Биосенсоры: основы и приложения - Тёрнер Э.
Скачать (прямая ссылка):
внешнем растворе. Данные, представленные на рис. 12.6, анализировали
описанным выше методом.
Первая стадия анализа - построение графика Хэйнеса (уравнение (12.14)),
т.е. зависимости п F А • [Глюкоза]// от концентрации глюкозы (рис. 12.7).
Чтобы скомпенсировать разную площадь электродов, используют величины
плотности тока (i/A). Отрезок, отсекаемый этими зависимостями на оси
ординат (нулевая концентрация глюкозы), соответствует величине, обратной
электрохимической константе скорости к'мЕ, определяемой уравнением
(12.15). Полученные значения /с'МЕ приведены в табл.
12.1.
Затем рассчитывают параметр р из уравнения (12.19):
р = ijnF Ак'МЕ [Глюкоза]
и строят зависимости у от р (уравнение (12.20)). Соответствующие
зависимости для трех изученных электродов показаны на рис. 12.8. Во всех
случаях получены прямые линии, подтверждающие успех проведенного анализа.
Эти зависимости пересекаются с осью абсцисс при значении р(р0), равном
единице, а это, как отмечалось выше при обсуждении уравнений (12.21) и
(12.22), свидетельствует о том, что при низких концентрациях субстрата
скоростьопределяющей стадией является диффузия глюкозы через мембрану.
Последующие ферментативная и электрохимическая стадии столь
11-1145
162
Глава 12
Рис. 12.6. Типичные зависимости токов мембранных электродов от
концентрации глюкозы. Материал электрода: 1 -
TTF + TCNQ 2- NMP + TCNQ ~; 3 Q - (TCNQ
[Глюкоза. ], ммоль /дм3
быстры, что никак не ограничивают скорость всего процесса. Выполнение
этого условия благоприятствует получению надежного сенсора, поскольку
кинетика ферментативной и электрохимической реакции не сказывается на его
функции. До тех пор, пока это условие соблюдается, спад активности
фермента или электрода не оказывает влияния на аналитическую функцию
сенсора.
Представленные на рис. 12.6 результаты показывают, что концентрацию
глюкозы можно определять в диапазоне от 50 мкмоль/дм3 до 10 ммоль/дм3.
Тот факт, что скоростьопределяющей стадией является транспорт глюкозы
через мембрану, объясняет, почему все значения /с'МЕ в табл. 12.1 так
близки и не зависят от материала электрода. Толщина мембраны LM для всех
электродов составляла 0,3 мм. Подстановка этого значения LM в уравнение
k's = DSKS/LM (см. выше) дает значение величины KSDS порядка 10 6 см 2 ¦
с-1. Это значение хорошо согласуется с данными [16], полученными при
исследовании транспорта через подобную мембрану с помощью вращающегося
дискового электрода.
Вернемся к рис. 12.8. Величины отрезков, отсекаемых приведенными на нем
зависимостями на осях, позволяют по уравнению (12.20) рассчитать значения
кМЕ.
Амперометрические ферментные электроды 163
Рис. 12.7. Графики Хэйнеса, построенные по данным рис. 12.6. Материал
электрода: |~]-TTF+ TCNQ~; iq 0-NMP+ TCNQ~: П--е+ (TCNQ); 1 ? ? ? Со
8 а ?
и -сиз-- а
i §
•Г в -
•
1 1 4 г О
1 о ю 1 о О и
2 ш - - - Я - с-с I] J 1 1
ю 20 30 [Глюкоза], ммоль/дмJ
Далее можно установить скоростьопределяющий процесс для насыщенного
ферментного электрода и найти соответствующую константу А4ат>Е по
уравнению (12.17). Значения kMt и k'Kal даны в табл. 12.1. Два члена
уравнения (12.17) характеризуют предельную (в условиях насыщения)
кинетику ферментативной и электрохимической реакций. Их отношение можно
найти, зная КМЕ, Км и отношение k's/k'ME, которое определяют по графикам,
построенным с помощью уравнения (12.20). Из уравнений (12.15) и (12.16)
получаем
Кат L Км , t1
е КМЕ(1 ~ к'мв/К)
В литературе приведено значение Км = 7 ммоль/дм3 [11]. Значения
i<fME (табл. 12.1)
Таблица 12.1. Характеристики мембранных электродов на основе органических
солей
Электродный материал см ¦ с'1 ммоль/дм см ¦ с
TTF+TCNQ- 4,7 NMP + TCNQ- 3,0 Q^TCNQ- 1,3 20 9 22 8 И 1.4
' Рассчитано по уравнению (12.14); с-по уравнению (12.20); "--по
уравнению (12.18).
11
164
Глава 12
Рис. 12.8. Зависимости, рассчитанные из данных рис. 12.7 по уравнению
(12.20). Материал электрода: 1-
TTF* TCNQ : 2~NMP+TCNQ~;
3~Q+(TCNQ)-.
составляют около 5 ммоль/дм3. В пределах ошибки эксперимента для всех
трех материалов к'МЕ равно k's. Отсюда можно заключить, что член в
скобках в знаменателе уравнения (12.15) меньше 0,1. Тогда
кштЬ/к'> 10, (12.24)
и это означает, что в области насыщения лимитирующей стадией является
электрохимическая, а не ферментативная реакция. Для всех трех материалов
константы скорости электрохимической реакции к' представлены приведенными
в табл. 12.1 величинами /4т.. При /скат = 800 с -1 [26] и L, равном
нескольким десяткам микрон, находим, что, в соответствии с результатами
нашего анализа, члены уравнения (12.16) действительно неэквивалентны.
Удачно, что все три материала (табл. 12.1) являются хорошими
электрокатализаторами прямого электрохимического окисления
глюкозооксидазы с константами скорости к', превышающими 10'2 см-с-1.
12.9. Механизм электрохимической реакции
Необходимо иметь в виду, что существует разногласие относительно того,
