मैं आपको तुरंत चेतावनी देना चाहता हूं कि यह विषय पूरी तरह से हैब्रिज़्म से संबंधित नहीं है, लेकिन
एमआईटी में विकसित तत्व के बारे में पोस्ट के लिए टिप्पणियों
में, विचार का समर्थन किया गया लगता है, इसलिए नीचे मैं बायोटॉलिंग तत्वों के बारे में कुछ विचारों का वर्णन करूंगा।
जिस विषय पर यह विषय लिखा गया था, उसी के आधार पर मेरे द्वारा ११ वीं कक्षा में काम किया गया, और INTEL ISEF सम्मेलन सम्मेलन में दूसरा स्थान हासिल किया।
एक ईंधन सेल एक रासायनिक वर्तमान स्रोत है जिसमें एक कम करने वाले एजेंट (ईंधन) की रासायनिक ऊर्जा और एक ऑक्सीकरण एजेंट, इलेक्ट्रोड को लगातार और अलग से आपूर्ति की जाती है, सीधे विद्युत ऊर्जा में परिवर्तित हो जाती है
ऊर्जा। ईंधन सेल (TE) का एक योजनाबद्ध आरेख नीचे प्रस्तुत किया गया है:
एक ईंधन सेल में एनोड, एक कैथोड, एक आयन कंडक्टर, एक एनोड और एक कैथोड कक्ष होते हैं। फिलहाल, औद्योगिक तराजू में उपयोग के लिए जैव ईंधन तत्वों की शक्ति पर्याप्त नहीं है, लेकिन कम बिजली वाले बीएफसी का उपयोग चिकित्सा प्रयोजनों के लिए संवेदनशील सेंसर के रूप में किया जा सकता है, क्योंकि उनमें वर्तमान संसाधित ईंधन की मात्रा के लिए आनुपातिक है।
आज तक, ईंधन कोशिकाओं की बड़ी संख्या में संरचनात्मक किस्मों का प्रस्ताव किया गया है। प्रत्येक मामले में, एफसी का डिजाइन एफसी के उद्देश्य, अभिकर्मक के प्रकार और आयनिक कंडक्टर पर निर्भर करता है। जैव ईंधन तत्व जिसमें जैविक उत्प्रेरक का उपयोग किया जाता है, एक विशेष समूह है। जैविक प्रणालियों की एक महत्वपूर्ण विशिष्ट विशेषता कम तापमान पर विभिन्न ईंधन को चुनिंदा रूप से ऑक्सीकरण करने की उनकी क्षमता है।
ज्यादातर मामलों में, इम्मोबिलाइज्ड एंजाइमों का उपयोग बायोइलेक्ट्रोकैटलिसिस में किया जाता है, अर्थात। एंजाइम जीवित जीवों से अलग हो जाते हैं और वाहक से जुड़े होते हैं, लेकिन उत्प्रेरक गतिविधि (आंशिक या पूरी तरह से) को बनाए रखना, जो उन्हें पुन: उपयोग करने की अनुमति देता है। उदाहरण के लिए, एक जैव ईंधन तत्व जिसमें एक मध्यस्थ प्रतिक्रिया का उपयोग करते समय इलेक्ट्रोड के साथ युग्मित किया जाता है। ग्लूकोज ऑक्सीडेज पर आधारित जैव ईंधन तत्व की योजना:
एक जैव ईंधन सेल में सोने के दो निष्क्रिय इलेक्ट्रोड होते हैं, प्लैटिनम या कार्बन एक बफर समाधान में डूब जाते हैं। इलेक्ट्रोड को आयन-विनिमय झिल्ली द्वारा अलग किया जाता है: एनोड डिब्बे को वायु के साथ शुद्ध किया जाता है, नाइट्रोजन के साथ कैथोड डिब्बे। झिल्ली आपको तत्वों के इलेक्ट्रोड डिब्बों में होने वाली प्रतिक्रियाओं को स्थानिक रूप से अलग करने की अनुमति देता है, और एक ही समय में उन दोनों के बीच प्रोटॉन का आदान प्रदान करता है। कई कंपनियों (VDN, VIROKT) द्वारा बायोसेंसर के लिए उपयुक्त विभिन्न प्रकार के मेम्ब्रेन ब्रिटेन में उत्पादित किए जाते हैं।
ग्लूकोज ऑक्सीडेज युक्त एक जैव ईंधन सेल में ग्लूकोज की शुरूआत और 20 डिग्री सेल्सियस पर घुलनशील मध्यस्थ, एंजाइम से एनोड से इलेक्ट्रॉन प्रवाह की मध्यस्थता के माध्यम से प्रकट होता है। इलेक्ट्रॉनों बाहरी सर्किट के माध्यम से कैथोड तक जाते हैं, जहां आदर्श परिस्थितियों में प्रोटॉन और ऑक्सीजन की उपस्थिति में जल बनता है। परिणामस्वरूप वर्तमान (संतृप्ति की अनुपस्थिति में) एक दर-निर्धारण घटक (ग्लूकोज) के अतिरिक्त के लिए आनुपातिक है। स्थिर धाराओं को मापकर, जल्दी से (5 एस) संभव है कि कम ग्लूकोज सांद्रता भी निर्धारित करें - 0.1 मिमी तक। एक संवेदक के रूप में, वर्णित जैव ईंधन तत्व की कुछ सीमाएं होती हैं जो एक मध्यस्थ की उपस्थिति और एक ऑक्सीजन कैथोड और झिल्ली के लिए कुछ आवश्यकताओं से जुड़ी होती हैं। बाद वाले को एंजाइम को बनाए रखना चाहिए और एक ही समय में कम आणविक भार घटकों को पास करना चाहिए: गैस, मध्यस्थ, सब्सट्रेट। आयन एक्सचेंज झिल्ली, एक नियम के रूप में, इन आवश्यकताओं को संतुष्ट करते हैं, हालांकि उनके प्रसार गुण बफर समाधान के पीएच पर निर्भर करते हैं। झिल्ली के माध्यम से घटकों का प्रसार प्रतिकूल प्रतिक्रियाओं के कारण इलेक्ट्रॉन हस्तांतरण की दक्षता में कमी की ओर जाता है।
आज, एंजाइम उत्प्रेरक के साथ ईंधन कोशिकाओं के प्रयोगशाला मॉडल हैं, जो उनकी विशेषताओं में उनके व्यावहारिक अनुप्रयोग की आवश्यकताओं को पूरा नहीं करते हैं। अगले कुछ वर्षों में मुख्य प्रयास जैव ईंधन तत्वों को अंतिम रूप देने के उद्देश्य से किया जाएगा और जैव ईंधन तत्व के आगे के उपयोग को दवा के साथ अधिक से अधिक डिग्री के साथ जोड़ा जाएगा, उदाहरण के लिए: ऑक्सीजन और ग्लूकोज का उपयोग करते हुए एक प्रत्यारोपण योग्य जैव ईंधन तत्व।
इलेक्ट्रोकाटलिसिस में एंजाइमों का उपयोग करते समय, मुख्य समस्या जिसे हल करने की आवश्यकता होती है, वह है विद्युत रासायनिक के साथ एंजाइमैटिक प्रतिक्रिया को बाँधने की समस्या, यानी एंजाइम के सक्रिय केंद्र से इलेक्ट्रॉनों तक इलेक्ट्रॉनों के कुशल परिवहन को सुनिश्चित करना, जो निम्नलिखित तरीकों से प्राप्त किया जा सकता है:
1. एक कम आणविक भार वाहक का उपयोग करके इलेक्ट्रोड के एंजाइम के सक्रिय केंद्र से इलेक्ट्रॉन स्थानांतरण - मध्यस्थ (मध्यस्थ बायोइलेक्ट्रोलेक्टिसिस)।
2. इलेक्ट्रोड पर एंजाइम के सक्रिय केंद्रों के प्रत्यक्ष, प्रत्यक्ष ऑक्सीकरण और बहाली (प्रत्यक्ष बायोएलेक्ट्रोलाटिसिस)।
इस मामले में, एंजाइमैटिक और इलेक्ट्रोकेमिकल प्रतिक्रिया का मध्यस्थ संयुग्मन, चार तरीकों से किया जा सकता है:
1) एंजाइम और मध्यस्थ समाधान की मात्रा में हैं और मध्यस्थ इलेक्ट्रोड की सतह तक फैलता है;
2) एंजाइम इलेक्ट्रोड की सतह पर है, और मध्यस्थ समाधान की मात्रा में है;
3) एंजाइम और मध्यस्थ इलेक्ट्रोड की सतह पर स्थिर होते हैं;
4) मध्यस्थ इलेक्ट्रोड की सतह से जुड़ा हुआ है, और एंजाइम समाधान में है।
इस काम में, ऑक्सीजन की कमी की कैथोडिक प्रतिक्रिया के लिए उत्प्रेरक लैकेस था, और ग्लूकोज ऑक्सीकरण की एनोडिक प्रतिक्रिया के लिए उत्प्रेरक ग्लूकोज ऑक्सीडेज (YEAR) था। एंजाइमों को मिश्रित सामग्रियों के हिस्से के रूप में इस्तेमाल किया गया था, जिनमें से एक जैव-ईंधन तत्वों के निर्माण में सबसे महत्वपूर्ण चरणों में से एक है, साथ ही साथ एक विश्लेषणात्मक सेंसर का कार्य करता है। इस मामले में, बायोकोम्पोसिट सामग्री को सब्सट्रेट निर्धारण की चयनात्मकता और संवेदनशीलता सुनिश्चित करनी चाहिए और साथ ही साथ एंजियोमैटिक के पास उच्च बायोइलेक्ट्रोलेक्टिक गतिविधि होनी चाहिए।
लैकेस एक Cu युक्त ऑक्सीडाइरेक्टेस है, जिसका मुख्य कार्य मूल परिस्थितियों में ऑक्सीजन के साथ कार्बनिक सब्सट्रेट (फिनोल और उनके डेरिवेटिव) का ऑक्सीकरण है, जो बाद में पानी में कम हो जाता है। एंजाइम का आणविक भार 40,000 ग्राम / मोल है।
आज तक, यह दिखाया गया है कि ऑक्सीजन की कमी के लिए लैकेस सबसे सक्रिय इलेक्ट्रोकैटलिस्ट है। इसकी उपस्थिति में, एक ऑक्सीजन वातावरण में इलेक्ट्रोड पर संतुलन ऑक्सीजन की क्षमता के करीब एक संभावित स्थापित किया जाता है, और ऑक्सीजन की कमी सीधे पानी में आगे बढ़ती है।
कैथोडिक प्रतिक्रिया (ऑक्सीजन में कमी) के उत्प्रेरक के रूप में, लैकेस, एसिटिलीन ब्लैक AD-100 और Nafion पर आधारित एक मिश्रित सामग्री का उपयोग किया गया था। मिश्रित की एक विशेषता संरचना है जो इलेक्ट्रॉन-संचालक मैट्रिक्स के संबंध में एंजाइम अणु के उन्मुखीकरण को सुनिश्चित करती है, जो प्रत्यक्ष इलेक्ट्रॉन हस्तांतरण के लिए आवश्यक है। एंजाइमी कटैलिसीस में देखे जाने वाले समग्र दृष्टिकोणों में लैकेस की विशिष्ट बायोइलेक्ट्रोलेक्टिक गतिविधि। लैकेस के मामले में एक एंजाइमैटिक और इलेक्ट्रोकेमिकल प्रतिक्रिया को युग्मित करने की एक विधि, अर्थात्। इलेक्ट्रोड से लैकेस एंजाइम के सक्रिय केंद्र के माध्यम से सब्सट्रेट से इलेक्ट्रॉन हस्तांतरण की विधि प्रत्यक्ष bielectrocatalysis है।
ग्लूकोज कोकोआक्साइड (GOD) ऑक्सीडाइरेक्टेस क्लास का एक एंजाइम है, जिसमें दो सबयूनिट्स होते हैं, जिनमें से प्रत्येक का अपना सक्रिय केंद्र होता है - (फ्लेविन एडिनिन डाइन्यूक्लियोटाइड) एफएडी। YEAR एक एंजाइम है जो इलेक्ट्रॉन दाता ग्लूकोज के संबंध में चयनात्मक है, और कई सबस्ट्रेट्स का उपयोग इलेक्ट्रॉन स्वीकर्ता के रूप में किया जा सकता है। एंजाइम का आणविक भार 180,000 ग्राम / मोल है।
काम में, हमने मध्यस्थ तंत्र द्वारा ग्लूकोज के एनोडिक ऑक्सीकरण के लिए जीओडी और फेरोकीन (एफसी) पर आधारित एक मिश्रित सामग्री का उपयोग किया। समग्र सामग्री में YEAR, अत्यधिक छितरी हुई कोलाइडल ग्रेफाइट (VKG), FC और Nafion शामिल हैं, जिसने प्रतिक्रियाशील क्षेत्र के लिए अभिकर्मकों के कुशल परिवहन और समग्र सामग्री की स्थिर विशेषताओं को सुनिश्चित करने के लिए अत्यधिक विकसित सतह के साथ एक विद्युत प्रवाहकीय मैट्रिक्स प्राप्त करना संभव बना दिया है। एंजाइमैटिक और इलेक्ट्रोकेमिकल प्रतिक्रियाओं को युग्मित करने की एक विधि, अर्थात्। YEAR के सक्रिय केंद्र से मध्यस्थ इलेक्ट्रोड तक कुशल इलेक्ट्रॉन परिवहन सुनिश्चित करना, जबकि इलेक्ट्रोड सतह पर एंजाइम और मध्यस्थ को स्थिर किया गया था। फेरोसिन का उपयोग मध्यस्थ के रूप में किया जाता था - एक इलेक्ट्रॉन स्वीकर्ता। कार्बनिक सब्सट्रेट के ऑक्सीकरण के दौरान - ग्लूकोज, फेरोकीन को बहाल किया जाता है और फिर इलेक्ट्रोड पर ऑक्सीकरण किया जाता है।
अगर किसी को दिलचस्पी है, तो मैं विस्तार से वर्णन कर सकता हूं कि इलेक्ट्रोड की कवरेज प्राप्त करने की प्रक्रिया क्या है, लेकिन इसके लिए व्यक्तिगत रूप से लिखना बेहतर है। और विषय में, मैं केवल परिणामी संरचना का वर्णन करता हूं।
1. AD-100।
2. लैकेस।
3. हाइड्रोफोबिक झरझरा सब्सट्रेट।
4. नाफियन।
इलेक्ट्रोड प्राप्त होने के बाद, हम सीधे प्रायोगिक भाग में गए। यह हमारे काम सेल की तरह लग रहा है:
1. Ag / AgCl संदर्भ इलेक्ट्रोड;
2. काम कर रहे इलेक्ट्रोड;
3. सहायक इलेक्ट्रोड - पीटी।
ग्लूकोज ऑक्सीडेज के साथ प्रयोग में, इसे आर्गन के साथ और लैकेस के साथ शुद्ध किया गया था।
लैकेस की अनुपस्थिति में कालिख पर ऑक्सीजन की वसूली शून्य से नीचे की क्षमता पर होती है और दो चरणों में होती है: हाइड्रोजन पेरोक्साइड के मध्यवर्ती गठन के माध्यम से। यह आकृति ई.एच.-100 के साथ घोल में ऑक्सीजन के वातावरण में प्राप्त लैकेस द्वारा ऑक्सीकृत ऑक्सीजन के ध्रुवीकरण वक्र को दर्शाती है। इन शर्तों के तहत, एक स्थिर क्षमता संतुलन ऑक्सीजन क्षमता (0.76 वी) के करीब स्थापित की जाती है। क्षमता वाले कैथोड 0.76 V पर, एंजाइम इलेक्ट्रोड पर ऑक्सीजन की एक उत्प्रेरक कमी देखी जाती है, जो सीधे बायोइलेक्ट्रोलेक्टिसिस द्वारा सीधे पानी में आगे बढ़ती है। 0.55 V से अधिक संभावित क्षेत्र कैथोड में, एक पठार वक्र पर देखा जाता है जो ऑक्सीजन की कमी के गतिज वर्तमान से मेल खाती है। सीमित करंट का मूल्य लगभग 630 μA / cm2 था।
Nafion, ferrocene, और VKH के NOD पर आधारित मिश्रित सामग्री के विद्युत रासायनिक व्यवहार का अध्ययन चक्रीय वोल्टामेट्री (CVA) द्वारा किया गया था। फॉस्फेट-बफर खारा में ग्लूकोज की अनुपस्थिति में मिश्रित सामग्री की स्थिति को घटता चार्ज करके निगरानी की गई थी। (-0.40) V की क्षमता पर चार्जिंग वक्र पर, YEAR के सक्रिय केंद्र के रेडॉक्स परिवर्तनों से संबंधित मैक्सिमा (FAD) देखी जाती है, और 0.20–0.25 V पर, ऑक्सीकरण की अधिकतम सीमा और फेरोकीन की कमी देखी जाती है।
परिणामों से यह निम्नानुसार है कि लैकेस के साथ कैथोड के आधार पर, ऑक्सीजन प्रतिक्रिया उत्प्रेरक के रूप में, और ग्लूकोज ऑक्सीकरण के लिए ग्लूकोज ऑक्सीडेज पर आधारित एनोड, जैव ईंधन तत्व बनाने की एक मूलभूत संभावना है। सच है, इस तरह से कई बाधाएं हैं, उदाहरण के लिए, एंजाइमों की गतिविधि में चोटियों को अलग-अलग पीएच में मनाया जाता है। इससे बीएफसी में आयन-एक्सचेंज झिल्ली जोड़ने की आवश्यकता हुई। झिल्ली आपको उन तत्वों को स्थानिक रूप से अलग करने की अनुमति देता है जो तत्व के इलेक्ट्रोड डिब्बों में होते हैं, और एक ही समय में उनके बीच प्रोटॉन के आदान-प्रदान को सुनिश्चित करता है। वायु एनोड डिब्बे में प्रवेश करती है।
ग्लूकोज ऑक्सीडेज युक्त एक जैव ईंधन सेल में ग्लूकोज की शुरूआत और एक मध्यस्थ मध्यस्थ के माध्यम से एंजाइम से एनोड से इलेक्ट्रॉन प्रवाह की ओर जाता है। इलेक्ट्रॉनों बाहरी सर्किट के माध्यम से कैथोड तक जाते हैं, जहां आदर्श परिस्थितियों में प्रोटॉन और ऑक्सीजन की उपस्थिति में जल बनता है। परिणामी वर्तमान (संतृप्ति की अनुपस्थिति में) एक गति-निर्धारण घटक - ग्लूकोज के अलावा आनुपातिक है। स्थिर धाराओं को मापकर, जल्दी से (5 एस) संभव है कि कम ग्लूकोज सांद्रता भी निर्धारित करें - 0.1 मिमी तक।
दुर्भाग्य से, मैं इस बीटीई के विचार को व्यावहारिक कार्यान्वयन में लाने में विफल रहा, क्योंकि 11 वीं कक्षा के तुरंत बाद, मैं एक प्रोग्रामर के रूप में अध्ययन करने के लिए गया, जिसे मैं आज दिल से कर रहा हूं। सभी के लिए धन्यवाद जिन्होंने महारत हासिल की।