrochemical oxidation, immobilization, ampero-metric sensors, ferments.

ГЕТЕРОФАЗНЫЙ СИНТЕЗ И СЕНСОРНЫЕ СВОЙСТВА ПОЛИАНИЛИНОВ

Е. Ковальчук, О. Перевизнык, Н. Пидлыпна

Львовский национальный университет имени Ивана Франко, ул. Кирилла и Мефодия, 6, 79005 Львов, Украина e-mail:kovalch@franko. lviv. ua

Изучена междуфазная полимеризация, состоящая во взаимодействии мономерного ани­лина, растворенного в олеофазе, с окислителем - пероксидисульфатом натрия - в гелеобразной водно-полиакриламидной системе. Синтезированный композит исследован с целью получения чувствительного слоя в амперометрическом хемосенсоре для определения глюкозы, а также платформы для создания энзимного электрода, используемого при амперометрическом определении пероксида водорода.

Ключевые слова: междуфазная полимеризация, электрохимическое окисление, иммо­билизация, амперометрические сенсоры, ферменты.

Стаття надійшла до редколегії 04.11.2008 Прийнята до друку 30.12.2008

Страницы:
1 


Похожие статьи

Є Квоальчук, О Перевізник, Н Підлипна - Гетерофазний синтез і сенсорні властивості поліанппнів