文摘

按照我们先前的研究在催化活性在石墨电化学codeposited Pd-Pt electrocatalysts过氧化氢电解还原,一系列的玻璃碳电极与Pd或修改(Pd + Au)存款旨在更有效的发展electrocatalysts同样的过程。由此产生的电极被发现是非常有效的应用在低电位(和mV与Ag / AgCl, 1 M氯化钾)。电极的表面形貌改性与Pd +非盟混合比例90%:10%,表现出最佳组合的灵敏度和线性动态范围对过氧化氢电化学还原,研究了SEM和AFM。相同的电极传感器的适用性的电流型葡萄糖生物传感器,实验证明。在一个应用的潜力mV,以下决定:检出限()葡萄糖,电极灵敏度为0.15一个、严格线性的浓度M。

1。介绍

不断增加的兴趣推动了对电化学传感器的众多优势他们提供其他分析技术,如(我)简单的操作与电子信号(电流、潜力,导电性或阻抗);(2)紧凑,多功能仪表能够支持不同的电化学技术(稳态或动态)在一个单一的设备;(3)一种可能性来更好地控制的电化学检测和定制它,这样可以避免繁琐的样品预处理阶段;(iv)广泛的小型化买得起便携设备的机会,需要非常少量的样本(例如,只有几毫升)进行分析;(v)可能执行自动在线监测,即确定系统中直接进行的过程/产品发生兴趣。

此外,选择性的分析可能会大大改善通过与分子识别的生物组件耦合传感器(酶、细胞或组织),从而提供机会有选择地确定被分析物在复杂液体矩阵。这些是他们的广泛实际应用的主要先决条件在一些重要的领域,如医学(1,2),食品工业(3),与生态(4]。

广泛的氧化的酶(如葡萄糖氧化酶、黄嘌呤氧化酶等)生产过氧化氢被称为目标反应的副产品中催化分子氧的存在。因此,一大群安培计的生物传感器功能测量当前的原则在添加酶底物的变化由于电化学转换(氧化或还原)生成的H₂O₂。基于注册当前生物传感器的电化学氧化形成过氧化氢患有选择性差,主要是由于高作战潜力,的化合物通常参加生物液体(有机酸、神经递质和药物)co-oxidised,从而导致高估了分析物的水平。另外,降低电化学H₂O₂工作在低电位(通常在0 V和Ag / AgCl) (5干扰物质电化学惰性),允许更多的分析物的选择性测定。在对研究表面改性和微纳米结构碳质电极作为过氧化氢的有效electrocatalysts,氧化和还原(6- - - - - -13]目前在高需求。

各种类型的碳质材料调查通常作为确定H修饰电极₂O₂:石墨6,14),玻璃碳(7,8,10,15- - - - - -19),碳糊电极(20.,21),碳纳米管(22- - - - - -24),等等。这些电极电化学反应的选择性提高过氧化氢通过使用不同催化地主动修改组件:过渡金属及其氧化物(15,21),铂系金属,分散自己与其他铂系金属(或混合7,25),纳米复合膜(8,26]。研究旨在electroanalytical检测H₂O₂微型和纳米碳膜含有金属颗粒(2 - 5海里),如Pt、镍、铜、和红外26),已成为近年来常见。

在电化学传感器技术,特别关注碳纳米管(碳纳米管)作为一个有前途的电极材料。碳纳米管已经证明拥有一个独一无二的结合优秀的结构,机械和电化学特征(22]。CNT-based电极,促进与金属纳米粒子,杰出的高催化活性和已经成功地用于检测H₂O₂(23,24]。修改了通过纳米粒子的吸附胶体解决方案或从各自的盐溶液电沉积金属。第二种方法通常是首选,由于严格的和准确的控制允许的可能性高重现性的修改过程。现代研究证明了电沉积是一个有吸引力的和廉价的方法组合的纳米尺度的金属结构,它不需要昂贵的设备(27,28]。通过不同条件的修改(应用潜力,电解液的组成、沉积时间、载体性质,等等),微-纳米复合金属存款高electrocatalytic活动可以获得。

我们的研究表明,多孔石墨材料,修改通过恒电位沉积的Pt, Pd,混合物(Pd + Pt)和(Pd + Au)在不同的比例,被证明是有效的减少electrocatalysts过氧化氢在低工作潜力(9,10]。此外,改性石墨的特征是用一个简单的修改协议,高操作稳定在一个大的ph值范围内,和高运行稳定性与保留催化活性超过1年,激发我们使用它们作为电化学传感器测量电流的设计中基于电解还原的过氧化氢生物传感器。本研究在上述继续我们的研究方向,与玻璃碳的固体支持修改microquantities纯Pd和混合物(Pd + Au)电化学沉积。玻璃碳,碳材料的选择是出于积极的媒体的机械和化学稳定性高,最重要的是,其fullerene-related结构(29日),也就是说,区别于石墨的属性。此外,替换的组件之一催化地活跃阶段,Pt与黄金可能会影响催化活性对目标反应(H₂O₂电解还原),新数据将为我们提供一个更好的理解影响因素催化过程作为一个整体。基于上述,本研究涉及的发展一个有效和选择性electrocatalyst减少H₂O₂通过修改玻璃碳microdeposits Pd和(Pd + Au)的混合物。其适用性传感器在测量电流的生物传感器,基于过氧化氢生产氧化还原酶,也证明了。

2。实验

2.1。材料

葡萄糖氧化酶(气态氧)(提到过1.1.3.4)黑曲霉(丙烯酰胺加压),与同类活动的198 U毫克⁻¹(1 U对应酶的氧化量1μ摩尔葡萄糖每分钟pH值7.0和25°C);一水葡萄糖(Valerus,索非亚,保加利亚)。过氧化氢和化学物质用于缓冲的解决方案做准备,Na₂HPO₄×12 h₂O、柠檬酸、KOH和H₃阿宝₄从丙烯酰胺购买。所有的解决方案都是用重蒸馏的水准备。的βd葡萄糖溶液(5×10⁻³米phosphate-citrate缓冲区,pH值7.0)获准mutarotate前24小时使用。

2.2。电极的制备

玻璃碳(GC)薄片表面几何= 1.35厘米²被使用。催化地活跃组件存放在恒电势的政权(= + 0.05 V和可逆氢电极)通过一个简短的电解(= 10 s)从以下电解质:PdCl 2%的解决方案₂在0.1 M盐酸,单独或混合HAuCl 2%的解决方案₄在0.1 M盐酸的体积,体积比率:90%:10%,70%:30%,50%:50%。各自的摩尔比例Pd非盟在电镀浴已经确定为17:1;9:2;2:1。表面覆盖被估计ca。18μg厘米⁻²。准备的电极被允许年龄为3 - 5周,直到稳定的表面发生。年底老龄化时期,chronoamperometric数据显示减少活性电极表面的15%。

电极将进一步用文本表示电极类型,B, C和D如下:(我)玻璃碳改性与个别Pd(电极类型);(2)玻璃碳改性与Pd +非盟混合比例为90%:10% (w / w,电极式B);(3)玻璃碳改性与Pd +非盟混合比例为70%:30% (w / w,电极式C);(iv)玻璃碳改性与Pd +非盟混合比例为50%:50% (w / w,电极类型D)。

2.3。仪器和测量

所有在三电极电化学测量进行细胞分离隔间(有效容积10 - 15毫升)。Ag / AgCl 1 M氯化钾电极作为参比电极,铂丝为一个反电极。电化学的设置也涉及bipotentiostat,类型BiPAD (TACUSSEL、维勒班、法国);一种发电机,EG-20 (Elpan、Lubawa、波兰);一个数字电压表,1型ab105 (ZPU, Pravets,保加利亚)。轻声的解决方案都洋溢着氩在测量期间,为了减少背景电流,但不能完全使除去空气解决方案。实验的酶电极,氧气电解质的访问是保证细胞通过保持开放。系列的操作特征考察了电极极化曲线的方法恒电势的政权(phosphate-citrate缓冲区,pH值7.0)。维持恒定的温度恒温器哦(VEB MLW Prufgerate-Werk, Medingen,德国)使用。缓冲溶液的pH值调整了酸碱计op - 208 (Radelkis,布达佩斯,匈牙利)。

3所示。结果与讨论

3.1。Electrocatalytic减少过氧化氢

稳态极化曲线在玻璃碳电极、修改与存款的Pd (A型电极)和(Pd + Au)的混合物(类型B, C, D电极)在过氧化氢的存在记录潜在的范围从250−+ 250 mV(与Ag / AgCl) 25°C,如图所示1。

阴极电流存在的H₂O₂造成其研究范围的电化学还原观察潜力四个修改后的玻璃碳电极。对于纯玻璃碳电极和玻璃碳改性与存款的盟,没有注意到这样的电流(没有显示)。地区近极限电流的值(高原),低于0 V可观测电极的极化曲线类型,B, C和D,这表明修饰电极的每个可能的潜在有用electroanalytical过氧化氢的测定。高原地区被发现的性质依赖于催化地活跃的修饰符(palladium-gold存款Pd,或在不同比例混合物)。极限电流的值/潜在的范围从100−+ 50 mV描述的两个玻璃碳电极:一只修改与Pd (A型的、封闭的圆圈)和B型电极(开放广场)。一样宽的高原型C电极(开放的三角形),尽管在−的潜在地区50 + 100 mV。D型电极高原(阿斯泰里克斯),涵盖的范围从−50 + 50 mV,是狭隘的。图1表明,除了高原的宽度,玻璃碳电极的活动在过氧化氢电解还原还取决于组成催化地活跃的阶段。电极的活动估计的值对过氧化氢电极反应在高原地区减少订单 与所有类型的玻璃碳电极(阴极电流)信号的依赖在过氧化氢浓度三个潜力来自高原地区−0,−50和100−mV(与Ag / AgCl)研究了在phosphate-citrate缓冲区,pH值7.0,在室温下。电极反应被发现增加底物浓度的线性三个选择潜力,与敏感性(dI / dC,决定从线性标定图的一部分,)根据应用潜力和修改的类型催化地活跃组件(图2)。

修改后的玻璃碳类型B, C, D,灵敏度增加工作负方向的潜在变化。作为一般规则,电极灵敏度的潜力和−−100 mV被发现1.2到两倍的敏感性在0 V(注册表1)。玻璃碳改良与Pd (A型),没有观察到的差异在电极信号的值相同的潜在的范围。的线性动态范围(在电极信号μ米)也为所有不同电极依赖类型上的应用潜力和修改组件类型的电极;然而,信号的线性度,以及敏感性,增加潜在的消极变化。对于其他三个的电极类型B, C, D,之间没有相关性的线性响应和阴极的潜在方向的转变。之间没有依赖性信号的线性Pd的比例和非盟的microdeposits修改混合物,。

当前在H的依赖关系₂O₂浓度的选择潜力区域(0,和−−100 mV)进行严格的等温条件下在环境温度25 - 35°C(选择的预期的应用研究电极生物传感器传感器)。实验数据表明,这种以增加温度的影响在一个非常不同的方式过氧化物电解还原的速度在修改后的gc(当前)。虽然前两个类型的玻璃碳(A - b型电极),低电流,因此贫穷电极敏感观察温度较高,为C - d型GC和增加温度,更高的电流和电极敏感被注意到。这些实验结果表明,在研究过程中过氧化氢消耗同时由两种反应途径,也就是说,(我)的分解和(2)electrocatalytic减少。最可能发生的情况是,与前两个类型的电极材料(A - b型GC),纯的过氧化氢的分解与电解还原反应成功地竞争,从而降低过氧化氢的有效浓度。这可能是由于许多不同催化地活跃网站的可用性的表面,形成修改后的A - b型玻璃碳。与第二两个电极材料(C - d型),然而,没有这样强大的多相催化途径对整个过程的影响,所以温度对速率的影响₂O₂电解还原可以量化计算根据方程有效的活化能

活化能的过氧化氢的电化学还原C类型的GC被发现几乎相同的电位的研究范围:= 31.6±1.9 kJ摩尔⁻¹。同样,H的活化能₂O₂电解还原的D型焊条已经找到工作潜在的独立选择潜在地区;然而,温度对反应速率的影响小得多,而活化能计算是11.2±1.9 kJ摩尔⁻¹。有效低活化能值以及独立工作的潜在electrocatalytic过程表明,在这两种情况下是有限的扩散。

从玻璃碳电极的基本操作特征(表1),很明显,最高的玻璃碳电极灵敏度(dI / dC)的类型B和D和−−100 mV的工作潜力。的潜在−50 mV, B型电极的特点是更长的标定的线性动态范围图(最高可达980μ米)和D型电极(最高可达760μ米)。

研究了电极的表面形貌B型通过扫描电子显微镜(SEM)和原子力显微镜(AFM)。扫描电镜照片(图3(一个))表明,催化地活跃阶段(原子Pd比非盟90%:10%)沉积在玻璃碳支持的形式定义的椭圆形态大小为100 - 500纳米,而AFM图像(图3 (b))提供更详细信息的子结构存款;他们由细粒近球形,近似直径10 - 20海里。

确保高选择性的分析是至关重要的一个因素在设计测量电流的生物传感器。在这个连接,B型电极的反应研究在电化学活性物质的存在,通常参加生物液体。和−−100 mV的潜力,没有电极反应是注册在尿酸,抗坏血酸、谷胱甘肽,扑热息痛,浓度高达700μ米,大大超过可能的生理水平。此外,对于B型电极,最低的背景电流和−−100 mV的潜力也注册。修改后的玻璃碳电极的优势讨论B型的主要先决条件在选择它作为一个传感器在设计一个电流型葡萄糖生物传感器。

3.2。葡萄糖氧化酶酶电极

活性和选择性高,响应的足够长的动态范围,背景电流低,大量催化地活跃的玻璃碳中心的修改与microquantities (Pd非盟90%:10%)的主要先决条件是它的使用作为一个基本的生物传感器传感器。,通过固定. GOx依照先前报道的过程(10),一个新的葡萄糖氧化酶酶电极。可能定量测定葡萄糖的潜力100−−50 mV phosphate-citrate缓冲pH值7.0,这样的温度在25°C和35°C(表2)检查。

提交的数据显示,5°C的温度上升导致增加电流响应更广泛=−100 mV。随着温度的增加和潜在的变化成正方向,线性动态范围缩短,电极灵敏度(dI / dC)增加(表2)。在=−100 mV,校准曲线的线性部分是缩短当温度增加了两倍多5°C。此外,更高的背景电流是注册在这个潜力。在温度25°C,电极的灵敏度=−50 mV的2.2倍=−100 mV,在30°C,高1.3倍。葡萄糖的检测极限=−50 mV被发现是9μ在30°C M,被发现是6μ米(估计信号/噪声比3:1)。

因此,工作的潜力=−50 mV被选为最优确定葡萄糖定量。实验数据选择的工作潜力和温度25和30°C Eadie-Hofstee坐标与()按照方程电极,稳态响应()在一定浓度的基质作为电极的灵敏度函数表示在这个特定浓度()(当前比相应的底物的浓度)(图4)。从标定图(图4(一),左侧卧)很明显,葡萄糖氧化酶酶电极的线性动态范围横跨在浓度范围ca。300年μ从这些实验数据的表示m . Eadie-Hofstee坐标(图4(一),右侧),它可以推断,在低基质浓度(~ 300μ米),电极的灵敏度仍然几乎不变,这是典型的扩散过程在实验系统的限制。倾斜的区域在300年μ米和455μM表示enzyme-kinetic控制的存在,而图的水平面积是指高底物浓度超过455μ米,可以分配给的影响酶与底物分子的饱和。它是由于酶是不可能达到它与所有葡萄糖分子反应。明显的米氏常数的值= 710μM决心从倾斜的斜坡地区。类似的分析相关工作模式执行的电极的温度30°C(图4 (b))表明,相同的三个工作电极的政权,扩散,动力,和衬底有限,存在。

扩散区域温度较高,然而,大大缩短(最高可达130μ米)相比,在25°C,虽然有增加的部分电化学过程发生动力控制(从130年到635年μ米),表观米氏常数的值= 405μ米被发现1.8倍低一个确定25°C。在表3的操作特征,研究了电极的比较的葡萄糖氧化酶酶电极,通过固定的气态氧多孔石墨(GMZ),修改后的解决方案包含Pd和非盟混合比例为70%:30%10]。

葡萄糖氧化酶酶电极将引用如下:(我)GOx-immobilised电极GC(这项工作)——基于修改_气态氧类型;(2)基于修改GMZ-graphite GOx-immobilised电极(10]- b_气态氧类型。

从数据表中给出3,很明显,在工作温度B型的敏感性_气态氧电极高达1.7倍(20°C)和高达1.3倍(25°C)比A型的敏感性_气态氧电极。低灵敏度的类型_气态氧电极是伴随着线性动态范围的响应长2.5倍,以及较高的表观米氏常数的值。不同的葡萄糖氧化酶酶电极的操作参数如上所示可以将不同比例的Pd和非盟microquantities修改混合物,和不同的矩阵基本碳石墨和玻璃碳。这些导致镀层的结构不同活动阶段(9),最终影响气态氧的构象在其固定(这意味着它会影响其活动)。

4所示。结论

高效electrocatalysts减少过氧化氢在低电位,在低于0 V(与Ag / AgCl),取得了通过修改玻璃碳矩阵microquantities Pd和混合物(Pd + Au)催化地不同比例的活性成分。基本动力学()和操作参数(电极灵敏度、线性动态范围和检测限制)的目标中的电极反应已经得到解决。选择性生物传感器基于过氧化electrocatalytic电极的测量电流的测定葡萄糖的b型(Pd非盟混合原子比例90%:10%的存款在玻璃碳)。

建立了下列条件作为确定最佳葡萄糖定量:(我)工作的潜力−50 mV,(2)温度25 - 30°C。

在上述条件下,6×10的检出限⁻⁶M,电极灵敏度为0.15μ一个μ米⁻¹,响应300的线性动态范围μ米已经确定。

确认

作者承认的支持保加利亚国家科学基金(批准号DVU-02/38)。