Ανάπτυξη και μελέτη εκλεκτικών ηλεκτροδίων με ακινητοποιημένα αγώγιμα πολυμερή ως ενζυμικά συνυποστρώματα

Καραφουλίδη-Ρέτσου, Χαρά; Karafoulidi-Retsou, Chara

dc.contributor.author	Καραφουλίδη-Ρέτσου, Χαρά	el
dc.contributor.author	Karafoulidi-Retsou, Chara	en
dc.date.accessioned	2019-03-28T09:03:49Z
dc.date.available	2019-03-28T09:03:49Z
dc.date.issued	2019-03-28
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/48523
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.16502
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού-Μη Εμπορική Χρήση-Όχι Παράγωγα Έργα 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/gr/	*
dc.subject	Εκλεκτικά ηλεκτρόδια	el
dc.subject	Ενζυμικά	el
dc.subject	Συνυποστρώματα	el
dc.subject	Ακινητοποιημένα πολυμερή	el
dc.subject	Αγώγιμα πολυμερή	el
dc.subject	Enzymes	en
dc.subject	Immobilized polymers	en
dc.subject	Selective electrodes	en
dc.subject	Conductive polymers	en
dc.subject	Co-substrates	en
dc.subject	Polyaniline (Pani)	en
dc.subject	Πολυανιλίνη	el
dc.subject	Polymethylene blue (PolyMB)	en
dc.title	Ανάπτυξη και μελέτη εκλεκτικών ηλεκτροδίων με ακινητοποιημένα αγώγιμα πολυμερή ως ενζυμικά συνυποστρώματα	el
dc.title	Formation and study of selective electrodes with the use of immobilized, conductive polymers as enzymatic co-substrates	en
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Ηλεκτροχημεία	el
heal.classification	Βιοτεχνολογία	el
heal.classification	Electrochemistry	en
heal.classification	Biotechnology	en
heal.classificationURI	http://zbw.eu/stw/descriptor/15635-3
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2018-10-03
heal.abstract	Στην παρούσα διπλωματική εργασία μελετήθηκε η ανάπτυξη ηλεκτροδίων με ακινητοποιημένα αγώγιμα πολυμερή, με στόχο να χρησιμοποιηθούν ως ενζυμικά συνυποστρώματα. Συγκεκριμένα, τα πολυμερή που χρησιμοποιήθηκαν ήταν αυτά της ανιλίνης και του κυανού του μεθυλενίου. Ως ένζυμο χρησιμοποιήθηκε η υπεροξειδάση της αγριοραπανίδας, (horseradish peroxidase, HRP). Η ανιλίνη πολυμερίστηκε σε ηλεκτρόδιο πλατίνας (Pt), ενώ το κυανό του μεθυλενίου, σε ηλεκτρόδιο υαλώδους άνθρακα. Για την ηλεκτροχημική μελέτη χρησιμοποιήθηκαν τρεις τεχνικές, η κυκλική βολταμετρία, βολταμετρία κυκλικής σάρωσης και η χρονοαμπερομετρία. Η ανιλίνη πολυμερίστηκε με κυκλική βολταμετρία σε δυναμικά από 0 έως 1200mV ή από -100 έως 1100mV ως προς Ag/AgCl (3.5M KCl) για να διαπιστωθεί, αν η υπεροξείδωση μπορεί να επηρεάζει το φιλμ του πολυμερούς. Πράγματι, ένα μεγάλο μέρος των ηλεκτροδίων που πολυμερίστηκαν με το πρώτο ζεύγος δυναμικών δεν έδωσαν κατάλυση. Για την ανιλίνη το ένζυμο αρχικά τοποθετήθηκε ελεύθερο στο διάλυμα και μετά επιχειρήθηκε να ακινητοποιηθεί με δύο τρόπους. Δοκιμάστηκε να ακινητοποιηθεί ηλεκτροχημικά με πόλωση και με τη χρήση Nafion. Με τον πρώτο τρόπο επιχειρείται να εισέλθει στους πόρους του πολυμερούς, ενώ με το δεύτερο ακινητοποιείται επιφανειακά. Στην περίπτωση που το ένζυμο ήταν ελεύθερο στο διάλυμα, το σύστημα μελετήθηκε με τις μεθόδους της κυκλικής και γραμμικής βολταμετρίας. Η εξάρτηση της απόκρισης του ρεύματος από τη συγκέντρωση του υπεροξειδίου είναι ορατή, ωστόσο δεν είναι γραμμική. Επίσης η μέγιστη συγκέντρωση που μπορεί να προστεθεί και να μην είναι επιβλαβής είναι τα 200μM υποστρώματος. Στην περίπτωση που το ένζυμο ήταν ακινητοποιημένο ηλεκτροχημικά δοκιμάστηκε η μέθοδος της χρονοαμπερομετρίας, καθώς η μέθοδος της κυκλικής βολταμετρίας δεν έδωσε ικανοποιητικά αποτελέσματα. Επίσης δοκιμάστηκαν διαφορετικά δυναμικά πόλωσης και διαπιστώθηκε ότι το εφαρμοζόμενο δυναμικό δεν είναι ένας παράγοντας που επιδρά σημαντικά, αρκεί να συμβαίνει η αναγωγή του πολυμερούς. H μέγιστη συγκέντρωση υποστρώματος που μπορεί να προστεθεί χωρίς να είναι επιβλαβής για το ένζυμο είναι περίπου 300μM. Στην περίπτωση της ακινητοποίησης με Nafion, χρησιμοποιήθηκε η μέθοδος της χρονοαμπερομετρίας και της γραμμικής βολταμετρίας με τη μέθοδο της χρονοαμπερομετρίας να δίνει καλύτερα αποτελέσματα. Δοκιμάστηκαν διαφορετικά δυναμικά πόλωσης και επιφάνειες με διαφορετικά εμβαδά. Για μεγαλύτερες επιφάνειες τα ρεύματα ήταν πιο ενισχυμένα, ωστόσο δεν είχαν κάποια επιπλέον επίδραση στο σύστημα, ενώ το δυναμικό πόλωσης δεν ήταν μία σημαντική παράμετρος, εφόσον συμβαίνει η αναγωγή του πολυμερούς. Σημειώνεται ωστόσο ότι για δυναμικά θετικότερα των -100mV, η κατάλυση δεν είναι ορατή σε καμία από τις παραπάνω περιπτώσεις. Ιδανικά, το δυναμικό πόλωσης πρέπει να κυμαίνεται μεταξύ -200 και -300mV σε κάθε περίπτωση. Η μέγιστη συγκέντρωση υποστρώματος που μπορεί να προστεθεί στο διάλυμα είναι 1mM. Όταν το ένζυμο ήταν ακινητοποιημένο παρατηρήθηκε γραμμική απόκριση μεταξύ της συγκέντρωσης του υπεροξειδίου και του ρεύματος, εν αντιθέσει με την περίπτωση που ήταν ελεύθερο, που η εξάρτηση υπήρχε, αλλά δεν ήταν γραμμική. Επίσης όταν το ένζυμο είναι ελεύθερο στο διάλυμα η αντοχή σε υπεροξείδιο ήταν μικρότερη. Τη μεγαλύτερη αντοχή σε υπεροξείδιο είχε το ηλεκτρόδιο με ένζυμο ακινητοποιημένο με Nafion, καθώς το Nafion λειτουργεί ως μεμβράνη που μπορεί να ελέγχει το ρυθμό διάχυσης υποστρώματος. To κυανό του μεθυλενίου πολυμερίστηκε με επιβολή δυναμικού από -400 έως 1200 mV με ταχύτητα σάρωσης 50mV/s. Ο πολυμερισμός είναι πολύ αργός, το στρώμα που δημιουργείται είναι ιδιαιτέρως λεπτό και τα χωρητικά ρεύματα του ηλεκτροδίου είναι μικρά. Για τον έλεγχο της κατάλυσης χρησιμοποιήθηκε η μέθοδος της γραμμικής βολταμετρίας. Το ένζυμο τοποθετείται ελεύθερο στο διάλυμα και η μέγιστη συγκέντρωση υπεροξειδίου που προστίθεται είναι 400μM. Μετά τον πολυμερισμό πρέπει να λαμβάνεται το αποτύπωμα του ηλεκτροδίου με κυκλική βολταμετρία και να επιβεβαιώνεται ότι το πολυμερές έχει ακινητοποιηθεί γιατί όπως διαπιστώθηκε το υπεροξείδιο μπορεί να αναχθεί στην επιφάνεια του υαλώδους άνθρακα. Επίσης το πολυμερές του κυανού μεθυλενίου αντιδρά με το ένζυμο και χωρίς την προσθήκη υπεροξειδίου. Η συγκεκριμένη υπεροξειδάση περιέχει το μόριο της αίμης στο ενεργό της κέντρο και το πολυμερές του κυανού του μεθυλενίου μπορεί να αντιδράσει με αυτό, όπως φαίνεται και από την ιατρική του χρήση για τον προσδιορισμό της αιμογλοβίνης στο αίμα, μέσω της οξειδοαναγωγής του ζέυγους Fe(II)/Fe(III). Στην περίπτωση του πολυμερισμένου με ανιλίνη ηλεκτροδίου, παρατηρήθηκε το ιδιαίτερο φαινόμενο των ηλεκτροχημικών ταλαντώσεων. Η εμφάνισή τους αποδίδεται συγχρόνως στο πολυμερές, το υπεροξείδιο και το ένζυμο. Το φαινόμενο αυτό δεν παρατηρήθηκε όταν το ένζυμο ήταν ελεύθερο στο διάλυμα. Στην περίπτωση που προέκυψαν ταλαντώσεις με ηλεκτροχημικά ακινητοποιημένο ένζυμο, οι ταλαντώσεις προέκυψαν μετά από προσθήκη 300μL υπεροξειδίου στα -100mV πρώτη φορά και για μεγάλο εύρος δυναμικών. Για δυναμικά πιο αρνητικά των -100mV, η περίοδος είναι T=2s. Στα -180 mV, η περίοδος είναι ίση με 20s. Για δυναμικά από -14, έως 128mV, η περίοδος των ταλαντώσεων είναι T=1s. Για πόλωση στα 200mV ή θετικότερα, η περίοδος είναι T=0.5s. Στην ακινητοποίηση με Nafion οι ταλαντώσεις εμφανίστηκαν μετά από 300μL υπεροξειδίου. Εμφανίζονται για πιο αρνητικά δυναμικά, στα -500mV, ενώ έχει προηγηθεί πόλωση στα 1300mV. Η εμφάνιση των ταλαντώσεων μετά από την απότομη μεταβολή δυναμικού προϊδεάζει ότι πρόκειται για μία συνθήκη αστάθειας για το σύστημα, το οποίο οδηγείται σε ευστάθεια ταλαντούμενο.	el
heal.abstract	In this diploma thesis the development of electrodes with immobilized conductive polymers was studied in order to be used as enzymatic cosubstrates. In particular the polymers that were used were aniline and methylene blue. Horseradish peroxidase (HRP) was used as enzyme. The aniline was polymerized on a platinum electrode (Pt), while the methylene blue on a glassy carbon electrode. For the electrochemical study three techniques were used: cyclic voltammetry, linear voltametry and chronoamperometry. The aniline was polymerized with cyclic voltammetry on voltages ranging from 0 to 1200mV and -100 to 1100mV vs Ag/AgCl (3.5M KCl) in order to determine if hyperoxidization can affect the film. Actually a big proportion of the electrodes that were polymerized with the first voltage range did not produce catalysis. For the aniline, the enzyme was initially inserted free in the solution and then immobilization was attempted using two ways: electrochemically with polarization and by using Nafion. With the first way it is attempted to enter the polymer pores while with the second way it is immobilized on the surface. In the case where the enzyme is free in the solution the system was studied using cyclic and linear voltammetry. The dependence of the electric response on the concentration of the peroxidase is visible, although not linear. Moreover the maximum concentration that can be added and not negatively interfere is 200μΜ. In the case where the enzyme is electrochemically immobilized the chronoamperomentry method was tested because cyclic voltammetry gave no significant result. Also different polarization voltages were used and it was determined that it is not a significant factor. The maximum concentration that can be added without being detrimental to the enzyme is 300μM. In the case of Nafion immobilization two methods were used, linear voltammetry and chronoamperometry, with the second one giving better results. Different polarization voltages and surface sizes were used. For larger surfaces the electric signals were more amplified although they had no additional effect on the system, while the polarization voltage proved to be an insignificant parameter, if the reduction of polyaniline film has already happened. It is important to note that for voltages lower than -100mV the catalysis is not visible for either case. Ideally the polarization voltage should be between -200 and -300mV in any case. The maximum concentration that can be added to the solution is 1mM. In general when the enzyme was immobilized, linear response was observed between the concentration of the peroxide and the current, in contrast with the case where the enzyme is free where the correlation was not linear and the peroxide tolerance was lower. The enzyme that was immobilized using Nafion has the greatest tolerance of all since Nafion acts like a membrane that can control the diffusion rate of the substrate. The methylene blue was polymerized using a voltage range of -400 to 1200mV with a scan rate of 50mV/s. The polymerization is very slow, the layer that is created is especially thin and the capacity currents of the electrode are small. For the catalysis control, cyclic voltammetry was used. The enzyme is freely added to the solution and the maximum concentration of peroxide added, is 400μM. After the polymerization the fingerprint of the electrode must be taken using cyclic voltammetry and confirm that the polymer is immobilized because glassy carbon reacts with the peroxide as was noted. Also the methylene blue polymer reacts with the enzyme without the addition peroxide as well. This particular peroxidase includes the heme molecule at its active center and the methylene blue polymer is used medically for the determination of hemoglobin in blood by redox of the Fe(II)/Fe(III) pair. In the case of aniline electrode polymerization the interesting phenomenon of electric oscillations was observed. Their appearance can be attributed to polymer, peroxide and enzyme, at the same time. This phenomenon was not observed when the enzyme was free in the solution. In the case of an electrochemically immobilized enzyme the oscillations occurred after adding 300μL of peroxide at -100mV for the first time and for a wide range of voltages. For voltages more negative than -100mV the period is T=2s. At -180mV it is 20s. For the range of -14 to 128mV it was 1s. For a polarization at 200mV of more positive it is T=0.5s. When immobilized with Nafion the oscillations appeared after 300μL of peroxide were added. They appear for more negative voltages at -500mV while previously polarization at 1300mV has happened. The appearance of oscillations after a sudden voltage change gives the idea that it is an instability factor for the system which is heading to a steady state while oscillating.	en
heal.advisorName	Καραντώνης, Αντώνης	el
heal.advisorName	Karantonis, Antonis	en
heal.committeeMemberName	Τόπακας, Ευάγγελος	el
heal.committeeMemberName	Κέκος, Δημήτριος	el
heal.committeeMemberName	Topakas, Evangelos	el
heal.committeeMemberName	Kekos, Dimitris	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Χημικών Μηχανικών. Τομέας Επιστήμης και Τεχνικής των Υλικών (ΙΙΙ). Εργαστήριο Φυσικοχημείας	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	87 σ.
heal.fullTextAvailability	true