Nachricht

Jul 19, 2023

Elektrochemische Bestimmung von L

Scientific Reports Band 12, Artikelnummer: 5469 (2022) Diesen Artikel zitieren 2854 Zugriffe 14 Zitate 3 Altmetrische Metrikdetails Eines der Ziele dieser Forschung war die Entwicklung einer elektrochemischen Methode

Wissenschaftliche Berichte Band 12, Artikelnummer: 5469 (2022) Diesen Artikel zitieren

2854 Zugriffe

14 Zitate

3 Altmetrisch

Details zu den Metriken

Eines der Ziele dieser Forschung war die Entwicklung eines elektrochemischen Sensors, der den Zielanalyten bestimmen kann und gleichzeitig kostengünstig und ungiftig ist. Ein weiteres Ziel bestand darin, Einfluss auf die Reduzierung von Elektroschrott zu nehmen. Dementsprechend wurde ein Graphitstab aus Zink-Kohlenstoff-Batterien zur Herstellung eines elektrochemischen Sensors zur Bestimmung von L-Tryptophan in Britton-Robinson-Pufferlösung verwendet. Bei der experimentellen Forschung kamen zwei elektrochemische Methoden zum Einsatz: die Differentialpulsvoltammetrie und die zyklische Voltammetrie. Der Einfluss verschiedener Parameter, darunter der pH-Wert der Trägerlösung, die Scanrate sowie die Konzentration von L-Tryptophan, auf die aktuelle Reaktion wurde untersucht. Der pH-Wert des Britton-Robinson-Puffers beeinflusste die Intensität des L-Tryptophan-Oxidationspeaks sowie das Peakpotential. Die Intensität der Stromreaktion war bei pH 4,0 am höchsten, während der Spitzenpotentialwert mit zunehmendem pH-Wert niedriger wurde, was darauf hindeutet, dass auch Protonen an der Redoxreaktion beteiligt waren. Basierend auf den erhaltenen Daten war die elektrochemische Oxidation von L-Tryptophan an der Graphitelektrode eine irreversible Zwei-Elektronen-/Zwei-Protonen-Reaktion. Darüber hinaus wurde beobachtet, dass der Oxidationspeak mit zunehmender Scanrate zunahm. Den erhaltenen elektrochemischen Daten zufolge wurde vermutet, dass die Oxidation von L-Tryptophan gemischt durch Adsorption und Diffusion kontrolliert wurde. Die lineare Korrelation zwischen Oxidationspeak und L-Tryptophan-Konzentration wurde im Bereich von 5,0–150,0 µM untersucht und die erhaltenen Werte für die Nachweisgrenze und die Bestimmungsgrenze betrugen 1,73 µM bzw. 5,78 µM. Außerdem war der vorbereitete elektrochemische Sensor erfolgreich bei der Bestimmung des Zielanalyten in Milch- und Apfelsaftproben.

L-Tryptophan (TRP) gehört zu den essentiellen Aminosäuren, da der menschliche Körper nicht in der Lage ist, es zu synthetisieren1. L-Tryptophan ist für den Menschen von vielfältiger Bedeutung. Es ist ein wichtiger Bestandteil der Ernährung und kommt vor allem in proteinreichen Lebensmitteln wie Milchprodukten, Fleisch, Meeresfrüchten, Soja oder Nüssen vor2. L-Tryptophan ist nicht nur ein wesentlicher Bestandteil von Proteinen, sondern auch an der Synthese von Niacin beteiligt, einem Vorläufer wichtiger Biomoleküle im Körper wie Melatonin und Serotonin3. Die Kenntnis des L-Tryptophan-Spiegels ist sehr wichtig, da sein Mangel zu Stoffwechsel- und neurologischen Störungen führen kann4. Vor diesem Hintergrund kann die Bedeutung der Bestimmung dieser Aminosäure in biologischen Proben sowie in Lebensmittelproben verdeutlicht werden. Obwohl eine Reihe klassischer Methoden5,6,7 zur Quantifizierung dieses Zielanalyten zur Verfügung stehen, haben elektrochemische Techniken in diesem Forschungsbereich an Bedeutung gewonnen. Voltammetrie ist eine elektrochemische und elektroanalytische Technik, die auf der Messung des Stroms als Funktion des angelegten Potentials basiert. Es gibt verschiedene Arten voltammetrischer Techniken, darunter Polarographie, zyklische Voltammetrie und Pulsvoltammetrietechniken (Normalpuls, Differentialpuls und Rechteckvoltammetrie)8. Die Vorteile voltammetrischer Techniken sind eine gute Empfindlichkeit und ein breiter linearer Konzentrationsbereich sowohl für organische als auch anorganische Analyten, ein kurzer Zeitaufwand für die Analyse, eine große Auswahl an Lösungsmitteln und Elektrolyten, die bei Messungen verwendet werden können, sowie die Möglichkeit der gleichzeitigen Bestimmung mehrerer verschiedene Analyten, ohne dass deren vorherige Trennung erforderlich ist9. Cyclovoltammetrische (CV) Messungen sind normalerweise der erste Schritt bei elektrochemischen Untersuchungen einer Verbindung, eines biologischen Materials oder einer Elektrodenoberfläche. Die Wirksamkeit von CV spiegelt sich in der Fähigkeit wider, schnell Informationen über das Redoxverhalten der Zielanalyten in einem breiten Spektrum von Potentialen, die Thermodynamik von Redoxprozessen, die Kinetik heterogener Reaktionen, gekoppelter chemischer Reaktionen oder Adsorptionsprozesse zu erhalten10. CV basiert auf einer linearen Änderung des Arbeitselektrodenpotentials vom anfänglichen Potentialwert auf einen vordefinierten Wert, und dann ändert sich das Potential mit der gleichen Abtastrate in die entgegengesetzte Richtung zum anfänglichen oder einem anderen vorbestimmten Wert11. Die Differentialpulsvoltammetrie (DPV) hat sich als sehr nützliche Technik zur Bestimmung von Spuren organischer und anorganischer Verbindungen erwiesen. Das Anlegen von Potentialimpulsen an Elektroden führt in den meisten Experimenten zu einer deutlichen Verbesserung des Verhältnisses von Faraday- und Nicht-Faraday-Strömen, da der Faraday-Strom im Vergleich zum Nicht-Faraday-Strom (elektrischer Doppelschicht-Ladestrom) mit der Zeit normalerweise langsamer abnimmt ), wodurch niedrigere Nachweisgrenzen erreicht werden können12. Die Differenz zwischen den Werten dieser Ströme wird als Funktion des angelegten Potentials registriert, was zu dem entsprechenden Peak im Voltammogramm führt, dessen Höhe direkt proportional zur Konzentration des gemessenen Analyten ist13. Darüber hinaus zeigt der Trend einer zunehmenden Zahl veröffentlichter Übersichts- und Forschungsarbeiten zum Thema elektrochemische Sensoren, wie wichtig dieses Fachgebiet für Forscher ist14,15,16,17. Zhao et al.18 verwendeten eine mit Bor dotierte Diamantelektrode als elektrochemischen Sensor für den Nachweis von TRP in Na2PO4/NaOH-Pufferlösung. Liu et al.19 verwendeten eine mit Silber dotierte TiO2-Nanopartikel-modifizierte Glaskohlenstoffelektrode, um den TRP in 0,1 M KOH- und 0,1 M Phosphatpufferlösungen zu bestimmen. Für den gleichzeitigen Nachweis von Dopamin, Harnsäure, L-Tryptophan und Theophyllin wurde eine mit Kohlenstoffpunkten (CDs/GCE) modifizierte Glaskohlenstoffelektrode verwendet20. Kohlenstoffelektroden werden aufgrund ihrer guten elektrochemischen Eigenschaften wie niedrigem Hintergrundstrom und guter elektrischer Leitfähigkeit häufig als Sensoren verwendet. Darüber hinaus sind sie relativ günstig, einfach zuzubereiten und größtenteils ungiftig. Einige Forscher4,21,22 haben jedoch vorgeschlagen, anstelle kommerzieller Elektroden einen Graphitstab aus Batterien zu verwenden, da die Entwicklung der Technologie auch zur Entstehung großer Abfallmengen beiträgt. Unter solchen Abfällen finden sich auch Zink-Kohle-Batterien. Eine unsachgemäße Entsorgung von Altbatterien führt zur Freisetzung von Schwermetallen in die Umwelt, was zahlreiche schädliche Auswirkungen auf lebende Organismen haben kann23,24. Das Batterierecycling würde die Umwelt schonen und es könnten erhebliche wirtschaftliche Vorteile erzielt werden25. Aufgrund der guten elektrischen Leitfähigkeit und der großen Oberfläche des Graphitstabs kann er als potentieller elektrochemischer Sensor genutzt werden4. Darüber hinaus ist der Graphitstab modifizierbar, was die Entwicklung von Sensoren mit besseren Eigenschaften ermöglicht. Den früheren Forschungsarbeiten21,22 zufolge wird der Graphitstab als elektrochemischer Sensor zum Nachweis von Myricetin-Antioxidantien und Tanninsäure verwendet.

Die Wiederverwendung von Graphit aus Batterien zur Herstellung eines einfachen elektrochemischen Sensors wird sich auch auf den Umweltschutz auswirken. Im Vergleich zu anderen Forschungsarbeiten zu ähnlichen Themen stellt dieser Artikel die Möglichkeit vor, Graphitstababfälle zur Herstellung eines elektrochemischen Sensors zu verwenden. Dies ist also eine der Möglichkeiten, Einfluss auf die Reduzierung der Elektroschrottsammlung zu nehmen. Andererseits kann auf sehr einfache Weise ein elektrochemischer Sensor erhalten werden, der die Kosten des Prozesses im Vergleich zu anderen Analysemethoden erheblich senkt. Darüber hinaus ist Graphit ein leicht modifizierbares Material, und die Eigenschaften dieses vorbereiteten Sensors können mit Modifikatoren verbessert werden.

Um das elektrochemische Verhalten von L-Tryptophan an einer Graphitelektrode zu bestimmen, wurden Differential-Puls-Voltammetrie-Messungen durchgeführt. Abbildung 1a zeigt Kurven, die in Britton-Robinson (BR)-Puffer (pH 4) ohne und mit der Zugabe von 100,0 µM TRP auf der Graphitoberfläche erhalten wurden. Das Auftreten des L-Tryptophan-Oxidationspeaks bei einem Potential von etwa 0,75 V (gegen SCE) im Vergleich zur in der Trägerlösung aufgezeichneten Kurve deutete darauf hin, dass die Graphitelektrode Empfindlichkeitseigenschaften aufwies. Darüber hinaus ist aus dem in Abb. 1b gezeigten zyklischen Voltammogramm ersichtlich, dass die L-Tryptophan-Oxidation ein irreversibler Prozess war, der mit den in der Literatur dargestellten Ergebnissen übereinstimmt26.

(a) Differenzielle Pulsvoltammetrie (Kurven mit Basislinienkorrektur) und (b) zyklische Voltammetriekurven an einer Graphitelektrode in Britton-Robinson-Pufferlösung (pH 4,0) in Abwesenheit und in Gegenwart von 100,0 µM L-Tryptophan, Scanrate 50,0 mV/s.

Um die optimalen Bedingungen für die weitere Forschung zu ermitteln, wurde der Einfluss des pH-Wertes der Britton-Robinson-Lösung (im Bereich von 1,8–7,0) auf die Intensität des Oxidationspeaks von L-Tryptophan (100,0 µM TRP) untersucht. Die aufgezeichneten Differenzpulsvoltammogramme sind in Abb. 2a dargestellt. Da die höchste Stromspitzenintensität bei pH 4,0 beobachtet wurde, wurde diese Lösung für weitere Analysen verwendet. Zusätzlich zur aktuellen Peakintensität beeinflusste auch der pH-Wert der BR-Lösung das Oxidationspeakpotential von L-Tryptophan. Gemäß der Auftragung Ep(Trp)-pH (Abb. 2b) verschob sich das Spitzenpotential mit zunehmendem pH-Wert zu niedrigeren Werten, was darauf hindeutet, dass auch Protonen an der Redoxreaktion beteiligt waren. Die lineare Beziehung zwischen Ep(Trp) und pH (Abb. 2b) kann durch Gleichung ausgedrückt werden. (1). Nach der Gl. (1) betrug der erhaltene Wert der Steigung 62 mV/pH, was ungefähr dem theoretischen Wert von 59 mV/pH für einen Zwei-Elektronen/Zwei-Protonen-Prozess entsprach. Basierend darauf kann davon ausgegangen werden, dass an der Elektrode gleich viele Protonen und Elektronen an dem Prozess beteiligt waren27. Die Intensität des Strompeaks änderte sich auch mit dem pH-Wert (Abb. 2c). Eine Erhöhung des pH-Wertes von 1,8 auf 4 zeigte einen Anstieg des Wertes des Oxidationsstrompeaks. Der höchste Wert wurde bei pH 4 gemessen. Ein weiterer Anstieg des pH-Wertes des Grundelektrolyten führte jedoch zu einer Abnahme der Intensität des Strompeaks. Dieses Verhalten könnte auf eine Abnahme der Konzentration der protonierten Form von L-Tryptophan28 hinweisen.

(a) Differential-Pulsvoltammetriekurven von 100,0 µM L-Tryptophan auf einer Graphitelektrode in Britton-Robinson-Pufferlösung bei verschiedenen pH-Werten, Scanrate 50,0 mV/s (Kurven einer Basislinienkorrektur unterzogen); (b) Abhängigkeit des Spitzenpotentials von 100,0 µM L-Tryptophan vom pH-Wert der Britton-Robinson-Pufferlösung; (c) Abhängigkeit des aktuellen Peaks von 100,0 µM L-Tryptophan vom pH-Wert der Britton-Robinson-Pufferlösung.

Nach Nernsts Gl. (1)3 und die Gl. (2) Das m/n-Verhältnis wurde als Verhältnis der Anzahl der Protonen und Elektronen berechnet, das in dieser Untersuchung 1,05 betrug. Laut Literatur3 deutet ein m/n-Verhältnis nahe 1 darauf hin, dass die gleiche Anzahl an Protonen und Elektronen an der Reaktion beteiligt ist. Basierend auf dem erhaltenen Wert von 1,05 und den zuvor genannten Annahmen kann man sagen, dass die gleiche Anzahl von Protonen und Elektronen an der elektrochemischen Reaktion von L-Tryptophan an der Graphitelektrode beteiligt war3.

Laut Literatur29 wurde der Oxidationsmechanismus von Aminosäuren einschließlich L-Tryptophan auf der Elektrodenoberfläche als irreversible und mehrstufige Reaktion beschrieben. Der erreichte Wert des m/n-Verhältnisses (1,05) implizierte die Beteiligung der gleichen Anzahl von Protonen und Elektronen am Oxidationsmechanismus von L-Tryptophan. Darüber hinaus lag eine Steigung von 62 mV pro pH-Einheit nahe am theoretischen Wert von 59 mV pro pH-Wert, was auf eine Zwei-Elektronen/zwei-Protonen-Reaktion hinweist. Die Adsorption von L-Tryptophan an der Graphitelektrode erfolgte über eine Carboxylgruppe, die den Elektronentransfer zwischen der Elektrode und dem Indol als elektroaktivem Teil der Aminosäure29 erleichterte. Es kann angenommen werden, dass L-Tryptophan zu 2-Amino-3-(5-oxo-3,5-dihydro-2H-indol-3-yl)propionsäure oxidiert (Abb. 3), was durch das Auftreten von angezeigt wurde ein irreversibler Oxidationspeak im Cyclovoltammogramm (Abb. 1b)30. Unter Berücksichtigung der Literaturdaten3,26,30 und der in dieser Studie erzielten Ergebnisse wurde der Mechanismus der L-Tryptophan-Oxidation an der Graphitelektrode vorgeschlagen (Abb. 3).

Mechanismus der L-Tryptophan-Oxidation.

Die Kinetik der Elektrodenreaktion von L-Tryptophan kann durch Diffusion oder Adsorption gesteuert werden und dementsprechend wurde die Auswirkung der Scan-Rate auf den Strompeak von L-Tryptophan durch zyklische Voltammetrie untersucht. Abbildung 4a zeigt die aufgezeichneten CV-Kurven von L-Tryptophan (100,0 µM) in Britton-Robinson-Lösung (pH 4,0) mit unterschiedlichen Scanraten von 25,0 bis 150,0 mV/s. Gemäß Abb. 4a nahm der Oxidationspeak mit zunehmender Scanrate zu. Darüber hinaus wurde durch den Vergleich der Diagramme Ip–v und logIp–logv (Abb. 4b, c) und der erhaltenen Regressionskoeffizienten (Gl. 3 und 4) eine bessere Übereinstimmung der aktuellen Reaktion von L-Tryptophan mit der Scan-Rate erzielt , was das Merkmal des adsorptionsgesteuerten Prozesses war3. Gemäß dem logIp-logv-Diagramm und der entsprechenden Gl. (4) betrug der Steigungswert 0,545. Somit deuten die erzielten Ergebnisse darauf hin, dass die Oxidation von TRP gemischt durch Adsorption und Diffusion kontrolliert wurde, was mit den Ergebnissen übereinstimmt, die an der Graphitstiftelektrode erhalten wurden26. Es wurde angenommen, dass ein kleiner Unterschied im Wert des L-Tryptophan-Peakpotentials bei einer Änderung der Scan-Rate auf die schnelle Redoxreaktion an der Graphitelektrode zurückzuführen ist3,28.

(a) Cyclovoltammetriekurven von 100,0 µM L-Tryptophan auf einer Graphitelektrode in Britton-Robinson-Pufferlösung (pH 4,0) bei unterschiedlichen Scanraten (von 25,0 bis 150,0 mV/s); (b) Abhängigkeit des Spitzenstroms von 100,0 µM L-Tryptophan von der Scan-Rate; (c) Abhängigkeit des Logarithmus des Spitzenstroms von 100,0 µM L-Tryptophan vom Logarithmus der Scanrate.

Um die Kalibrierungskurve für die L-Tryptophan-Bestimmung zu erhalten, wurde eine differentielle Pulsvoltammetrie durchgeführt. Abbildung 5a stellt das erstellte Differenzimpulsvoltammogramm dar, während Abbildung 5b die Kalibrierungskurve zeigt. DPV ergab, dass der aktuelle Peak linear mit zunehmender L-Tryptophan-Konzentration anstieg. Die entsprechende Gleichung könnte im untersuchten Bereich der L-Tryptophan-Konzentration (5,0–150,0 µM) wie folgt ausgedrückt werden:

(a) Differential-Pulsvoltammogramm von L-Tryptophan im Konzentrationsbereich von 5,0 bis 150,0 µM auf einer Graphitelektrode in Britton-Robinson-Pufferlösung (pH 4,0), Scanrate 50,0 mV/s (Kurven einer Basislinienkorrektur unterzogen); (b) Die Abhängigkeit des Spitzenstroms von der L-Tryptophan-Konzentration (untersuchter Konzentrationsbereich 5,0 µM–150,0 µM); (c) Differential-Pulsvoltammogramm einer mit L-Tryptophan versetzten Milchprobe auf einer Graphitelektrode: (1) Milchprobe in Britton-Robinson-Pufferlösung; (2) Milchprobe mit zugesetztem 40,0 µM L-Tryptophan; (3) Milchprobe mit Zusatz von 50,0 µM L-Tryptophan und (4) Milchprobe mit Zusatz von 60,0 µM L-Tryptophan, Scanrate 50 mV/s (Kurven einer Basislinienkorrektur unterzogen); (d) Differenzial-Pulsvoltammogramm einer mit L-Tryptophan versetzten Apfelsaftprobe auf einer Graphitelektrode: (1) Apfelsaftprobe in Britton-Robinson-Pufferlösung; (2) Apfelsaftprobe mit zugesetztem 40,0 µM L-Tryptophan; (3) Apfelsaftprobe mit Zusatz von 50,0 µM L-Tryptophan und (4) Apfelsaftprobe mit Zusatz von 60,0 µM L-Tryptophan, Scanrate 50 mV/s (Kurven einer Basislinienkorrektur unterzogen).

Darüber hinaus wurden die Nachweisgrenze (LOD) und die Quantifizierung (LOQ) gemäß den Gleichungen berechnet. (6) und (7)31:

Dabei ist s die Standardabweichung der Spitzenströme und m die Steigung der Kalibrierungskurve. Die berechneten Werte für LOD und LOQ betrugen 1,73 µM bzw. 5,78 µM. Aufgefallen ist die leichte Variation der Werte des Spitzenpotentials, die in Gegenwart unterschiedlicher L-Tryptophan-Konzentrationen ermittelt wurden. Der Grund für dieses Verhalten könnte durch die Komplexität des Elektrooxidationsmechanismus32 erklärt werden. Der Literatur zufolge29,33,34 folgten auf den ersten Schritt, d. h. wie bereits erwähnt, eine irreversible Zwei-Elektronen-/zwei-Protonen-Reaktion, Folgereaktionen mit mehreren Zwischenprodukten und Produkten. Darüber hinaus neigten die Produkte der L-Tryptophan-Oxidation auch dazu, an der Elektrodenoberfläche adsorbiert zu werden, was zu Störungen der elektrochemischen Messsignale führte29,35. Die Kombination aus komplexem Elektrooxidationsreaktionsmechanismus und Adsorption an der Elektrodenoberfläche wurde durch die Änderung des Spitzenpotentials mit der Tryptophankonzentration ausgedrückt.

Um festzustellen, ob die Graphitelektrode für den L-Tryptophan-Nachweis in realen Proben geeignet ist, wurden Differential-Pulsvoltammetrie-Messungen in Milch- und Apfelsaftproben durchgeführt (Abb. 5c, d). Die Milch und der Apfelsaft wurden auf dem örtlichen Markt gekauft. Beide realen Proben wurden durch zehnfache Verdünnung in Britton-Robinson-Puffer (pH 4) hergestellt. Danach wurden der zuvor zubereiteten Milch unterschiedliche Konzentrationen von L-Tryptophan (Abb. 5c, d-Kurven 2–4–40,0 µM, 50,0 µM, 60,0 µM) zugesetzt sowie Apfelsaftproben und DPV-Messungen durchgeführt. Die erzielten Ergebnisse sind in Tabelle 1 zusammengefasst. Die verwendete Graphitelektrode zeigte eine gute Ausbeute im Bereich von 99,3–100,2 % mit 4,9–8,6 % relativer Standardabweichung (RSD) für die Milchprobe und im Bereich von 99,7–100,2 % mit 1,4– 3,2 % RSD für Apfelsaft. Die erhaltenen Ergebnisse zeigten, dass die Graphitelektrode für die Analyse von L-Tryptophan in verschiedenen realen Proben geeignet war.

Durch Vergleich der in Tabelle 2 gezeigten LOD-Werte kann man sagen, dass die Graphitelektrode zur Bestimmung von L-Tryptophan verwendet werden könnte. Außerdem ist zu beachten, dass eine unmodifizierte Graphitelektrode zufriedenstellende Ergebnisse zeigte, die mit den Literaturdaten vergleichbar waren. Auf diese Weise wurde gezeigt, dass das Recycling von Zink-Kohlenstoff-Batterien einen geeigneten elektrochemischen Sensor darstellen könnte, was das Ziel dieser Forschung war. In weiteren Forschungen sollte die Modifikation dieser Elektrode untersucht werden, um ihre Eigenschaften zu verbessern.

Um die Stabilität der Graphitelektrode zu untersuchen, wurden die Experimente nach 30 und 180 Tagen an derselben Elektrode durch DPV in Britton-Robinson-Puffer mit L-Tryptophan (80,0 µM) wiederholt (Abb. 6a, b). Gemäß dem Balkendiagramm in Abb. 6b wies der Sensor eine gute Stabilität auf, da der aktuelle Spitzenwert nach 30 Tagen bei 91,2 % lag und der RSD 2,9 % betrug, während der RSD nach 180 Tagen bei 3,7 % lag und der aktuelle Spitzenwert bei 84,6 % lag. Darüber hinaus wurde die Wiederholbarkeit des Graphitsensors anhand von vier wiederholten Messungen in einer Lösung mit 80,0 µM TRP getestet. Das erhaltene Diagramm ist in Abb. 6c dargestellt. Der berechnete RSD von 3,0 % deutete auf eine gute Wiederholbarkeit der Graphitelektrode hin.

(a) Differential-Puls-Volatilitätsdiagramm für die Stabilität der Graphitelektrode nach 30 und 180 Tagen in Britton-Robinson-Pufferlösung (pH 4,0) mit 80,0 µM L-Tryptophan (Kurven einer Basislinienkorrektur unterzogen); (b) Balkendiagramm für die Stabilität der Graphitelektrode (c) Differential-Puls-Volatilitätsdiagramm für die Wiederholbarkeit (vier aufeinanderfolgende Messungen) der Graphitelektrode in Britton-Robinson-Pufferlösung (pH 4,0) mit 80,0 µM L-Tryptophan (Kurven einer Basislinienkorrektur unterzogen). ).

Die Untersuchung möglicher Störungen bei der Bestimmung von TRP an der Graphitelektrode wurde in Gegenwart anderer Aminosäuren durchgeführt. Für diese Studie wurden fünf Aminosäuren ausgewählt, darunter L-Histidin (HIS), L-Methionin (MET), L-Lysin (LIS), L-Leucin (LEU) und L-Glutamin (GLU) (50-facher Gehalt). Abbildung 7a zeigt Differential-Pulsvoltammetriekurven für 10,0 µM TRP in Gegenwart der oben genannten Aminosäuren bei einer Konzentration von 500,0 µM. L-Histidin und L-Methionin reduzieren den aktuellen Peak, während L-Lysin, L-Leucin und L-Glutamin eine positive Interferenz haben (den aktuellen Peak erhöhen). Gemäß den Diagrammen in Abb. 7a, b kam es in Gegenwart dieser Störsubstanzen zu keinen signifikanten Veränderungen des TRP-Strompeaks. Basierend auf den Ergebnissen zeigte die Graphitelektrode eine gute Selektivität für die L-Tryptophan-Bestimmung.

(a) Differential-Pulsvoltammetriekurven der Oxidation von L-Tryptophan (10,0 µM) in Gegenwart potenziell störender Substanzen (500,0 µM) in Britton-Robinson-Puffer (pH 4,0) (Kurven einer Basislinienkorrektur unterzogen); (b) Balkendiagramm zwischen dem aktuellen Peak von L-Tryptophan im Verhältnis zu potenziell störenden Substanzen.

Reines L-Tryptophan, L-Histidin, L-Methionin, L-Lysin, L-Leucin und L-Glutamin wurden von Sigma Aldrich (Deutschland) bezogen. Die Britton-Robinson-Pufferlösung wurde unter Verwendung von Essigsäure (Zorka Šabac, Serbien), Borsäure (Zorka Šabac, Serbien) und Phosphorsäure (Merck, Nordmazedonien)26 hergestellt. Diese verwendeten Verbindungen waren von analytischer Reinheit. Zur Einstellung des pH-Werts der Britton-Robinson-Lösung wurde NaOH-Lösung verwendet. Die pH-Messungen wurden mit einem pH-Meter (Eutech Instruments) durchgeführt. Alle Experimente wurden bei Raumtemperatur durchgeführt. Elektrochemische Messungen wurden mit Potentiostaten (IVIUM XRE, IVIUM Technologies) mit entsprechender Software in einem Drei-Elektroden-System durchgeführt. Als Arbeitselektrode wurde vorbereiteter Graphit verwendet, als Referenz- bzw. Hilfselektrode wurden eine gesättigte Kalomelelektrode (SCE) und Platindraht verwendet.

Als Quelle für den Graphitstab wurde eine Zink-Kohlenstoff-Batterie verwendet. Der erhaltene Graphitstab wurde dann durch Reinigen und Trocknen zur Entfernung von Feuchtigkeit vorbereitet21,22. Darüber hinaus wurde es durch einen metallografischen Prozess poliert, der das Schleifen auf Siliziumkarbidpapier, das Spülen mit Wasser und Alkohol und schließlich das Polieren mit Aluminiumoxidpaste (0,3 μm Al2O3, Buehler USA) umfasste. Die polierte Probe wurde mit Silberkleber auf Kupferdraht geklebt und dann mit einem Material auf Methylmethacrylatbasis versiegelt. Vor jeder Messung wurde die Elektrodenoberfläche mechanisch mit Siliziumkarbidpapier und Aluminiumoxidpaste poliert, anschließend mit destilliertem Wasser gespült und getrocknet.

Bei der Untersuchung kamen zwei voltammetrische Methoden zum Einsatz, die Cyclovoltammetrie und die Differentialpulsvoltammetrie. Die differenzielle Pulsvoltammetrie wurde unter den folgenden Bedingungen durchgeführt: Pulsamplitude 50 mV, Pulszeit 50 ms, im Potentialbereich 0,0–1,2 V (vs. SCE), während zyklische Voltammetriemessungen von 0 V (vs. SCE) bis 1,2 V durchgeführt wurden V (vs. SCE). Als Stammlösung wurden 1000,0 µM L-Tryptophan verwendet.

In dieser Forschung wurde die Möglichkeit vorgestellt, Graphit aus Altbatterien zur Herstellung eines elektrochemischen Sensors wiederzuverwenden. Die Möglichkeit der Verwendung eines solchen Sensors wurde in BR-Puffer in Gegenwart von L-Tryptophan mithilfe elektrochemischer Methoden, Differential-Puls-Voltammetrie und zyklischer Voltammetrie getestet. Basierend auf den experimentellen Daten wies die Graphitelektrode Empfindlichkeitseigenschaften für den L-Tryptophan-Nachweis auf. Die Cyclovoltammetrie zeigte eine irreversible elektrochemische Oxidationsreaktion von L-Tryptophan, an der gleich viele Protonen und Elektronen beteiligt waren. Laut Differential-Puls-Voltammetrie zeigte die präparierte Graphitelektrode eine signifikante Empfindlichkeit für die Bestimmung von L-Tryptophan in Milch- und Apfelsaftproben. Die Elektrode zeigte auch eine gute Selektivität, wenn mehrere andere Aminosäuren im System vorhanden waren. Obwohl sich Forscher zunehmend auf die Modifizierung der Oberflächen von Graphitelektroden konzentrieren, hat diese Untersuchung gezeigt, dass die Nachweisgrenze im µM-Bereich auch durch die Verwendung eines kostengünstigen Materials wie Graphitstäben aus Batterien erreicht werden kann. Daher die getestete unmodifizierte Graphitelektrode zeigte zufriedenstellende Ergebnisse, die mit den Literaturdaten vergleichbar waren. Dieser elektrochemische Sensor zeichnet sich durch seinen Preis, seine einfache Bedienung und seine schnelle Vorbereitung aus. Darüber hinaus können durch die Möglichkeit der Oberflächenmodifizierung die Eigenschaften dieses Sensors für die weitere Analyse in komplexen Medien verbessert werden.

Gemäß den Richtlinien der Institution sind keine Daten verfügbar.

Ensafi, AA, Karimi-Maleh, H. & Mallakpour, S. Gleichzeitige Bestimmung von Ascorbinsäure, Paracetamol und Tryptophan durch Rechteckvoltammetrie unter Verwendung einer N-(3,4-Dihydroxyphenethyl)-3,5-dinitrobenzamid-modifizierten Kohlenstoffnanoröhrenpaste Elektrode. Elektroanal. 24(3), 666–675. https://doi.org/10.1002/elan.201100465 (2012).

Artikel CAS Google Scholar

Strasser, B., Gostner, JM & Fuchs, D. Stimmung, Essen und Kognition: Rolle von Tryptophan und Serotonin. Curr. Meinung. Klin. Nutr. Metab. Pflege 19(1), 55–61. https://doi.org/10.1097/MCO.0000000000000237 (2016).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Sundaresan, R., Mariyappan, V., Chen, S.-M., Keerthi, M. & Ramachandran, R. Elektrochemischer Sensor zum Nachweis von Tryptophan in der Milchprobe basierend auf MnWO4-Nanoplättchen, eingekapseltem RGO-Nanokomposit. Kolloidoberfläche A 625, 126889. https://doi.org/10.1016/j.colsurfa.2021.126889 (2021).

Artikel CAS Google Scholar

Zhang, JW & Zhang, X. Elektrodenmaterial, hergestellt durch Beladung von reduziertem Graphenoxid mit Ceroxid-Nanopartikeln und seine Anwendung im elektrochemischen Sensor für Tryptophan. J. Alloy Compd. 842, 155934. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2020.155934 (2020).

Artikel CAS Google Scholar

Ritota, M. & Manzi, P. Schnelle Bestimmung des Gesamt-Tryptophans in Joghurt durch Ultrahochleistungsflüssigkeitschromatographie mit Fluoreszenzdetektion. Molecules 25(21), 5025. https://doi.org/10.3390/molecules25215025 (2020).

Artikel CAS PubMed Central Google Scholar

Çevikkalp, SA, Löker, GB, Yaman, M. & Amoutzopoulos, B. Eine vereinfachte HPLC-Methode zur Bestimmung von Tryptophan in einigen Getreidearten und Hülsenfrüchten. Lebensmittelchem. 193, 26–29. https://doi.org/10.1016/j.foodchem.2015.02.108 (2016).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Takagai, Y. & Igarashi, S. Bestimmung der ppb-Werte von Tryptophan-Derivaten durch Kapillarelektrophorese mit homogener Flüssig-Flüssig-Extraktion und Spülmethode. Chem. Pharm. Stier. 51, 373–377. https://doi.org/10.1248/cpb.51.373 (2003).

Artikel CAS Google Scholar

Skoog, DA, West, DM, Holler, FJ & Crouch, SR Grundlagen der analytischen Chemie (Brooks/Cole-Thomson Learning, 2004).

Google Scholar

Brett, CMA Elektrochemische Sensoren für die Umweltüberwachung: Strategie und Beispiele. Reine Appl. Chem. 73, 1969–1977. https://doi.org/10.1351/pac200173121969 (2001).

Artikel CAS Google Scholar

Kissinger, PT & Heineman, WR Cyclovoltammetrie. J. Chem. Educ. 60, 702–706. https://doi.org/10.1021/ed060p702 (1983).

Artikel CAS Google Scholar

Bard, AJ & Faulkner, LR Elektrochemische Methoden, Grundlagen und Anwendungen (Wiley, 2001).

Google Scholar

Stojek, Z. Pulse Voltammetry in Electroanalytical Methods (Hrsg. Scholz, F.) 99 (Springer, 2005).

Brett, CMA & Brett, AMO Elektrochemie, Prinzipien, Methoden und Anwendungen (Oxford University Press, 1993).

MATH Google Scholar

Prongmanee, W., Alam, I. & Asanithi, P. Hydroxylapatit/Graphenoxid-Komposit zum elektrochemischen Nachweis von L-Tryptophan. J. Taiwan Inst. Chem. E 102, 415–423. https://doi.org/10.1016/j.jtice.2019.06.004 (2019).

Artikel CAS Google Scholar

Bobacka, J. Elektrochemische Sensoren für reale Anwendungen. J. Festkörperelektr. 24, 2039–2040. https://doi.org/10.1007/s10008-020-04700-4 (2020).

Artikel CAS Google Scholar

Tasić, ŽZ., Petrović Mihajlović, MB, Simonović, AT, Radovanović, MB & Antonijević, MM Übersicht über angewandte Oberflächenmodifikationen von Bleistiftgraphitelektroden für die Paracetamol-Erkennung. Ergebnisse Phys. 22, 103911. https://doi.org/10.1016/j.rinp.2021.103911 (2021).

Artikel Google Scholar

Chen, B. et al. Ein neuartiger elektrochemischer molekular geprägter Sensor auf Basis von aus CuCo2O4@ aus Biomasse gewonnenem Kohlenstoff für den empfindlichen Nachweis von Tryptophan. J. Elektroanal. Chem. 901, 115680. https://doi.org/10.1016/j.jelechem.2021.115680 (2021).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Zhao, G., Qi, Y. & Tian, ​​Y. Gleichzeitige und direkte Bestimmung von Tryptophan und Tyrosin an einer mit Bor dotierten Diamantelektrode. Elektroanal. Int. J. Devoted Fundam. Üben. Asp. Elektroanal. 18(8), 830–834. https://doi.org/10.1002/elan.200503455 (2006).

Artikel CAS Google Scholar

Liu, Y., Wang, L. & Yang, L. Ein überlegener Sensor für den elektrochemischen Nachweis von Tryptophan in Lebensmittelproben unter Verwendung einer mit Ag-dotierten TiO2-Nanopartikeln modifizierten Glaskohlenstoffelektrode. Int. J. Elektrochem. Wissenschaft. https://doi.org/10.20964/2021.05.50 (2021).

Artikel Google Scholar

Wang, Z., An, R., Dai, Y. & Luo, H. Eine einfache Strategie zur gleichzeitigen Bestimmung von Dopamin, Harnsäure, L-Tryptophan und Theophyllin basierend auf einer mit Kohlenstoffpunkten modifizierten Elektrode. Int. J. Elektrochem. Wissenschaft. https://doi.org/10.20964/2021.04.39 (2021).

Artikel Google Scholar

Ng, K., Lee, S., Khor, S. & Tan, G. Elektrochemische Herstellung und Charakterisierung einer Goldnanopartikel-Graphitelektrode: Anwendung auf die Analyse von Myricetin-Antioxidantien. Anal. Wissenschaft. 31(10), 1075–1081. https://doi.org/10.2116/analsci.31.1075 (2015).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Palisoc, ST et al. Elektrochemische Bestimmung von Gerbsäure mit Graphitelektroden aus Zink-Kohlenstoff-Altbatterien. Sens. Bio-Sens. Res. 28, 100326. https://doi.org/10.1016/j.sbsr.2020.100326 (2020).

Artikel Google Scholar

Medić, DV, Milić, SM, Alagić, S. Č, Đorđević, IN & Dimitrijević, SB Klassifizierung verbrauchter Li-Ionen-Batterien basierend auf ICP-OES/Röntgencharakterisierung der Kathodenmaterialien. Chem. Ind. 74(3), 221–230. https://doi.org/10.2298/HEMIND200114012M (2020).

Artikel Google Scholar

Huang, T., Liu, L. & Zhang, S. Rückgewinnung von Kobalt, Lithium und Mangan aus den aktiven Kathodenmaterialien verbrauchter Lithium-Ionen-Batterien in einem bioelektrohydrometallurgischen Prozess. Hydrometallurgie 188, 101–111. https://doi.org/10.1016/j.hydromet.2019.06.011 (2019).

Artikel CAS Google Scholar

Wang, Y. et al. Aktuelle Fortschritte bei der Recyclingtechnologie von Li-Ionen-Batterien. J. Energy Chem. 55, 391–419. https://doi.org/10.1016/j.jechem.2020.05.008 (2021).

Artikel Google Scholar

Yıldız, C., Bayraktepe, DE & Yazan, Z. Elektrochemischer Nachweis von L-Tryptophan in niedrigen Konzentrationen in menschlichen Urinproben: Verwendung von Graphitstiften als Elektroden für eine schnelle und kostengünstige voltammetrische Methode. Monatsh. Chem. 151, 871–879. https://doi.org/10.1007/s00706-020-02620-7 (2020).

Artikel CAS Google Scholar

Wang, Y. et al. Ein elektrochemischer Sensor zur Bestimmung von Tryptophan in Gegenwart von DA basierend auf einer mit Poly(Lmethionin)/Graphen modifizierten Elektrode. RSC Adv. 6, 10662–10669. https://doi.org/10.1039/c5ra24116b (2016).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Ferreira, V., Tenreiro, A. & Abrantes, LM Elektrochemische, mikrogravimetrische und AFM-Untersuchungen von Polythioninfilmen: Anwendung als neuer Träger für die Immobilisierung von Nukleotiden. Sens. Aktor B Chem. 119(2), 632–641. https://doi.org/10.1016/j.snb.2006.01.024 (2006).

Artikel CAS Google Scholar

Moulaee, K. & Neri, G. Elektrochemische Aminosäureerkennung: ein Überblick über Herausforderungen und Erfolge. Biosensors 11(12), 502. https://doi.org/10.3390/bios11120502 (2021).

Artikel CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Kumar, JV et al. Grüne Synthese einer neuartigen blütenähnlichen Cervanadat-Mikrostruktur für den elektrochemischen Nachweis von Tryptophan in Lebensmitteln und biologischen Proben. J. Kolloidinterf. Wissenschaft. 496, 78–86. https://doi.org/10.1016/j.jcis.2017.02.009 (2017).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Magdum, PA, Pattar, VP & Nandibewoor, ST Elektrochemische Charakterisierung und Bestimmung von Theophyllin an einer Graphitstiftelektrode unter Verwendung von Cetyltrimethylammoniumbromid als Verstärkungsmittel. Anal. Bioanal. Elektrochem. 7(4), 426–438 (2015).

CAS Google Scholar

Kaczmarska, K., Brycht, M., Leniart, A. & Skrzypek, S. Differentialpulsvoltammetrische Bestimmung eines immunsuppressiven Arzneimittels Teriflunomid an einer pyrolytischen Graphitelektrode mit Kantenebene. RSC Adv. 7, 26028. https://doi.org/10.1039/c7ra00407a (2017).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Nguyen, NT, Wrona, MZ & Dryhurst, G. Elektrochemische Oxidation von Tryftophan. J. Elektroanal. Chem. 199, 101–126 (1986).

Artikel CAS Google Scholar

Nguyen, NT, Wrona, MZ & Dryhurst, G. Peroxidase-katalysierte und elektrochemische Oxidation von L-Tryptophan. Bioelektrochem. Bioenergie. 15, 251–214 (1986).

Artikel Google Scholar

Pogacean, F. et al. Untersuchung der elektrochemischen Oxidation von L-Tryptophan mit einer Graphen-modifizierten Elektrode. Biosensors 11, 36. https://doi.org/10.3390/bios11020036 (2021).

Artikel CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Liu, Y. & Xu, L. Elektrochemischer Sensor zur Tryptophan-Bestimmung basierend auf einer mit einem Kupfer-Kobalt-Hexacyanoferrat-Film modifizierten Graphitelektrode. Sensoren 7(10), 2446–2457. https://doi.org/10.3390/s7102446 (2007).

Artikel ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Fan, Y., Liu, J.-H., Lu, H.-T. & Zhang, Q. Elektrochemie und voltammetrische Bestimmung von L-Tryptophan und L-Tyrosin unter Verwendung einer Glaskohlenstoffelektrode, die mit einem Nafion/TiO2-Graphen-Verbundfilm modifiziert ist. Mikrochim. Acta 173(1), 241–247. https://doi.org/10.1007/s00604-011-0556-9 (2011).

Artikel CAS Google Scholar

Safavi, A. & Momeni, S. Elektrokatalytische Oxidation von Tryptophan an einer mit Goldnanopartikeln modifizierten Kohlenstoff-Ionenflüssigkeitselektrode. Elektroanal. 22, 2848–2855. https://doi.org/10.1002/elan.201000279 (2010).

Artikel CAS Google Scholar

Li, HX et al. Ein elektrochemischer Sensor zur gleichzeitigen Bestimmung von Ascorbinsäure, Dopamin, Harnsäure und Tryptophan basierend auf MWNTs-verbrücktem mesozellulärem Graphenschaum-Nanokomposit. Talanta 127, 255–261. https://doi.org/10.1016/j.talanta.2014.03.034 (2014).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Yang, F. et al. Gleichzeitige Bestimmung von Ascorbinsäure, Harnsäure, Tryptophan und Adenin mittels kohlenstoffgestützter NiCoO2-Nanopartikel. Sens. Aktor B Chem. 210, 232–240. https://doi.org/10.1016/j.snb.2014.12.120 (2015).

Artikel CAS Google Scholar

Referenzen herunterladen

Die in diesem Dokument vorgestellte Forschung wurde mit finanzieller Unterstützung des Ministeriums für Bildung, Wissenschaft und technologische Entwicklung der Republik Serbien im Rahmen der Finanzierung der wissenschaftlichen Forschungsarbeiten an der Technischen Fakultät der Universität Belgrad in Bor gemäß Vertrag durchgeführt mit der Registrierungsnummer 451-03-68/2022-14/200131.

Technische Fakultät in Bor, Universität Belgrad, VJ 12, Postfach 50, 19210, Bor, Serbien

Žaklina Z. Tasić, Marija B. Petrović Mihajlović, Milan B. Radovanović, Ana T. Simonović, Dragana V. Medić und Milan M. Antonijević

Sie können diesen Autor auch in PubMed Google Scholar suchen

Sie können diesen Autor auch in PubMed Google Scholar suchen

Sie können diesen Autor auch in PubMed Google Scholar suchen

Sie können diesen Autor auch in PubMed Google Scholar suchen

Sie können diesen Autor auch in PubMed Google Scholar suchen

Sie können diesen Autor auch in PubMed Google Scholar suchen

Ž.ZT, MBPM, MBR, ATS, DVM und MMA planten die Experimente, DVM und Ž.ZT bereiteten die Elektrode vor, MBPM, MBR, ATS und Ž.ZT führten die Experimente durch. Alle Autoren trugen zur Interpretation der Ergebnisse bei. MMA gab kritisches Feedback und half bei der Gestaltung der Recherche, Analyse und des Manuskripts. Alle Autoren haben das Manuskript überprüft.

Korrespondenz mit Žaklina Z. Tasić.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

Springer Nature bleibt neutral hinsichtlich der Zuständigkeitsansprüche in veröffentlichten Karten und institutionellen Zugehörigkeiten.

Open Access Dieser Artikel ist unter einer Creative Commons Attribution 4.0 International License lizenziert, die die Nutzung, Weitergabe, Anpassung, Verbreitung und Reproduktion in jedem Medium oder Format erlaubt, sofern Sie den/die ursprünglichen Autor(en) und die Quelle angemessen angeben. Geben Sie einen Link zur Creative Commons-Lizenz an und geben Sie an, ob Änderungen vorgenommen wurden. Die Bilder oder anderes Material Dritter in diesem Artikel sind in der Creative Commons-Lizenz des Artikels enthalten, sofern in der Quellenangabe für das Material nichts anderes angegeben ist. Wenn Material nicht in der Creative-Commons-Lizenz des Artikels enthalten ist und Ihre beabsichtigte Nutzung nicht durch gesetzliche Vorschriften zulässig ist oder über die zulässige Nutzung hinausgeht, müssen Sie die Genehmigung direkt vom Urheberrechtsinhaber einholen. Um eine Kopie dieser Lizenz anzuzeigen, besuchen Sie http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.

Nachdrucke und Genehmigungen

Tasić, Ž.Z., Mihajlović, MBP, Radovanović, MB et al. Elektrochemische Bestimmung von L-Tryptophan in Lebensmittelproben an einer aus Altbatterien hergestellten Graphitelektrode. Sci Rep 12, 5469 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-09472-7

Zitat herunterladen

Eingegangen: 23. Dezember 2021

Angenommen: 17. März 2022

Veröffentlicht: 31. März 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-09472-7

Jeder, mit dem Sie den folgenden Link teilen, kann diesen Inhalt lesen:

Leider ist für diesen Artikel derzeit kein gemeinsam nutzbarer Link verfügbar.

Bereitgestellt von der Content-Sharing-Initiative Springer Nature SharedIt

Analytische und bioanalytische Chemie (2023)

Durch das Absenden eines Kommentars erklären Sie sich damit einverstanden, unsere Nutzungsbedingungen und Community-Richtlinien einzuhalten. Wenn Sie etwas als missbräuchlich empfinden oder etwas nicht unseren Bedingungen oder Richtlinien entspricht, kennzeichnen Sie es bitte als unangemessen.