MODIFIED WITH MICROQUANTITIES OF PLATINUM METALS GRAPHITES: APPLICATION TO THE DEVELOPMENT OF...

6
Journal of the University of Chemical Technology and Metallurgy, 43, 1, 2008, 59-64 MODIFIED WITH MICROQUANTITIES OF PLATINUM METALS GRAPHITES: APPLICATION TO THE DEVELOPMENT OF XANTHINE OXIDASE ENZYME ELECTRODE E. Horozova 1 , T. Dodevska 2 , N. Dimcheva 1 1 Department of Physical Chemistry, Plovdiv University, 24, Tsar Assen st., 4000 – Plovdiv, Bulgaria 2 Department of Inorganic and Physical Chemistry, University of Food Technology, 26, Maritza blvd., 4002 – Plovdiv, Bulgaria E -mails: [email protected]; [email protected] ABSTRACT For a series of graphite electrodes, modified with microquantities of Pd+Pt mixture in various proportions, surface morphology of the catalytically active phase, formed for times of electrodeposition respectively 90, 30 and 10 s, was studied with scanning electron microscope (SEM). It is established that the graphite, exhibiting the highest catalytic activity during electroreduction of H 2 O 2 , modified with Pd+Pt mixed in the ratio 70%:30% at t deposit =10 s, is distinguished with the smallest average size of the microformations. The application of this electrode as a basic transducer in developing an interference-free amperometric biosensor for xanthine is demonstrated. Keywords: modified graphites, microquantities of platinum metals, hydrogen peroxide electroreduction, xan- thine, biosensors. Received 23 November 2007 Accepted 12 December 2007 INTRODUCTION Electrochemical biosensors occupy a dominant place among the sensors for selective quantitative analy- sis of various analytes. Their wide practical application in vital areas such as medicine [1,2], food industry [3], ecology [4], etc., determines the interest for their re- search and development. Most of the known enzymes oxidoreductase (e.g. glucose oxidase, xanthine oxidase, etc.) catalyze chemi- cal transformations of their typical substrates, during which besides the reaction product hydrogen peroxide is produced. The principle of operation of most amperometric biosensors comprises the quantitative determining of the enzyme substrate in accordance with the current of electrooxidation of the obtained hydro- gen peroxide. This reaction proceeds at potentials at which most of the components of the real samples (bio- logical liquids, food, pharmaceutical, ecological samples, etc.) are co-oxidized, which significantly increases the quantitative determination of the substrate. That is why many studies and investigations are aimed at finding alter- natives for increasing the selectivity of the electrochemi- cal detection of H 2 O 2 . In this connection, the following methods are proposed: using membranes ensuring the se- lective penetration of the substrate being determined into the layer with immobilized enzyme or towards the indi- cated electrode [5,6]; using mediators able to transform through oxy-reduction at more negative potentials [7,8]; using a multilayer sensor architecture [9,10], etc. High selectivity of the electrochemical system is achieved by applying two principally new approaches: i/ one is based on registering the current generated dur- ing the electroreduction of H 2 O 2 at low working poten-

Transcript of MODIFIED WITH MICROQUANTITIES OF PLATINUM METALS GRAPHITES: APPLICATION TO THE DEVELOPMENT OF...

E. Horozova, T. Dodevska, N. Dimcheva

59

Journal of the University of Chemical Technology and Metallurgy, 43, 1, 2008, 59-64

MODIFIED WITH MICROQUANTITIES OF PLATINUM METALS GRAPHITES:APPLICATION TO THE DEVELOPMENT OF XANTHINE

OXIDASE ENZYME ELECTRODE

E. Horozova1, T. Dodevska2, N. Dimcheva1

1 Department of Physical Chemistry, Plovdiv University,

24, Tsar Assen st., 4000 – Plovdiv, Bulgaria2 Department of Inorganic and Physical Chemistry,

University of Food Technology,

26, Maritza blvd., 4002 – Plovdiv, Bulgaria

E -mails: [email protected]; [email protected]

ABSTRACT

����� �� ������� �� ����� �� ���� ����������������� ����������� � ���� ������ ���� ���� ��� �������������� �����

������������������� ����� ��� ��������� �������������������� ����������� �������� ���������� ����������������������

����� �������� �������������� ��������������� !"#$%�& ������ �'������� �� � �������� �������'� ��� �������� ��� ��� ��

�� ��� ������������ ������� ������()*

)������������ ������ ���������� ����� ���+�,-��,�� �

������ .������������ ��������

�� �� ���������� ����������/���� ������������ ����%

0���������� ������ �������� ����������'����� ���������������������������� ��������1������������ ����'��������

������ �������������� �� ��%

2�������-� �������������� ������������� � ��������� ������� ���������������������� ���� ������� ����� ���1

������'���������%

Received 23 November 2007

Accepted 12 December 2007

INTRODUCTION

�������������� ������������������������

�����������������������������������������������������

��������������������������������������������������

������������������������������� ����������������! �

�������� �" �� ��������������� ���� �������� ���� ����� ���

����������������������

#�����������$�������%�����&������������'����

���������&������&��������&����������(�������%������

����������������������������������� ��������������

����� ���������������������������������������&��

�� ���������� ���� �������� ��� ��������� ��� ���

���������� ��������� �������� ���� ����������

������������������%����� �����������������������

�����������������������&�������������� ������������

��������&�������� ��������������������������������

���������������������������������������������' ��

���������������������������������������������������

����(� ���� ����&�%��������� ����������� ��������� ���

������������������������������� ������������������

��������������������������������������������������

����������������������������������������������������

����������������)�*

���+�����������������������������

�������������������,������� ���������������������

��������������������������� ������� ����������������

��������������� �%�����%���������������������

�����������������-�. /��������������� ��������������

���������&�������������������������������������0�1 /

������������������������������������2��3 ������

�)���������������������������������������

���������� ��������������������������������������,

4������� ��������������������������������������������

��������������������������)�*

������������$���������

Journal of the University of Chemical Technology and Metallurgy, 43, 1, 2008

60

������������3�5�'����6�46�7�(���������������������

������������� ���������������������������� ������

���������������������������������������������������

������ /�4������������� �����������������������������

�������������������������� ����������������&���

������������� �������'����������� ��������(�����!��" �

������������������������������� ���������

������������������ ����������������-��1 ���������

�����������������������������������������������

8�������������&�������'�������&�(�������

����������������������������������������9�����������

���������������������$����������������������������

���� ������� ��� &������� �� ������ ���� ����

���������������������������� ����������������������

������ ��� ��������������� ����� �������������

'):;7(���2 ����������������'7;(���3 �����<5������

������������������������� ��$�������������$��

���������������������������������+��������������������

���������� ���������������� �������������� �

���������������������������� �����������������'�������

��%��(����������������������������������������

�����������������������������������������������

������ ������ ���������� �������� ���� ���������� ���

�������������� ���� ������������������ ���� ������

��������� +���������� �� �� �������������� ������� ����

�������������� �%�����%������� ������������

������������������������������������������

+������������������������������������������

�������������������������������������:�=:�

&����������������������� ������������������������

������������������������������������������������

���������������������������$�������������������

������������������������9�4���������������������4

������������������������������������������������� �

���������������������������������������� ������������

����������)�*

��������������������������3�5�'����6�4

6�7�(��*��������������������������������������������

������ �������� ��%��� �������������� ������������

������������������������ ����������������������������

���������&��������������� ��������

EXPERIMENTAL��������

>��������&����� '>*8(� '?�@�� ����!��(� ���

������$�'A��$�(��������������������������1�<

���� '��<������������� ��� ������������� ������%��

������&�%��������&�����������������)�0�-����

�-�37(/�&���������)�*

������������;������ �����������

������������������������������������������ �����

��������,�B��):*

"&��)

�*�� C*)� ���� )

!:*

"�� ����

���������� ���� A��$��� D������� '���������� �����(

'7���$��E������(������������������-F����������

������������ ������'�)�1�"(��������������������������

������6��������������������������������� ������

������������

��������� �����������������

+���������������������'�����D#G��������������

�������������HI��.9��1���/�3�0&3�0&3�!��(�����������

�������������������������������������������������������

����,����������������3�1������������������-.9��0�����!�

���������39�-�F���������������������������������

���������������������������������&��������

������':�=:�(�23�F,�3�F�03�F,!3�F�����-3�F,-3�F

��������������������������������������������� �

��������� ��������� ��������������

>��������&�������%�������������������������

��������������������������������������������� �

���������� ���������� �

���� �������� ���������� ��� ���� :�=:�

�������������������������������������������&��

�����������)�����'H�-�33(�H�#���������������

�������8��������H����������������������������

�������������3�$5�����������B�������������������

��������������������������������������������������

���H�#�� ����������

6��� �������������� ����������� ����� ����

������������������������������������������������

��������� '���$�������������-�;(��6��6�46�7�

������������������������������������������������������

������������������������������������������������

������ ����� �������� �� ������������� ����� E:68

'�67<HH�;��5����� ������A�����(/������������������

�D��3� '�������;� �����:�����(/��������� ���������

������6E�3-�'G:<��:��������E������(��������������

����� � �����������������������������������

������������������������� ������ ������

����������������������������1�.&�3�"�#�&����������

����������������������� �������)�1�"���������������

����������������������������������������������������

������������������������������������������������ ���

����������������&����������6��������������������������

E. Horozova, T. Dodevska, N. Dimcheva

61

����������� ������������������������������������������

�������������������������������������������������

'JH8�(���� �������0�������F�

A���������������������������������������

�����<)�'5�E�#;K�������������K��$��#��������D���

���(����������������)���� ���� ������������������

��L�������������)������*:����31�'J����$���E��������

)������(�

RESULTS AND DISCUSSION

������������� ��������������������������

*������ ������������������������� ��������

�������������������������������������������������

����������������������������������������������

�������������������������������� ��������������

��������������������+������������������ ����������

�������������������������������������������������������

����������������������������������������������������

��������������������������������������������������������

��������������������������������������������������+���

��������������������������������������������� ����

��������������������������������������������

�����������������$�����������������������������

������������������������ ��������� ��������)�*

����������������

H�#����������� 'A���(�����������������

�������� ��� ���� �������� ����������� ������ ���

���������������:�=:��&���������������23F,�3F�

03�F,!3�F������-3�F,-3�F��� �����������������

��������

�������3��!3�����23���

���������������������������������������� ���

�����������������������������������������������������

�������������������&�������������������������&������

�������������������������������������������������������

�������������������������������������������������

����������������������������������M������ ����������

�����H�#�������������������������������������

������� ���� ���� �������������� ��������� ��

������������ ��� :�=:�� ��������� ��� ���� �������

'A�����9�6�E(������������:�,:�������������������

&�����'A����9�7��8(�

A������������������������������������

���:�=:�������������23�F,�3�F������ �����������

�9�!3

Fig. 1 SEM micrographs showing the surface morphology of modified graphites: A- 90%Pd:10%Pt/gmz (tdep

= 30 s); B- 90%Pd:10%Pt/gmz (t

dep = 90 s); C- 50%Pd:50%Pt/gmz (t

dep = 10 s); D- 70%Pd:30%Pt/gmz (t

dep = 10 s).

A) B)

C) D)

Journal of the University of Chemical Technology and Metallurgy, 43, 1, 2008

62

����23������������������������������������������'A���

9�6�E(�� ���������������������������������������������

�%��9������������������������������������

I!3�����������

��������������

I23������������������&�������������������

���������������������������������������������������

I!3��

����������������������������������������%���������

�.�N��+��������������������������������$�����������

���� �������� ������������ ��������������������� ���$

�������������������'A����6(��K���������������������

�������

�����!3������23�������������������������������������

������������%������ �����3�N� ��������������������

��������������������� ���������������������������

��������������� ��������������� ����� ����������� ��

����������������������������������'A����E(�

���������������������������������������������

������������������������������ ���������������&���

�������

I�3�������������������:�,:������������������

��� &����� ���� �� ����� �� A����7�8�� ���

���������������:�=:�������������-3�F,-3�F����

��������������������������������������������������

��������������������������������������������������

�%��������������3�!������N�'A����7(�

*������������������������:�=:�������

�����03F,!3F������������������������������������

������������������������������%������������-�N

'A����8(��*�������������������������������������������

���&���������������������������������������������%�

����3���������-�N��H������������������������������

���������������$����������������������������

���7����������������������������������������

������� ���� ���� ����� H�#� ���������� � � 'A���� 9

6�E�7�8(�������� �����������������������������������

������������������������������������������������������

��������������������������������������������������

���������%��������������������������������������������

�������������� � ���������������������������������������

�������������������������������������������

���:�=:��&��� �� ���� ����� 03F,!3F�������)�*

�������������������������������������� ������������

���� ��$���������������������������������������'�+4

�7I3�1��O�3�3��P6�P#��(� ���� �������������

������������������������������������������������������

'������.33�PQ�)�*

�(��������������������������9-3�5

'����6�46�7�(� ��� ��#������ �������� ���������� ����

:�,:�'03,!3(47D#G

����������������� ������������������

�������������%�����������������&���������������

���������������

� ���������������������� ���������� ���������� ��� ��

)����������������������������������������������

��� ������� ��������� ��� �������� ����� ���������

���������� ���������� ������� �������� ������� ��

������������������������������������������������

�������������������������������������������� ������

�����������������������������������������������

���������+�������������������������� �����������������

�����������������������:�,:�'03,!3(47D#G

������

�������� ����� ��������� ���������� ��������������������

��������������������<�������������������&������

��������������������������������������������������

����������������� ����������������������������������

������������� ��� �3�-�Q������� �&������ ���� ���� ��

�������������������

*�������������������������������������&������

�&�������%����������������������������������������-3�5

'����6�46�7�(�����-37�����!337�'���������� ��������)

1�"(������������������� �����

������� ������������'A�����6(���������������

�-37�������������������������������������������������

����������������������&���������������������������03

P#/�������������������������������������������������

������� ���������������� ������� ���������������3�!2

P6�P#���

������ ����������� ����������� ��� ���������

)������������'A�����E(,�����������������������������

�������������

�����������

������

�� �����������

��

�����

��

�� ���� ��� � !� � ��

�� ���" ��� � "� #"

�� ������*������������������������&��������&�������%�����������������������������-�37�����!3�37/

�����������������-3�5�'����6�46�7�(/� ��$����������������������������� ��������)�1�"�

3�0������� ���������� ��� �������� ����������� ����������� ������������� ������ �������'�� ��������4

33�0������������� ������ �������'�� ��������� ���5#$

E. Horozova, T. Dodevska, N. Dimcheva

63

Fig. 2 A - Steady-state response of the enzyme electrode as afunction of xanthine concentration at an applied potential -50mV (vs. Ag/AgCl); temperatures 25 0C and 30 0C; backgroundelectrolyte phosphate buffer, pH 8.4; Michaelis-Menten analysisin terms of Eadie-Hofstee (B) and Lineweaver-Burke (C) plotsbased on the data of figure 2-A (25 0C).

�������������������������������&�������������������

���.1�N#/���������������� �������.1�����0-�N#��������

��� $����� �������/� ���� ��� ����� ��� ���������� ��������

�����������&����������������������&�������0-�N#�

�������������#����������������C����������

���� ����$������������������������������ �������

����;���������E��$�������'�47�����4+(�'A����7(����

�����)������������������ ������ ������������ �����

������������������,�C���I-1�"�P#�'��I3�22.(�������

������������;E�����/�����C���I-1�.�P#�'��I3�22-(

������������������)������������ ����������������

���������������������������&���������-�P#�'���

�����������������������������!,�(�

6����������������!3�R7���%����������������

������������������ ���������� ��������� '�+4�7I3�--0

N6�N#��(����������� ��������������������������

������&��������������������.3�N#��������%�����������

�����)��������������������������������,�����������

�����%����'������--�N#(/�����������������������

%����' �������--�����0-�N#(���������� ���������

���������������������������C���I".�N#(/�����������

���������7&������

S0-�N#�

CONCLUSIONS

7������������������������������������

����������������9�&���������:�=:����������������

����������������������������������������������������)�*

������$��������������������3�5�'����6�46�7�(�����

� �����������������������������������������,����������

����������������������������������������������������

�����������������������������������������������

��������������������������� �������������%������

���������������������������������:�=:�������

�����03F,!3F�����������

I�3�������������������� ����������

����������������������&������� ���������������������

��� �&�������� �������������� ����������� �����

��������������������)�*

��

Acknowledgments���������������� � ���� ���6������� ��������

0���������7������������� ��� ��89�:1($������������

6������� ��7������������� ��� ��61��:1;1�+$������ �1

�������<��������%�0����� ������������<�� �� ���<�6��1

����� ����=���#������ ������ ���'�� ���=� ������!������

������ ���$���� �������������� ����%

Journal of the University of Chemical Technology and Metallurgy, 43, 1, 2008

64

REFERENCES

���#��J������#��H��K����T��E��H�������������������

���� �330�� .!��.!0�

���>�������T�������:��7���>��G�����6����E������7���

����� �33-�� -33�-30�

!��)��B�$������;��H�������7��:���������H��D�����#�

#����������B��H��%���M��5�����������6�M�E����

E�����������33-��1-�12�

"��6��6�������;��J�������7��E�����H�������B�����������

7����������+����������������6���������D�� ��

����������������������33.��!!0�!"!�

-�����)��������B�������M��6�%����#�����H��������

�����7�������33.���33��3!�

.�� H��C�� M������D��H�K������ �6����7�������� �22.�

-2��-2.�

0��C�������%���H��B�����������6����E������7���

����� �330�� �30-��31��

1��J��7������8��D������;��#��������+��:��������;��#�

#��������M�6��������������������33.���!�0��!!��

2��J��#������6��)�������6����7��������22����112��12.�

�3��K��G�����M��>���7��H���)��7�����;����������

�33-�� 2.!3�2.!"�

���� B�� 8������� ��� )���%����� G�� M���������� G

B������������������33���03-�0���

����7��K������7��E��$���6��H��J��7�������6���

E������7����������33-��������

�!��;��D�������6��;�����������;��������A��8��#��������

���J�%�����+��D�%������6����7��6����� ���222�

2���31�

�"��T��K���H��)���#������6�����������330�����0�

�-��K��T�����T��;��T��E���7��H����H������6�����������

�33.�� "��"1�

�.��6��T���A��7�������6����7���������33!��!3!��!3!0�

�0�����)���%�����G��M����������6��6������������E���

�����������������220��!���!�.�

�1�� B�� 8������� ��� )���%����� G�� M���������� G

B������������������33���03-�0���

�2��)��H��� �%����)��#� ���6��#���������#�

M�����<�������M������������33.����-���2�

�3�� M�� )������� H�� � )������� D�� � D�� �����

E�����UE���������������22"���12��2-�

���� ��� 8�����$��� ��� )���%����� B�� 8������� 6���

E������7���������33.���"�!��"�1�

���� B�� 8������� ��� )���%����� G�� M���������� � G

B������������������33���11!�112�