Mejoras en el proceso de transferencia electrónica en

Mejoras en el proceso de transferencia electrónica
en biosensores amperométricos enzimáticos
M.L. Cortez1,2, A.L. Cukierman1, F. Battaglini2,*
1.
PINMATE, Departamento de Industrias, FCEyN, Universidad de Buenos Aires
2
INQUIMAE-DQIAQF, FCEyN, Universidad de Buenos Aires
e-mail: battagli@qi.fcen.uba.ar; FAX: 54-11-45763348; TE: 54-11-45763378
Resumen: Se presenta el efecto de tensioactivos en la construcción de películas autoensambladas de un
polielectrolito electroactivo y glucosa oxidasa. Nuestros resultados muestran que su introducción en este
tipo de sistemas genera una importante mejora en el proceso de transferencia electrónica entre la
enzima y el polímero electroactivo.
Palabras claves: sensor amperométrico, glucosa oxidasa, complejos de osmio, dodecil sulfato
Los sistemas autoensamblados se definen
como
una
asociación
intermolecular
espontánea vía enlaces no-covalentes (e.g.,
interacciones electrostáticas, enlaces de
hidrógeno, o interacciones hidrofóbicas),
dando
por
resultado
estructuras
supramoleculares
bien
definidas
y
termodinámicamente estables. El método
presenta ventajas sobre la síntesis química
que implica la formación de enlaces
covalentes: no requiere procedimientos
preparatorios complicados y las reacciones
son típicamente rápidas. Entre los
procedimientos más conocidos de formación
de autoensamblados podemos encontrar
aquellos formados por cadenas cargadas de
polímero (polielectrolitos) y pequeñas
moléculas anfifílicas de carga opuesta
(tensioactivos) que consisten en una cabeza
polar y una cola no polar. Varios tipos
importantes de complejos de polielectrolitotensioactivios se describen en la literatura.
Algunos de ellos son preparados por la
adsorción sucesiva de un tensioactivo y de
un polielectrolito en un substrato sólido,
dando por resultado las películas de
múltiples capas [1]
Por otra parte, en las últimas dos décadas
se ha llevado a cabo una gran cantidad de
trabajo dedicado al uso de complejos de
transición en la construcción de dispositivos
moleculares que explotan las características
redox y luminescentes de distintos
complejos, principalmente del grupo 8
(hierro, rutenio y osmio). Del extenso
conocimiento
generado
sobre
estos
complejos, es posible sintetizar complejos
con el potencial de reducción deseado, a
través de la convenientemente elección de
los
ligandos.
Posteriormente
estos
complejos se utiliazan para la derivatización
de los polielectrolitos, generando nuevos
materiales
con
las
características
electroactivas deseadas. Entre ellos se
encuentra la polialilamina derivatizada con
un complejo de osmio (PAAOs, Figura 1), la
cual fue extensivamente usada en la
generación de estructuras autoensambladas
[2].
[
]m [
NH
]n-m
NH2
N
N
N
Os
Cl
N
N
Figure 1. Structure of PAAOs
En este trabajo presentamos el efecto de
moléculas anfifílicas, en el proceso
transferencia electrónica entre el polímero
electroactivo y la enzima glucosa oxidasa
(GOx) en estructuras autoensambladas. Se
estudian el efecto de tres tipos de moléculas
anfifícas con carga negativa (dodecil sullfato
de sodio, SDS, y deoxicolato de sodio), una
neutra (tritón) y una cargada positiva
(bromuro de cetiltrimetilamonio). El efecto de
la introducción de nafion y nanotubos de
554
carbono (CNT) en el proceso de
transferencia
electrónica
también
es
estudiado. El primero debido a su
características anfifílicas, mientras que el
segundo debido a que el SDS trabaja como
agente dispersante para nanotubos de
carbono, y este último posee interesantes
características
electroactivas.
Nuestros
resultados demuestran que la adición de
moléculas anfifílicas genera un aumento en
la cantidad de polielectrólito que puede
adsorberse en el electrodo y que mejora el
proceso de la transferencia electrónica entre
el complejo de osmio y el GOx en sistemas
autoensamblados.
diferente. Una diferencia importante entre
los electrodos 1 y 2, es el número de capas
de GOx, para la misma cantidad de PAAOs.
En los electrodos del tipo 2 la mitad de la
GOx ha sido substituida por otro tipo de
molécula, denominada TA.
Electrodo 1
Electrodo 2
GOx
GOx
GOx
TA
GOx
GOx
GOx
TA
PAAOs
MPS
Au
Figura 2. Esquema de las configuraciones
Experimental PAAOs fue sintetizado según
lo descrito previamente [3]. Nanotubos de
carbon,
ácido
3-mercapto-1-propanosulfonico (MPS), nafion, deoxicolato de
sodio, triton, bromuro de cetiltrimetilamonio y
SDS fueron proporcionados por SigmaAldrich Los CNT fueron purificados por
tratamiento con HNO3 y los ácidos H2SO4
[4].
La modificación de las láminas de oro
utilizadas como electrodos se realizó
sumergiendo las mismas en las distintas
soluciones necesarias para construir el
sistema autoensamblado. Los electrodos de
oro fueron sumergidos en MPS y
enjuagados. Luego, fueron sumergidos en la
solución de PAAOs. Luego, cada electrodo
siguió un proceso particular de inmersión
según lo representado en Figura 2, en
donde para el Electrodo 1 se hizo el proceso
habitual de inmersión consecutiva[2],
mientras que en el electrodo 2, TA denota la
introducción de uno de los tensioactivos
mencionados, nafion o SDS combinado con
nanotubos de carbon.
Voltametrías cíclicas fueron realizadas a
velocidades de barrido de 10 mV/s usando
un electrodo de Ag/AgCl como referencia.
Los experimentos fueron realizados en una
solución tampón pH 7.5 de 10 mM Hepes
más 0.2 M KNO3 o en la misma solución
más 50 mM de glucosa.
Cuando la molécula sustituyente TA es
nafion se observa un efecto aislante que no
favorece el proceso de transferencia
electrónica. En el caso de los cuatro
tensioactivos, cuando estos son adsorbidos
(Electrodo tipo 2) se observa un aumento de
la carga de polímero electroactivo en un
50% superior a cuando estos materiales no
son usados (Electrodo tipo 1); mientras que
la corriente catalítica observada aumenta en
todos los casos entre un 200 y 400%, debido
a una mejora en el proceso de transferencia
electrónica entre polímero y enzima, siendo
el más eficiente SDS. Por último el uso de
SDS combinado con nanotubos de carbono
no produce cambios sustanciales en el
proceso
de
transferencia
electrónica
comparado con el uso de SDS solo.
Referencias
[1]
[2]
[3]
Resultados.
Los
electrodos
fueron
construidos como puede observarse en la
Figura 2. Oro fue modificado con PMS y
luego con PAAOs. De este punto, cada
electrodo fue modificado en una manera
[4]
555
W.J. Macknigh, E.A. Ponomarenko, D.A. Tirrell, “On selfassembled polyelectrolyte-surfactans complexes in
nonaqueous solvents and in the solid state” Acc. Chem.
Res, vol. 31, pp. 782–798, 1998.
E.J. Calvo, F. Battaglini, C. Danilowicz, A. Wolosiuk, M.
Otero “Layer by layer electrostatic deposition of
biomolecules on surfaces for molecular recognition and
signal generation” Faraday Discussion vol. 116. pp.47–
65, 2000.
C. Danilowicz, E. Cortón, F. Battaglini,
“Osmium
complexes bearing functional groups: Building blocks for
integrated chemical systems” J. Electroaanlal. Chem. v.
445, pp. 89-94, 1998.
X.X. Zhang, C.F. Deng, R. Xu, D.Z. Wang “Oxidation
resistance of multi-walled carbon nanotubes purified with
sulfuric and nitric acids”. J. Mater. Sci. vol. 42, pp. 83778380, 2007.