Obsah Úvod Seznam zkratek

Obsah
1. Úvod………………………………………………………………………………………………2
2. Seznam zkratek…………………………………………………………………………………..3
3. Teoretická část………………………………………………………………….………………...4
3.1 Elektrochemické chování adeninu a guaninu na rtuťových a grafitových elektrodách v přítomnosti mědi…………………………………………………………………………..4
3.2 Elektrody…………………………………………………..………………………….……..5
3.2.1 Rtuťové elektrody……………………………………………………………..……....5 3.2.2 Pevné elektrody…………………………………………………………..……………6
3.2.2.1 Kovové elektrody…………………………………………………….…………6
3.2.2.2 Uhlíkové elektrody………………………………………………….…………..7
3.2.2.3 Rotační diskové elektrody………………………………………………..……..8
3.2.3 Jiné elektrody…………………………………………………………………...……..9
3.2.3.1 Mikroelektrody a ultramikroelektrody………………………………………….9
3.2.3.2 Chemicky modifikované elektrody……………………………...….…………..9
3.3 Potenciostatické techniky…………………………………………………..………………10
3.3.1 Experimentální uspořádání pro polarografii a voltametrii…………………………...10
3.3.2 Voltampérometrie………………………………………………………………...….13
3.3.2.1 LSV (Voltametrie s lineárním polarizačním napětím)…………………..…….13
3.3.2.2 CV (Cyklická voltametrie)…………………………………………………….14
3.3.2.3 Přehled dalších potenciostatických metod……………………………….……17
3.4. Cíl bakalářské práce……………………………………………………………….………17
4. Experimentální část………………………………………………………………………...…..18
4.1 Přístrojové vybavení…………………………………………………………………..……18
4.2 Použité chemikálie…………………………………………………………………………19
4.3 Vlastní experiment……………………………………………………………………...….20
5. Diskuze a výsledky…………………………………………………………………….………..21
5.1 Voltametrické měření na grafitové a rtuťové elektrodě………………………...………….21
5.2 Redoxní systém mědi bez přídavku adeninu………………………………………….……22
5.2.1 Vliv základního elektrolytu………………………………………………………….22
5.2.2 Vliv koncentrace CuCl2……………………………………………………….……..25
5.2.3 Vliv pH………………………………………………………………………..……..29
5.2.4 Srovnání voltametrického měření na rtuťové a grafitové elektrodě……………..…..30
5.2.5 Hodnocení elektrodového procesu mědi na PIGE…………………………………...33
5.3 Redoxní systém mědi s přídavky adeninu………………………………………………….35
6. Závěr …………………………………………………………………………………………....37
7. Literatura……………………………...……………………………………………….38
1. ÚVOD
V poslední době zaznamenalo využití elektrochemických metod obrovský vzestup díky senzorům a biosenzorům, které nacházejí uplatnění při analýzách a chování sledovaných látek ve všech oblastech činnosti jako je životní prostředí, zdravotnictví či soudní lékařství, elektrotechnika, zemědělství a podobně.
Hlavní výhodou elektrochemických senzorů je jejich snadná dostupnost a nízká cena, dále pak jejich malý rozměr, což umožňuje analýzu i malého množství vzorku, a v neposlední řadě také možnost jejich uspořádání (array), díky němuž je možné monitorování několika vzorků najednou. Navíc při použití těchto senzorů nejsou většinou sledované vzorky znehodnocovány.
Pomocí biosenzorů se vědci zabývají mikrostanovením složek nukleových kyselin, hybridizacemi DNA, popřípadě zjišťováním mutací či poškození DNA.
Pro komplexní studium elektrochemických vlastností biologicky významných látek, jako jsou i složky nukleových kyselin, jsou často voleny kombinace různých elektrochemických přístupů doprovázené různou volbou elektrodových materiálů. Jedním z těchto přístupů je i předkládaná bakalářská práce. Zabývá se studiem redoxního systému mědi na grafitové elektrodě s cílem využití tohoto redoxního systému k mikrostanovení adeninu.
2. Seznam zkratek
ACS – American Chemical Society (specifikace čistoty zaručená americkou chemickou společností)
AdSV – Adsorptive Stripping Voltammetry – Adsorptivní rozpouštěcí voltametrie
CME – Chemically Modified Electrode - Chemicky modifikovaná elektroda
Coul – Coulometry - Coulometrie
CPE – Carbon Paste Electrode – Uhlíková pastová elektroda
CWE – Carbon Wax Electrode – Uhlíková vosková elektroda
CV – Cyclic Voltammetry - Cyklická voltametrie
DCV – Direkt Current Voltammetry – Voltametrie se stejnosměrným proudem
DME – Dropping Mercury Electrode – Kapková rtuťová elektroda
DPV – Differential Pulse Voltammetry - Diferenční pulzní voltametrie
EP – Elimination Polarography – Eliminační polarografie
EVLS – Elimination Voltammetry with Linear Scan – Eliminační voltametrie s lineárním polarizačním napětím
GC – Glassy Carbon – Skelný uhlík
HMDE – Hanging Mercury Drop Electrode – Visící rtuťová kapková elektroda
LA-PE – Liquid Amalgam Paste Electrode – Pastová elektroda s kapalnou amalgámou
LSV – Linear Sweep Voltammetry – Voltametrie s lineárním polarizačním napětím
MeSA-CompE – Metal Solid Amalgam Composite Electrode – Kompositní elektroda s pevnou kovovou amalgámou
MeSA-PE – Metal Solid Amalgam Paste Electrode – Pastová elektroda s pevnou kovovou amalgámou
MFE – Mercury Film Electrode – Rtuťová filmová elektroda
PIGE – Parafin Impregnated Graphite Electrode – Parafínem impregnovaná grafitová elektroda
RDE – Rotating Disk Electrode – Rotační disková elektroda
RRDE – Rotating Ring-Disk Electrode – Rotační disková elektroda s prstencem
RVC – Reticulated Vitreous Carbon – Síťovaný sklovitý uhlík
SCE – Saturated Calomel Electrode – Nasycená kalomelová elektroda
SMDE – Static Mercury Drop Electrode – Stacionární kapková rtuťová elektroda
SWV – Square Wave Voltammetry – Voltametrie s polarizačním napětím obdélníkového tvaru
WIGE – Wax Impregnated Graphite Electrode – Voskem impregnovaná grafitová elektroda (jiné označení PIGE)
ZE – základní elektrolyt
3. Teoretická část
3.1. Elektrochemické chování adeninu a guaninu na rtuťových a grafitových elektrodách v přítomnosti mědi
Již před 40 lety se objevily práce Smithe a Elvinga, které se zabývaly možnostmi elektrochemického stanovení pyrimidinových a purinových derivátů za použití polarografických metod [1]. V 80-tých letech minulého století Paleček a jeho spolupracovníci zjistili, že báze nukleových kyselin jsou schopny reagovat se rtuťovou elektrodou a vytvářet s ní při positivních potenciálech málo rozpustnou sůl. Této reakce bylo využito pro stanovení purinových a pyrimidinových derivátů za použití katodické rozpouštěcí voltametrie na stacionárních rtuťových elektrodách při velmi nízkých koncentracích (až 1 nM) [2]. Později pro mikrostanovení DNA použili ve square-wave voltametrii jiné rozpouštěcí techniky - adsorptivního strippingu [3]. Adsorpční rozpouštěcí analýza byla prokázána jako důležitá metoda stopové analýzy pro svůj široký interval využití a relativně jednoduchého přístrojového uspořádání [4 - 6], což dokazují i práce Fleminga [7] a van den Berga [8], kteří popsali stanovení adeninu za použití této metody.
Jelikož komplexy kovů a purinových nukleotidů hrají důležitou roli v mnoha biochemických systémech (přenos energie a oxidační fosforylace), byly intenzivně studovány interakce mezi purinovými deriváty a ionty kovů [9]. První, kdo se podrobněji zabýval voltametrickou studií systému měď - adenin byl Hutchings [10]. Výběr tohoto systému byl iniciován faktem, že měď je nezbytným prvkem pro metabolismus mnoha živých organismů a zároveň je složkou mnoha proteinů a enzymů.
V roce 2001, Farias [11,12] ve svých pracích, popisující stopové stanovení adeninu, prezentoval nový citlivý voltametrický přístup založený na adsorpci komplexu adeninu s mědí na statické rtuťové elektrodě. Bylo zjištěno, že pro simultánní stanovení adeninu a guaninu ve vzorku, je potřeba do roztoku přidat ionty kovů, které by vytvářely vhodný komplex. Jedním z těchto kovů je měď, která při vyšší koncentaci purinů snižuje tvorbu filmu a umožňuje vznik elektroaktivních komplexů vzorku.
Elektrochemické adsorpční rozpouštění (adsorptivní stripping) na HMDE využil A. Safavi této metody jako nástroje stopové analýzy mědi s využitím Cu – adenin komplexu [13]. Dalším, kdo prováděl elektrochemická měření ne HMDE, SCE a měděné amalgamové elektrodě byla Bilewicz a její spolupracovníci [14]. Tito autoři zjistili, že: (i) adenin stabilizuje měď v oxidačním stavu Cu+, a díky tomu elektroredukce Cu2+ iontů a elektrooxidace měděné amalgámy probíhá ve dvou oddělených krocích; (ii) stupeň adeninové adsorpce je na GCE mnohem menší než na HMDE; (iii) komplex Cu+(Ade-) je formován na rtuti, ale povrchový deposit Cu+ a také jeho oxidace může být pozorována na uhlíkových površích.
S využitím Cu-purinové reakce na GCE zvolili Shiraishi a Takahashi pro detekci adeninu a guaninu v sub-mikromolárních koncentracích jiný typ rozpouštěcí techniky – anodický stripping. Bylo zjištěno, že Cu2+ ionty byly redukovány na Cu+ ionty a ty reagovaly s adeninem nebo guaninem za vzniku nerozpustné sloučeniny na GCE. Směs báze-Cu naakumulované na GCE bylo znovu rozpuštěno reoxidací Cu+ na Cu2+ [15].
I další práce v této oblasti ověřili, že anodická rozpouštěcí voltametrie je dobře využitelnou technikou pro studium vzniku komplexů adeninu, xanthinu a hypoxanthinu s Cu+, pokud tento oxidační stav mědi může být produkován elektrochemicky [16]. Portugalští elektrochemici se zabývali mechanismem elektrochemické oxidace guaninu a adeninu za použití glassy carbon mikroelektrody [17] a zjistili, že s použitím mikroelektrod a nízkých koncentracích adeninu a guaninu voltametrie (CV a DPV) umožňuje detailnější studium elektrochemické oxidace obou purinů.
Kromě nejčastěji používaných rtuťových elektrod a elektrod grafitových se pro elektrochemické studium biologicky významných látek dají využít také jiné elektrody. V následující kapitole je uveden přehled typů elektrod používaných pro tento účel [18].
|