Модифицированные электроды для вольтамперометрии в химии, биологии и медицине

Г. К. Будников,  Г. А. Евтюгин, В. Н. Майстренко

МОДИФИЦИРОВАННЫЕ 
ЭЛЕКТРОДЫ 
ДЛЯ ВОЛЬТАМПЕРОМЕТРИИ
В ХИМИИ, БИОЛОГИИ 
И МЕДИЦИНЕ

Москва
Лаборатория знаний
2020

4е издание, электронное

УДК 543
ББК 24.4
Б90

С е р и я о с н о в а н а в 2003 г.
Р е ц е н з е н т ы:
кафедра аналитической химии Московского государственного
университета имени М. В. Ломоносова и доктор химических
наук, профессор Х. З. Брайнина
Будников Г. К.
Б90
Модифицированные электроды для вольтамперометрии в химии, биологии и медицине / Г. К. Будников, Г. А. Евтюгин,
В. Н. Майстренко. — 4-е изд., электрон. — М. : Лаборатория знаний, 2020. — 419 с. — (Методы в химии). — Систем. требования:
Adobe Reader XI ; экран 10".— Загл. с титул. экрана. — Текст :
электронный.
ISBN 978-5-00101-723-3
В научном издании изложены теоретические основы создания и механизмы функционирования вольтамперометрических химических сенсоров
и
биосенсоров
на
основе
модифицированных
электродов
в
решении
задач химии, биологии и медицины, контроля объектов окружающей
среды. Большое внимание уделено новым направлениям в конструировании
и применении модифицированных электродов — использованию наночастиц
и ионных жидкостей, биоматериалов, электропроводящих полимеров, самоорганизующихся, мультисенсорных систем типа «электронный язык»,
детектированию веществ в потоке.
Для специалистов, работающих в области аналитической химии и аналитического приборостроения, а также для преподавателей, студентов
и аспирантов химических, биологических и медицинских специальностей.
УДК 543
ББК 24.4

Деривативное издание на основе печатного аналога: Модифицированные
электроды для вольтамперометрии в химии, биологии и медицине / Г. К. Будников, Г. А. Евтюгин, В. Н. Майстренко. — М. : БИНОМ. Лаборатория знаний, 2010. — 416 с. : ил. — (Методы в химии). — ISBN 978-5-9963-0199-7.

В соответствии со ст. 1299 и 1301 ГК РФ при устранении ограничений,
установленных
техническими
средствами
защиты
авторских
прав,
правообладатель вправе требовать от нарушителя возмещения убытков
или выплаты компенсации

ISBN 978-5-00101-723-3
c○ Лаборатория знаний, 2015

Содержание 

Предисловие …………………………………………………………….. 
5

Обозначения и сокращения …………………………………………... 
8

Введение …………………………………………………………………. 
10

Глава 1. Методы модифицирования электродов …………………... 
19

1.1. Объемное модифицирование электродов ……………………….
21

1.1.1. Угольно-пастовые электроды …………………………….. 
24

1.1.2. Импрегнированные и композитные электроды …………. 
43

1.2. Поверхностное модифицирование электродов ………………… 
45

1.2.1. Физическая адсорбция модификатора на поверхности 
                      электрода …………………………………………………... 
45

1.2.2. Иммобилизация модификатора с образованием  
                      ковалентных связей ………………………………………. 
52

1.2.3. Включение модификатора в полимерную пленку ……….
62

1.2.4. Модифицирование неорганическими материалами …….. 
88

1.2.5. Физические методы модифицирования электродов ……. 
98

1.2.6. Иммобилизация биокомпонентов ………………………... 104

Глава 2. Формирование сигнала-отклика на модифицированных 
            электродах ………………………………………………………. 125

2.1. Общая характеристика модифицированных электродов ……… 125
2.2. Электрокатализ на модифицированных электродах …………... 134
2.3. Концентрирование на поверхности и в объеме 
       электрода …………………………………………………………. 154
2.4. Модифицированные электроды в энантиомерном анализе …… 169
2.5. Электроды, модифицированные наночастицами и ионными  
       жидкостями ………………………………………………………. 187
2.6. Ультрамикроэлектроды ………………………………………….. 206
2.7. Мультиэлектродные системы …………………………………… 213

Глава 3. Амперометрические биосенсоры ………………………….. 226

3.1. Общие принципы функционирования биосенсоров …………... 227
3.2. Ферментные биосенсоры ………………………………………... 238

3.2.1. Ферментные биосенсоры в медицине ……………………. 253
3.2.2. Ферментные биосенсоры в эколого-аналитическом 
                 контроле ……………………………………………………. 260
3.3. ДНК-сенсоры ……………………………………………………... 268

3.3.1. Гибридизационные взаимодействия ……………………... 270
3.3.2. Определение низкомолекулярных соединений …………. 283
3.3.3. ДНК-повреждающие факторы и действие  
                 антиоксидантов ……………………………………………. 288

3.4. Иммуносенсоры ………………………………………………….. 293
3.5. Микробные сенсоры ……………………………………………... 308
3.6. Тканевые сенсоры ……………………………………………....... 314

Глава 4. Модифицированные электроды в электрохимическом  
       анализе …………………………………………………………… 319
4.1. Определение неорганических ионов …………………………… 319
4.2. Определение органических соединений ……………………….. 330
4.3. Определение биологически активных веществ ………………... 336
4.4. Модифицированные электроды в проточных 
       методах анализа ………………………………………………….. 345

4.4.1. Модифицированные электроды в высокоэффективной 
                 жидкостной хроматографии ……………………………… 350

4.4.2. Модифицированные электроды как детекторы 
                 в проточно-инжекционном анализе ……………………… 359

4.4.3. Биосенсоры в проточном анализе ………………………... 362
4.4.4. Модифицированные электроды в капиллярном зонном 
                 электрофорезе ……………………………………………... 368
4.5. Микрофлюидные системы с электрохимическими 
детекторами ………………………………………………………. 374

4.6. Детекторы газов ………………………………………………….. 381
4.7. Об информационных ресурсах Интернета ……………………... 387

4.7.1. Сайты научного Интернета ……………………………….. 389
4.7.2. Проблемы развития web-ресурсов ……………………….. 397

Литература ………………………………………………………… 400
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Предисловие 

Интерес к модифицированным электродам связан с потребностями 
ряда областей науки и практики в химических сенсорах – портативных устройствах для определения веществ без предварительной 
пробоподготовки анализируемых объектов. Многие сенсоры созданы на основе модифицированных электродов. Поэтому тематика 
научных исследований и разработок, связанных с модифицированием поверхности электрода для придания электроду специфических свойств, которые проявляли бы себя при обнаружении (распознавании) и количественном определении различных веществ, 
очень актуальна.  
В 1994 г. в издательстве «Наука» вышла в свет монография         
Г. К. Будникова, В. Н. Майстренко, Ю. И. Муринова «Вольтамперометрия с модифицированными и ультрамикроэлектродами». Еще 
на стадии подготовки рукописи к публикации обнаружилось, что 
практическое применение модифицированных электродов и технология их изготовления вызывают повышенный интерес в мировой 
научной литературе. Прошедшее десятилетие это подтвердило. К 
сожалению, книга была издана сравнительно небольшим тиражом, 
поэтому в некоторых лабораториях ее можно увидеть лишь в виде 
ксерокопий. 
Повышенное внимание к модифицированным электродам связано не только с их применением в вольтамперометрическом анализе. Перспективным оказалось использование модифицированных 
электродов как преобразователей биохимического отклика в биосенсорах, число которых непрерывно растет, а также в детекторах 
(датчиках), работающих в потоке жидкости, в частности в высокоэффективной жидкостной хроматографии и капиллярном зонном 
электрофорезе.  
Кроме того, во многих случаях прямое электрохимическое детектирование на «голом», т. е. не модифицированном, электроде 
происходит лишь при высоких катодных (анодных) потенциалах. 
При этом наблюдается заметное влияние так называемых «химических шумов» – совокупности токов разряда примесей и емкостных 
составляющих. Снижение потенциала отклика в результате модифицирования поверхности электрода позволяет существенно 
улучшить характеристики последнего. Модифицированием электродной поверхности токопроводящими полимерными пленками, а 
также пленками на основе неорганических материалов, которые 
содержат «пришитые» реагенты, имеющие специфические функ

циональные группы (активные окислительно-восстановительные 
центры), можно создать настолько благоприятные условия, что 
аналитический сигнал будет не только специфичным, но и высокочувствительным. За прошедшее десятилетие созданы различные 
аналитические системы на основе модифицированных электродов, 
которые в электрохимическом анализе получили название электрохимических сенсоров или детекторов (датчиков). 
Несмотря на то что в литературе появились обзоры и монографии, а также учебные пособия, в которых заметное место уделено 
электрохимическим сенсорам на основе модифицированных электродов, большинство из них скорее предназначены для студенческих аудиторий, в которых реализуется программа подготовки бакалавров. В связи с этим прежде всего следует упомянуть книги      
Р. В. Каттралла (Химические сенсоры: Пер. с англ. – М.: Научный 
мир, 2000. – 143 с.) и Б. Эггинса (Химические и биохимические 
сенсоры: Пер. с англ. – М.: Техносфера, 2005. – 336 с.). В книге     
Р. В. Каттралла интерес представляет предисловие редактора перевода О. М. Петрухина, в котором рассмотрены вопросы терминологии и постановка задачи. При желании можно обратиться также к 
его вступительной статье в Российском химическом журнале (2008, 
Т. 52, № 2). 
 В книге Б. Эггинса достаточно доступно излагаются проблемы сенсорики и биосенсорики и дано общее представление о механизмах отклика, поэтому она является хорошим пособием для студентов университетов. Однако природа отклика и управление селективностью в ней практически не рассматриваются. Кроме того, 
исследователи и сотрудники лабораторий могут получить много 
полезной информации из книги под ред. Ф. Шольца (Электроаналитические методы. Теория и практика: Пер. с англ.  М.: БИНОМ. 
Лаборатория знаний, 2006. – 326 с.) и книги Г. Хенце (Полярография и вольтамперометрия: Пер. с англ. – М.: БИНОМ. Лаборатория 
знаний, 2008. – 240 с.).  
Следует заметить, что модифицирование поверхности (и не 
только электродной) для придания ей новых свойств – по своей 
сути задача получения нового материала. Новые модифицированные электроды, перспективные для массового изготовления как 
сенсоры, являются продуктом наукоемких исследований и технологий. И если их применение на практике сравнительно несложно, 
то для изготовления таких электродов требуется достаточно высокая квалификация персонала. Как и в любой другой области знаний, здесь необходимо обобщение сведений, опубликованных в 
литературе. 
Методы модифицирования поверхности электрода, при которых на нее воздействуют любым способом (физическим или химическим)  для  придания  ей  специфических  свойств,  используются 
и при создании топливных элементов. Некоторые идеи при разра

ботке методов модифицирования электродов для вольтамперометрии, основанных на каталитическом отклике, близки к уже реализованным в технологиях производства электрохимических преобразователей энергии химических реакций. При этом возникает 
необходимость контроля морфологии поверхности с применением 
современных физических методов – сканирующей электронной и 
атомно-силовой микроскопии. Не менее важен выбор материала 
подложки и состава модифицирующих слоев, в том числе на принципах самоорганизации. 
Название книги отражает наш непреходящий интерес к тематике, связанной с модифицированными электродами и их применением в вольтамперометрии. Мы постарались систематизировать 
обширную литературу по этой проблеме и выявить основные тенденции в исследованиях и разработках.  
В заключение считаем своим приятным долгом выразить глубокую признательность рецензентам – коллективу кафедры аналитической химии Московского государственного университета им. 
М. В. Ломоносова во главе с академиком  Ю. А. Золотовым и доктору химических наук, профессору Х. З. Брайниной, чьи обстоятельные замечания и советы облегчили работу над рукописью и 
способствовали ее улучшению. Мы благодарны также профессорам 
А. А. Карякину, Э. П. Медянцевой, Н. Ю. Стожко, Т. Н. Шеховцовой, доценту Л. Г. Шайдаровой за ценные советы и замечания.  
Надеемся, что книга будет полезной и интересной тем, кто работает в сфере электроаналитической химии, создателям новой 
аппаратуры для химии, биологии, медицины и контроля состояния 
окружающей среды, а также студентам и преподавателям. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Обозначения и сокращения 

А 
 площадь электрода 

С 
 концентрация вещества 

Cmin 
 предел обнаружения 

Сн 
 нижняя граница определяемых концентраций 

D 
 коэффициент диффузии 

E 
 потенциал электрода, редокс-потенциал 

Eº 
 стандартный потенциал 
i 
 ток 
id 
 диффузионный ток 
ik 
 кинетический ток 
imax 
 максимальный ток 
ip 
 максимальный ток пика 

j 
 плотность тока 

k 
 константа скорости 

ks 
 константа скорости переноса электрона 

K 
 константа равновесия 

Kэ 
 константа экстракции 

Kij 
 коэффициент селективности 

KM 
 константа Михаэлиса 

L 
 толщина слоя 
n 
 число переносимых электронов 

P 
 вероятность 

ro 
 радиус сферического электрода 
S 
 стандартное отклонение 
Sr 
 относительное стандартное отклонение 
v 
 скорость сканирования потенциала 

t 
 время 

yx 
 величина сигнала-отклика 

АДФ 
 аденозиндифосфат 
АМФ 
 аденозинмонофосфат 
АТФ 
 аденозинтрифосфат 
БПК 
 биологическое потребление кислорода 
ВЭЖХ 
 высокоэффективная жидкостная  хроматография 
ГК 
 главная компонента 
ГОД 
 глюкозооксидаза 
ГЦМ 
 гексацианометаллат 
ГЦФ 
 гексацианоферрат 
ГЭ 
 графитовый электрод 
ДДС 
 додецилсульфат 
ДМГ 
 диметилглиоксим 
ДНК 
 дезоксирибонуклеиновая кислота 
ИВА 
 инверсионная вольтамперометрия 

ИЖ 
 ионная жидкость 
ИСЭ 
 ион-селективный электрод 
КЭФ 
 капиллярный электрофорез 
М 
 металл 
МВ 
 метилвиологен 
МГК 
 метод главных компонент 
МС 
 метиленовый синий 
НКЭ 
 насыщенный каломельный электрод  
ПАВ 
 поверхностно-активное вещество 
ПАН 
 пиридилазонафтол 
ПВХ 
 поливинилхлорид 
ПДК 
 предельная допустимая концентрация  
ПИА 
 проточно-инжекционный анализ 
ПЦР 
 полимеразная цепная реакция 
РКЭ 
 ртутный капающий электрод 
РНК 
 рибонуклеиновая кислота 
СМД 
 сверхмалая доза  
СЭ 
 стеклоуглеродный электрод 
ТГФ 
 тетрагидрофуран 
ТГЭ 
 толстопленочный графитовый электрод 
УВ 
 углеродное волокно 
УМЭ 
 ультрамикроэлектрод 
УНТ 
 углеродная нанотрубка 
УПЭ 
 угольно-пастовый электрод 
УЭ 
 углеродный электрод 
ХМЭ 
 химически модифицированный электрод 
ХПК 
 химическое потребление кислорода 
ЦД 
 циклодекстрин 
ЦТАБ 
 цетилтриметиламмония бромид 
ЭМА 
 электрохимические методы анализа 
ЭХС 
 электрохимический сенсор 

А, А* 
 компоненты обратимой редокс-системы 
А 
 анион 
FADH2 
 флавинадениндинуклеотид 
Fc 
 ферроцен 
I 
 ингибитор 
ITO 
 электрод на основе оксидов индия и олова 
K+ 
 катион 
M 
 медиатор переноса электрона 

NADH 
 никотинамидадениндинуклеотид 

NADPH  никотинамидадениндинуклеотидфосфат 
Ox 
 окисленная форма вещества 
P 
 продукт реакции 
PQQ 
 пирролохинолинхинон 
Red 
 восстановленная форма вещества 
S 
 субстрат 
SAM 
 самоорганизующийся монослой 
SIMCA 
 метод формального независимого моделирования аналогий 
классов  
 

Введение 

В настоящее время в хорошо оснащенных аналитических лабораториях при решении эколого-аналитических и медико-биологических задач, сертификации материалов и изделий из них, для 
оценки качества пищевых продуктов наряду с другими аналитическими методами широкое применение находят электрохимические 
методы анализа (ЭМА). Преимущество этих методов в относительной простоте и невысокой стоимости анализа, они имеют высокую 
чувствительность, хорошую селективность и экспрессность, их 
можно автоматизировать, что позволяет управлять производственными процессами в реальном масштабе времени. Для ЭМА характерны необычайно широкие области применения  от определения 
ионов тяжелых металлов и следовых количеств токсичных органических веществ в воде до диагностики генетических заболеваний. 
Зачастую они не требуют высокой квалификации обслуживающего 
персонала, что существенно для многочисленных лабораторий мониторинга загрязнения окружающей среды, контроля качества пищевых продуктов и лекарственных препаратов.  
 Помимо прямого назначения электрохимические методы анализа применяются для детектирования веществ в потоке в условиях 
высокоэффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ) и капиллярного электрофореза (КЭФ), в проточном инжекционном анализе 
(ПИА). Кроме того, аналитический сигнал многих химических и 
биологических сенсоров – устройств, дающих прямую (без фиксированного объема пробы и ее подготовки) информацию о составе 
среды в непрерывном режиме и с малым временем отклика, – имеет электрохимическую природу, т. е. относится к области электрохимического анализа. Объединенные в единый блок и подключенные к компьютеру мультиэлектродные системы («электронный 
язык», «электронный нос» и т. п.) позволяют получать информацию о природе и составе сложных смесей.  
Электрохимические методы анализа переживают в последние 
годы своеобразное «возрождение», и это происходит не только по 
причине невысоких затрат на их реализацию и не только благодаря 
доступности соответствующих приборов. ЭМА позволяют получать данные как о содержании определяемых веществ, так и об их 
химической природе. Однако основная причина возврата к ЭМА 
связана с созданием и практическим применением химически модифицированных электродов (ХМЭ). На их основе созданы сенсоры, детекторы, датчики и другие приборы, с помощью которых 

проводят определение множества различных соединений, прежде 
всего органических.  
Понятия «химически модифицированный электрод» и «электрохимический сенсор» (ЭХС) часто являются синонимами, хотя 
само понятие «сенсор» трактуется неоднозначно. Поэтому до обсуждения конкретных вопросов модифицирования электродов и их 
практического применения дадим общий «портрет» этой междисциплинарной области электроаналитической химии, очертим ее 
границы, рассмотрим терминологию и основные понятия, классификацию электродов в зависимости от способов нанесения модифицирующих слоев и природы модификатора. 
Как известно, многие химические вещества способны окисляться (восстанавливаться) на электроде или в растворе при определенном потенциале. Если в электрохимическую ячейку поместить два электрода с различной площадью поверхности (индикаторный и вспомогательный), то при потенциалах индикаторного 
электрода, соответствующих потенциалу окисления (восстановления) вещества в растворе, по величине тока электролиза можно 
судить о его природе и концентрации. Такую ячейку часто называют химическим сенсором с амперометрическим (вольтамперометрическим) откликом.  
С развитием вольтамперометрии и ее аппаратурных модификаций, отличающихся типом электрического воздействия на ячейку, стало ясно, что чувствительность, воспроизводимость и стабильность аналитического сигнала (отклика) во времени, а также 
другие его характеристики существенно зависят от чистоты поверхности электрода. Электроаналитики стремились достигнуть 
идеальной воспроизводимости поверхности от измерения к измерению. Такой поверхностью оказалась капля ртути, вытекающая из 
капилляра,  ртутный капающий электрод (РКЭ), воспроизводящий 
свою поверхность. Появление РКЭ способствовало быстрому развитию вольтамперометрии вообще и полярографии в частности, а 
также родственных методов. Литература по этим вопросам весьма 
обширна и относится преимущественно к середине и второй половине XX в.  
Однако токсичность ртути и, как следствие, принятие ограничительных мер в большинстве стран мира (наряду с другими причинами) привели к заметному сокращению «ареала» полярографии. 
Вместе с тем, с развитием биологии, медицины, смежных с ними 
областей науки и повышением внимания к вопросам охраны окружающей среды возрос интерес к методам определения биологически активных и лекарственных веществ, продуктов жизнедеятельности организмов, ферментов и т. п. как в стационарных условиях, 
так и в потоке жидкости, в том числе в режимах on line и in situ. 
Для решения проблем, связанных с собственно электродами (а отсюда и электрохимическими сенсорами), исследователи обратили 

внимание на поверхность электродов (сенсоров), материалы, из 
которых их можно изготовить, механические и другие свойства, 
влияющие на природу отклика, его изменчивость под влиянием 
различных факторов. 
Оценивая развитие исследований по «электродной» тематике 
во второй половине XX в., можно выделить два подхода к созданию электродов. Первый из них достаточно подробно рассмотрен в 
литературе.  В его основе – замена ртути на другой материал (углеродные материалы, благородные металлы, включая те, на поверхности которых образуются оксидные пленки, и т. п.). Воспроизводимость поверхности таких электродов, определяющая в конечном 
счете качество измерения, т. е. амперометрического отклика, достигается различными способами  от механического (химического 
с применением агрессивных реагентов) до электрохимического 
(автоматизированного по программе, задаваемой измерительной 
аппаратурой). 
Новое поколение электродов, которые в основном появились в 
последней четверти XX в. и интенсивно изучаются в настоящее 
время, основано на модифицировании их поверхности. При модифицировании на поверхность электродного материала наносят химическое соединение (один или несколько слоев), полимерную 
пленку или формируют оксиды (композиты) из материала электрода, которые существенным образом изменяют его способность к 
вольтамперометрическому отклику в результате появления специфических свойств. При этом «универсальность» электрода (например, в случае РКЭ) заметно сужается либо сводится к минимуму. 
Однако специфичность или селективность отклика при этом возрастает, а в случае модифицирования с применением биоматериалов становится максимальной.  
В принципе понятие ХМЭ сейчас относят к любому электроду, 
поверхность которого обработана таким образом (физическим способом, лазерным облучением или химической обработкой с применением реагентов, включая различные пленки), что характер электрохимического отклика меняется от универсального (измеряемого 
в широком диапазоне потенциалов) до специфического или селективного (в узкой области потенциалов). Количество описанных в 
литературе модифицированных электродов достаточно велико. 
Разработаны способы закрепления на различных поверхностях 
(подложках, матрицах и т. д.) более тысячи индивидуальных неорганических, органических и металлоорганических соединений, веществ и материалов неорганической (цеолиты, глины и т. п.) и биологической (ферменты, бактерии, ткани и др.) природы, перечень 
которых велик. Установлены важные закономерности, которыми 
следует руководствоваться при закреплении модификаторов (или 
биоматериалов) на электродной поверхности и вблизи электрода. 
Рассмотрены многочисленные области практического применения