Биосенсоры: основы и приложения - Тёрнер Э.
Скачать (прямая ссылка):
О + ие г± R (14.1)
поверхностная концентрация обеих форм - окисленной и
восстановительной-опреде-
ляется уравнением Нернста:
[0]/[R] = exp LnF/RT(E - ?°)], (14.2)
а фарадеевский ток зависит от концентрационного градиента формы О
на поверхности
i
Рис. 14.1. Циклические вольтамперограммы, полученные на золотом электроде
диаметром 4 мм в 50 мМ фос-фат-перхлоратном электролите (pH 7,0),
содержащем 200 мкМ ферроцен-монокарбоновой кислоты (1-3) и при добавлении
11 мкМ глюкозооксидазы и 50 мМ глюкозы (4-6); электрод срав-нения-н. к.
э., скорость развертки 1(1, 4), 10 (2, 5) и 100 мВ-c~1 (3, 6).
Ферментативные реакции в медиаторных биосенсорах
205
электрода:
if = nFAD0 (d [O]/dx)x=0.
(14.3)
При регистрации циклической вольтамперограммы рабочий электрод
выдерживают при положительном потенциале и затем проводят развертку в
направлении ?° для редокс-частиц, проходя несколько дальше ?°. По мере
восстановления электролит вблизи электрода обедняется веществом О,
соответственно и ток не остается на постоянном уровне, он проходит через
пик и затем падает. При обращении направления развертки потенциала
наблюдается пик, обуславливаемый реокислением R. Пример окислительно-
восстановительной реакции, следующей уравнению (14.2)-такие реакции
называются нернстовскими, или обратимымипоказан на рис. 14.1 (кривые 1-
3). Это серия вольтамперных кривых для пары типа ферроцен/ион ферроцения
при разных скоростях развертки v. Данная редокс-пара образуется в
растворе ферроцен-монокарбоновой кислоты по реакции
Для обратимой реакции этого типа максимальный катодный ток определяется
выражением
При этом регистрируемый пик смещен от ?° на 28,5/п мВ в сторону
отрицательных потенциалов, независимо от скорости развертки.
Экспериментально ?° можно оценить как среднее (Elj2) из потенциалов
максимумов анодного и катодного тока. Если медиатор химически неустойчив
и превращается в соединение с другими окислительно-восстановительными
свойствами, со временем амплитуда пика уменьшается.
14.3. Электрохимически сопряженные ферментативные реакции
Для быстрой реакции между комплексом оксидоредуктазы типа восстановленный
фермент - кофактор (Z) и акцептором электронов необходимо, чтобы и
стехиометрия, и относительные редокс-потенциалы благоприятствовали
переносу электрона [19]. Кроме того, активный центр фермента должен быть
доступен для молекулы акцептора. Упрощенно рассматриваемую реакцию можно
представить в следующем виде:
Компонент Z служит для превращения О обратно в R при потенциалах, при
которых О генерируется на электроде. Качественно на вольтамперограмме
протекание реакции отражается в увеличении анодного тока и уменьшении
катодного. Теория, предложенная Николсоном и Шэйном [23], показывает, что
возможны два предельных случая. Если константа скорости реакции
псевдопервого порядка ks мала, то вольтамперограммы выглядят почти так
же, как при обратимом переносе электрона, тогда как при больших значениях
к{ ток пропорционален к}12 и не зависит от скорости развертки потенциала:
Fe+
е'
Fe
(14.4)
ip = 0,4463/7fVl (D0nFv/RT)inC0.
(14.5)
Z + 0->R; R - не <=> О.
(14.6)
i = nFA (D0kf)U2C0/\ + exp [nFlRTiE - ?1/2)].
(14.7)
206
Глава 14
В последнем случае вместо пика наблюдается кривая с насыщением. На рис.
14.1 (кривые 4 -6) показаны примеры вольтамперограмм реакции медиатора в
присутствии глюкозооксидазы и ее субстрата. Чтобы подтвердить протекание
сопряженной каталитической реакции типа (14.6), целесообразно
воспользоваться графиком зависимости тока, определяемой уравнением
(14.5), от скорости развертки потенциала. Это позволяет оценить порознь
влияние скорости развертки на диффузионные и кинетические процессы.
Кривая 1 на рис. 14.2 показывает, что в случае обратимой реакции, для
которой отношение /p/v1/2 постоянно, получается горизонтальная прямая.
Кривая 2 для каталитической реакции приближается к кривой 1 лишь при
достаточно высоких скоростях развертки, при которых реакция не протекает
в сколько-нибудь заметной степени до завершения эксперимента. На практике
рассматриваемую корреляцию можно получить, просто строя зависимость
величины ip/v1/2, аппроксимирующей токовую функцию, от lgv. Этот
качественный аспект метода весьма важен для разработки биосенсоров, так
как обычно достаточно показать возможность определения того или иного
вещества, используя исследуемую каталитическую реакцию.
Для получения информации о кинетике реакции необходимо, чтобы
электрохимические реакции медиатора были обратимы и чтобы фермент был
насыщен субстратом, т. е. [S] " Км [11]. Одним из способов получения
требуемой информации-построение приведенного на рис. 14.3 рабочего
графика зависимости отношения кинетического и диффузионно контролируемых
токов, iJiA, как функции кинетического параметра (fcf/a)1/2, где а -
nFv/RT [23]. Данные для построения графика получают из вольтамперных
кривых, аналогичных приведенным на рис. 14.1. Измеряя ik/id при различных
