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Glucose dehydrogenase (GDH) was assembled electrostatically onto QCM-gold electrodes by their sequential deposition with anionic polyelectrolytes such as PSS and PASA. For the layer-by-layer arrangements both the microgravimetric and the electrochemical sensor signal were followed. Increasing amounts of GDH were deposited by stepwise formation of alternating layers of GDH and PSS or PASA. The mass increase was about 1.88 mug/cm(2) for one GDH/ PASA bilayer and 2.4 mug/cm(2) for a GDH/PSS bilayer. The addition of phenolic compounds resulted in an oxidation current, which could be catalytically increased by the GDH catalysed reaction in the presence of glucose. The system functions as glucose sensor when quinones are present in nonlimiting amount. The amperometric response was already diffusion limited when a single layer of GDH was adsorbed. The sensor sensitivity increased by a factor of 10 when MSA was used instead of MUA as initial electrode modifier
Biosensoren werden oft für die Messung einzelner Substanzen in komplexen Medien verwendet, wie z.B. bei der Blutzuckerbestimmung. Sie bestehen aus einem physikochemischen Sensor, dem Transduktionselement, und einer darauf immobilisierten biologischen Komponente, dem Erkennungselement. In dieser Arbeit wurde als Transduktionselement eine Elektrode und als Biokomponente das Enzym „Meerrettich Peroxidase“ (engl. horseradish peroxidase, HRP) verwendet. Solche HRP-Elektroden werden für die Messung von Wasserstoffperoxid (H2O2) eingesetzt. H2O2 wird im Körper von weißen Blutkörperchen produziert, um Bakterien abzutöten, wird teilweise ausgeatmet und kann in kondensierter Atemluft nachgewiesen werden. Da viele weiße Blutkörperchen bei einer Chemotherapie abgetötet und dadurch die Patienten anfälliger für Infektionen werden, muss ihre Anzahl regelmäßig überwacht werden. Dazu wird zurzeit Blut abgenommen. Im ersten Teil dieser Arbeit wurde untersucht, ob eine Überwachung der Anzahl an weißen Blutkörperchen ohne Blutabnahme durch eine H2O2-Messung erfolgen kann. Ein direkter Zusammenhang zwischen der ausgeatmeten H2O2-Menge und der Zahl der weißen Blutkörperchen konnte dabei nicht festgestellt werden. Für empfindliche H2O2-Messungen mit einer HRP-Elektrode ist ein schneller Austausch von Elektronen zwischen der Elektrode und dem Enzym notwendig. Eine Vorraussetzung dafür ist eine kurze Distanz zwischen dem aktiven Zentrum des Enzyms und der Elektrodenoberfläche. Um einen kurzen Abstand zu erreichen wurden im zweiten Teil dieser Arbeit verschiedene poröse graphitähnliche Materialien aus pyrolysierten Kobalt-Porphyrinen für die Elektrodenherstellung verwendet. Dabei stellte sich heraus, dass eines der untersuchten Materialien, welches Poren von etwa der Größe eines Enzyms hat, Elektronen etwa 200mal schneller mit dem Enzym austauscht als festes Graphit. Die HRP selbst enthält in seinem aktiven Zentrum ein Eisen-Protoporphyrin, also ein aus vier Ringen bestehendes flaches Molekül mit einem Eisenatom im Zentrum. Reagiert die HRP mit H2O2, so entzieht es dem Peroxid zwei Elektronen. Eines dieser Elektronen wird am Eisen, das andere im Ringsystem zwischengespeichert, bevor sie an ein anderes Molekül oder an die Elektrode weitergegeben werden. Im letzten Teil dieser Arbeit wurde das Eisen durch Osmium ausgetauscht. Das so veränderte Enzym entzieht Peroxiden nur noch ein Elektron. Dadurch reagiert es zwar langsamer mit Wasserstoffperoxid, dafür aber schneller mit tert-Butylhydroperoxid, einem organischen Vertreter der Peroxid-Familie.
Direct electrochemistry and spectroelectrochemistry of osmium substituted horseradish peroxidase
(2009)
In this contribution the substitution of the central protoporphyrin IX iron complex of horseradish peroxidase by the respective osmium porphyrin complex is described. The direct electrochemical reduction of the Os containing horseradish peroxidase (OsHRP) was achieved at ITO and modified glassy carbon electrodes and in combination with spectroscopy revealed the three redox couples (OsHRP)-H-III/(OsHRP)-H-IV, (OsHRP)-H-IV/(OsHRP)-H-V and (OsHRP)-H-V/ (OsHRP)-H-VI. The midpoint potentials differ dependent on the electrode material used with E-1/2 (Os-III/IV) of -0.4 V (ITO) and -0.25 V (GC), E-1/2 (Os-IV/V) of -0.16 V (ITO) and +0.10 V (GC), and E-1/2 (Os-V/VI)of +018 V (ITO), respectively Moreover, with immobilised OsHRP the direct electrocatalytic reduction of hydrogen peroxide and tert-butyl hydroperoxide was observed. In comparison to electrodes modified with native HRP the sensitivity of the OsHRP-electrode for tert-butyl hydroperoxide is higher.
A tailor-made horseradish peroxidase (HRP) bulk composite electrode was developed on the basis of pyrolyzed cobalt tetramethoxyphenylporphyrin (CoTMPP) by modifying pore size and surface area of the porous carbon material through varying amounts of iron oxalate and sulfur prior to pyrolyzation. The materials were used to immobilize horseradish peroxidase (HRP). These electrodes were characterized in terms of their efficiency to reduce hydrogen peroxide. The heterogeneous electron transfer rate constants of different materials were determined with the rotating disk electrode method and a k(S) (401 +/- 61 s(-1)) exceeding previously reported values for native HRP was found.