DD154041A1 - Verfahren zur beschleunigung von elektrodenprozessen - Google Patents

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DD154041A1
DD154041A1 DD22331080A DD22331080A DD154041A1 DD 154041 A1 DD154041 A1 DD 154041A1 DD 22331080 A DD22331080 A DD 22331080A DD 22331080 A DD22331080 A DD 22331080A DD 154041 A1 DD154041 A1 DD 154041A1
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low molecular
dehydrogenase
glucose
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DD22331080A
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Frieder Scheller
Galina Strnad
Fred Hawridge
Joyce Stargardt
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Frieder Scheller
Galina Strnad
Fred Hawridge
Joyce Stargardt
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beschleunigung von Elektrodenprozessen an durch leitfaehige Filme modifizierten Elektroden. Das Verfahren ist vor allem fuer die Biotechnologie: in der Analytik (Enzymelektroden), fuer die enzymatische Stoffwandlung (Enzymreaktoren) sowie zur Energieumwandlung (Brennstoffzellen) geeignet. Ziel ist die Entwicklung eines Verfahrens mit hoher Umsetzungsgeschwindigkeit, das keine Edelmetallkatalysatoren bzw. Mediatoren benoetigt und damit oekonomisch guenstig ist. Das erfindungsgemaesse Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass eine mit einem leitfaehigen Film bedeckte Metallelektrode (z. B. Goldelektrode, bedeckt mit polymerisiertem 1,1' -Dimethyl-4,4' -dipyridyl-dichlorid) in eine Loesung, die die umzusetzende Substanz mit einem negativen Redoxpotential (z. B. Glucose, Harnsaeure, NAD, Lactat) und eine Dehydrogenase oder Oxidase (z. B. Glucose-Oxidase, Uricase, NAD-Reduktase oder Lactatdehydrogenase) enthaelt,gebracht wird und die Umsetzung in an sich bekannter Weise durch Verbindung mit einer Gegenelektrode erfolgt.

Description

ι ζό.τ Beschieuniguiiff von .SJlektrpdenprossessen"
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beschleunigung von Slaktroci.enproEesaen. an durch leitfähige Filme modifizierten Elektroden* Das Verfahren ist vor allem fur die Biotechnolo~ gies in der Analytik (Eii'-ayraelekti^oden)\ für die enzymatisch© StoffWandlung (Büisymreaktoren) sowie 213,2? Energieumwandlung (Brennstoffseilen) geeignet/
Yiele nieaermolekalare organische Stibstanden mit einem negativen Rödoxp.otential (Reduktionsmittel) wie Glukose t Harnsäure, odor ΗΆΒΗ werden an Metalle!ektroden nur sehr langsam osciaiearbc Ebenso ist die kathodische Reduktion von HAD sehr ... langsam und führt nicht, zu, koenssymatisch aktiven Produkten^ Dia Oxidation dieser Substanzen ist aber für die iSntwicklung von Analysato:eens die Köfaktorregenerierung in Bnzymreaktoreja sowie als Aiiodciireaktion in Brennstoffzellen wichtig* Zux' Β«sohleuirigung der langsamen elektrochemischen Oxidation dieser Substanzen werden "katalytisohe lilektroden" beschrieben ,· bei denen auf»der Elektrodsnoberfiäohe fein^erteiltee
Pt, Pd oder Ix aufgebracht, sind (Kc Schieb, U6 -a., .Cline ..öhems
24,^.448, 1978? U. Gebhardt a« a.,' Bioelekti'oohom. 5,. 607, 1973)« Dieae Anordnungen fülires swar'so. einer Vergrößerungdes Stromes s ;a ο Be bei der Gliik öse oxidati on, sie wea?den aber leicht durch' Verunreinigungen vergiftet. Außerdem ist die Präparation der katalytiBohon Elektroden sehr aufwendige imd die Katalysatoren sind sehr teuer*
Da Oxidoreduktasen die Oxidation des jeweiligen Substrates' beschleunigen, liegt es.nahe, diese Enzyme als Katalysatoren des Elektrodenprozesses zu benutzen. Es ist bekannt, die Ladung 2¥rf.schen dem Enzym und der Elektrode durch einen niedermolekularen Mediator zu übertragen. Dabei katalysiert das Enzym z, B. Glukoseoxidase (GOD) die Übertragung der Ladung vom Substrat (z. B. Glukose) auf den Mediator, der sehr schnell an der Elektrode umgesetzt wird (M· ffeibel u. a. s Arch» Bi'ochem. Biophys,·169, 146, 1975). Diese Verfahrensweise hat den Kachteil, daß eine zusätzliche Substanz zu jeder Meßprobe gegeben werden muß, wobei die meisten Mediatoren schnell Versetzt werden. Ohne Mediator ist der erhaltene Strom wesentlich kleiner,, da der direkte Ladungsaustausch zwischen dem Enzym und der Metallelektrode sehr langsam ist, so daß durch das Enzym keine wesentliche Beschleunigung der anodischen Oxidation des niedermolekularen Substrates erfolgt (E. . Laho&a u. a9i Biotechnology 17, 413» 1975). -·' "
Der elektrochemische Umsatz niedermolekularer Substrate- in Gegenv/art von Enzymen, die an den Komplex aus H-Methylphenazin und dem Anionenradikal des 7s7»8i8~TetraeyanoHa»Chinodi-» methan ("Organisches Metall") adsorbiert sind, ist mit den Elektrodenprozessen der Bestandteile des Halbleiters überlagert und erlaubt deshalb nur die Hutzung eines engen Potentialbereiches (J. Kulis, Doklada Akad. ttauk UdSSR 245, 137, 1979)· -
In US-PS 4 144 143 wird eine Metallelektrode mit einem leitfähigen polymeren PiIm beansprucht, die zum schnellen Elektronenaustausch mit Elektronentransferpro.teinen geeignet ist« Sie wird u. a«, zur Reduktion von Perredoxin (M a 9000) verwendet. Der elektrochemische Umsatz niedermolekularer Sub~ stangen mit negativem Redoxpotential wird durch diese Elektrode nicht beschleunigt.
Die Erfindung hat- das Ziel, ein Verfahren zur elektrochemischen Umsetzung niedermolekularer1 -Substanzen, mit negativem Redoxpotential zn entwickeln, aas keine £delmetallkatalysato~
ren.bzw«, Mediatoren "benötigt und damit ökonomisch, günstig ist f wobei die Umsetzutigsgesohwindigkeit für einen Einsatz des Verfahrens in Brennstoffzelle^ Enzymrsaktoren oder in Analytik genügend groß soin soll«.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Verfahren zur elektrochemischen Umsetzung niedermolekularer Verbindungen mit negativem Redoxpotential so zu gestalten, daß as einer durch einen leitfähigen.Film modifizierten Elektrode ein
schneller Elektronenaustausoh erfolgt«
Das erfinaaagsgemäße Verfahren zur Beschleunigung von EIeIc-" trodenproEessen an' durch leitfällige Filme modifizierten Elektrode! ist dadurch gekennzeichnet, daß eine mit einem leitfä™ hi gen Film bedeckte Metallelektrode'.in eine Lösung,? die die timzusetzendci niedermolekulare Substanz mit negativem Redoxpotential und eine Dehydrogenase oder QxIdase enthälts gebracht wird und di@ Umsetzung in an sich bekannter V/eise durch Verbindung mit ei.ner Gegenelektrode erfolgte Der sich, bildende elekt-rieche Strom wird'zur Bestimmung der niedermolekularen S Lib stanz en j zur präparativen- Substratumsetzung oder zur Stromgewinmmg verwendete ··'....'"
Als Blektroae wird vorzugsweise eine Goldelektrode einge-» · setzt, dis mit einem Film von polymerisiertem 1 f 1ξ-Dimethyl-4j?4-i-dipyridyl~dicklorid bedeckt ist« . Unter niaderm/olekularen Verbindungen mit negativem Redoxpo- · teiitial sind gemäß der Erfindung insbesondere Glacose, Harnsäure,-HAD öder oin Laotat zn verstehen* Als die entsprechenden Snzymo werden'G-lacoseoxiclaseg Urdcase, lAI)~Recluktase oder Laotatdehydrogenaeo eingesetzte, . . . , . · Im falle d©s Einsatzes einer Behydrogenase, Ε·β Be IAD-ReClLiIc- tase oder Laetatdehydrogenase^ hangt es vom angelegten Potential ab s ob eine Reduktion oder eine Gsidstioa. des'Substrates stattfindet», B/tlt Csidases wie Glucose^Cteldase oder Urioase kann mit äeia erfindungsgeniäß&rx Verfahren nar eine Oxidation
. . «. A —
Der sicli bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens bildend© elektrische Strom wird zur Bestimmung der in. der Lösung befindlichen niedermolekularen Verbindungen bzw. zur präparativen . Substratumsetzung verwendet. Ein Beispiel für die erste Anwendungsform ist die Glucosebastimmung in Fermentationslösttngefij ein Beispiel für die zweite Anv/en-. dungsform ist die Herstellung von Gluconsäure aus Glucose» Eine weitere Möglichkeit besteht in der unmittelbaren Verwendung des sich bildenden elektrischen Stromes (Brennstoffzelle), beispielsweise zum Antrieb von HersSchrittmachern. Mit dem erfindungsgemäßea. Verfahren wird eine Reaktion durchgeführt, die bisher nur für niedermolekulare Redoxsysteme und auch an anderen Elektroden bekannt war, Bs war nicht zu er» warten? daß an den eingesetzten Elektroden ein schneller Elektronenaustausch mit Enzymen, die ein M^ 100 000 aufweisen, stattfindet.» Dieser überraschenderweise ablaufende Prozeß ist aber die' Grundlage für die' Beschleunigung der Elektrodenpresse sse und damit für die vorteilhafte Durchführung des Verfahrens· ....·
Die Erfindung soll nachstehend an 3 Beispielen beschrieben werden?" · · ·
.1. Beispi
Eine Gold-Minigridelektrode von 8 cm "Querschnitt wird mit einer polymeren Methylviologen(MV)-Schicht überzogen, indem sie bei 950 mV vs SCE 15 Min.in einer entlüfteten
24°
.1«2 mH MV- -Lösung elektrolysiert wird (siehe 3?. Hawkridge,
H. Landmann, US-Patent 4144143)« Me modifizierte Elektrode wird mit Wasser gespült, in einen Rahmen aus Teflon eingespannt und in eine Elektrolysezelle eingebaut, bei der die Pt«Gegenelektrode durch ein Glasdiaphragma abgetrennt iste In den Katodenraumj der die modifizierte.Au-Ilektrod© enthält, wird eine entlüftete Lösung von 0*1 M Phosphatpuffer pH 6 gegeben (50 ml), die 100 mM HADP4" und 200 IU IADP Reduktase enthält. Die Flüssigkeit im Katoden-
raum wird mit einem Magnet rühr er bewegt. Die- modifizierte Au-Blelctrode wird auf ein. Potential von -700 mV vs SCE mit einem Potentiostaten. polarisiert und während der Elektrolyse Έ9 über den Katalyten geleitet* lach 40 Min.sind 80 % des eingesetzten.ITADP1 in die koenzymatisch aktive IADPH-
form umgewandelt « ....... .
Me Elektrolysezelle kann auch als periodisch arbeitender Zytochrom P-450-Reakt.or .betrieben werden,, wenn der Kato·-' denraum zusätzlich immobilisiertes Zytochrom P-450 ent» -hält«= :
g, Beispiel : . , - . :
Wie an Beispiel 1 wird ein© 50 cm '-große Au-Minigridelek™ trode jöodifiEiert und nach. dem. Säubern mit aqua de st in eine Brennstoffzelle eingebaute Dar'Anodenraum enthält eine entlüftete Lösung., die 10 mM Glukose und 10 ItJ GOD/ml enthält*. Die Gegenelektrode ist eine mit Pt-BGhwarzüber^o™ gen® Graphitelektrode, die in eine Itiftgespülte Puffer-Lösung elntöticht« ... - -......-
Beide Elektroden werden über einen 10/\ Lastwiderstand verbundene -Der Strom beträgt. 2^5 rok und fällt innerhalb von 10 h auf O6 8 mA abe
JLn eine Durchflußaeile wird eine, mit polymeren Methylvio· logön .modifizierte Au.~Mihigridelektrode von 1 em^ eingebaute Sie befindet sich in einer Sandwich-Anordnung zwi- sehen swei MaIy ^membranen, die eine Lösung von 20 IU GOD in 100. /Ul-enthält* Diese Elektrode ist gegenüber einer belastbaren Kalomelelektrode auf 4-200 m¥ polarisiert and an einen Polarographen angeschlossen» Bis Durohflußzelle wird übor eine Pumpe mit einem Ausgang an einem anaeroben Fermenter angeschlossen, bei dem 20 ml h entnommen v/erden* Nachdem eine Eiehkurve mit entlüfteten Gltikoselösun^ gen aufgenommen wurde? erfolgt die kontinuierlich© Glulcosemossung der Fermentationslösunge Die Meßkurve wird 'auf einem Schreiber registriert und mittels Elchkurve ausge™ wertet,

Claims (6)

1«. Verfahren zur Beschleunigung von Elektrodenprozessen an durch leitfähige Filme modifizierten Elektroden^ dadurch gekennzeichnet5 daß eine mit einem leitfahigen Film be~ deckte Metallelektrode in eine Lösung, die die umzusetzende niedermolekulare Substanz mit negativem Redoxpotential und eine Dehydrogenase oder Qxidase enthalt, gebracht wird und die Umsetzung in an sich bekannter Weise durch Verbindung mit einer Gegenelektrode erfolgt, wobei der sich bildende elektrische Strom zur Bestimmung der niedermolekularen Substanzen, zur präparativen Substratumsetzung oder :a . sur Stromgewinnung verwendet -vTird«
2, Verfahren nach Punkt 1* dadurch gekennzeichnet 9 daß eine
mit einem Film von polymerisiert ein 1 -,1f-Dimethyl »4?4?~ . dipyridyl-dichlorid bedeckte Goldelektrode verwendet-wird*:
3« Verfahren nach Punkt 1 und 2, dadurch.gekennzeichnet? daß als niedermolekulare Substanz Glucose^ Harnsäure, NAD oder ein Iactat und als Dehydrogenase bzw« Ckidase entsprechend . Giuoose-Qxidase, Uricase, UAB-Reduktase oder lactatdehy- - drogenase eingesetzt werden..
Verfahren nach Punkt 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Konzentration niedermolekularer Verbindungen aus-der.
Größe 'des elektrischen Stroms bestimmt wird»
5«.'-Verfahren nach -Punkt 1 bis 3$. dadurch gekennzeichnet f dsß eine präparative Umsetzung der niedermolekularen Verbindung erfolgt (insbesondere die Umsetzung von Glucose au ..Gluconsäure und von HAD zu IADK)6 .
6«-.Verfahren nach Punkt 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, daß der erzeugte Strom verwendet-wird, beispielsweise zum Antrieb von Herzschrittmachern«.
DD22331080A 1980-08-13 1980-08-13 Verfahren zur beschleunigung von elektrodenprozessen DD154041A1 (de)

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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0078636A1 (de) * 1981-10-23 1983-05-11 MediSense, Inc. Sensor für Bestandteile einer Flüssigkeitsmischung
EP0197747A3 (de) * 1985-03-28 1988-07-20 MediSense, Inc. Graphit- oder glasartige Kohlenstoffelektrode mit modifizierter Oberfläche
AT397512B (de) * 1989-10-30 1994-04-25 Pittner Fritz Biosensor sowie verfahren zu seiner herstellung

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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EP0078636A1 (de) * 1981-10-23 1983-05-11 MediSense, Inc. Sensor für Bestandteile einer Flüssigkeitsmischung
EP0197747A3 (de) * 1985-03-28 1988-07-20 MediSense, Inc. Graphit- oder glasartige Kohlenstoffelektrode mit modifizierter Oberfläche
AT397512B (de) * 1989-10-30 1994-04-25 Pittner Fritz Biosensor sowie verfahren zu seiner herstellung

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