Electrochemistry of Hemoglobin I from Lucina pectinata immobilized on a modified gold electrode with cysteine or 3-mercaptopropionic acid: Electrochemical activity for hydrogen sulfide

Abstract

The extraordinary affinity of recombinant hemoglobin I from Lucina pectinata (rHbI) for hydrogen sulfide (H2S) allow to postulate it as substrate for the preparation of the hydrogen sulfide sensors. The modification of a gold surface with recombinant hemoglobin I, electrochemical characterization of H2S and electrochemical kinetics parameters were reported. The first sensor model was prepared using cysteine. This system allowed studying how the protein was immobilized on the gold surface and its response to H2S. The second sensor model, using 3-MPA, was an exploration of another linker to try to improve the robustness of the sensor signal in the quantification of H2S. This model provided information about the electrokinetic and electrochemical parameters of the hemoglobin, as well as their response to H2S. Cyclic Voltammetry (CV) and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) were employed to characterize the electrodes modification process, while FTIR was used to verify the presence of hemoglobin on the surface. In CV a pair of well-defined redox peaks for rHbIFe(III)–rHbIFe(II) at 0.213 V (with Cys) and 0.190 V (with 3-MPA) vs. Ag/AgCl were obtained. Electrochemical parameters of immobilized hemoglobin I as formal potential (Eo’), charge transfer coefficient (!) and apparent heterogeneous electron transfer rate constant (ks) were estimated by cyclic voltammetry data. The high-resolution XPS from S2p and C1s regions provide further evidence that cysteine and 3-mercaptopropionic acid are adsorbed to gold surface. Also, it confirms the presence of nickel ion in the Ni2p region when the monolayer Lnk/Au is treated with the solution of NiCl2. The electrochemical response of rHbI-electrode in presence of hydrogen sulfide (H2S) was studied, obtaining changes in oxidation and reduction current peaks from the voltammograms. The amperometric response of the rHbI-(Cys)-electrode to H2S was linear in the range from 90 to 400 nM (n = 7, r2 = 0.993), while rHbI-(3-MPA)-electrode was linear from 40 to 600 nM with a correlation coefficient of 0.998 (n = 16). This method provides an alternative procedure of surface modification for immobilization of histidinetag proteins or enzymes for sensors preparation.

La extraordinaria afinidad de la hemoglobina I Lucina pectinata (rHbI) por el sulfuro de hidrógeno (H2S) permite postularla como sustrato adecuado para la preparación de sensores de H2S. En este trabajo se reporta la modificación de una superficie de oro con la hemoglobina I recombinante, la caracterización electroquímica de H2S, así como los parámetros electrocinéticos de la proteína. El primer modelo de sensor se preparó usando cisteína. Este sistema permitió estudiar cómo la proteína se inmoviliza sobre la superficie de oro y su respuesta a H2S. El segundo modelo de sensor, usando 3-MPA, fue una exploración de otro “linker” para tratar de mejorar la robustez de la señal del sensor en la cuantificación de H2S. Este modelo proporcionó información acerca de los parámetros electrocinéticos y electroquímicos de la hemoglobina I, así como su respuesta a sulfuro de hidrógeno. Voltametría cíclica (CV) y espectroscopia de rayos X de fotoelectrones (XPS) se emplearon para caracterizar el proceso de modificación de electrodos, mientras que FTIR se utilizó para verificar la presencia de hemoglobina en la superficie. Por voltametria cíclica se pudo observar un par de picos redox bien definidos para rHbIFe (III)-rHbIFe (II) a 0,213 V (con Cys) y 0,190 V (con 3-MPA) vs Ag/AgCl. Los parámetros electroquímicos de hemoglobina I inmovilizada como el potencial formal (Eo’), coeficiente de transferencia de carga (!) y la constante heterogénea de transferencia electrónica aparente (ks) se estimaron con datos obtenidos de la voltametría cíclica. Los espectros XPS de alta resolución en las regiones S2p y C1s proporcionaron evidencia adicional de que la cisteína y el ácido 3-mercaptopropiónico se adsorben a la superficie de oro. Además, se confirma la presencia de iones de níquel en la región Ni2p cuando la monocapa Lnk/Au se trata con la solución de NiCl2. La respuesta electroquímica del electrodo de rHbI en presencia de sulfuro de hidrógeno (H2S) se estudió, obteniéndose cambios en las corrientes de los picos de oxidación y de reducción en los voltamogramas. La respuesta amperométrica hacia H2S del rHbI-(Cys)-electrodo fue lineal en el intervalo de 90 a 400 nM (n = 7, r2 = 0,993), mientras que el rHbI-(3-MPA)-electrodo fue lineal de 40 a 600 nM con un coeficiente de correlación de 0,998 (n = 16). Este método proporciona un procedimiento alternativo de modificación de superficies metálicas para la inmovilización de proteínas o enzimas “histidine-tag” para la preparación de sensores.