Химически модифицированный электрод

 

Изобретение относится к электрохимии химически модифицированных электродов для иммобилизации органических веществ. Цель - увеличение селективности к сульфгидрильным группам с одновременным сохранением электрохимической активности иммобилизованного вещества. В качестве подложки используют органическое вещество еледующей структуры: О Ml-O-Sl-R-T H-C - V-HgOH I где R - радикал, представлягаций собой ()s- или (-СНг-)з-Ш-(-СН)-группы. 5 ил. (Л

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51) 4 G 01 N 27/48

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ, ",—

К Д BTOPCHGMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 4034734/31-25 (22) 04.03.86 (46) 30.07.88. Бюл. У 28 (71) Институт почвоведения и фотосинтеза АН СССР (72) Е.Ю.Кац, А.А.Соловьев, О.И.Вагабова, В.А.Шувалов и Ю.Е.Ерохин (53) 543.257(088.8) (56) Кольтгоф И.М., Лингейн Дис. Полярография. М. — Л.: Госхимиэдат, 1948, с. 378-388.

Торчинский Ю.М. Сера в белках. М.:

Наука, 1977, c. .45. (54) ХИМИЧЕСКИ МОДИФИЦИРОВАННЬЙ ЭЛЕКТРОД

„„Я0„„1413511 A 1 (57) Изобретение относится к электрохимии химически модифицированных электродов для иммобилизации органических веществ. Цель — увеличение селективности к сульфгидрильным группам с одновременным сохранением электрохимической активности иммобилизованного вещества. В качестве подложки используют органическое вещество сле- дующей структуры:

II м -о-я)-R-m-c Н ов

I где R — радикал, представлякщий собой (-СН -)э — или (-СН -) -NH-(-СН ) -группы. 5 ил.

1413511

Изобретение относится к электрохимии, а именно к электрохимии химически модифицированных электродов, и может быть использовано для иммобилиза- 5 ции органических веществ на химически модифицированном электроде. Иммобилизацию веществ на электроде производят для придания им специальных свойств (электрокаталитических, фото" 10 электрокаталитических и т.п.).

Целью изобретения является увеличение селективности к сульфгидрильным группам с одновременным сохранением электрохимической активности иммобилизованного вещества.

Химически модифицированный электрод для иммобилизации органических веществ состоит из электропроводной подложки и слоя органического веще- 20 ства, связанного с ней силановыми группами и имеющего следующую .структуру: .Ъ

О

М -0-Sl-R-NH-C H) CH

I где M — электропроводная подложка, З или (-CH<-)з (CQ)<.><

На фиг.1 показана потенциодинамическая характеристика электрода, отобранного для контроля силанизации в соответствии с примером 1; на фиг.2— потенциодинамическая характеристика электрода, отобранного для контроля ацилирования в соответствии с примером 1; на фиг.3 — потенциодинамическая характеристика электродов с иммобилизованным цистеином и 2,3-дихлор-1,4-нафтохиноном в соответствии с примером 3; на фиг.4 — потенциодинамическая характеристика электрода

:с иммобилизованньпи глутатионом и

2 3-дихлор-1 4-нафтохиноном в соотЭ 1

45 ветствии с примером 6; на фиг.5— потенциодинамические характеристики чистого электрода (А) и Pt — электрода с иммобилизованным 3-аминопропил-триметоксисиланом (Б) на фоне

О, 1 M боратного буфера рН 9,18, 50

50 мВ/с (условия измерения аналогичны условиям получения характеристик, показанных на фиг.1-4).

Пример 1. Химически модифицированный электрод для иммобилизации55 органических веществ, состоящий из платиновой подложки и связанного с ней через силановые группы слоя opraнического вещества следующей структу-, ры:

О

П

Pt(-0-si-(сн,) -нн-с р неон гз

Данный химически модифицированный электрод получают следующим способом.

Платиновые игольчатые электроды (диаметр 0,5 мм, длина 20 мм) выдерживают 5 мин в концентрированной азотной кислоте (пл. 1,51 г/см ), отмывают дистиллированной водой и поляризуют 5 мин при потенциале +1,9 В (здесь и далее все потенциалы указаны относительно нормального каломельного электрода) в растворе 0,5 M H

10 раз потенциал в диапазоне +1,1—

0,2 В, заканчивают при потенциале

+1,1 В с задержкой 30 с и вынимают электроды из электрохимической ячейки под данным потенциалом. Электроды промывают дистиллированной водой и высушивают под вакуумом при 50 С. Полученные при этом платинооксидные электроды кипятят с обратным холодильником 5 мин в 2Х-ном растворе

3-аминопропилтриметоксисилана в абсолютном толуоле. Силанизированные. электроды отмывают абсолютным толуолом.

Один электрод из серии отбирают на контроль .силанизации и отмывают

его этанолом. Остальные электроды нагревают 25 мин при 80 С в О, 1 M растворе и-хлормеркурбензоилхлорида в абсолютном пиридине. Затем электроды отмывают последовательно абсолютным пиридином, абсолютным толуолом и этанолом. Один электрод из серий отбирают на контроль ацилирования, остальные электроды готовы к использованию. Отобранные на контроль электроды выдерживают 2 ч в 5 ° 10 M растворе 2,3-дихлор-1,4-нафтохинона в этаноле, отмывают последовательно этанолом и водой и регистрируют их потенциодинамические характеристики на фоне О, 1 М водного боратного буферного раствора с рН 9, 18 в диапазоне потенциалов 0-0,7 В, Силанизацию количественно контролируют по пикам окисления-восстановления иммобилизованного на аминосилане хинона (фиг.1):

1413511 4 и иммобилизацией хинона на оставшихся аминогруплах.

Постадийный контроль химической

pt)-o-si-(сн,) -нн

Г Cl

Il

rt)-о- а1-(сн,) -ън-(сн,), нн-с-©н,он

5 модификации электрода вместе с приведенными в последующих примерах испытаниями его функциональных характеристик позволяет приписать органическому слою определенную структуру и

Протекание ацилирования аминосила-10 является обязательным этапом синтеза. на контролируют по отсутствию таких Пример 2. Химически модифиципиков на потенциодинамической харак- рованный электрод для иммобилизации ,теристике электрода (фиг.2). Наличие органических веществ, отличающийся небольших остаточных пиков связано с от примера 1 следующей структурой орнеполным ацилированием аминосилана 15 ганического слоя:

Способ его получения такой же, как в примере 1, но для силанизации электрода используют 3-(2-аминоэтиламино)пропилтриметоксилан.

Основные характеристики полученных15 электродов °

Поверхностная концентрация активных групп, моль/см й10

-И

Нижний предел кон- 30 центрации тиола при его иммобилизации, М 1 .10

Время иммобилизации, мин

Коэффициент селективности (по отношению к конкурирующим ами1 с-50

И

p)-о-Si-(сн,),— нн-с О

П р и и е р 4. Химически модифицированный электрод (в соответствии нам) ° . 1 -10.

Электродная кинетика Квазиобратимая

Работа химически модифицированного электрода для иммобилизации органических веществ и достижение положительного эффекта показаны в следующих примерах. 45

Пример 3. Химически модифицированный электрод (в соответствии с примером 1) помещают на 1 с в 1 х х 10 М раствор цистеина в О, 1 М трис-HCl буфере с рН 8, отмывают дис-50 тиллированной водой и затем выдерживают 1 ч в 5 -10- M растворе 2,3-дихлор-1,4-нафтохинона в этаноле. Электрод последовательно отмывают этанолом и водой, и регистрируют его потенциодинамическую характеристику на фоне 0,1 M водного боратного буфера рН 9,18 (фиг.3). По разнице потенциалов катодного и анодного пиков (dE

= 45 мВ при Ч = 50 MB/с) определяют квазиобратимый характер переноса электрона сквозь слой иммобилизованного органического вещества, а по площади расСчитывают поверхностную концентрацию активных групп ртутьорганики (2 ° 10- " моль/см для фиг.3) .

Потенциодинамическая характеристика электрода сохраняется при многих циклах сканирования потенциала, что показывает стабильность иммобилизации органического вещества. Это связано с тем, что тиольная группа цистеина связывается с ртуть-органикой, иммобилизованной на электроде, а аминогруппа цистеина остается свободной для реакции с нафтохиноном, который используют в качестве ред-окс метки, В конце эксперимента потенциодинамическая характеристика соответствует электроду следующей структуры:

СООН О

1 н -s-сн - сн-хн

С1

О с примером 1) выдержив ают 50 мин в

1.10 M растворе цистеина в 0,1 М

13511 6

1 ° 10 M растворе цистеина в 0,1 М трис-НС1 буфере с рН 8, содержащем, кроме того, алании в концентрации

1 10- M. Далее проводят операции в соответствии с примером 3. Получают потенциодинамическую характеристику аналогичную фиг.3, что указывает на отсутствие мешающего влияния добавки аланина. Коэффициент селективности иммобилизации цистеина в присутствии аланина рассчитывают по формуле:

14 стецнаi 1 10 M

Кселектиенoс и С 1 10 з M оiланннс где Сдланин - концентрация, не мешающая иммобилизации цистеина.

Пример 6. Химически модифицига рованный электрод (в соответствии с примером 1) помещают на 1 с в 1"10 М раствор глутатиона в О, 1 М трис-НС1 буфере с рН 8 и далее проводят операции в соответствии с примером 3.

Получают потенциодинамическую характеристику электрода (фиг,4), которую

О ll О

Pt -О-Si-(CH2)g-NH-C О Hg S-("- г CH (-, жн-сн; с

ОН

С=О

С 2

СН2 О

tO

О С1"

ОК О.

45 мером 3. Получают потенциодинамическую характеристику электрода аналогичную фиг.3, что показывает функционирование химически модифицированного электрода с ртуть-органикой, иммобилизованной на более длинной "ножке":

r

0 СООН

iI 1

PtI О-Si-(СН,),-НН-iСН,>,-NH-C- O Hg-S-СН,-СН-NH

С1

О трис-НС1 буфере с рН 8 и далее проводят операции в соответствии с примером 3. Получают потенциодинамическую характеристику электрода, аналогичную фиг.3, что показывает возможность иммобилизации с тиольной группой при его крайне низкой концентрации.

Пример 5. Химически модифицированный электрод (в соответствии с примером 1) выдерживают 50 мин в

Пример 7. Химически модифицировайный электрод (в соответствии, с примером 2) помещают на 1 с в 1 х х 10 М раствор цистеина в 0 1 M трис-НС1 буфере с рН 8 и далее проводят операции в соответствии с приХимически модифицированный электрод может быть использован для сеинтерпретируют аналогично фиг.3.

Данный пример показывает возможность иммобилизации на электроде с сохранением его электрохимических характеристик,полипептидов, содержащих цистеин. Кроме того, пример показывает возможность селективной самосборки на электроде пространственно организованной системы — ред-окс группа на полипептидной подложке лективной иммобилизации органических веществ (преимущественно аминокислот, 7 14 полипептидов,- белков) с тиольными группами из водных растворов с рН

5-8,5 при отсутствии в растворе неорганических сульфидов, ионов тяжелых металлов и комплексонов, т,е. в тех же условиях, в которых используют и-хлормеркурбензоат в качестве сульфгидрильного реагента, Использование предлагаемого химически модифицированного электрода позволяет высокоселективно (коэффициент селективности 1 ° 10- ) связывать органические вещества с тиольными группами.

Связывание происходит спонтанно при комнатной температуре эа короткое время (1 с-50 мин) из растворов крайне низкой концентрации (до 10 " М), что позволяет производить на электроде самосборку пространственно организованных систем из биомолекул.

13511 8

Формула изобретения

Химически модифицированный электрод для иммобилизации органических веществ, состоящий из электропроводной подложки М и слоя органического вещества, связанного с подложкой силановыми группами, о т л и ч а ю— шийся тем, что, с целью увеличения селективности к сульфгидрильным группам с одновременным сохранением электрохимической активности иммобилизованного вещества, в качестве подложки использовано органическое вещество следующей структуры: где К вЂ” (-CH -) — или (-СН -) -NHЭ 2 Э

-(-CH -) -группы.

Фиг.!

ОВ

1413511

Фиг. 5