Nachweis von Wasserstoffperoxid 4/5 - mit Preußisch Blau

Nachweis von Wasserstoffperoxid

Der elektrochemische Nachweis von Wasserstoffperoxid ist für den Bau von Biosensoren unter Verwendung von Oxidasen von Interesse. Das Hauptproblem beim Nachweis besteht darin, dass die Oxidation von Wasserstoffperoxid bei Potentialen über 0,6 V vs. Ag/AgCl stattfindet. Bei so hohen Potentialen können viele andere Spezies, die in realen Proben häufig vorkommen, ebenfalls Störungen verursachen. Zu diesen Spezies zählen beispielsweise Ascorbat (Vitamin C), Bilirubin und Urat.

Es wurden Konzepte entwickelt, um diese Spezies durch eine Membran von den Elektroden fernzuhalten. Diese Membran würde alle Transportprozesse von und zur Elektrode erschweren. Später wurden Mediatoren entwickelt, um die Elektronen vom Enzym zur Elektrode zu transportieren, wodurch der Nachweis von Wasserstoffperoxid bei einigen Oxidase-basierten Elektroden überflüssig wurde.

Wie bereits erwähnt (siehe Kapitel Warum Wasserstoffperoxid nachweisen?), wird Wasserstoffperoxid von Enzymen produziert, ist aber für Zellen gefährlich. Zellen verwenden Peroxidasen, um Wasserstoffperoxid abzubauen. Meerrettichperoxidase ist für elektrochemische Anwendungen sehr beliebt, da die Elektrode direkt mit dem aktiven Zentrum des Enzyms kommunizieren kann. Die Peroxidase kann also zum Nachweis von Wasserstoffperoxid verwendet werden, aber die hohen Kosten dieses Enzyms, seine geringe Stabilität und die Schwierigkeit, es an die Elektroden zu binden, machten es interessant, nach anorganischen Alternativen zu suchen.

Verwendung von Preußischblau

Dünne Preußischblau-Schichten auf Elektroden sind eine sehr geeignete Alternative. Erste Untersuchungen im Jahr 1990 zeigten leistungsstarke Sensoren, bei denen für die Reduktion etwa 40 mV vs. Ag/AgCl angelegt wurden. Das wissenschaftliche Interesse war groß, als Versuche zeigten, dass die katalytische Aktivität von Preußischblau für Wasserstoffperoxid 100-mal höher ist als die für Sauerstoff. Optimierungsprozesse führten zu Sensoren auf Basis von Preußischblau, die bei 0 V vs. Ag/AgCl gut funktionierten, sodass Preußischblau als „künstliche Peroxidase“ bezeichnet wird. Bei diesen niedrigen Potentialen zeigen viele übliche Störsubstanzen keine elektrochemischen Reaktionen.

Die katalytische Wirkung und Selektivität von Preußischblau ist auf dessen Kristallstruktur zurückzuführen. Der Kristall weist kleine Kanäle auf, durch die das Wasserstoffperoxid eindringen kann. Umgeben von den Eisenionen wird ein Elektronentransfer zum Wasserstoffperoxid erleichtert. Für die meisten anderen Störsubstanzen sind die Kanäle nicht groß genug.

Beschränkungen

Leider sind diese Sensoren auf neutrale oder saure Lösungen beschränkt. Preußischblau ist in alkalischen Lösungen nicht stabil. Die Eisenionen aus dem Preußischblau bilden Eisenhydroxid, das wasserlöslich ist. Dies stellt ein Problem dar, wenn die entsprechende Oxidase ihren optimalen pH-Wert im alkalischen Bereich hat. Forscher haben verschiedene Verfahren entwickelt, um einen Preußisch-Blau-Film herzustellen, der in neutralen oder alkalischen Medien eine höhere Stabilität aufweist. Die meisten davon basieren auf der Idee, dass Eisen für Hydroxidionen leicht zugänglich ist, sodass bereits eine Veränderung der Struktur zu einer höheren Stabilität führt. Verschiedene Techniken stellen neue Verfahren zur Abscheidung oder Ausfällung von Preußischblau in Gegenwart anderer Ionen dar.

Sitnikova et al. [1] haben einen Schichtfilm aus Preußischblau (Eisenhexacyanoferrat) und Nickelhexacyanoferrat entwickelt. Dieser Film bleibt stundenlang stabil, ohne an Empfindlichkeit zu verlieren, und ist sowohl in neutralen als auch in alkalischen Lösungen stabil. Auch das Vorhandensein anderer Eisenliganden stellt für diese Schicht keine Gefahr dar.

Literatur

[1] N. Sitnikova, A. Borisova, M. Komkova, A. Karyakin, Anal Chem 83 (2011), S. 2359–2363.