Modifizierte Elektroden zum elektrochemischen Nachweis bioaktiver Stoffe

Katecholamine (Dopamin, Adrenalin, Noradrenalin) und Serotonin sind wichtige Monoamin-Neurotransmitter im menschlichen zentralen Nervensystem, deren quantitative Bestimmung von großem medizinischen Interesse ist, weil damit Aussagen zum Verlauf von Nervenkrankheiten und zur Tumorgefährdung des sympathoadrenalen bzw. neuroendokrinen Systems möglich sind. Ascorbinsäure und Harnsäure finden sich in vielen Körperflüssigkeiten. Ihre Bestimmung ist klinisch ebenfalls bedeutend, da deren Konzentration als Indikatoren bekannter Krankheitsbilder dienen. Etablierte Standardmethoden, wie die Hochleistungsflüssigkeitschromatographie (HPLC) und immunologische Nachweisverfahren (ELISA) werden im klinischen Bereich zur Bestimmung der Neurotransmitter genutzt. Diese sind kostenintensiv und zeitaufwändig und daher für die Anwendung in den Arztpraxen, vor allem in Entwicklungsländern nicht geeignet. Elektrochemische Verfahren, insbesondere voltammetrische Messmethode haben den Vorteil, solche Bestimmungen in einfacher Weise zu ermöglichen. In der Literatur finden sich Angaben zu eingesetzten Elektroden auf Kohlenstoffbasis mit hoher Sensitivität für die Katecholamine. Allerdings wurden diese Elektroden meist einzeln hergestellt. Der kommerzielle Durchbruch ist deshalb bisher, hauptsächlich infolge der mangelnden Reproduzierbarkeit der Elektrodeneigenschaften und der Verfügbarkeit einfacher elektronischer Geräte ausgeblieben. Es war daher Ziel dieser Arbeit, durch industrienahe Herstellungsverfahren Graphitelektroden mit reproduzierbaren Eigenschaften zu entwickeln und diese auf ihre Eignung für den quantitativen Nachweis bioaktiver Stoffe zu erproben. Dazu waren Verfahrensschritte zu optimieren, die es erlauben, diese siebgedruckten Graphitelektroden reproduzierbar und kostengünstig zu fertigen und sie auf verschiedene Weise, z.B. durch halbleitende Polymere und nanoskalige Metalle zu modifizieren. Neben den Neurotransmittern enthalten Körperflüssigkeiten unter anderem Ascorbinsäure und Harnsäure in hohen Konzentrationen. Daher waren zunächst Modellanalyten unter Verwendung dieser Stoffe herzustellen. Die voltammetrischen Methoden, wie die zyklische Voltammetrie (CV), die Differentielle Puls-Voltammetrie (DPV) und die Square-Wave-Voltammetrie (SWV) sollten auf ihre Eignung zum Nachweis der bioaktiven Substanzen erprobt werden. Schließlich waren die Elektroden in realen Analyten zu testen. Insgesamt konnte in der vorliegenden Arbeit gezeigt werden, dass ausgewählte Neurotransmitter, Ascorbinsäure und Harnsäure sich mit differentiellen voltammetrischen Verfahren an industrienah hergestellten modifizierten Dickschichtelektroden bestimmen lassen. Es ist erstmalig gelungen, eine modifizierte Dickschichtelektrode zu entwickeln, mit der es möglich ist, Katecholamine unabhängig von Ascorbinsäure (3 mM) und Harnsäure (2 mM) quantitativ nachzuweisen. Damit eröffnen sich neue Wege für den Einsatz von elektrochemischen Sensoren für die einfache Bestimmung der Neurotransmitter vor Ort. Die beschriebenen modifizierten Dickschichtelektroden sind ohne Verlust an elektrochemischer Aktivität an der Luft oder im Grundelektrolyten monatelang lagerfähig. Die Elektroden lassen sich im Gegensatz zu den in der Literatur beschriebenen Elektroden mit Einzelfertigung kostengünstig in großer Stückzahl mit hoher Reproduzierbarkeit herstellen.:Inhaltsverzeichnis I Abkürzungen V 1 Einleitung und Zielsetzung der Arbeit 1 2 Theoretischer Teil 5 2.1 Elektrochemische Verfahren in der Analytik 5 Klassifizierung elektroanalytischer Methoden 5 2.1.1 Voltammetrie 5 Cyclovoltammetrie (CV) 6 Differential-Puls-Voltammetrie (DPV) 9 Square-Wave-Voltammetrie (SWV) 10 2.1.2 Chronocoulometrie (ChrC) 11 2.1.3 Impedanzmessung (EIS) 12 2.1.4 Elektrochemische Quarzmikrowaage (EQCM) 14 2.2 Poly-3,4-Ethylendioxythiophen, ein leitfähiges Polymer 19 2.2.1 Leitfähige Polymere 19 2.2.2 Das Poly-3,4-ethylendioxythiophen 20 Elektrochemische Synthese und Dotierung 20 2.3 Bioaktive Stoffe 24 2.3.1 Katecholamine 24 Dopamin 25 Noradrenalin und Adrenalin 25 Abnorme Konzentration der Katecholamine 25 2.3.2 Serotonin 26 2.3.3 Interaktion von Katecholaminen und Serotonin 26 2.3.4 Ascorbinsäure und Harnsäure 27 2.3.5 Elektrochemisches Verhalten der bioaktiven Stoffe 28 Katecholamine 28 Serotonin 30 Ascorbinsäure 30 Harnsäure 30 3 Experimenteller Teil 32 3.1 Chemikalien 32 3.2 Lösungen 33 3.2.1 Ausgangslösungen 33 Grundelektrolyte 33 Lösungen der bioaktiven Stoffe 33 3.2.2 Lösungen für Elektrodenmodifizierungen 33 EDOT-haltige Lösungen 33 Neurotransmitter-Lösungen 34 HAuCl4-Lösungen 34 Goldkolloide 34 Eisenhexacyanoferrat(II)-Goldsäurehaltige Lösung 35 3.3 Elektrochemische Messmethoden 35 3.3.1 Voltammetrie, Chronocoulometrie und Impedanz 35 3.3.2 Elektrochemische Quarzmikrowaage 38 3.4 Elektroden und Präparation der Elektroden 39 3.4.1 Untersuchte Elektroden, deren Aktivierung und Konditionierung 39 3.4.3 Modifizierungen der Elektroden 41 Poly-3,4-Ethylendioxythiophen (PEDOT) 41 Goldnanopartikel 41 Komposite aus Goldnanopartikeln und Preußisch Blau (Au/PB) 42 Polymerfilme aus Monoamin-Neurotransmittern 42 3.5 Präparation der UP für Untersuchungen in realen Medien 43 3.6 Spektroskopische Methoden 43 4 Ergebnisse und Diskussion 45 4.1 Unmodifizierte Elektrodenoberflächen 45 4.1.1 Einfluss der Aktivierung der Elektrodenoberflächen auf das Messverhalten 45 4.1.2 Bestimmung bioaktiver Stoffe an unmodifizierten Elektroden 48 Ermittlung des Peakpotenzials 48 Messeffekte an Gold- und Graphitelektroden in Neurotransmitter-Lösungen hoher Konzentrationen 50 Bestimmung bioaktiver Stoffe im Gemisch 52 4.2 Au- und Au/PB-modifizierte Elektroden 54 4.2.1 Abscheidung 54 4.2.2 Untersuchungen bioaktiver Stoffe an Au-modifizierten Elektroden 56 4.3 PEDOT-modifizierte Elektroden 58 4.3.1 Abscheidungen der PEDOT-Schichten 58 CV-Abscheidungen der PEDOT-Schichten 59 ChrC-Abscheidungen der PEDOT-Schichten 62 4.3.2 Voruntersuchungen an PEDOT-modifizierten Elektroden 66 Ermittlung des optimalen Potenzialbereiches für voltammetrische Messungen an PEDOT-modifizierten Elektroden 66 Ermittlung der optimale PEDOT-Schichten für die Bestimmung bioaktiver Stoffe 68 Peakpotenziale bioaktiver Stoffe 71 Einfluss des pH-Wertes des Elektrolyten und der Scangeschwindigkeit auf voltammetrische Messsignale bioaktiver Stoffe 72 Einfluss der Messmethoden auf die Messsignale bioaktiver Stoffe an PEDOT-modifizierten Elektroden 74 4.3.3 Bestimmung bioaktiver Stoffe an PEDOT-modifizierten Elektroden 78 Bestimmung der Neurotransmitter (Dopamin, Adrenalin, Noradrenalin und Serotonin) 78 Bestimmung von Ascorbinsäure und Harnsäure 81 Bestimmung der Neurotransmitter mit Zusatz von Ascorbinsäure und Harnsäure 82 Stabiltität der PEDOT-modifizierten Elektroden 83 Vergleich der Ergebnisse an PEDOT-Elektroden mit Literaturangaben 84 4.3.4 Spektroskopische Untersuchungen der PEDOT-Oberflächen 85 4.3.5 Zusammenfassung der Ergebnisse an PEDOT-Elektroden 87 4.4 Au-PEDOT-modifizierte Elektroden 88 4.4.1 Abscheidungen der Goldnanopartikel auf PEDOT-Oberflächen 88 Abscheidung der Goldnanopartikel durch Adsorption aus Goldkolloiden 88 Abscheidung der Goldnanopartikel auf PEDOT-modifizierten Elektroden mittels Cyclovoltammetrie 92 4.4.2 Bestimmung bioaktiver Stoffe an Au-PEDOT-Elektroden 94 Peakpotenziale bioaktiver Stoffe an Au-PEDOT-Elektroden 94 Bestimmung von Neurotransmittern in 0,1 M Phosphatpufferlösungen 96 Bestimmung von Neurotransmittern mit Zusatz von Ascorbinsäure und Harnsäure 98 Bestimmung von Ascorbinsäure und Harnsäure 99 Stabilität der Sensitivitäten und Reproduzierbarkeit der Elektrodenherstellung 102 Vergleich der Ergebnisse an Au-PEDOT-Elektroden mit Literaturangaben 102 4.4.3 Zusammenfassung der Ergebnisse an Au-PEDOT-Elektroden 104 4.5 Polymonoamin-modifizierte Elektroden bzw. PEDOT-Elektroden 105 4.5.1 Abscheidungen der Polymerschichten aus Monoaminen an Graphitelektroden 106 4.5.2 Abscheidungen der Polymerschichten aus Monoaminen an PEDOT-Elektroden 106 CV-Abscheidung 106 SWV-Abscheidung 108 4.5.3 Bestimmung bioaktiver Stoffe an Polyserotonin-modifizierte PEDOT-Elektroden 111 Peakpotenziale bioaktiver Stoffe 111 Bestimmung der Neurotransmitter 112 Bestimmung von Ascorbinsäure und Harnsäure 114 Bestimmung der Neurotransmitter mit Zusatz von AS und HS 114 Bestimmung von Harnsäure in Gegenwart von Dopamin 116 4.5.4 Möglicher Einsatz der 5-HT-PEDOT-Elektroden als pH-Elektroden 117 4.5.5 Zusammenfassung der Ergebnisse an Polyserotonin-PEDOT-Elektroden 118 4.6 Bestimmung bioaktiver Stoffe in UM 119 4.6.1 Bestimmung von Harnsäure 119 Bestimmung von Harnsäure im Modellanalyten 119 Bestimmung von Harnsäure in präparierten UP 119 4.6.2 Bestimmung von Dopamin 120 DA-Bestimmung im Modellanalyten 120 Bestimmung von Dopamin in präparierten UP 121 5 Zusammenfassung und Ausblick 123 Zusammenfassung 123 Ausblick 126 Tabellenverzeichnis 127 Abbildungsverzeichnis 130 Anhang 138 Literaturverzeichnis 152 VERSICHERUNG 15