Vol. 2014/3 - Сетевой электронный научный журнал

ISSN 2409-2525
Vol. 2014/3
Медицина и ветеринария
YS2014-V3-D2-A46
www.yscience.ru
УДК 543.552: 543.55.054.1: 543.632.55
Тарануха Н. И., Дорохина А. А., Лукьянова Д. А., Крикун П. В., Гахова Н. А.
Taranukha N. I., Dorokhina A. A., Luk`yanova D. A., Krikun P. V., Gakhova N. A.
ВОЗМОЖНОСТИ ВОЛЬТАМПЕРОМЕТРИИ
В ОПРЕДЕЛЕНИИ ЦИСТЕИНА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЭЛЕКТРОДОВ МОДИФИЦИРОВАННЫХ
НАНОЧАСТИЦАМИ ЗОЛОТА
OPPORTUNITIES IN THE DETERMINATION CYSTEINE
VOLTAMMETRY USING AN ELECTRODE MODIFIED
NANOPARTICLES OF GOLD
Напечатано в авторской редакции
Показана возможность использования различных типов рабочих электродов, содержащих углерод в различных аллотропических состояниях. Данные электроды не являются чувствительными при определении в растворах
малых концентраций цистеина. В вольтамперометрии данный недостаток устраняется изменением рабочей поверхности электрода, которая модифицируется с использованием наночастиц в состав которых входит атомарное
золото. Модифицирование поверхности позволяет изменить физико-химические характеристики рабочего электрода, что приводит к повышению чувствительности вольтамперометрического анализа в определении цистеина.
В работе использовано два способа модифицирования поверхности рабочего электрода: 1 – нанесение микропленки из электрохимически осажденного золота при определенном потенциале и 2 – модифицирование поверхности рабочего электрода наночастицами золота. Сравнивая их характеристики экспериментально подтверждено,
что электроды, модифицированные наночастицами золота более чувствительны, чем электроды, модифицированные микроосадком из золота. Модифицирование поверхности электрода наночастицами повышает чувствительность определения цистеина в среднем в 5 раз по сравнению с электродами содержащими на поверхности микроосадок золота. Такая разность в чувствительности предположительно связана с образованием большего числа
активных центров на поверхности электродов, состоящей из наночастиц по сравнению с поверхностью электродов, состоящей из микроосадка. Связано данное явление с меньшими энергиями активации у наночастиц, и большими энергиями активациями для микроосадка.
При использовании в качестве модификатора поверхности рабочего электрода наночастицы золота на вольтамперных кривых наблюдается обратный катодный максимум. Данный обратный катодный максимум на вольтамперограммах растет пропорционально увеличению концентрации цистеина, что было использовано для его
аналитического определения в водных растворах. После проведенных исследований и выявленных закономерностей была предложена методика определения цистеина вольтамперометрическим методом с использованием
графитовых электродов модифицированных наночастицами золота.
Ключевые слова: цистеин, графитовый электрод, наночастицы золота, вольтамперометрический метод.
40
The possibility to use different types of working electrodes comprising carbon in different allotropic states. These electrodes are not susceptible to the determination of low concentrations of cysteine solutions. In voltammetry, this disadvantage is eliminated change the working electrode surface, which is modified with nanoparticles, which include atomic gold.
Surface modification can change the physicochemical characteristics of the working electrode, which leads to increased
sensitivity voltammetric analysis in determining cysteine.
We used two ways of modifying the surface of the working electrode: 1 - application of microfilm from the electrochemical deposition of gold at a certain capacity and 2 - modification of the surface of the working electrode with gold nanoparticles. Comparing their characteristics is experimentally confirmed that the electrodes are modified gold nanoparticles are
more sensitive than the electrodes modified microscopic sediment gold. Surface modification of nanoparticles electrode
increases the sensitivity of detection of cysteine on average 5 times higher than with electrodes containing surface microscopic sediment gold. This difference in sensitivity presumably associated with the formation of a larger number of active
sites on the electrode surface consisting of nanoparticles as compared with the surface electrodes consisting of microscopic sediment. This phenomenon is associated with a lower activation energy in the nanoparticles and the high activation
energy for microscopic sediment.
When used as a surface modifier of the working electrode gold nanoparticles on an inverse voltage curves cathode
maximum. This reverse cathodicvoltammograms maximum increases in proportion to the concentration of cysteine, which
was used for its analytical determination in aqueous solutions. After studies and revealed laws was proposed voltammetric
method for determination of cysteine by using graphite electrodes modified with gold nanoparticles.
Key words: cysteine, graphite electrode, gold nanoparticles, voltammetric method
Цистеин (2-амино-3-меркаптопропановая кислота) серосодержащая аминокислота, имеет важное биохимическое значение для катализируемых
процессов организме животных. В живых организмах цистеин является защитным барьером от различных поражений [1]. Он важен для проявления
ISSN 2409-2525
Сетевой электронный
научный журнал
Напечатано в авторской редакции
наночастицами золота (ГЭ-Au-nano) и модифицированные из раствора HAuCl4 концентрацией 10 мг/л
(ГЭ-Au). Вольтамперометрические измерения проводили на фоне 0,1 MNaOH.
Модифицирование поверхности ГЭ проводили
следующим способом. Электрод помещают в электрохимическую ячейку, заполненную 10 мл золя
золота,проводят электролиз в течение 30 с для модифицирования поверхности рабочего электрода
золотыми наночастицами. После модифицирования поверхности, электрод помещали в электрохимическую ячейку с 0,1 MNaOH для определения
цистеина.
Золи золота – это сложные системы, состоящие
из частиц сферической формы, в состав которой
входят окисленные формы металла. Размер наночастиц золота составляет 2-5 нм[13].
Вольтамперные зависимости цистеина ранее
были получены на ГЭ-Au и ГЭ-Au-nano в растворе
фонового электролита 0,1 MNaOH [16].
Результаты работы.На анодной ветви циклической вольтамперограммы максимум наблюдается
при потенциале Ea= 0,24 В на ГЭ-Au, а на ГЭ-Aunano наблюдается максимум при потенциале Ea=
–0,05 В, что соответствует процессу образования
оксида золота (III).
На катодной ветке циклической кривой катодный
максимум наблюдается при потенциале Ек= –0,14
В на ГЭ-Au. На ГЭ-Au-nano наблюдается максимум
при потенциале Eк= 0,05 В, что соответствует образованию металлического золота. Анодный максимум полученный на ГЭ-Au-nano, смещается в область отрицательных потенциалов на 0,2 В. Катодной максимум смещается в положительную область
потенциалов на 0,1 В. Смещение потенциала в область положительных потенциалов на ГЭ-Au-nano
может быть связано с окислением наночастиц золота в щелочной среде, за счет увеличения активных
центров на поверхности ГЭ-Au-nano, приводящего к
снижению энергии активации.
Цистеин неэлектроактивен на ГЭ в 0,1 MNaOH
[13]. Высота максимума окисления цистеина на ГЭAu увеличивается в 1,5 раза по сравнению с высотой максимума, соответствующего окислению модификатора. На ГЭ-Au-nano цистеин электрохимически активен в присутствии 2•10–12 М. Этот факт
связан с увеличением активных центров на поверхности ГЭ-Au-nanoпо сравнению с монокристаллами
золота, катализирующими процессы окисления цистеина. Высота максимума окисления цистеина на
ГЭ-Au-nano увеличивается на 30% по сравнению с
высотой максимума, соответствующего окислению
модификатора.
Процесс, происходящий на ГЭ-Au-nano может
быть отнесен к электрокаталитическому с адсорбционным вкладом в процесс электроокисления
цистеина и регенерации каталитической исходной
формы по схеме:
6RSH + Au2O3 D 3RSSR + 2Au + 3H2O
(2)
Положительный наклон зависимости I√v–√v указывает на адсорбционный вклад в процесс электрокаталитического окисления цистеина на ГЭ-Aunano[16].
В присутствии 2∙10–12 M и 4∙10–12M цистеина на
ГЭ-Au-nano наблюдается обратный максимум при
потенциале Eк= 0,0 В на катодных ветвях цикличе-
Медицина и ветеринария
биологической активности ферментов и белковых
гормонов. Участвует в синтезе коэнзима А. Входит
в состав трипептидаглутатиона, играющего важную
роль в обезвреживании и защите –SH групп, которые фиксируют пространственную конфигурацию
полипептидной цепи белка. Цистеин активно участвует в метаболизме хрусталика глаза. Выполняя
защитную функцию в организме связывая ионы тяжелых металлов образуя меркаптиды, соединения
мышьяка и цианиды с образованием меркаптуровых кислот. Одна из актуальных его функций в современном мире – это защита от радиоактивного
излучения [2,3].
Нарушение содержания цистеина в живых организмах приводит к развитию нервных, психических и
других заболеваний связанные с органическими поражениями [4–6]. Наблюдается снижение защитных
функций животных - иммунитета, а так же приводит
к кожным заболеваниям[7, 8]. Поэтому разработка
и использование высокочувствительных методов
определения цистеина является не только главным
направлением в аналитической химии [9, 10], но и в
клинической диагностике [11].
Для определения цистеина большой популярностью пользуются различные виды хроматографии
[1] и электрохимические методы [12] особенновольтамперометриявциклическомрежиме [13, 14].
К недостаткам хроматографических методов
следует отнести длительность подготовки проб,
проведение анализа, часто недостаточную чувствительность и высокую стоимость применяемого оборудования. Электрохимические методы отличаются
простотой аппаратурного оформления и высокой
чувствительностью, дешевизной и доступностью.
Использование твердофазных электродов выполненных из металлов или углеродсодержащих материалов не позволяют добиться минимальных
пределов обнаружения для цистеина [12–14]. Такое
ограничение связано из-за адсорбции на поверхности электродов производных цистеина образующихся в ходе электрокаталитических процессов.
В последнее время для вольтамперометрического определения цистеина применяют электрохимически модифицированные электроды (ЭХМЭ)
с определенными каталитическими свойствами.
Например, используют модифицирование поверхности оксидами металлов [15], а так же коллоидные
растворы содержащие частицы в наноразмере [13].
Использование аналитического сигнала ЭХМЭ позволяет значительно снизить предел обнаружения
цистеина до 5∙10–7 моль/л [11] и 1∙10–12 моль/л
[13].
В данной работе показана возможность определения и разработкой методики определения цистеина вольтамперометрией с использованием различных типов углеродсодержащих электродов модифицированных наночастицами золота.
Материалы и методы.Все реактивы использовали аналитической чистоты, растворы готовили на
бидистиллированной воде. Раствор цистеина готовили непосредственно перед измерениями. Циклические вольтамперограммы регистрировали с помощью вольтамперометрического анализатора ТА-4
(ООО «ТомьАналит», г. Томск). В двухэлектродной
ячейке в качестве рабочего электрода использовали графитовые электроды, модифицированные
YS2014-V3-D2-A46
www.yscience.ru
41
ISSN 2409-2525
Vol. 2014/3
Медицина и ветеринария
YS2014-V3-D2-A46
www.yscience.ru
ских кривых. Причина появления этого обратного
максимума на ГЭ-Au-nano может быть связана с
окислением оксида золота из низшей степени окисления Au2O до Au2O3 [9].
Рис. Зависимость тока максимума окисления от концентрации цистеина на ГЭ-Au-nano в 0,1 MNaOH
Напечатано в авторской редакции
Литература
42
1. Гараева С.Н., Редкозубова Г.В., Постолати Г.В.
Аминокислоты в живом организме. Кишинев: АН
Молдовы, 2009. – 552 с.
2. Оробец В.А., Рыбальченко О.А. Радиоэкология.
Ставрополь: АГРУС. 2007. – 204 с.
3. Коршиков А.А., Оробец В.А. Биологическое действие ионизирующих излучений. Ставрополь:
АГРУС. 2006. – 152 с.
4. Федота Н.В. Анализ формирования и проявления
агрессии у собак различных пород. // Известия
Оренбургского государственного аграрного университета. 2012. Т. 4, № 36, С. 88-89.
5. Лотковская Т.Р., Федота Н.В. Роль стрессовых
факторов в развитии заболеваний у собак. // Сб.:
Диагностика, лечение и профилактика заболеваний сельскохозяйственных животных. Ставрополь:
АГРУС. 2010. – С. 25-26.
6. Федота Н.В. Технология повышения активности и
продления сроков хранения тканевых препаратов.
// Вестник Саратовского госагроуниверситета им.
Н.И. Вавилова. 2012. №6. – С 42-43.
7. Багамаев Б.М., Белик Н.И. Белковый спектр крови
овец при дерматитах. // Овцы, козы, шерстяное
дело. 2008. № 3. С. 74-75.
8. Багамаев Б.М., Василевич Ф.И. Показатели крови
овец при дерматитах. // Ветеринарный врач. 2012.
№2. С. – 50-52.
9. Патент РФ № 2463587 от 24.05.2011.
10. Патент РФ № 2528584 от 19.03.2013.
11. Багамаев Б.М., Горчаков Э.В., Федота Н.В. и др.
Клинико-лабораторная диагностика в ветеринарии. Ставрополь: АГРУС. 2013. – с.
12. Шайдарова Л.Г., Гедмина А.В., Челнокова И.А.,
Будников Г.К. Электрокаталитическое окисление и
проточно-инжекционное определение цистеина на
стеклоуглеродном электроде, модифицированном
бинарной системой золото-иридий. // Журнал прикладной химии. 2008. Т. 81. № 6. С. 949-954.
13. Perevezentseva D.O., Gorchakov E.V. Voltammetric
determination of cysteine at agraphite electrode
modified with gold nanoparticles. // Journal of Solid
Было обнаружено, что катодный обратный максимум линейно зависит от концентрации цистеина
в области значений от 2∙10–12 М до 14∙10–12 М на
ГЭ-Au-nano, которая представлена на рис.
Предел обнаружения цистеина рассчитанный по
3σ-критерию равен 6•10–13 M. На основе полученных результатов был разработан вольтамперометрический способ определения цистеина в водных
растворах на ГЭ-Au-nano [9].
Выводы.
1. Таким образом, ГЭ-Au-nano может быть использован для вольтамперометрического определения цистеина в водных пробах.
2. Использование ГЭ-Au-nano позволяет повысить чувствительность определения цистеина по
сравнению с ГЭ-Au на четыре порядка. Увеличение
чувствительности определения цистеина на ГЭAu-nano связано с увеличением числа атомов на
поверхности ГЭ по сравнению с монокристаллами
золота, катализирующими процесс окисления цистеина.
3. Обнаружен обратный максимум на катодной
ветви циклической кривой на ГЭ-Au-nano. Линейная
зависимость тока обратного максимума от концентрации цистеина наблюдается в области (1-14)∙10–12 М
с пределом обнаружения 0,6•10–12 М в 0,1 MNaOH.
Referents
1. Garaeva S.N., Redkozubova G.V., Postolati G.V.
Aminokisloty v zhivom organizme. Kishinev: AN
Moldovy, 2009. – 552 s.
2. Orobets V.A., Rybal'chenko O.A. Radioekologiya.
Stavropol': AGRUS. 2007. – 204 s.
3. Korshikov A.A., Orobets V.A. Biologicheskoe deystvie
ioniziruyushchikh izlucheniy. Stavropol': AGRUS.
2006. – 152 s.
4. Fedota N.V. Analiz formirovaniya i proyavleniya agressii
u sobak razlichnykh porod. // Izvestiya Orenburgskogo
gosudarstvennogo agrarnogo universiteta. 2012. T. 4,
№ 36, S. 88-89.
5. Lotkovskaya T.R., Fedota N.V. Rol' stressovykh
faktorov v razvitii zabolevaniy u sobak. // Sb.:
Diagnostika, lechenie i profilaktika zabolevaniy
sel'skokhozyaystvennykh zhivotnykh. Stavropol':
AGRUS. 2010. – S. 25-26.
6. Fedota N.V. Tekhnologiya povysheniya aktivnosti i
prodleniya srokov khraneniya tkanevykh preparatov.
// Vestnik Saratovskogo gosagrouniversiteta im. N.I.
Vavilova. 2012. №6. – S 42-43.
7. Bagamaev B.M., Belik N.I. Belkovyy spektr krovi ovets
pri dermatitakh. // Ovtsy, kozy, sherstyanoe delo. 2008.
№ 3. S. 74-75.
8. Bagamaev B.M., Vasilevich F.I. Pokazateli krovi ovets
pri dermatitakh. // Veterinarnyy vrach. 2012. №2. S. –
50-52.
9. Patent RF № 2463587 ot 24.05.2011.
10. Patent RF № 2528584 ot 19.03.2013.
11. Bagamaev B.M., Gorchakov E.V., Fedota N.V. i
dr. Kliniko-laboratornaya diagnostika v veterinarii.
Stavropol': AGRUS. 2013. – s.
12. Shaydarova L.G., Gedmina A.V., Chelnokova I.A.,
Budnikov G.K. Elektrokataliticheskoe okislenie i
protochno-inzhektsionnoe opredelenie tsisteina na
steklouglerodnom
elektrode,
modifitsirovannom
binarnoy sistemoy zoloto-iridiy. // Zhurnal prikladnoy
khimii. 2008. T. 81. № 6. S. 949-954.
13. Perevezentseva D.O., Gorchakov E.V. Voltammetric
determination of cysteine at agraphite electrode
modified with gold nanoparticles. // Journal of Solid
ISSN 2409-2525
Сетевой электронный
научный журнал
State Electrochemistry. 2012. P. 2405-2410.
14. Gorchakov E.V., Perevezentseva D.O., Fedota
N.V. Determination of cysteine in biology solids by
electrochemical method with gold colloidal particles.
// World Applied Sciences Journal. 2014.V ,№12. P.
1591-1594.
15. Shaydarova L.G., Ziganshina S.A., Budnikov G.K. .
// Zhurnal analiticheskoy khimii. 2003. T. 58. № 6. S.
640-645.
16. Gorchakov E.V., Perevezentseva D.O., Bagamaev B.M.,
Taranukha N.I., Sklyarov S.P. Elektrokataliticheskoe
opredelenie tsisteina na uglerodsoderzhashchikh
elektrodakh,
modifitsirovannykh
kolloidnymi
chastitsami zolota. // Vestnik APK Stavropol'ya. 2013.
№ 4. S. 207-210.
17. Prakticheskoe sovershenstvovanie diagnosticheskikh
i lechebno-profilakticheskikh meropriyatiy pri mastite
u svinomatok / S.S. Vachevskiy, G.V. Osipchuk, S.N.
Povetkin, I.A. Rodin, S.P. Sklyarov, A.N. Simonov,
N.I. Taranukha, B.M. Bagamaev // Vestnik APK
Stavropol’ya. 2012. № 4 (8). S. 118-120.
18. Osnovnye morfologicheskie pokazateli krovi sviney
pri ispol’zovanii asparaginatov, a takzhe novykh
stimuliruyushchikh sredstv (tkanevogo perparata,
sedimina i fraktsiy EKhAV) / I.V. Ziruk, V.V. Salautin,
E.O. Chechetkina, G.V. Osipchuk, I.A. Rodin, S.P.
Sklyarov, A.N. Simonov, Yu.V. Yakimov, S.N. Povetkin
// Veterinariya Kubani. 2012. № 2. S. 23-25.
Тарануха Надежда Ивановна
тел.: (905) 419-02-93
e-mail: naduyshka-1982@mail.ru
Taranukha Nadezhda
Ph. (905) 419-02-93
E-mail: naduyshka-1982@mail.ru
Дорохина Анастасия Александровна
тел: (961) 456-99-25
e-mail: dorohin.2012@inbox.ru
Dorohina Anastasiya
Ph. (961) 456-99-25
e-mail: dorohin.2012@inbox.ru
Лукьянова Дарья Александровна
тел: (928) 244-78-22
e-mail: dasha.lukyanova.91@mail.ru
Luk´yanova Daria
Ph. (928) 244-78-22
e-mail: dasha.lukyanova.91@mail.ru
Крикун Петр Владимирович
тел. (928) 285-02-45
e-mail: Bagamaev60@mail.ru
Krikun Petr
Ph. (928) 285-02-45
e-mail: Bagamaev60@mail.ru
Гахова Наталья Александровна
тел. (962) 029-70-97
E-mail: gorchakovedvard@mail.ru
Gakhova Natal`ya
Ph. (962) 029-70-97
E-mail: gorchakovedvard@mail.ru
Медицина и ветеринария
State Electrochemistry. 2012. P. 2405-2410.
14. Gorchakov E.V., Perevezentseva D.O., Fedota N.V.
Determination of cysteine in biology solids by electrochemical method with gold colloidal particles. // World
Applied Sciences Journal. 2014.V ,№12. P. 15911594.
15. Шайдарова Л.Г., Зиганшина С.А., Будников Г.К. . //
Журнал аналитической химии. 2003. Т. 58. № 6. С.
640-645.
16. Горчаков Э.В., Перевезенцева Д.О., Багамаев Б.М.,
Тарануха Н.И., Скляров С.П. Электрокаталитическое определение цистеина на углеродсодержащих электродах, модифицированных коллоидными частицами золота. // Вестник АПК Ставрополья.
2013. № 4. С. 207-210.
17. Практическое совершенствование диагностических и лечебно-профилактических мероприятий
при мастите у свиноматок / С.С. Вачевский, Г.В.
Осипчук, С.Н. Поветкин, И.А. Родин, С.П. Скляров, А.Н. Симонов, Н.И. Тарануха, Б.М. Багамаев
// Вестник АПК Ставрополья. 2012. № 4 (8). С. 118120.
18. Основные морфологические показатели крови
свиней при использовании аспарагинатов, а также новых стимулирующих средств (тканевого перпарата, седимина и фракций ЭХАВ) / И.В. Зирук,
В.В. Салаутин, Е.О. Чечеткина, Г.В. Осипчук, И.А.
Родин, С.П. Скляров, А.Н. Симонов, Ю.В. Якимов,
С.Н. Поветкин // Ветеринария Кубани. 2012. № 2.
С. 23-25.
YS2014-V3-D2-A46
www.yscience.ru
Напечатано в авторской редакции
43