CC BY
111
УДК 543.55:579.222.2
ИЗУЧЕНИЕ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОГО ПОВЕДЕНИЯ МЕДИАТОРОВ ЭЛЕКТРОННОГО ТРАНСПОРТА -2,6-ДИХЛОРФЕНОЛИНДОФЕНОЛА И НЕЙТРАЛЬНОГО КРАСНОГО МЕТОДОМ ЦИКЛИЧЕСКОЙ ВОЛЬТАМПЕРОМЕТРИИ
Н.М. Носова, А. С. Зайцева, В. А. Арляпов
Методом циклической вольтамперометрии с использованием вращающегося дискового электрода было показано, что скорость окислительно-восстановительной реакции с участием нейтрального красного (НК) выше, чем у 2,6-дихлорфенолиндофенола (ДХФИФ). Рассчитаны значения коэффициентов диффузии обоих медиаторов. Получены значения кажущихся коэффициентов переноса заряда на вращающемся дисковом электроде, указывающие на более эффективное использование НК в качестве медиатора электронного транспорта. Необратимость электрохимических превращений исследуемых редокс-красителей была доказана как на вращающемся дисковом, так и на стационарном электроде, выполненном из спектрального графита. Применяя уравнение Тафеля, показано, что скорость электрохимических превращений с участием молекул НК выше, чем у ДХФИФ. Определено, что введение в систему фактора перемешивания раствора изменяет природу генерируемого тока с диффузионного на кинетический (смешанный) для обоих медиаторов. Используя кинетическое уравнение Батлера-Фольмера, получены коэффициенты асимметрии, указывающие на существенное увеличение скорости переноса электронов при перемешивании раствора
Ключевые слова: медиаторы электронного транспорта, циклическая вольт-амперометрия, обратимость электрохимических превращений, коэффициент диффузии, коэффициент переноса заряда
Введение
В настоящее время, при разработке биосенсоров широко используют медиаторы электронного транспорта, которые способствуют переносу электронов от ферментных сайтов клеток микроорганизмов на электрод. Так, описаны медиаторные биосенсоры на основе микробных клеток для количественного определения глюкозы, этанола, БПК и других показателей [1-3]. Нейтральный красный (НК) и 2,6-дихлорфенолиндофенол (ДХФИФ) являются одними из наиболее широко используемых при разработке биосенсоров медиаторами [3-5]. Как правило, вывод о возможности их практического применения в каких-либо системах делается на основе величины ответа биосенсора. Такой подход является наиболее простым, однако он не позволяет целенаправленно создавать биосенсоры с заданными характеристиками. Для решения этого вопроса необходимо знать особенности электрохимического поведения медиатора в исследуемых системах.
В настоящее время многие как практические, так и фундаментальные задачи электрохимии решаются с применением метода циклической вольтамперометрии (ЦВА). Среди важнейших параметров, определяемых методом ЦВА, являются критерий обратимости электрохимических превращений, протекающих на электродах; коэффициент диффузии; коэффициент переноса заряда; коэффициенты уравнения Тафеля и другие. В данной работе произведено изучение особенностей электрохимического поведения медиаторов НК и ДХФИФ, анализ которых позволит сделать вывод о наиболее предпочтительном редокс-индикаторе при разработке биосенсоров и биотопливных элементов.
Материалы и методы
Реактивы. Рабочий электролит - фосфатный буферный раствор (рН 6,8). Рабочий электролит приготавливали следующим образом: к 1/15 моль/л раствору Ка2НРО4*12Н2О (ч.д.а.) приливали 1/15 моль/л раствор КН2РО4 (ч.д.а.) в соотношении 1:1 соответственно. Растворы фосфатов приготовлялись растворением навесок кристаллических солей в бидистиллированной воде.
В качестве медиаторов применяли окислительно-восстановительные индикаторы: нейтральный красный (НК) (ч.д.а.) и 2,6-дихлорфенолиндофенол (ДХФИФ) (ч.д.а.).
При проведении экспериментов использовались различные концентрации растворов медиаторов, которые приготовлялись растворением навесок этих веществ в рабочем электролите.
Все реактивы были предоставлены «ДИАЭМ» (Россия).
Электроды. В качестве рабочих электродов использовали углеситалловый вращающийся дисковый электрод с уплотнением (ВДЭ-У) («Эконикс-эксперт», Россия) и стержень, выполненный из спектрального графита.
В качестве вспомогательного - платиновый ЭПЛ-02 («Эконикс-эксперт», Россия), а электродом сравнения стал насыщенный хлорид серебряный электрод ЭВЛ-1М4 («Эконикс-эксперт», Россия).
Электрохимические измерения вольтамперных зависимостей. Циклические вольтамперограммы регистрировали при помощи гальванопотенциостата «1РС-ш1сго» (ЗАО «Вольта», Россия) и вольтамперометрического анализатора «Экотест-ВА» (ООО «Эконикс-Эксперт», Россия) по трехэлектродной схеме. Все измерения проводились при температуре 22 оС. Объем ячейки 30 мл.
Результаты и их обсуждения
Если рассматривать электрохимическую составляющую окислительного медиаторного биоэлектрокатализа, то перенос электрона
от восстановленной формы медиатора на электрод будет сопровожден подводом медиатора от биоматериала к поверхности электрода. Для оценки вклада диффузии в электрохимический процесс были исследованы циклические вольтамперограммы растворов НК и ДХФИФ, которые были сняты при различных скоростях вращения дискового электрода для исследуемых медиаторов.
Если предельный ток, генерируемый в ходе электрохимического процесса, лимитируется стадией диффузии электроактивного вещества к электроду вращения, то, согласно уравнению Левича, зависимость предельного тока от корня квадратного из скорости вращения дискового электрода (1 должна быть линейной. Если скорость процесса определяется стадиями, не связанными с подводом вещества, т.е. контролируется кинетикой, например, небольшой скоростью предшествующей химической стадии или в смешанном режиме, то предельный ток не зависит от скорости вращения дискового электрода [6].
а б
Рис. 1. Зависимость тока от скорости вращения дискового электрода: а - концентрация ДХФИФ 0,9 мкМ, б - концентрация НК 0,9 мкМ
Из представленных (рис. 1) данных видно, что в случае ДХФИФ диффузионный контроль действует до 1=1200 об/с, затем в системе лимитирующей стадией становится замедление разряда. Для НК электрохимический процесс определяется диффузией молекул электроактивного вещества во всём исследуемом диапазоне скоростей вращения электрода. Таким образом, можно сделать вывод, что скорость окислительно-восстановительной реакции с участием молекул НК выше, чем для ДХФИФ.
Существенное влияние на скорость электрохимических процессов с участием изученных медиаторов электронного транспорта оказывает значение коэффициента диффузии. Для его определения использовали математическую модель на основе уравнения Левича: ¡а = 0,62пГО 2/3ю 1/2у -1/6с0,
2 0
где Б - коэффициент диффузии, см /с; с - объёмная концентрация вещества; V - кинематическая вязкость раствора; ю - угловая скорость
вращения дискового электрода, рад/с, ю = 2я£ 1-число оборотов в секунду, п - число электронов, переносимых в электрохимической стадии, Б - число Фарадея.
В результате обработки ЦВА были получены следующие значения коэффициентов диффузии:
Б(НК)=(0,74±0,05)-10-6 (см2/с) б(дХФИФ)=(0,48±0,02>10-6 (см2/с)
Таким образом, НК имеет большее значение коэффициента диффузии, соответственно является более предпочтительным для использования в качестве медиатора электронного транспорта.
Метод циклической вольтамперометрии позволяет проводить анализ вольтамперных кривых с целью выяснения обратимости или необратимости электродного процесса. С этой целью использовали графическую обработку результатов ЦВА в соответствии с уравнениями для обратимых и необратимых электрохимических превращений соответственно (рис. 2).
Е = Е1/2 + (ЯТ/пЕ)1п[(1шах - 1)/1] Е = Е1/2+ (ЯТ/аТ)1п[(1шах - 1)/1], где Я - газовая постоянная, Т - абсолютная температура, I -диффузионный ток, 1шах-максимальный ток, п - число электронов, переносимых в электрохимической стадии, Е1/2 - потенциал полуволны, Е - потенциал высоты волны, Б - число Фарадея, а' - кажущийся коэффициент переноса.
Из представленных уравнений видно, что вольтамперные кривые в координатах Е - 1п[(1шах -1)/1] представляют собой прямые как при обратимо, так и при необратимо протекающей электрохимической реакции, однако угловые коэффициенты этих зависимостей различаются. В случае обратимой реакции угловой коэффициент равен ЯТ/пБ, а в случае необратимой он равен ЯТ/аТ (при 20 0С величина ЯТ/Б = 0,025 В). Для обратимо протекающего процесса по угловому коэффициенту ЯТ/пБ можно найти число переносимых электронов, а при необратимом протекании электрохимической стадии по угловому коэффициенту ЯТ/аТ находят значение кажущегося коэффициента переноса.
По известному из литературы числу электронов участвующих в электрохимическом процессе (2 электрона для обоих медиаторов) и найденному тангенсу угла наклона полученных прямых, можно сделать вывод, что для обоих медиаторов электрохимическая стадия протекает необратимо. Были получены следующие значения кажущихся коэффициентов переноса: а'(ДХФИФ)=1,75±0,08 а'(НК)=5,0±0,1, указывающие на более эффективное использование НК в качестве медиатора электронного транспорта.
0,24 0,23 Я2 0,997 = 0,987 Й5 = 0,991
0,22 0,983
ой ш 0,21 Л/ * 300 оборотов ■ бООоборйтоо
0,19 ■ АХ ¿ЭДОоборотоо
—(Ш— 1200оборою&
0,5 0 0,5 1 1п((1тах-1)/1}) 1,5 2
Рис. 2. График зависимости в координатах Е - 1н[(1тшх -1)/1] для ДХФИФ, С(ДХФИФ) = 90 мкМ
С целью выявления влияния материала электрода на электрохимическое поведение изучаемых электроактивных веществ нами применялся метод ЦВА с использованием рабочего графитового электрода (аналогичного электродам, используемым при создании медиаторных биосенсоров).
Для выявления кинетических закономерностей электрохимических процессов, протекающих с участием обоих медиаторов, использовали обработку вольтамперных зависимостей по математической модели на основе уравнения Тафеля:
^ Е = Ь + а х ^ /
где Е - перенапряжение; 1 - плотность тока; а, Ь - эмпирические коэффициенты.
В координатах, соответствующих уравнению Тафеля, были построены прямолинейные зависимости, по которым определялись эмпирические коэффициенты а и Ь. Для НК они составили: 0,28±0,03 и 0,74±0,06, для ДХФИФ 0,16±0,04 и 0,44±0,06 соответственно. Таким образом, скорость электрохимических превращений с участием НК выше, так как коэффициенты а и Ь имеют большие значения.
Необратимость электрохимических превращений исследуемых редокс-красителей на стационарных графитовых электродах была доказана при сравнении экспериментальных значений разности электрохимических потенциалов между катодным и анодным пиком на ЦВА со значением рассчитанным теоретически.
ЯТ 0,058
АЕ = 2,3-
¥п
п
где п - число электронов, Я - универсальная газовая постоянная, Т - абсолютная температура, Б - число Фарадея.
Значение разности потенциалов для НК составило 1,09±0,06, а для ДХФИФ 0,98±0,08. Данный параметр значительно отличается от теоретического значения разности потенциалов (0,029) для обоих исследуемых веществ, что подтверждает необратимость электрохимических превращений. Важно отметить, что подобное электрохимическое поведение исследуемых медиаторов, в частности НК, наблюдается и для других систем [7].
Определить природу тока на стационарном электроде можно, если учесть, что для процессов, подчиняющихся уравнению Нернста, характеризующихся быстрым электронным переносом, величина плотности тока подчиняется уравнению:
/ = 0 ,447 п Ъ/2 ЕС 0 V Вд V
?
где п - число электронов, Б - число Фарадея, Б - коэффициент диффузии вещества, q=F/RT, V - скорость развёртки, С - концентрация, { - плотность тока.
Тогда в качестве критерия диффузионной природы тока может быть использована зависимость плотности тока от корня скорости развёртки, которая, на основании приведённого уравнения, должна иметь прямолинейный характер.
Еще одним критерием диффузионной природы тока является вид зависимостей полученных в координатах отношения значения катодного тока к значению анодного тока 1к/1а от скорости развертки потенциала (V). Излом на данных графических зависимостях указывает на осложнение электрохимического процесса химическими реакциями.
Исходя из анализа результатов обоих критериев, следует, что во всем диапазоне концентраций НК и ДХФИФ без использования в системе перемешивания генерируемый ток имеет диффузионную природу. В условиях перемешивания (имитирующем работу биосенсора при проведении анализа) нами для обоих медиаторов были получены зависимости имеющие излом: при скорости развертки равной 50 мВ/с для НК и при скорости развертки равной 40 мВ/с для ДХФИФ. Полученные результаты свидетельствуют о том, что в случае применения перемешивания в системе при низких скоростях развёртки потенциала мы имеем замедленную химическую реакцию, скорость которой с ростом скорости развёртки потенциала перестаёт влиять на перенос электронов и природа тока, как и при отсутствии перемешивания, становится диффузионной. Данный факт указывает на кинетическую или смешанную природу генерируемого тока при небольшой скорости потенциала.
Таким образом, введение в систему фактора перемешивания раствора изменяет природу генерируемого тока с диффузионного на
кинетический (смешанный) для обоих медиаторов. Данные результаты, показывающие зависимость природы тока от скорости развертки потенциала и перемешивания в исследуемых системах имеют не только фундаментальное, но и прикладное значение и могут быть использованы при разработке медиаторных биосенсоров и биотопливных элементов.
Известное в литературе кинетическое уравнение Батлера-Фольмера, применяется когда электронный переход является недостаточно быстрым и позволяет рассчитать коэффициент переноса заряда.
1р = 2,99 • 10 5 ЕАС 4ау~В
где а - параметр асимметрии или коэффициент переноса заряда, Б -коэффициент диффузии, [см /с]; Б - число Фарадея; А - площадь
23
электрода, [см ]; С - концентрация медиатора, [моль/см ]; V - скорость развертки потенциала, [В/с].
Для графитового электрода были найдены значения коэффициентов переноса (табл. 1).
Коэффициенты _переноса заряда
Таблица 1
ДХФИФ НК
Без перемешивания С перемешиванием Без перемешивания С перемешиванием
8,9910-11 5,64^ 10-3 7,86-10-15 2,1810-3
По полученным результатам видно, что большую роль играет перемешивание, которое существенно увеличивает данный коэффициент. В случае с ДХФИФ значение а выше, что указывает на более эффективный перенос электронов как медиатора электронного транспорта. Однако при использовании перемешивания разница в значениях коэффициентов становится не такой значительной.
Таким образом, анализ совокупности всех электрохимических свойств исследуемых медиаторов позволяет сделать вывод, что НК является лучшим медиатором для использования в биосенсорах на основе графитовых электродов в условиях перемешивания раствора.
Заключение
На основании полученных результатов можно сделать вывод, что скорость окислительно-восстановительной реакции с участием молекул НК выше, чем для ДХФИФ. Рассчитанное значение коэффициента диффузии, значения кажущихся коэффициентов переноса, эмпирические коэффициенты уравнения Тафеля для НК также больше, чем для ДХФИФ и соответственно НК является более предпочтительным для использования
в качестве медиатора электронного транспорта. Доказана необратимость окислительно-восстановительной реакции с участием обоих редокс-красителей, как на вращающемся, так и на графитовом электродах. Найденные коэффициенты ассиметрии, полученные на основе уравнения Батлера-Фольмера указывают на влияние режима перемешивания, которое многократно увеличивает их значения. Таким образом, НК является более эффективным медиатором при разработке биосенсоров и биотопливных элементов на основе графитовых электродов в условиях перемешивания раствора.
Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ и Правительства Тульской области № 16-48-710959 р_а (договор ДС/44) и гранта Президента Российской Федерации для государственной поддержки молодых российских ученых - кандидатов наук, договор № 14.Z56.16.5425-MK
Список литературы
1. Determination of total sugars in lignocellulose hydrolysate by a mediated Gluconobacter oxydans biosensor / J. Tkac, P. Gemeiner, J. Svitel [et al.] // Analytica Chimica Acta. 2000. V. 420. P. 1-4.
2. Kubiak W., Wang J. Yeast-based carbon paste bioelectrode for ethanol // Analytica Chimica Acta. 1989. V. 221. P.43-51.
3. Медиаторный БПК-биосенсор на основе ферроцена и дрожжевых клеток Debaryomyces hansenii / А.С. Зайцева, В.А. Арляпов, Н.Ю. Юдина [и др.] // Прикладная биохимия и микробиология. 2017. T. 53. № 3. C. 1-8.
4. Hu J.S., Gao G.F., Xia S.L. A Mediated BOD Microsensor Based on Poly (Neutral Red) and Bacteria Modified Interdigited Ultramicroelectrode Array // International journal of electrochemical science. 2016. V. 11. I. 7. P. 6387-6402.
5. Hubenova Y., Mitov M. Extracellular electron transfer in yeast-based biofuel cells: A review // Bioelectrochemistry. 2015. V. 106. P. 177-185
6. Изучение кинетики окисления глюкозы бактериальными клетками Escherichia coli с помощью метода вращающегося дискового электрода / Е.В. Кузьмичева, А.Н. Степанов [и др.] // Электрохимическая энергетика. 2007. Т. 7, №4. С. 200-204
7. Rotating disk electrode analysis of oxygen reduction at platinum particles under limiting diffusion conditions / A.J. Martin, A.M. Chaparro, M.A. Folgado [et al.] // Electrochimica Acta. 2009. Т. 54. I. 8. P. 2209-2217.
8. Azariah N., Berchmans S., Yegnaraman V. Electrochemical behaviour of neutral red // Bulletin of Electrochemistry. 1998. V. 14. I. 10. P. 3-7.
Носова Наталия Михайловна, канд. хим. наук, доц., [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Зайцева Анна Сергеевна, аспирант, [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Арляпов Вячеслав Алексеевич, канд. хим. наук, доц., [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет
STADY OF ELECTROCHEMICAL BEHAVIOR OF ELECTRON TRANSPORT MEDIATORS - 2,6-DICHLOROPHENOLINOPHENOL AND NEUTRAL RED BY USING CYCLIC VOLTMETROMETRYMETHOD
N. M. Nosova, A.S. Zaitseva, V.A. Arlyapov
Using cyclic voltammetry with a rotating disk electrode, it was shown that the redox reaction rate of neutral red (NR) is higher than 2,6-dichlorophenolindophenol (DCFI). The diffusion coefficients of both mediators are calculated. The values of apparent charge transfer coefficients on a rotating disk electrode were obtained, indicating more efficient use of NR as a mediator of electron transport. The irreversibility of the electrochemical reaction of the redox dyes was studied with a rotating disc electrode and a stationary spectral graphite electrode. Applying the Tafel equation, it was shown that the rate of electrochemical reaction with NR molecules is higher than DCFI. It was determined that the stirring of the solution change the generated current from diffusion to kinetic (mixed) for both mediators. Asymmetry coefficient were obtained using the Butler-Volmer kinetic equation, indicating that stirring of the solution significant increase of the electron transfer rate.
Key words: mediators of electronic transport, cyclic voltammetry, the reversibility of electrochemical reaction, the diffusion coefficient, the charge transfer coefficient
Nosova Natalia Mihailovna, candidate of chemical sciences, associate professor, [email protected], Russia, Tula, Tula State University
Zaitseva Anna Sergeevna, post-graduate student, Department of Chemistry, [email protected], Russia, Tula, Tula State University,
Arlyapov Vyacheslav Alekseevich, candidate of chemical sciences, associate professor, [email protected], Russia, Tula, Tula State University
