Plakat

Przemysław Ziaja
Promotor: prof. dr hab. Paweł J. Kulesza
Opiekun: mgr Katarzyna Karnicka
BIOELEKTROCHEMICZNE UKŁADY KATALITYCZNE WOBEC REDUKCJI TLENU
Pracownia Elektroanalizy Chemicznej
GC/CNT_PMo12
GC (tlo)
-1.5
-20
700
700
600
500
400
300
200
100
S
N N
N+·
6
4
20
30
GC/ CNT_ABTS + Lakaza + Nafion
tlen
argon
1.0
250
25
0.5
-2
200
0.0
10
700
600
500
400
300
200
100
0
E wzgl. Ag/AgCl [mV]
50
200
400
600
800
1000
j [µA • cm-2]
j [µA • cm-2]
-1.0
100
15
10
S
S
0
Liniowa zależność
prądu piku katodowego
od szybkości
polaryzacji świadczy
o procesie
powierzchniowym
0
-5
-5
-10
700
700
600
500
400
300
200
100
N
400
Bufor McIlvaina pH = 5.2, v = 1 mV·s-1
Rys. 4. Układ GC/CNT_ABTS + nafion, pomiar
dla różnych szybkości polaryzacji.
Rys. 6. Elektroda GC zmodyfikowana 10 µl zawiesiny
przygotowanej przez zmieszanie dyspersji CNT_ ABTS
i nafionu z wodnym roztworem lakazy.
300
200
100
0
Bufor McIlvaina pH = 5.2, v = 1 mV·s-1
Rys. 7. Elektroda GC, na którą nałożono kolejno: 5 µl
zawiesiny CNT_ABTS z nafionem i 5 µl wodnego roztworu
lakazy. Dodatkowo zastosowano aldehyd glutarowy jako
związek sieciujący enzym.
9
8
5
SO3-
60
140
GC/CNT_ABTS/lakaza
tlen
argon
120
100
GC/CNT_ABTS/lakaza
tlen
argon
80
60
40
-2
4ABTS2-
Rys. I. Bezpośrednie
przeniesienie elektronu
Centra miedziowe (T) lakazy
oraz ich rola w procesie redukcji
tlenu. Elektroda pełni funkcję
substratu reakcji enzymatycznej.
500
E wzgl. Ag/AgCl [mV]
N
4ABTS- ·
600
0
E wzgl. Ag/AgCl [mV]
N N
N
5
5
j [µA • cm ]
H2O
-O3S
Najlepsze właściwości
elektrokatalityczne wobec redukcji tlenu
wykazuje układ złożony z CNT_ABTS
i lakazy usieciowanej aldehydem
glutarowym. Gęstość prądu redukcji przy
potencjale 0.45 [V] wynosi 9 µA · cm-2.
Ponadto reakcja ta rozpoczyna się przy
potencjale około 0.6 [V] względem
elektrody chlorosrebrowej (Rys. 8.).
GC/CNT_ABTS + Nafion/lakaza
tlen
argon
15
20
-0.5
150
W przypadku układów
zawierających nanorurki
stabilizowane przy pomocy
mediatora ABTS elektroredukcja
tlenu zachodzi przy bardziej
dodatnich potencjałach
w porównaniu z układami
z heteropolianionem PMo12.
7
1.5
300
j [µA • cm-2]
O2
SO3-
0
Rys. 3. Elektroda GC zmodyfikowana kolejno: 3 µl
zawiesiny CNT_ PMo12 z nafionem oraz 5 µl wodnego
roztworu lakazy.
80
S
100
Bioelektrokatalityczna redukcja tlenu - przeniesienie elektronu z mediatorem
His
-O3S
200
Bufor McIlvaina pH = 5.2, v = 1 mV·s-1
Rys. 2. Obrazowanie przy pomocy STM – nanorurki
stabilizowane heteropolianionem; HOPG (wysoko
zorganizowany grafit pirolityczny).
Charakterystyka warstwy:
Elektroda/CNT_ABTS
T1
T2/T3
300
2. Układy biokatalityczne wytworzone na bazie nanorurek węglowych stabilizowanych przy pomocy mediatora
ABTS (CNT_ABTS) i lakazy.
-1
e-
400
STM: HOPG/CNT_PMo12
Elektrolit: 0.5 M H2SO4, v = 50 mV·s-1
Bufor McIlvaina pH = 5.2
katoda
500
E wzgl. Ag/AgCl [mV]
Rys. 1. Woltamogram cykliczny elektrody z węgla szklistego
(GC) zmodyfikowanej 5 µl zawiesiny zawierającej nanorurki
stabilizowane PMo12 i nafion.
v [mV • s ]
His
600
0
E wzgl. Ag/AgCl [V]
Rys. II. Przykład pośredniego
mechanizmu przeniesienia
elektronu, w którym
uczestniczą mediator dyfuzyjny
ABTS i lakaza.
Cys
0
-10
-3.0
0
e-
10
-2
j [µA • cm ]
-2
I [mA • cm ]
0.0
0
e-
Zarówno PMo12 jak i ABTS
pozwalają zapobiec agregacji
wielościennych nanorurek węglowych
oraz uzyskać ich stabilne dyspersje.
Warto podkreślić, że dodatkowo
ABTS pełni funkcję mediatora
przeniesienia ładunku z elektrody do
centrum aktywnego lakazy.
GC/CNT_PMo12+ Nafion/lakaza
tlen
argon
20
1.5
Mechanizmy przeniesienia elektronu w układach
enzymatycznych na przykładzie lakazy
katoda
3
30
3.0
WNIOSKI:
Bioelektrokatalityczna redukcja tlenu – bezpośrednie
przeniesienie elektronu
2
1
-2
Aby przetestować sporządzone układy, monitorowano przebieg redukcji
tlenu przy pomocy chronowoltamperometrii cyklicznej. Oceny stopnia
modyfikacji (pokrycia) powierzchni wielościennych nanorurek węglowych
wybranymi związkami dokonano natomiast na podstawie pomiarów z
wykorzystaniem skaningowego mikroskopu tunelowego (STM).
Charakterystyka warstwy: Elektroda/CNT_PMo12
j [mA • cm ]
Głównym celem wykonanej pracy magisterskiej było przygotowanie
kompozytowych,
bioelektrochemicznych
układów
katalitycznych
wykazujących zdolność do elektroredukcji tlenu. Istotne składniki
wykorzystywane do wytworzenia zaproponowanych układów stanowiły:
lakaza (Cerrena unicolor, 300U/mg) oraz homogeniczne dyspersje
wielościennych nanorurek węglowych, stabilizowanych przy pomocy
heteropolianionu fosfododekamolibdenowego (PMo12O403-) lub mediatora
katodowego oznaczanego akronimem ABTS. Wprowadzenie wielościennych,
stabilizowanych nanorurek węglowych pozwoliło poprawić, ograniczoną przez
glikoproteinową otoczkę metaloenzymu, dynamikę transportu ładunku
(elektronu)
w
trójwymiarowej
warstwie
o
właściwościach
elektrokatalitycznych. Dodatkowo, dzięki zrealizowaniu pośredniego
mechanizmu przeniesienia elektronu (ang. Mediated Electron Transfer),
osiągnięto kontakt elektryczny miedzioproteiny z podłożem elektrodowym
(Rys. II.)
1. Układ biokatalityczny wytworzony na bazie nanorurek węglowych stabilizowanych heteropolianionem
fosfododekamolibdenowym (CNT_ PMo12) i lakazy.
jk [µA • cm ]
Przebiegający w wewnętrznej błonie mitochondrium, w obecności
oksydazy cytochromowej, proces czteroelektronowej, bezpośredniej redukcji
cząsteczki tlenu do dwóch cząsteczek wody bez udziału nadtlenku wodoru
jako produktu pośredniego stanowi od dawna przedmiot zainteresowań wielu
badaczy. Naukowcy starają się bowiem między innymi zrealizować
wspomnianą reakcję w obszarze katodowym enzymatycznego, miniaturowego
bioogniwa paliwowego. Aby więc przeprowadzić wydajną elektroredukcję
tego utleniacza w elektrochemicznym źródle energii, stosuje się
bioelektrokatalizatory
należące
do
klasy
pozamitochondrialnych,
wielomiedziowych oksydoreduktaz, takie jak oksydaza fenolowa - lakaza, czy
też oksydaza bilirubiny. Enzymy te posiadają unikalne centrum aktywne –
grupę prostetyczną złożoną z 3 typów centrów miedziowych. Jak wynika z
informacji dostępnych w literaturze, akceptorowe centrum T1 odpowiada za
przyjęcie elektronu powstałego w procesie utleniania odpowiedniego
substratu, zaś centra miedziowe typu T2 i T3 za aktywację i redukcję
ostatecznego akceptora elektronów, czyli tlenu (Rys. I.).
20
0
40
20
Opracowany układ może znaleźć
zastosowanie w przygotowaniu katod
dla potrzeb enzymatycznych ogniw
biopaliwowych. Na powierzchni
elektrody udało się unieruchomić
zarówno biokatalizator (lakazę) jak
i mediator ABTS, stosowany do tej pory
głównie jako mediator dyfuzyjny.
0
-20
-40
-20
lakaza
700
500
400
300
200
100
0
E wzgl. Ag/AgCl [mV]
STM: HOPG/CNT_ABTS
O2
H2O
Rys. 5. Obrazowanie przy pomocy STM: nanorurki,
których powierzchnia została zmodyfikowana mediatorem
(ABTS); HOPG (wysoko zorganizowany grafit pirolityczny).
Literatura:
-60
600
Bufor McIlvaina pH = 5.2, v = 1 mV·s-1
Rys. 8. Elektroda GC zmodyfikowana 5 µl dyspersji
nanorurek stabilizowanych przy pomocy ABTS oraz 5 µl
wodnego roztworu lakazy i 5 µl roztworu aldehydu
glutarowego (związek sieciujący).
700
600
500
400
300
200
100
0
E wzgl. Ag/AgCl [mV]
Bufor McIlvaina pH = 5.2, v = 1 mV·s-1
Rys. 9. Elektroda GC zmodyfikowana: 5 µl dyspersji
nanorurek stabilizowanych przy pomocy ABTS, 5 µl wodnego
roztworu lakazy i 5 µl roztworu aldehydu glutarowego.
Eksperyment wykonano po upływie osiemnastu godzin.
1. J. Kączkowski, ,,Podstawy biochemii”, WNT 1995
2. G. T. R. Palmore, H.H. Kim – J. Electroanal. Chem. 464 (1999) 110
3. S. Shleev, J. Tkac, A. Christenson, T. Ruzgas, A. I. Yaropolov, J. W.
Whittaker, L. Gorton – Biosens.Bioelectron. 20 (2005) 2517
4. C. Fernández – Sánchez, T. Tzanov, G. M. Gübitz, A. C. Paulo –
Bioelectrochem. 58 (2002) 149