DD154041A1 - METHOD FOR ACCELERATING ELECTRODE PROCESSES - Google Patents

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.The invention relates to a method for accelerating electrode processes to electrodes modified by conductive films. The process is particularly suitable for biotechnology: in the analysis (enzyme electrodes), for the enzymatic conversion (enzyme reactors) as well as for energy conversion (fuel cells). The aim is to develop a process with a high conversion rate, which does not require noble metal catalysts or mediators and is thus economically favorable. The process according to the invention is characterized in that a metal electrode coated with a conductive film (eg gold electrode covered with polymerized 1,1'-dimethyl-4,4'-dipyridyl-dichloride) in a solution containing the substance to be reacted a negative redox potential (eg glucose, uric acid, NAD, lactate) and a dehydrogenase or oxidase (eg glucose oxidase, uricase, NAD reductase or lactate dehydrogenase) and the reaction is carried out in a manner known per se done by connection to a counter electrode.

Description

ι ζό.τ Beschieuniguiiff von .SJlektrpdenprossessen" 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/ The invention relates to a method for accelerating Slaktroci.enproEesaen. on Electrodes Modified by Conductive Films * The method is mainly used for biotechnologies in the field of analysis (Eii'-ayraelekti ^ Oden) \ for the enzymatic © Metabolism (Büisymreaktoren) and 213.2? Energy conversion (fuel cables) suitable /

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:een_s 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^erteilteeYiels are nieaemolecular organic states with a negative Rodoxp.otential (reducing agent) such as glucose _t uric acid, odor an are very slowly osciaiearbc on metals! Similarly, the cathodic reduction of HAD is very ... slow and does not lead to, koenssymatisch active products ^ slide oxidation of these substances is essential for the iSntwicklung of Analysato: een _s Köfaktorregenerierung in Bnzymreaktoreja as well as Aiiodciireaktion in fuel cells important * CBX 'Β' sohleuirigung the slow electrochemical oxidation of these substances are described in "katalytisohe lilektroden" · where to "the Electrodesnoberfiäohe finely divided tea

Pt, Pd oder Ix aufgebracht, sind (Kc Schieb, U₆ -a., .Clin_e ..öhem_s Pt, Pd or Ix applied are (Kc sliding, -a U _6., .Clin _e ..öhem _s

24,^.448, 1978? U. Gebhardt a« a.,' Bioelekti'oohom. 5,. 607, 1973)« Dieae Anordnungen fülires swar'so. einer Vergrößerungdes Stromes s ;a ο B_e 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*24, ^. 448, 1978? U. Gebhardt a., 'Bioelekti'oohom. 5 ,. 607, 1973) "The arrangements fülires swar'so. a current magnification of s; a ο B _e wherein Gliik eyelet oxidati on, they wea but the readily poisoned by 'contamination?. In addition, the preparation of the katalytiBohon electrodes is very complex and the catalysts are very expensive *

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. a_9i Biotechnology 17, 413» 1975). -·' "Since oxidoreductases accelerate the oxidation of the respective substrate, it is close to using these enzymes as catalysts of the electrode process. It is known to transfer the charge 2 r rf.schen the enzyme and the electrode through a low molecular weight mediator. The enzyme Eg glucose oxidase (GOD) (catalyzes the transfer of charge from the substrate (eg., Glucose) to the mediator, which is rapidly converted to the electrode M · ffeibel inter alia _s Arch »Bi'ochem. Biophys , 169, 146, 1975). This procedure has the disadvantage that an additional substance must be added to each sample, with most mediators being rapidly dispensed. Without a mediator the current obtained is substantially smaller ,, because the direct charge exchange between the enzyme and the metal electrode is very slow, so that by the enzyme no significant acceleration of the anodic oxidation of the low molecular weight substrate is carried out (E.. Laho & a u a. _9i 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 7_s7»8_i8~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)· -The electrochemical conversion of low molecular weight Substrate- in Gegenv / art of enzymes adsorbed to the complex of H-Methylphenazin and the Anionenradikal of 7 _s 7 »8 _i 8 ~ TetraeyanoHa" Chinodi- »methane (" Organic Metal "), with superimposed on the electrode processes of the components of the semiconductor and therefore allows only the use of a narrow potential range (J. Kulis, Doklada Akad. ttauk USSR 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.U.S. Patent 4,144,143 claims a metal electrode having a conductive polymeric film suitable for rapid electron exchange with electron transfer pro-ducts. a, used for the reduction of perredoxin (Ma 9000). The electrochemical conversion of low molecular weight sub- rods with negative redox potential is not accelerated by this electrode.

Die Erfindung hat- das Ziel, ein Verfahren zur elektrochemischen Umsetzung niedermolekularer¹ -Substanzen, mit negativem Redoxpotential zn entwickeln, aas keine £delmetallkatalysato~The invention has the object to develop a process for the electrochemical reaction of low molecular weight ^1- substances, with negative redox potential zn , aas no 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«.ren.bzw ", mediators" needed and thus economically, is favorable _f the Umsetzutigsgesohgeschwindigkeit for use of the method in fuel cell ^ enzyme factors or in analytics sufficiently large soin «.

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 einThe invention has for its object to make the process for the electrochemical reaction of low molecular weight compounds having a negative redox potential so that as a modified by a leit.Film an electrode

schneller Elektronenaustausoh erfolgt« fast electron exchange takes place «

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 enthält_s 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 ··'....'"The erfinaaagsgemäße method for accelerating EIeIc "trodenproEessen to 'modified by conductive films electrode is characterized in that a covered with a leitfä hi gene metal electrode'.in a solution, the timzusetzendci low molecular weight substance with negative redox potential and a Dehydrogenase or QxIdase containing _{s is} brought and di @ implementation in a known per se by connection with ei.ner counter electrode took place The 'forming elekt-smelling smell' for determining the low molecular weight S lance for preparative substrate conversion or used for power generation ·· '....'"

Als Blektroae wird vorzugsweise eine Goldelektrode einge-» · setzt, dis mit einem Film von polymerisiertem 1 _f 1^ξ-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 B_e 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 OxidationThe preferred electrode used is a gold electrode, which is coated with a film of polymerized 1 _f 1 ^ξ -dimethyl-4j _? 4- ⁱ -dipyridyl ~ dicklorid is covered «. Glucoses, uric acid, HAD or the like are to be understood as meaning lamotene / molecular compounds having a negative redox potential. According to the invention, the following enzymes are used: G-lacoseoxiclaseg urdcase, IIA) recluctase or laotatdehydrogenaeo. , , ,. In the case of the use of a behidrogenase, Ε · _β B _e IAD-ReClLiactase or Laetatdehydrogenase ^ it depends on the applied potential _s whether a reduction or a Gsidstioa. csidases such as glucose. Cteldase or urioase can undergo oxidation with the method of the invention

. . «. A —  , , ". 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· ....· The sicli in the implementation of the method according to the invention forming electrical current is used to determine the in. The solution of low molecular weight compounds or preparative. Substrate conversion used. An example of the first embodiment is glucose digestion in fermentation solutions, an example of the second approach. Another possibility is the immediate use of the forming electric current (fuel cell), for example for driving Hers pacemakers. With the invention a. A procedure is carried out, which was previously known only for low-molecular redox systems and also at other electrodes, Bs was not to wait? that at the electrodes used a rapid electron exchange with enzymes having a M ^ 100 000, takes place. »This surprising process is, however, the 'basis for the' acceleration of the electrode press sse and thus for the advantageous implementation of the method. . ·

Die Erfindung soll nachstehend an 3 Beispielen beschrieben werden?" · · ·The invention will be described below with 3 examples. "

.1. Beispi.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 A gold miniature grid electrode of 8 cm "cross-section is coated with a polymeric methylviologen (MV) layer by venting at 950 mV vs SCE for 15 min

24°24 °

.1«2 mH MV- -Lösung elektrolysiert wird (siehe 3?. Hawkridge,.1 «2 mH MV solution is electrolysed (see 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 ist_e 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-H. Landmann, US Pat. No. 4,144,443) "Me modified electrode is rinsed with water, clamped in a frame made of Teflon and installed in an electrolytic cell in which the Pt" counter electrode is separated by a glass diaphragm _e In the Katodenraumj the modified .Au 1), a deaerated solution of 0 * 1 M phosphate buffer pH 6 (50 ml) containing 100 mM HADP ⁴ "and 200 IU of IADP reductase is added.

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-space is moved with a magnetic stir. The modified Au Blroctrode is on. Potential of -700 mV vs SCE with a potentiostat. polarized and passed over the catholyte during the electrolysis Έ ₉ * after 40 min., 80 % of the .ITADP ^{1 used is converted} into the coenzymatically active IADPH

form umgewandelt « ....... . transformed form «........

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«= :Me electrolysis cell can also be operated as a periodic cytochrome P-450 Reakt.or., If the Kato - - denraum additionally "immobilized" cytochrome P-450 contains "=:

g, Beispiel : . , - . ^: g, example:. , -. ^:

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« ... - -......- As in Example 1, a 50 cm-wide Au mini-mesh is etched and rejuvenated. the. Cleaning with aqua de st in a fuel cell built Dar'Anodenraum contains a vented solution containing 10 mM glucose and 10 ItJ GOD / ml *. The counterelectrode is a graphite electrode coated with Pt-BGh black over ^ o ™, which elutes in an Itift-flushed buffer solution "... - -.........

Beide Elektroden werden über einen 10/\ Lastwiderstand verbundene -Der Strom beträgt. 2^5 rok und fällt innerhalb von 10 h auf O₆ 8 mA ab_e Both electrodes are connected via a 10 / \ load resistor-connected current. 2 ^ 5 rok and drops to O ₆ 8 mA within 10 h _e

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,A flow-through portion is made up of a polymeric methylvio-logically modified Au. ~ Mihigris electrode of 1 ». It is sandwiched between two magnetic membranes, which contain a solution of 20 IU of GOD in 100./UI This electrode is polarized to a loadable calomel electrode at 4-200 m and and connected to a polarograph. Bis Until the Duroh flow cell is connected via a pump with an outlet to an anaerobic fermenter, in which 20 ml h are removed Eiehkurve was taken with deaerated Gltikoselösun gene _? the continuous © Glulcosemossung of the fermentation solution The curve is' registered on a recorder and evaluated by Elchkurve ™,

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«1". Process for accelerating electrode processes on electrodes modified by conductive films, characterized in that a metal electrode covered with a conductive film is placed in a solution containing the low molecular weight substance to be reacted with a negative redox potential and a dehydrogenase or oxidase and the reaction is carried out in known manner by connection with a counter electrode, wherein the forming electric current for the determination of the low molecular weight substances, for the preparative substrate conversion or: a. used for power generation -vTird « 2, Verfahren nach Punkt 1* dadurch gekennzeichnet ₉ daß eine2, method according to item 1 * characterized in that ₉ mit einem Film von polymerisiert ein 1 -,1^f-Dimethyl »4_?4^?~ . dipyridyl-dichlorid bedeckte Goldelektrode verwendet-wird*:polymerized with a film of 1 -, 1 ^f -Dimethyl »4 _? 4 ^? ~. dipyridyl-dichloride covered gold electrode is used-will *: 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..3 «method according to item 1 and 2, characterized _? that as low-molecular substance glucose ^ uric acid, NAD or a lactate and as dehydrogenase or «Ckidase accordingly. Giuoose oxidase, uricase, UAB reductase or lactate dehydrogenase are used. Verfahren nach Punkt 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Konzentration niedermolekularer Verbindungen aus-der.Process according to item 1 to 3, characterized in that the concentration of low molecular weight compounds of the. Größe 'des elektrischen Stroms bestimmt wird» Size of the electric current is determined » 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 .5 «.'- procedure after -Point 1 to 3 $. characterized in _f DSSS preparative reaction of the low molecular compound is carried out (in particular the conversion of glucose au ..Gluconsäure and HAD to IADK). ₆ 6«-.Verfahren nach Punkt 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, daß der erzeugte Strom verwendet-wird, beispielsweise zum Antrieb von Herzschrittmachern«.6 - method according to items 1 to 3, characterized in that the power generated is used, for example for driving cardiac pacemakers.