научная статья по теме СТРУКТУРА И СВОЙСТВА ПОЛИМЕРНЫХ БИОКОМПОЗИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ Химия

Текст научной статьи на тему «СТРУКТУРА И СВОЙСТВА ПОЛИМЕРНЫХ БИОКОМПОЗИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ»

ЭЛЕКТРОХИМИЯ, 2004, том 40, № 3, с. 352-358

УДК 541.135.5:547

СТРУКТУРА И СВОЙСТВА ПОЛИМЕРНЫХ БИОКОМПОЗИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ

© 2004 г. В. А. Богдановская1, А. В. Капустин, М. Р. Тарасевич, Л. Н. Кузнецова

Институт электрохимии им. АН. Фрумкина РАН, Москва, Россия Поступила в редакцию 26.03.2003 г.

Обобщены результаты изучения структуры и свойств полимерных биокомпозитных материалов, включающих фермент (лакказа или пероксидаза), ион- или электронпроводящий полимер (нафион или полиметилпиррол) и углеродный (компактный или дисперсный) носитель. Показано, что в составе композитного материала фермент-нафион на поверхности носителя удерживается большее количество молекул фермента в ориентации, благоприятной для осуществления прямого биоэлек-трокатализа. При соиммобилизации фермента и полиметилпиррола реализуются условия, при которых полимер участвует в переносе электронов между активным центром фермента и поверхностью электропроводной подложки. Развит новый подход к конструированию биокомпозитного материала при использовании высокодисперсного углеродного материала - коллоидного графита, обеспечивающего высокую удельную активность иммобилизованной на нем лакказы. Размер частиц коллоидного графита соизмерим с размерами молекулы лакказы, благодаря чему макромолекула фермента окружена углеродными частицами. Поэтому практически все адсорбированные молекулы фермента электрохимически активны и участвуют в прямом биоэлектрокатализе.

Ключевые слова: ферменты, полимеры, композитные материалы, прямой биоэлектрокатализ, структура.

ВВЕДЕНИЕ

Явление прямого биоэлектрокатализа, когда электрон переносится непосредственно между электродом, активным центром фермента и субстратом, установлено для ряда ферментов [1-5]. Показано, что важное значение для осуществления эффективного транспорта электронов имеет способ иммобилизации [1-5 и ссылки в них]. Наряду с адсорбционной иммобилизацией [1, 2] используют ковалентное связывание [3, 4] или привязывание к электропроводной подложке, например, лакказы, с помощью полимера, модифицированного осмием, так называемая "wired" лакказа [5].

Одним из новых направлений в области создания композитных материалов является разработка и исследование биполимерных систем на основе фермента и ион- или электронпроводящих полимеров. Композитные материалы нового поколения необходимы для электрохимических биосенсоров и биотопливных элементов. Основными задачами, которые должны быть решены при разработке композитных материалов, являются: повышение эффективности использования ферментов, обеспечение высокой селективности и стабильности.

Композитные материалы на основе ферментов существенно отличаются от электрокатали-

1 Адрес автора для переписки: bogd@elchem.ac.ru (В.А. Богдановская).

заторов, имеющих металлическую природу: во-первых, ферменты не обладают электронной проводимостью, во-вторых, молекулы биокатализаторов имеют большие размеры, и для осуществления прямого биоэлектрокатализа необходима определенная ориентация молекулы по отношению к электропроводной матрице. Эти различия в свою очередь требуют развития специальных методов создания наноструктурированных композитных электрокатализаторов, которые обеспечивают максимальную степень заполнения и благоприятную ориентацию молекулы фермента по отношению к поверхности электропроводного носителя для эффективного переноса электрона.

В литературе обсуждаются различные методы иммобилизации ферментов для осуществления прямого переноса электрона между электропроводной матрицей, активным центром фермента и субстратом. Значительное внимание в связи с этим уделяется исследованиям по иммобилизации ферментов в электронпроводящие полимеры, прежде всего в полипиррол или его производные. Иммобилизацию фермента проводят в условиях электрохимической полимеризации в присутствии в объеме раствора пиррола и фермента. Варьируя условия электрохимической полимеризации при соосаж-дении фермента с полимером и применяя различные допирующие агенты, можно синтезировать непосредственно на электроде пленку определен-

ной толщины и структуры со встроенным ферментом. В этом случае ферментная глобула окружена со всех сторон цепями электронпроводящего полимера, что, по мнению ряда авторов [6-10], способствует переносу заряда между электродом и активным центром включенного в полимер фермента. Авторы [9] считают, что им удалось реализовать прямой электронный перенос между глюко-зооксидазой, иммобилизованной в полиметилпир-рол (ПмП), и поверхностью электрода. В работе [10] описан электрод, полученный путем совместной полимеризации N-метилпиррола и перокси-дазы, на котором реализуется прямой биоэлект-рокатализ восстановления пероксида водорода.

Использование нафиона в качестве связующего для проведения исследований с дисперсными катализаторами широко известно из литературы [11-13]. Показано [14], что вплоть до толщины пленки нафиона на поверхности электрода, равной ~200 нм, не возникает ограничений по диффузии кислорода к поверхности электрода. Возможность применения нафиона для создания композитных материалов с ферментами была продемонстрирована в работах [15-17]. Установлено, что использование композита лакказа/нафион увеличивает стабильность ферментного электрода, что позволяет проводить исследования биоэлектрокатали-тической активности лакказы в смешанных водно-органических растворах [18].

Углеродные компактные и дисперсные материалы широко используются для адсорбционной иммобилизации ферментов [15-19]. Исследования структуры слоев с адсорбированным ферментом как правило проводят на высокоориентированном пиролитическом графите (ВОПГ). Ферментные электроды для применения в электрохимических биосенсорах или биотопливных элементах включают дисперсные углеродные материалы, такие как сажи, угли и графит.

В настоящей работе обобщены результаты разработки и исследования структуры и биоэлектро-каталитической активности композитных материалов, обеспечивающих высокие удельные характеристики иммобилизованных ферментов.

МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

В работе были использованы ферменты: пе-роксидаза (ПОД) из хрена фирмы "Sigma" и лак-каза из Coriolus versicolor, выделенная по методике [20]. По данным электрофореза, фермент был гомогенным, имел концентрацию 3.5 мг/мл. N-метилпиррол и 5%-ный раствор нафиона в смеси алифатических спиртов получены от фирмы "Aldrich". Пероксид водорода имел квалификацию "ос.ч." и был получен от фирмы "Биореактив" (Россия). Углеродные материалы: ацетиленовая сажа (АД 100) с величиной удельной поверхности

100 м2/г и высокодисперсный коллоидный графит (ВКГ) с удельной поверхностью 2000 м2/г получены из НИИЭУИ (г. Электроугли, Россия). Высокоориентированный пиролитический графит получен из Института физических проблем.

Измерения электрохимической активности в реакции восстановления кислорода (при использовании в составе композита лакказы) или восстановления пероксида водорода (при исследовании композитного материала на основе ПОД) проводили в трехэлектродной ячейке с разделенными анодным и катодным пространствами. В качестве рабочего электрода был использован вращающийся дисковый электрод из изотропного пироуг-лерода (ИП) или золота площадью 0.2 см2, запрессованный в тефлон или "плавающий" электрод, представляющий собой таблетку, спрессованную из гидрофобизированной сажи [21]. Таблетка имела толщину около 0.3 см и площадь поверхности контакта с электролитом - 1 см2. Электрод такой конструкции является моделью газодиффузионного катода и обеспечивает равнодоступность активного слоя (масса активного слоя составляла 0.3-0.8 мг), нанесенного на таблетку, в отношении подачи кислорода. В качестве электрода сравнения использовали насыщенный хлоридсеребряный электрод, относительно которого представлены все значения потенциалов.

Электрохимические измерения на композитных материалах с ПОД выполнены в 0.1 М фос-фатно-щелочном буферном растворе с рН 7, деаэрированном аргоном. Исследование электрохимической активности лакказы проводили в 0.15 М цитратно-фосфатном буферном растворе с рН 4.2. Все неорганические реактивы имели квалификацию "х.ч.".

Полимерную пленку полиметилпиррола синтезировали на поверхности электрода в гальваностатическом режиме при величине тока I = 50 мкА (потенциал 0.63-0.65 В) из 0.1 М фосфатно-щелоч-ного буферного раствора, содержащего 0.1 М КС104 и 0.1 М К-метилпиррола. При синтезе композитной пленки осаждение проводили из раствора того же состава, содержащего ПОД (сПОд = = 1.5 х 10-5 М). Для оценки толщины пленки поли-метилпиррола предполагали, что при пропускании 1 Кл/см2 образуется пленка толщиной 4 мкм [10].

Для приготовления нанокомпозитного материала на основе лакказы и дисперсного углеродного материала (ВКГ, АД 100) в 100 мкл цитрат-но-фосфатного буферного (рН 4.2) раствора, содержащего 16 мкг лакказы, помещали 2 мг углеродного материала, тщательно перемешивали и выдерживали ~2 ч. Затем аликвоту смеси наносили на "плавающий" электрод и сушили при комнатной температуре.

Композит лакказа-нафион готовили на основе раствора лакказы с концентрацией 0.05 мг/мл

/„, мкА

Рис. 1. Поляризационные кривые электровосстановления кислорода на электродах из пирографита с адсорбированной лакказой - 1 и с композитом: лакказа (0.1 мг/мл) + нафион (0.01%) - 2. Скорость наложения потенциала 0.5 мВ/с; рН 4.4.

(0.005% раствор) и добавляли нафион для получения его концентрации в смеси 0.005% или 0.01%. Смесь (3-5 мкл) наносили на пирографитовый дисковый электрод. Количество прочно связанного на электроде фермента составляло ~2.4 пмо-ля. Поскольку геометрическая поверхность электрода равна 0.2 см2, а площадь, занимаемую молекулой лакказы, принимали равной 10 нм2, исходя из геометрических размеров молекулы (диаметр ферментной глобулы лакказы составляет 3-5 нм), то заполнение поверхности относительно прочно связанным ферментом оказывается несколько меньшим монослоя (для монослоя необходимо 3.3 пмоля). Толщина пленки нафиона на поверхности электрода ~12-15 нм. При расчете толщины слоя нафиона было сделано допущение, что нафион равномерно распределен по видимой поверхности электро

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком