Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Электрохимические методы анализа. Учебное пособие
.pdf
8 1
ферментативной реакции электрохимически. Вместо фиксации антитела
на поверхности преобразователя можно использовать амперометрические
или потенцио метри ческие электроды для определения ферментов реакций иммуноанализа.
Слои для распознавания нуклеиновых кислот можно сочетать с электро-
химическими преобразователями, что дает новый и важный тип аффинных
биосенсоров — биосенсоры ДНК-гибридизации, которые обещают дать
возможность получать информацию о специфичной последовательности
простым, быстрым и дешевым по сравнению с традиционными методами анализа гибридизации способом. Новая стратегия содержит огромный
потенциал для клинической диагностики генетических и инфекционных
заболеваний, для определения организмов, загрязняющих пищу, для мониторинга состояния окружающей среды или для криминалистических
исследований.
Основой для этих устройств является принцип комплементарности
оснований ДНК Уотсона и Крика, в соответствии с которым на поверхность преобразователя помещают относительно короткий фрагмент одной
нити ДНК, содержащей от 20 до 40 оснований, который в случае гибридизации со специфичным комплементарным участком целевой ДНК дает
электрический сигнал. Некоторые исследования показали применимость
электроактивных индикаторов для фиксации явления гибридизации ДНК,
такие редокс-активные соединения имеют большее сродство к дуплексу
мишень-проба, чем к просто пробе. Связывание таких индикаторов с поверхностью дуплекса приводит к увеличению электрохимического отклика. Последовательность-специфичные электрохимические биосенсоры
основаны на новых современных подходах к детектированию, разработанных для прямой фиксации фактов гибридизации. Эти подходы используют ферментные метки или безиндикаторные измерения, основанные на
внутренней электроактивности ДНК, на изменениях межфазных свойств
или электропроводности электрополимеризованных пленок, содержащих
ДНК-функциональные фрагменты. В конечном счете эти разработки приведут к введению миниатюрных сенсоров, состоящих из большого числа микроэлектродов (каждый покрыт различным олигонуклеотидным образцом)
для одновременного определения гибридизации большого числа последовательностей ДНК. Новые генные чипы будут интегрированы в микропотоковые сети для осуществления всех этапов биоанализа.
Иной способ ДНК-взаимодействий, не связанный с комплементарно-
стью оснований, может быть использован для разработки электрохими-
82
ческих ДНК-биосенсоров. В частности, электроды, модифицированные
двухцепочной ДНК, могут быть разработаны для определения небольших
молекул (лекарств или канцерогенов), взаимодействующих с неподвижным
слоем нуклеиновых кислот. Интеркаляционное накопление таких молекул
на поверхности ДНК слоя может быть использовано для их определения
в следовых количествах, по аналогии с вольтамперометрическим экспериментом с предварительным накоплением. Кроме того, чувствительность
собственных редокс-сигналов ДНК к их структуре и конформации предоставляет широкие возможности для исследования нуклеиновых кислот,
включая процессы разрушения ДНК.
Обширные возможности для биологического распознавания элементов
предоставляет другой современный и не менее перспективный метод исследования — хеморецепторы. Рецепторы — молекулы белковой природы,
встроенные в клеточную мембрану, которые специфически связываются
с определяемым объектом. Рецептор-аналит или хозяин-гость связывание
может запускать специфичные клеточные процессы, такие как модуляция
мембранной проницаемости или активация определенных ферментов, что
переводит химическое взаимодействие в электрические сигналы. Например, ион-канальные сенсоры используют рецепторы двойного липидного
слоя мембраны совместно с процессами, усиливающими сигнал, соответствующий открытию или закрытию канала переноса ионов через мембрану.
Исключительное связывание между рецептором мембраны и аналитом может приводить к увеличению проводимости мембраны, которое задействует тысячи ионов. К сожалению, большинство рецепторов, связывающих
антитела, имеют тенденцию к связыванию классов веществ, поэтому биосенсоры, основанные на рецепторах, обычно являются класс-специфичными устройствами.
Вместо изоляции, стабилизации и фиксации хеморецепторов на электродах возможно использовать целые биологические структуры для определения подходящих химических стимуляторов. Этот современный подход
был проиллюстрирован с усиковыми структурами голубого краба, которые
являются частью системы поиска еды, и был реализован для определения
аминокислот. Аналогично могут быть определены многие лекарства, основываясь на их способности стимулировать нервные клетки конечностей
рачков. Сенсоры такого типа дают отклик на определяемые вещества в
чрезвычайно низкой концентрации (менее чем 10 –15 М) с очень коротким
временем отклика.
8 3
R
Взаимосвязь между частотой отклика (R) и концентрацией определяе-
мого вещества (С) выражается зависимостью:
max
R
=
1
+
,
(6.2)
n
K
C
где R
— максимальная частота, с
max
– 1
; n — фактор сотрудничества с рецепторами, К — константа. Также возможна разработка искусственных молекул, которые повторяют функции биорецепторов и могут быть
адаптированы под широкий диапазон различных стимуляторов. Например, производные цикло декстринов используются для создания эффекта
игнорирования формы при соединении с ион-канальными сенсорами. Рецепторы можно внедрить в искусственные липидные мебраны методом
осаждения Ленгмюра-Блоджетта на поверхность преобразователя. Метод
Ленгмюра-Блоджетта включает нанесение мономолекулярной пленки с поверхности раздела воздух-вода на поверхность электрода, образуя тонкие
органические пленки, которые могут собираться в многослойные молекулярные структуры.
Различными лабораториями разрабатывается множество искусственных сенсоров, эмулирующих биологические сенсорные системы, такие
как, например, человеческий нос.
ВОПРОСЫ И ЗАДАЧИ
1. Масса ртути, вытекающей из капающего электрода за 100 с, равна
0,196 г. Время жизни 10 капель ртути равно 43,2 с. При работе с этим элек-
тродом для 1 мМ раствора Pb2+ наблюдали ток в 8,76 мкА. Для раствора
свинца неизвестной концентрации наблюдали ток 16,31 мкА для нового ка-
пилляра с периодом капания 6,13 с и скоростью вытекания ртути 3,85 мг/с.
Рассчитайте неизвестную концентрацию свинца.
2. Потенциал полуволны Ni
равен – 1,02 В (относительно н.к.э.). В растворе, содержащем дополнитель-
но 0,1 М этилендиамина, потенциал полуволны никеля равен – 1,6 В. Рас-
считайте константу устойчивости комплекса, предполагая, что его состав
соответствует формуле [Ni (en)3]
3. Каковы особенности ячейки для вольтамперометрических изме-
рений по сравнению с ячейками, применяемыми в потенциометрии и
кулонометрии?
4. Константа образования растворимого ацетата ртути (II) равна 2,5 · 10
Рассчитайте стандартный потенциал полуреакции восстановления ацетата
до простого вещества.
5. Найдено, что потенциал ячейки, состоящей из стеклянного электро-
да, погруженного в буферный раствор с рН = 4,006, и электрода сравнения
(н.к.э.), равен 0,2094 В. Рассчитайте рН и концентрацию ионов водорода
для буферных растворов, если в аналогичной ячейке значения потенциала
составили: а) 0,3011 В, б) 0,071 В, в) 0,4829 В, г) 0,6163 В.
6. 40 мл 0,1 N раствора азотистой кислоты разбавили до 75 мл и отти-
тровали 0,08 N раствором Ce
онов водорода в растворе поддерживали равной 1 М (формальный потенци-
ал для системы Ce4+/Ce3+ = 1,44 В). Рассчитайте потенциал индикаторного
электрода относительно х.с.э. сравнения после добавления 5; 10; 15; 25; 40;
2+
в децимолярном растворе хлората натрия
2+
.
4 +
. В процессе титрования концентрацию кати-
8
.
8 5
49; 50; 51; 55; 60 мл раствора церия (IV). По полученным данным постройте интегральную и дифференциальную кривые титрования.
7. Сформулируйте суть метода амперометрического титрования.
8. Какие типы химических реакций можно применять в амперометри-
ческом титровании?
9. Как определяют конечную точку амперометрического титрования?
10. От чего зависит форма кривой амперометрического титрования?
11. Рассчитайте концентрацию Ni
данных при разности потенциалов в – 1,1 В:
Раствор I (мкА)
25 мл 0,2 М NaCl разбавили до 50 мл 8,4
25 мл 0,2 М NaCl и 10 мл раствора пробы разбавили до 50 мл 46,3
25 мл 0,2 М NaCl и 10 мл раствора пробы и 5 мл 0,23 мМ Ni
13. Рассчитайте концентрацию Al
данных при разности потенциалов в – 1,1 В:
Раствор I (мкА)
20 мл 0,2 М HCl + 20 мл воды 10,2
20 мл 0,2 М NaCl + 10 мл раствора пробы + 10 мл воды 33,3
20 мл 0,2 М NaCl + 10 мл раствора пробы + 10 мл 6,32 мМ Al
2+
(мг/л) на основании следующих
2+
разбавили до 50 мл 68,4
3+
(мг/л) на основании следующих
3+
52,0
15. Изобразите кривые амперометрического титрования: а) As (V) рас-
твором KI по току посстановления I2 на Pt-электроде; б) Cd (II) раствором
желтой кровяной соли по току окисления титранта при 1,0 В на графитовом
электроде; в) Ni (II) раствором диметилглиоксима на фоне аммиачного буфера (E
= – 0,8 В для Ni (II) и – 1,4 В для диметилглиоксима) при – 1,0 В и
1/2
– 1,8 В на РКЭ.
16. Титруют Sn (II) раствором CuSO
. При потенциале титрования оло-
4
во (II) окисляется, а медь (II) восстанавливается. Нарисуйте кривую титрования и объясните ее форму. Напишите реакцию титрования.
17. Амперометрически титруют цирконий раствором фторида натрия в
присутствии электрохимического индикатора соли железа (+ 3), восстанавливающегося при потенциале титрования. Нарисуйте кривую титрования и
объясните ее вид.
18. Обратимое окисление дофамина является двухэлектродным процес-
сом. Анодный пик ЦВА для 0,4 мМ раствора дофамина в фосфатном буфере на дисковом стеклоуглеродном электроде площадью 2,6 мм2 и скорости
развертки потенциала 25 мВ/с соответствует силе тока, равной 2,2 мкА.
86
Какой будет сила тока пика при скорости развертки 100 мВ/с и концентра-
ции дофамина 1,2 мМ?
19. Сила тока пика ЦВА равна 12,5 мкА для обратимого восстановле-
ния свинца из 1,5 мМ раствора на дисковом электроде с диаметром 1,2 мм и
скорости развертки 50 мВ/с. Рассчитайте концентрацию свинца, если сила
тока пика равна 20,2 мкА при скорости развертки 250 мВ/с.
20. Объясните, как используется ЦВА для оценки значения Е
0 и n для
обратимых систем.
21. Методом ИВА с предварительным накоплением определяли содер-
жание железа (III) в морской воде. Для стандартного раствора, содержаще-
го железо (III) 4 · 10
8 мкА. Определите массу железа в 1 м3 морской воды.
22. Опишите принципы определения констант устойчивости комплексов и числа лигандов в составе комплекса методом классической
полярографии.
– 6
%, высота пика составила 25 мкА, а для морской воды
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Будников, Г.К. Основы современного электрохимического анализа [Текст]: учеб. для вузов / Г.К. Будников, В.Н. Майстренко, М.П. Вяселев. — М.: Мир, 2003. — 592 с.
2. Золотов, Ю.А. Основы аналитической химии. Кн. 1 [Текст]: учеб. для
вузов / Ю.А. Золотов — М.: Высш. шк., 2004. — 360 с.
3. Золотов, Ю.А. Основы аналитической химии. Кн. 2 [Текст]: учеб. для
вузов / Ю.А. Золотов. — М.: Высш. шк., 2004. — 504 с.
4. Отто, М. Современные методы аналитической химии. Т. 2 [Текст]: учеб.
для вузов / М. Отто — М.: Техносфера, 2003. — 281 с.
5. Скуг, Д. Основы аналитической химии. Кн. 1 [Текст]: учеб. для вузов /
Д. Скуг, Д. Уэст. — М.: Мир, 1979. — 480 с.
6. Скуг, Д. Основы аналитической химии. Кн. 2 [Текст]: учеб. для вузов /
Д. Скуг, Д. Уэст. — М.: Мир, 1979. — 439 с.
7. Сонгина, О.А. Амперометрическое титрование [Текст]: учеб. для вузов /
О.А. Сонгина, В.А. Захарова. — М.: Химия, 1979. — 304 с.
8. Физико-химические методы анализа. Ч. 1. Электрохимические методы
анализа [Текст]: учебное пособие для студентов заочной формы обучения / И.Н. Дмитревич [и др.]. — СПб.: СПбГТУРП, 2014. — 78 с.
9. Хенце, Г. Полярография и вольтамперометрия. Теоретические основы
и аналитическая практика [Текст]: учеб. для вузов / Г. Хенце — М.: Бином; Лаборатория знаний, 2008. — 284 с.
10. Bard, A.J. Electrochemical methods: fundamentals and applications
[Текст] / A.J. Bard, L.R. Faulkner. — New York: Wiley-VCH, 2001. — 833 c.
11. Wang, J. Analytical electrochemistry [Текст]: монография / J. Wang. —
New York: Wiley-VCH, 2001. — 209 c.
Учебное издание
Тягливый Александр Сергеевич
ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ АНАЛИЗА
Редактор А.А.Колесникова
Корректор А.А.Колесникова
Компьютерная верстка А.А.Колесниковой
Бумага офсетная. Формат 60×84 1/16. Тираж 30 экз.
Издательство Южного федерального университета.
Отпечатано в отделе полиграфической, корпоративной и сувенирной продукции
Издательско‐полиграфического комплекса КИБИ МЕДИА ЦЕНТРА ЮФУ.
344090, г. Ростов‐на‐Дону, пр. Стачки, 200/1, тел (863) 243‐41‐66.
Подписано в печать 28.12.2021 г.
Усл. печ. лист. 5,12. Уч. изд. л. 5,0. Заказ № 8369.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]