Elektrokémia

Az Elektrokémiai Kutatócsoport fő kutatási tevékenysége szelektív kémiai érzékelők kifejlesztésére irányul, amelyek speciális problémák megoldására és új mérési módszerek kidolgozására használhatóak.

Pásztázó Elektrokémiai Mikroszkópiás (PEKM) készülék fejlesztése és alkalmazása különböző feladatok megoldására

A Pásztázó Elektrokémiai Mikroszkópia (PECM) igen hatékony, viszonylag újszerű módszer. Az úgynevezett mérőcsúcs mikroszkópiás technikák elektrokémiai változata. A mérőcsúcs mikroszkópiás módszerek közül jól ismertek az alagútmikroszkópia, és. az atomerő mikroszkópia. A PECM mikro-méretű elektrokémiai szenzor, precíziós mérőcsúcs pozicionáló egység, számítógépes adatgyűjtő és kiértékelő-képformáló feladat kombinált alkalmazásán alapul. A méréstechnika kifejlesztésében Allen J. Bard és Royce C. Engstrőm kutató csoportjai végeztek úttörő munkát. A Tanaszéken működő csoport intenzív kutatómunkát folytat a PEKM) készülékek fejlesztése és különböző feladatok céljára történő alkalmazása területén.



Elektrokémiai mikroszenzorok fejlesztése PEKM készülékben történő alkalmazás céljára

A pásztázó elektrokémiai mikroszkóppal végzett mérések túlnyomó számában amperometriás mikro-elektród mérőcsúcsot alkalmaznak. A potenciometriás érzékelők ugyanakkor nagyobb szelektivitást és jó térbeli felbontást tudnának biztosítani. Sajnálatos módon a PEKM alkalmazáshoz megfelelően kisméretűm ionszelektív elektródok sérülékeny, nagy elektromos ellenállású, rövid élettartamú szenzorok. A nagy elektromos ellenállás az PEKM alkalmazás szempontjából különösen hátrányos tulajdonság. Munkánkban csökkentett elektromos ellenállású, megnövelt élettartamú ionszelektív mikropipettákat fejlesztettünk ki. Ezek jól alkalmazhatónak bizonyultak elektrokémiai mikroszkópiás és in vivo biológiai mérésekben. Ez ideig új típusú NH4+, K+, Mg2+ és Zn2+ ionszelektív mikropipettákat készítettünk, vizsgáltuk és alkalmaztuk azokat. Az elért eredményekről számos, nemzetközi folyóiratban megjelent közlemény szól.



Kénhidrogén koncentráció mérésére szolgáló elektrokémiai mérőcella és mérések

A közelmúltban bizonyítást nyert, hogy a H2S számos fiziológiás folyamatban vesz részt. Ennek megfelelően a kénhidrogén enzimekkel, hemoproteinekkel való kölcsönhatásának vizsgálata az érdeklődés középpontjába került. Bizonyítást nyert, hogy jelző molekulaként szerepet játszik gyulladásos, idegi és cardiovasculáris rendszerekben. Szabályozza a vasculáris nyomást. A H2S a fiziológiás jelző gázok csoportjába sorolható a NO-dal és és a CO-dal együtt. Különböző fiziológiás redox folyamatokban vesz részt, kölcsönhatásra lép egyes endogén anyagféleségekkel, így lokális koncentrációja élő szövetekben gyorsan változik. Továbbá koncentrációja a szövetekben rendkívül kicsiny, rendszerint a mikromolaris tartományban van. Néhány H2S tartalmú ásványvíz különböző betegségek balneoterápiás kezelésében rendkívül hatékonynak bizonyult. Kérdés merült fel, hogy milyen mértékben szívódik fel a H2S bőrön keresztül a balneoterápiás kezelés során. A kérdés vizsgálatára laboratóriumunkban új típusú amperometriás mikrocellát fejlesztettünk ki. A mikrocellát érzéstelenített kísérleti egerek hasi subdermalis szövetébe vezettük. A fürdetési kísérletek igazolták, hogy a kénhidrogén jelentős része felszívódik a bőrön keresztül. A mikrocellával további kísérletek vannak folyamatban.
A szövetekben lévő H2S koncentráció mérésre légréses, dúsítást alkalmazó, nagyérzékenységű potenciometriás mérőcellát és mérőmódszert dolgoztunk ki. Ennek segítségével gyulladásos szövetekben lévő kénhidrogén koncentráció mérésére volt lehetőségünk. A kísérletekről nemzetközi folyóiratokban megjelent közlemények szólnak.



Repülési időn (TOF) alapuló, diffúziós koefficienst mérő módszer kidolgozása és alkalmazása

A pásztázó elektrokémiai mikroszkópiás méréstechnika speciális lehetőségének kihasználásával egyszerű, gyors módszert dolgoztunk ki különböző anyagok különböző közegekben történő diffúziósebességének mérésére. A módszer alkalmazhatóságát, előnyös voltát kísérletekkel igazoltuk. A módszerrel kapcsolatos mérésekről közleményeink jelentek meg nemzetközi folyóiratokban. A méréstechnikát használtuk különböző paraméterek diffúzióra gyakorolt hatásának vizsgálatára.



Periódikusan megszakított amperometria (PIA) membránnal bevont elektródos mérések érzékenységének növelésére

Amperometriás bioszenzorok esetében a mérőfelületet konvekciómentes, álló reakció réteg vonja be. Az amperometriás alapelektród az enzim által katalizálta reakcióban résztvevő egyes anyag koncentrációjától függő jelet képez. Hagyományos amperometriás mérések során a detektor folyamatosan működik. Mivel a detektált anyag folyamatosan reszt vesz elektród folyamatban ezért koncentrációja kicsiny az elektród közelében. A munkánkban kidolgozott módszer esetében az elektrolízist periódikusan megszakítjuk. Lehetőséget adunk ezzel ahhoz, hogy az alapelektród felületén levő reakció réteg feltöltődjön a detektált elektroaktív anyaggal. Így jelentősen megnő az elektrolízis bekapcsolásakor jelentkező áram jel, nő az amperometriás bioszenzorral végzett mérés érzékenysége. Kísérletileg igazoltuk a módszer alkalmazhatóságát, előnyeit.
Kis aktivitású, natív enzim forrással készült bioszenzorokkal történő mérések alsó méréshatára kedvezőtlenül nagy. Ez nem teszi lehetővé az ilyen érzékelők gyakorlati szempontból fontos mérésekre történő alkalmazását. Munkánkban natív tirozináz enzim tartalmú reakció réteggel készített enzimelektród érzékenységét, alsó méréshatárát sikerült jelentősen javítani periódikusan megszakított amperometriás technika alkalmazásával és optimálva a reakció réteg vastagságát. A munkáról közlemények szólnak. A PIA technikával további kísérletek folynak.



Pásztázó elektrokémia mikroszkópiás mérések (PEKM) korróziós vizsgálatokban

Ionszelektív elektródos mérőcsúcsot használó pásztázó elektrokémiai mikroszkópiás mérések alkalmasak korróziós folyamatok következtében keletkezett koncentráció eloszlást mutató mikroszkópiás képek készítésére. Képesek megfelelően nagy szelektivitással detektálni különböző ionokat. Emellett korróziós folyamat során oldatba ment fémionok detektálására csak ionszelektív elektróddal kínálkozik lehetőség lévén, hogy egyes fémionok redukciójához szükséges elektród potenciál mellett már vizes közegben az oxigén redukció és a hidrogén fejlődés is végbe megy platina korong mikroelektródon. Nemzetközi együttműködés keretében végzett munkánkban részletekbe menően vizsgálunk korróziós folyamatokat alkalmazva a laboratóriumunkban kifejlesztett ionszelektív mikropipettákat PEKM mérőcsúcsként. Nyomon követjük a lokális pH, az oxigén koncentráció, különböző ionok fluxusának értékét korróziós folyamatban résztvevő fémfelületek felett. Különböző kezeléseknek és felületi bevonó rétegeknek a korrózió intenzitásra gyakorolt hatását tanulmányozzuk. Ez ideig lokális ion áram sűrűség méréseket végeztünk PEKM-pal vas-magnézium, vas-cink galvanikusan kapcsolt mintafelületek felett klorid tartalmú korróziós közegekben.



Gáz fázisú pásztázással végzett PEKM

A pásztázó elektrokémiai mikroszkópia gyakorlatában a mérőcsúccsal történő pásztázásra rendszerint folyadékban vagy gél fázisban kerül sor. Bizonyos esetekben azonban a vizsgált mintafelületekről gáznemű anyagok távoznak, vagy oda gázkomponensek lépnek be. Ilyen mintafelületek lehetnek mikroorganizmus telepek vagy felülethez kötött heterogén katalizátorok. Ennek megfelelően a felület közeli gázfázisban történő pásztázásra is lehet szükség a PEKM gyakorlatában.
Laboratóriumunkban kísérletek folynak gázfázisú pásztázással végzett kémiai mikroszkópiás mérések tanulmányozására. Ennek keretében miniatürizált Severinghaus típusú széndioxid cellát készítettünk és azt használtuk PEKM mérőcsúcsként. Míg a hagyományos Severinghaus mérőcellák esetében gázáteresztő membrán biztosítja a szelektivitást, a mérőcsúcsként készített cella légréses típusú széndioxid szenzor, nem tartalmaz membránt. Ezzel a válaszideje kedvezően rövid. A széndioxid mérőcsúccsal kisméretű, felülethez kötött élesztő kolónia felett, a gázfázisban pásztáztunk anélkül, hogy megzavartuk volna a kolónia működését. A gyűjtött adatokból széndioxid koncentráció – távolság diagramokat szerkesztettünk. Két módszert használtunk a kísérleti élesztő kolóniából származó széndioxid fluxus mértékének becslésére. A szubsztrát generál – mérőcsúcs detektál (substrate generating – tip detecting (SG/TD)) üzemmód gyakorlatában a válasz lassúsága, azaz a hosszú válaszidő a tényleges koncentráció viszonyoktól eltérő torzult PEKM-mel készített mikroszkópiás képet eredményezhet. A légréses, gyorsabb válaszú mérőcsúcs nagyobb pasztázási sebesség mellett is a valóságot jobban megközelítő kép képzését eredményezi, mint a membrános lassú válaszú mérőcsúcs. A közleményben publikált eredmények igazolják, hogy a potenciometriás mikrocellával, a minta kolónia feletti gázfázisban történő pásztázással gyűjtött adatokból, a kijövő széndioxid fluxust mutató, annak becslésére alkalmas kép készíthető. A pásztázás nem zavarja a kolónia életét. A módszer minden bizonnyal alkalmazást nyer a jövőben.



A gazda-vendég kölcsönhatás elektrokémiai vizsgálata

Egyes kémiai szenzorok analitikai jel generáló funkciója az érzékelő (gazda) anyag és a mérendő anyagféleség (vendég) közötti kölcsönhatáson alapul. A kölcsönhatás változást idézhet elő a transzport sajátságokban, az elektród potenciálban, az elektrokatalitikus aktivitásban vagy más voltammetriás sajátságban. A csoport vizsgálja a kölcsönhatásnak az elektrokémiai sajátságokra gyakorolt hatását. Partnerek által újonnan szintetizált molekulák sajátságait tanulmányozzuk. A munkában membrán potenciál választ, ciklikus voltammetriás viselkedést, elektrokatalitikus és biokatalitikus aktivitást továbbá transzport sebességet detektálunk.



Kémiailag módosított elektródok, közöttük bioszenzorok fejlesztése és alkalmazása

A csoport sikeresen dolgozott kémiailag módosított elektródok kifejlesztésén és alkalmazásán. Ennek kapcsán:
  • Megnövelt szelektivitású és érzékenységű putreszcint mérő amperometriás enzimelektród, mikro méretű enzimatikus glükóz szenzor, javított mérősajátságú dopamin mér enzimelekrtód kifejlesztésére került sor.
  • Szén nanocső komponenst tartalmazó, szitanyomási technológiával készített, megnövelt érzékenységű elektródokat sikerrel alkalmaztunk biológiai mintákban történő dopamin mérésre.
  • Enzimaktivitás mérésére szolgáló voltammetriás mikrocellát fejlesztettünk ki és használtunk különböző mintákban lévő különböző enzimek aktivitásának mérésére.
  • Elektrokatalitikus oxid filmmel bevont réz elektródon alapuló, cukrok mérésére alkalmas analitikai módszert és HPLC detektor cellát dolgoztunk ki és használtunk valós minták analízisére.


  • Reaktív oxidáló anyagok (ROS) detektálására szolgáló elektrokémia érzékelők kifejlesztése és alkalmazása lokális ROS koncentrációk jelzésére

    Kísérletes élettudományok területén dolgozó, továbbá bioszenzorok fejlesztésével foglalkozó kutató csoportokkal együttműködve erőfeszítéseket tettünk olyan mikroszenzorok és módszerek kifejlesztésére, amelyek alkalmasak ROS molekulák, mint hidrogén peroxid, nitrogén oxid, peroxid nitrit, szuperoxid detektálásra, ezek különböző közegekben történő koncentráció változásának nyomon követésére.



    Biotechnológiai alkalmazásra szolgáló ionszelektív elektródok kialakítása

    A biotechnológia gyorsan növekvő ágát képezik a mikroalga kultúrákat alkalmazó folyamatok. Ezeket sikeresen alkalmazzák a finom vegyszergyártásban, vagy akár csak megújuló, zöld energiahordozó termelésre. Az alga növesztő oldat ion összetétele kritikus paraméter az alga növekedés eredményessége szempontjából. Ennek megfelelően a közeg ion koncentrációjának folyamatos, in situ mérése és szabályozása nagymértékben hasznos lehet. Ionszelektív elektródok alkalmazása a folyamatos mérésre egy nyilvánvaló választás. A méréstechnika adaptációja a feladat megoldására azonban nem egyszerű a biotechnológiai közegben, széles körben, változó koncentrációban jelen lévő zavaró komponensek miatt. A csoport munkatársai együttműködve az alga kultúrás biotechnológia területén dolgozó kutatócsoporttal sikereket értek el a biotechnológiai közegben folyamatos mérésre alkalmas ionszelektív elektródok készítésében, alkalmazásában.