Elektrokatalityczne utlenianie NADH na elektrodach modyfikowanych

W pierwszej kolejności elektrokatalityczne utlenianie NADH badane było techniką woltamperometrii cyklicznej na elektrodach modyfikowanych filmami polimerowymi bez i z lignosulfonianami. Pomimo faktu, że potencjał formalny dla pary NAD⁺/NADH wynosi -0,564 V vs Ag/AgCl w pH = 7, utlenienie tego związku na konwencjonalnych elektrodach takich jak węgiel szklisty czy złoto zachodzi przy znacznych nadpotencjałach, przekraczających 1 V [231]. Na rysunku IV-49 A i B przedstawione są woltamperogramy ukazujące wpływ modyfikacji elektrod na utlenienie NADH.

Modyfikacja elektrody złotej warstwami polimerowymi (PEDOT/ ClO₄⁻ i PPy/ ClO₄⁻) umożliwia poprawienie kinetyki procesu, gdyż zaobserwować można nieznaczny wzrost prądu anodowego w obecności 2 mM NADH już przy około 0,17 V (krzywe

warstwą polimerów przewodzących (PEDOT/ ClO₄⁻ i PPy/ ClO₄⁻) nie wykazują silnego efektu katalizującego reakcję utleniania NADH. Kształt otrzymanych krzywych jest typowy dla procesów o powolnej kinetyce wymiany elektronów (bez kontroli dyfuzyjnej). Nie pojawia się na nich pik anodowy, co świadczy, że nie tworzy się warstwa dyfuzyjna i najwolniejszym etapem jest wymiana elektronów na granicy faz elektroda-elektrolit. W przeciwieństwie do materiałów polimerowych, kompozyty

841 / DP

PEDOT i PPy/ DP841 charakteryzują się zdecydowaną poprawą kinetyki wymiany ładunku z NADH. Jak widać na rysunku IV-49 (krzywe czerwone) utlenienie NADH zachodzi przy potencjałach niemalże pokrywających się z potencjałem formalnym mediatora. W przypadku obu elektrod obecność mediatora redoks powoduje kilkukrotny wzrost gęstości prądu utlenienia, co świadczy o silnym efekcie katalitycznym. Są to typowe obserwacje spotykane w trakcie procesów przebiegających według mechanizmu ECkat. Mechanizm ten jest generalnie akceptowany dla elektroutlenienia NADH na elektrodach modyfikowanych grupami chinonowymi [163], [165]. Kolejną cechą charakteryzującą reakcje katalizowane na powierzchni elektrody jest zanik piku w cyklu katodowym po wcześniejszym nieodwracalnym utlenieniu NADH. Efekt ten jest bardziej widoczny w przypadku PEDOT/ DP841 niż

841 / DP

PPy , co sugerować może, że na elektrodzie PEDOT/ DP841 w reakcji uczestniczy większa ilość chinonowych centrów aktywnych. Ma to również swoje potwierdzenie w gęstości mierzonego prądu katalitycznego. Na elektrodzie

841 / DP

PEDOT mierzona gęstość prądu przy potencjale 0,25 V jest około 5-cio krotnie większa niż na PPy/ DP841 przy tym samym potencjale i tym samym stężeniu NADH.

Analiza uzyskanych wyników pozwala stwierdzić, że dużą rolę w procesie katalizy NADH na badanych kompozytach pełni przewodząca matryca polimerowa.

Zdecydowanie lepiej w tym procesie sprawdza się PEDOT niż PPy. Warto również wspomnieć, że trzeci badany kompozyt - PANI/ DP841, nie wykazywał katalitycznego efektu w reakcji utleniania NADH. Przyczyną obserwowanych różnic może być fakt wynikający z ograniczeń w dyfuzji NADH przez warstwę polimerową (ograniczona przepuszczalność filmu). Badane filmy PEDOT / DP841 i PPy/ DP841 charakteryzowały się pokryciem powierzchni Γ rzędu 10^-9 mol cm^-2, co jest wartością znacznie większą niż wykazują monowarstwy lignosulfonianów ~10^-11 mol cm^-2 [53].

wielowarstwową, charakteryzującą się podobną do dyfuzyjnej propagacją ładunku wewnątrz filmu. Ponadto, tak wytworzone filmy nie powinny wykazywać struktury porowatej i mogą stanowić zaporę nieprzepuszczalną dla relatywnie dużych molekuł analitu. Przypuszczenia te znajdują potwierdzenie na rysunku IV-50. Widać na nim, że wraz ze wzrostem grubości filmu (wyrażonej jako ładunek polimeryzacji Qpol), zmniejsza się stosunek ikat/i0, co sugeruje, że w procesie bierze udział tylko powierzchniowa warstwa filmu będąca w kontakcie z elektrolitem. Otrzymane wyniki pokazują również, że szybkość procesu zmniejsza się odwrotnie proporcjonalnie do pokrycia powierzchni Γ (Γ rośnie wraz ze wzrostem Qpol), co pozwala stwierdzić, że głównym czynnikiem ograniczającym proces elektroutlenienia NADH jest transport masy wewnątrz filmu, czyli transport NADH do aktywnych grup chinonowych i/lub dyfuzja produktów utlenienia od elektrody do roztworu. W grubszych filmach ilość nieaktywnej frakcji polimerowej zwiększa się, bez zwiększania prądu elektroutleniania.

Dodatkowo obserwowane ograniczenia dyfuzyjne, wydają się dużo większe w przypadku PPy/ DP841 niż PEDOT/ DP841.

Rysunek IV-49. (A) Woltamperogramy cykliczne zarejestrowane dla PEDOT/ DP841 w czystym buforze PBS (krzywa czarna) oraz w buforze PBS w obecności 2 mM NADH (krzywa czerwona), dla PEDOT/ ClO₄⁻ w czystym buforze PBS (krzywa niebieska) oraz w buforze PBS w obecności 2 mM NADH (krzywa zielona). (B) Tak samo jak w (A) dla

841 / DP

PPy i PPy/ ClO₄⁻.

Rysunek IV-50. Wpływ grubości filmów kompozytowych wyrażony jako Qpol na stosunek prądu katalitycznego (i_kat) do prądu tła (i₀).

Na rysunku IV-51 A i B porównane są woltamperogramy obrazujące wpływ rodzaju lignosulfonianu na elektroutlenienie NADH. Jak widać kompozyt PEDOT/ DP841 wykazuje lepsze właściwości katalityczne w porównaniu z kompozytem

845 / DP

PEDOT , co przejawia się wzrostem gęstości prądu piku utleniania NADH. Na rysunku IV-51 A można ponadto zauważyć, że utlenienie NADH zaczyna się na elektrodzie PEDOT / DP845 przy nieznacznie niższym potencjale niż na elektrodzie

841 / DP

PEDOT . Jest to spowodowane występowaniem w lignosulfonianie DP 845 większej ilości grup syryngowych o mniejszym formalnym potencjale utleniania.

Nieco odmienną zależność obserwowano w trakcie utleniania NADH na kompozytach PPy/ DP841 i PPy/ DP845 (rysunek IV-51 B). W tym przypadku różnica pomiędzy dwoma lignosufonianami była nieznaczna, aczkolwiek nieco większe gęstości prądu zarejestrowane zostały na elektrodzie PPy/ DP845.

Rysunek IV-51. (A) Woltamerogramy cykliczne porównujące elektrokatalityczne właściwości PEDOT/ DP841 i PEDOT / DP845 w obecności 2 mM NADH w buforze PBS. (B) Tak samo jak dla (A) dla PPy/ DP841 i PPy/ DP845. Szybkość przesuwu potencjału 10 mV s^-1.

Przeprowadzono badania chronoamperometryczne procesu utleniania NADH na syntezowanych materiałach w celu uzyskania bliższych informacji na temat kinetyki katalitycznego utleniania NADH. Rejestrowanie chronoamperogramów po skokowej zmianie potencjału polaryzacji od 0,1 do 0,3 V, w obecności różnych stężeń NADH, umożliwiło wyznaczenie w pierwszej kolejności współczynnika dyfuzji D, a następnie stałej katalitycznej kkat drugorzędowej reakcji między NADH a katalitycznie aktywną formą mediatora. Wyniki zarejestrowane dla kompozytów PEDOT/ DP841 i

845 / DP

PEDOT przedstawione są na rysunku IV-52. Jak widać wzrost stężenia NADH w elektrolicie powoduje wzrost rejestrowanego prądu dyfuzyjnego. Liniowa zależność i = f(t^-1/2) przedstawiona na rysunkach IV-52 B i E sugeruje dyfuzyjną kontrolę procesu i umożliwia wyznaczenie współczynnika dyfuzji D w oparciu o równanie Cotterella (IV-12). Liniowy charakter krzywych obserwowany jest również dla zależności ikat/i0 od t^1/2, co umożliwia wyznaczenie stałej kkat, przy zastosowaniu równania IV-14. Wartości D i kkat, jakie wyznaczono dla kompozytów

841 / DP

PEDOT i PEDOT/ DP845 zsumowane są w tabeli IV-5.

Podobne zależności obserwowano dla badań przeprowadzonych dla elektrod 841

/ DP

PPy i PPy/ DP845 (rysunek IV-53).

Po analizie wyników pomiarów chronoamperometrycznych dla wszystkich badanych elektrod z udziałem lignosulfonianów można stwierdzić, że zdecydowanie lepszym typem katalizatora dla elektroutleniania NADH jest układ

Zakładając, że oba typy materiałów pracują jako sensor NADH przy tym samym potencjale (ok. 0,3 V), kompozyty PEDOT/lignosulfonian są w tym procesie zdecydowanie bardziej preferowane. Dane otrzymane podczas badań chronoamperometrycznych są dobrym potwierdzeniem wyników, które otrzymywano przy wykorzystaniu woltamperometrii cyklicznej.

Uzyskane wartości współczynników dyfuzji NADH są niższe niż wartości otrzymane poprzednio dla elektrod modyfikowanych związkami zawierającymi grupy chinonowe (tabela IV-5). Jest to zapewne związane z ograniczeniami transportu masy wewnątrz warstwy modyfikatora. Otrzymane wartości współczynników dyfuzji dla PPy/lignosulfonian są dużo niższe niż dla PEDOT/lignosulfonian, co potwierdza wcześniejsze obserwacje dokonane w trakcie badań woltamperometrycznych. Uzyskane wyniki jednocześnie sugerować mogą, że kompozyty PPy/lignosulfonian wykazują strukturę dużo bardziej upakowaną i mniej przepuszczalną dla dużych objętościowo analitów. Warto zauważyć, że w przypadku elektroutleniania hydrazyny, której cząsteczka jest objętościowo zdecydowanie mniejsza niż NADH, nie obserwowano tak dużych różnic we współczynniku dyfuzji. Oznacza to, że dyfuzja hydrazyny wewnątrz warstwy PPy/ DP841 nie była mocno ograniczona w porównaniu z analogicznym filmem na bazie PEDOT.

Rysunek IV-52. (A) Chronoamperogramy zarejestrowane na elektrodzie 841

/ DP

PEDOT po skokowej zmianie potencjału od 0,1 V do 0,3 V w buforze PBS pH

= 7 zawierającym (a) 0 mM, (b) 0,1 mM, (c) 0,2 mM, (d) 0,5 mM i (e) 1 mM NADH.

Wstawki: (B) wykres Cottrella dla badanych stężeń NADH (b-e), (C) wykres ikat/i₀ = f(t^1/2) dla badanych stężeń NADH. Wykresy (D), (E) i (F) dotyczą tych samych zależności wyznaczonych dla PEDOT/ DP845.

Rysunek IV-53. (A) Chronoamperogramy zarejestrowane na elektrodzie PPy/ DP841 po skokowej zmianie potencjału od 0,1 V do 0,3 V w buforze PBS pH = 7 zawierającym:

(a) 0 mM, (b) 0,1 mM, (c) 0,2 mM, (d) 0,5 mM, (e) 1 mM i (f) 2 mM NADH. Wstawki:

(B) wykres Cottrella dla badanych stężeń NADH (b-e), (C) wykres ikat/i₀ = f(t^1/2) dla badanych stężeń NADH. Wykresy (D), (E) i (F) dotyczą tych samych zależności wyznaczonych dla PPy/ DP845.

Tabela IV-5. Współczynniki dyfuzji D i stałe katalityczne k_kat dla elektrokatalitycznego utleniania NADH na badanych kompozytach oraz na wybranych elektrodach modyfikowanych grupami chinonowymi występującycmi w literaturze.

Nazwa elektrody D⋅10⁻⁶[cm² s^-1] k_kat⋅10³ [M^-1 s^-1] Lit.

a PVC – fiolet pirokatecholowy

b CGA – kwas chlorogenowy

c LS1, LS2 – monowarstwy lignosulfonianów

d I(ads)/HL - monowarstwa zaadsorbowanych jodków i ligniny hydrolitycznej

e DHB - analogi dihydroksybenzaldehydu

f CCE - elektroda węglowo-ceramiczna

Przeprowadzono również pomiary amperometryczne w warunkach ciągłego mieszania w celu zbadania zależności pomiędzy stężeniem NADH a rejestrowanym prądem katalitycznym dla celów analitycznych. Chronoamperogramy uzyskane na elektrodach PEDOT/lignosulfonian i PPy/lignosulfonian przy stałym potencjale 0,3 V dla różnych stężeń NADH przedstawione są odpowiednio na rysunkach IV-54 i IV-55.

Jak widać dla wszystkich typów kompozytów obserwuje się wzrost mierzonego prądu anodowego wraz z sukcesywnymi dodatkami NADH. Przy ustalonym potencjale (0,3 V) grupy chinonowe znajdują się w formie utlenionej, więc mogą pełnić rolę mediatora utlenienia NADH. Na rysunku IV-55 widać, że pomimo niskiej stałej katalitycznej (kkat) kompozyty PPy/lignosulfonian są w stanie dawać wyraźne, mierzalne sygnały amperometryczne nawet przy niskich stężeniach NADH (rzędu kilku mikromoli). Na rysunkach IV-56 i IV-57 A i B pokazane są krzywe kalibracyjne uzyskane z pomiarów chronoamperometrycznych w zakresie stężeń od 5 µA do 1 mM. Widać na nich, że przy wyższych stężeniach NADH krzywe uzyskane dla wszystkich kompozytów zaczynają odbiegać od liniowości, co spowodowane jest ograniczeniami kinetycznymi związanymi z kinetyką Michaelisa-Menten [2], [165], [234], [235]. Krzywe

A i B) wykazywały jeden zakres liniowości, natomiast dla kompozytów PPy/lignosulfonian uzyskano linową zależność prądu anodowego względem stężenia w dwóch zakresach stężeń. W tabeli IV-6 przedstawiono parametry elektroanalityczne, które wyznaczono dla badanych kompozytów podczas amperometrycznej detekcji NADH. Z uzyskanych rezultatów wynika, że lepszą czułość wykazywały elektrody PEDOT/lignosulfonian. Wartości 19,6 i 15,8 µA mM^-1 cm^-2 uzyskane odpowiednio dla

841 / DP

PEDOT i PEDOT / DP845 są porównywalne do wartości prezentowanych przez inne elektrody modyfikowane grupami chinonowymi (tabela IV-6). Jednak kompozyty PEDOT/lignosulfonian wykazywały liniową zależność prądu katalitycznego od stężenia w jedynie w dość wąskim zakresie (0,22-0,80 i 0,22-1,0 mM). Zauważyć można zatem, że pod względem liniowości sygnału analitycznego, oba typy kompozytów ustępują nieco innym elektrodom opisanym w literaturze.

Rysunek IV-54. Chronoamperogram otrzymany w trakcie katalitycznego utleniania NADH przy potencjale 0,3 V na elektrodach kompozytowych PEDOT/Lignosulfonian w buforze PBS pH 7,4.

Rysunek IV-55. Chronoamperogram otrzymany w trakcie katalitycznego utleniania NADH przy potencjale 0,3 V na elektrodach kompozytowych PPy/Lignosulfonian w buforze PBS pH 7,4.

Rysunek IV-56. (A) Zależność i = f(c) uzyskana w trakcie pomiarów amperometrycznych dla różnych stężeń NADH na elektrodzie PEDOT/ DP841 w buforze PBS. Wstawka: krzywa kalibracyjna uzyskana na podstawie prostoliniowego zakresu. (B) Tak samo jak w (A) dla PEDOT/ DP845. Polaryzacja elektrody 0,3 V.

Rysunek IV-57. (A) Zależność i = f(c) uzyskana w trakcie pomiarów amperometrycznych dla różnych stężeń NADH na elektrodzie PPy/ DP841 w buforze PBS. Wstawka: krzywa kalibracyjna uzyskana na podstawie prostoliniowych zakresów.

(B) Tak samo jak w (A) dla PPy/ DP845. Polaryzacja elektrody 0,3 V.

Tabela IV-6. Parametry elektroanalityczne uzyskane w trakcie utleniania NADH na elektrodach kompozytowych wraz porównaniem z danymi literaturowymi.

Nazwa elektrody Czułość

IV. 2.7. Elektrokatalityczne utlenianie kwasu askorbinowego (AA) na elektrodach