RU2731411C1 - Biosensor with high sensitivity factor - Google Patents
Biosensor with high sensitivity factor Download PDFInfo
- Publication number
- RU2731411C1 RU2731411C1 RU2019107705A RU2019107705A RU2731411C1 RU 2731411 C1 RU2731411 C1 RU 2731411C1 RU 2019107705 A RU2019107705 A RU 2019107705A RU 2019107705 A RU2019107705 A RU 2019107705A RU 2731411 C1 RU2731411 C1 RU 2731411C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- biosensor
- glucose
- working electrode
- electrode
- membrane
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
- G01N33/48—Biological material, e.g. blood, urine; Haemocytometers
- G01N33/50—Chemical analysis of biological material, e.g. blood, urine; Testing involving biospecific ligand binding methods; Immunological testing
- G01N33/53—Immunoassay; Biospecific binding assay; Materials therefor
- G01N33/543—Immunoassay; Biospecific binding assay; Materials therefor with an insoluble carrier for immobilising immunochemicals
Landscapes
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Immunology (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Molecular Biology (AREA)
- Biomedical Technology (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Hematology (AREA)
- Urology & Nephrology (AREA)
- Biotechnology (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- Cell Biology (AREA)
- Food Science & Technology (AREA)
- Medicinal Chemistry (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Microbiology (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Pathology (AREA)
- Investigating Or Analysing Biological Materials (AREA)
- Measuring Or Testing Involving Enzymes Or Micro-Organisms (AREA)
- Apparatus Associated With Microorganisms And Enzymes (AREA)
Abstract
Description
Область техникиTechnology area
Изобретение относится к электроаналитическим системам анализа и может быть использовано в медицинских диагностических центрах или машинах скорой помощи для определения концентрации глюкозы в разбавленной крови, а также сыворотке и плазме крови.The invention relates to electroanalytical analysis systems and can be used in medical diagnostic centers or ambulances to determine the concentration of glucose in diluted blood, as well as serum and plasma.
Уровень техникиState of the art
Из уровня техники известны технические решения, обеспечивающие электрохимическое ферментативное определение глюкозы. В частности, первым подходом к такому анализу было решение [L.C.J. Clark, С. Lyons. Annals of the New York Academy of Sciences 102 (1962) 29], заключающееся в помещении фермента глюкозооксидазы, катализирующей окисление глюкозы кислородом, вблизи мембраны амперометрического кислородного платинового датчика, фиксирующего локальное уменьшение концентрации кислорода. Впоследствии была предложена модификация данного решения [S.J. Updike, G.P. Hicks. Nature 214 (1967) 986], заключающаяся в иммобилизации фермента на поверхности мембраны кислородного сенсора.From the prior art, technical solutions are known that provide the electrochemical enzymatic determination of glucose. In particular, the first approach to such an analysis was the solution [L.C.J. Clark, C. Lyons. Annals of the New York Academy of Sciences 102 (1962) 29], which consists in placing the enzyme glucose oxidase, which catalyzes the oxidation of glucose by oxygen, near the membrane of an amperometric oxygen platinum sensor, which records a local decrease in oxygen concentration. Subsequently, a modification of this solution was proposed [S.J. Updike, G.P. Hicks. Nature 214 (1967) 986], which consists in the immobilization of the enzyme on the surface of the membrane of the oxygen sensor.
Однако такое решение имеет следующие недостатки:However, this solution has the following disadvantages:
i) в равновесии с воздухом концентрация кислорода в водных растворах довольно высока (0.2 мМ), что затрудняет анализ низких концентраций анализируемого вещества;i) in equilibrium with air, the oxygen concentration in aqueous solutions is quite high (0.2 mM), which complicates the analysis of low concentrations of the analyte;
ii) в реальных объектах равновесная концентрация кислорода может изменяться; иii) in real objects, the equilibrium oxygen concentration may change; and
iii) образующийся в ходе ферментативной реакции пероксид водорода способен электрохимически восстанавливаться в тех же условиях, что приводит к ошибкам в анализе.iii) the hydrogen peroxide formed during the enzymatic reaction can be electrochemically reduced under the same conditions, which leads to errors in the analysis.
Также известно решение [G.G. Guilbault, G.J. Lubrano. Anal. Chim. Acta 64(3) (1973) 439], в котором для анализа глюкозы используют определение выделяющегося в процессе ферментативного окисления глюкозы пероксида водорода.Also known solution [G.G. Guilbault, G.J. Lubrano. Anal. Chim. Acta 64 (3) (1973) 439], in which the determination of hydrogen peroxide released during the enzymatic oxidation of glucose is used for glucose analysis.
Данный способ также имеет ряд недостатков. Использование реакции окисления пероксида водорода при 0.6 В приводит к появлению систематической погрешности при анализе крови за счет присутствия ряда восстановителей (урат, аскорбат, парацетамол и другие), также окисляющихся при этом потенциале. Кроме того, используется неоптимальный способ иммобилизации фермента - ковалентное связывание с поверхностью электрода - что может приводить к частичной потере активности фермента из-за нарушения его структуры.This method also has several disadvantages. The use of the oxidation reaction of hydrogen peroxide at 0.6 V leads to the appearance of a systematic error in the analysis of blood due to the presence of a number of reducing agents (urate, ascorbate, paracetamol, and others), which are also oxidized at this potential. In addition, a suboptimal method of enzyme immobilization is used - covalent binding to the electrode surface - which can lead to a partial loss of enzyme activity due to disruption of its structure.
Известно также решение [Карякин А.А., Карякина Е.Е., Мокрушина А.В., Андреев Е.А. СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МИКРОБИОСЕНСОРА ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ГЛЮКОЗЫ ИЛИ ЛАКТАТА, RU 2580288], направленное на создание микробиосенсора с использованием двухэлектродной микросистемы, берлинской лазури (БЛ) и иммобилизованных ферментов глюкозооксидазы и лактатоксидазы.It is also known the decision [Karyakin AA, Karyakina EE, Mokrushina AV, Andreev EA. METHOD FOR MANUFACTURING A MICROBIOSENSOR FOR DETERMINING GLUCOSE OR LACTATE, RU 2580288], aimed at creating a microbiosensor using a two-electrode microsystem, Prussian blue (BL) and immobilized enzymes of glucose oxidase and lactate oxidase.
Однако, в данном источнике информации для иммобилизации глюкозооксидазы используется нафион, а γ-аминопропилтриэтоксисилан используется только для иммобилизации лактатаоксидазы. В то же время, несмотря на похожее название и принадлежность к классу оксидоредуктаз, глюкозооксидаза и лактатоксидаза являются принципиально разными ферментами по структуре белковой последовательности (от первичной до четвертичной), структуре активного центра и размеру (лактатоксидаза (ЛОД) в несколько раз больше глюкозооксидазы (ГОД)), кроме того, каждый фермент требует отдельного подбора матрицы для иммобилизации и условий иммобилизации.However, in this source of information, Nafion is used for the immobilization of glucose oxidase, and γ-aminopropyltriethoxysilane is used only for the immobilization of lactate oxidase. At the same time, despite the similar name and belonging to the class of oxidoreductases, glucose oxidase and lactate oxidase are fundamentally different enzymes in terms of the structure of the protein sequence (from primary to quaternary), the structure of the active center and size (lactate oxidase (LOD) is several times larger than glucose oxidase (GOD )), in addition, each enzyme requires a separate selection of a matrix for immobilization and immobilization conditions.
Например, иммобилизация лактатоксидазы в матрицу нафиона не приводит к получению сколько-либо чувствительных биосенсоров. Кроме того, субстраты этих ферментов относятся к разным классам соединений - глюкоза (для глюкозооксидазы) - сахара и лактат (для лактатоксидазы) - гидроксикислоты. Двухэлектродные микросенсоры, упомянутые в источнике, могут быть использованы для имплантации и определения глюкозы или лактата непосредственно в крови, но не в лабораторных проточно-инжекционных установках для анализа большого количества образцов разбавленной крови, в которых легко применимы заявляемые биосенсоры. Кроме того, массовое производство микробиосенсоров затруднительно, а их использование требует специальных, более чувствительных приборов для измерения малых токов и специальной изоляции от внешних электромагнитных шумов, так как, в связи с малой площадью электродов (<2 мм вся система, включая внешнюю изоляцию) требуется измерение очень малых (10-9 - 10-12 А) токов.For example, immobilization of lactate oxidase into the Nafion matrix does not lead to the production of any sensitive biosensors. In addition, the substrates of these enzymes belong to different classes of compounds - glucose (for glucose oxidase) - sugars and lactate (for lactate oxidase) - hydroxy acids. The two-electrode microsensors mentioned in the source can be used for implantation and determination of glucose or lactate directly in blood, but not in laboratory flow-injection installations for analyzing a large number of diluted blood samples, in which the claimed biosensors are easily applicable. In addition, the mass production of microbiosensors is difficult, and their use requires special, more sensitive devices for measuring low currents and special insulation from external electromagnetic noise, since, due to the small area of the electrodes (<2 mm, the entire system, including external insulation) measurement of very small (10 -9 - 10 -12 A) currents.
Наиболее близким к заявляемому является решение, представленное в статье [А. Karyakin, Е.A. Kotel'nikova et. al. Anal. Chem. 74 (2002) 1597], позволяющее с высокой чувствительностью и точностью определять концентрацию глюкозы в различных объектах. Для создания биосенсоров на глюкозу используются стеклоуглеродные электроды, модифицированные электрохимическим способом пленкой берлинской лазури (БЛ), поверх которой нанесена ферментсодержащая мембрана на основе нафиона. Проточно-инжекционная система на основе биосенсора обладает следующими характеристиками: коэффициент чувствительности 50 мА/Мсм2, нижний предел определяемых концентраций 0.1 мкМ. Система позволяет проводить определение глюкозы в разбавленной крови с минимальной пробоподготовкой. Однако использование стеклоуглеродных электродов не подходит для промышленного производства биосенсоров в связи с большими затратами на производство электрода и высокой стоимостью материалов. Кроме того, каждый электрод производится мастером индивидуально, что непригодно для создания сменных блоков для прибора - анализатора глюкозы, в качестве которых в основном используются биосенсоры. Электрохимический способ синтеза БЛ также неудобен для массового производства биосенсоров по причине высоких затрат времени на производство и невозможности автоматизации этого процесса, т.к. каждый сенсор производится индивидуально, в несколько этапов, включая использование прибора, что исключает параллельное производство нескольких сенсоров.The closest to the claimed is the solution presented in the article [A. Karyakin, E.A. Kotel'nikova et. al. Anal. Chem. 74 (2002) 1597], which allows with high sensitivity and precision to determine the concentration of glucose in various objects. To create biosensors for glucose, glassy carbon electrodes are used, electrochemically modified with a film of Prussian blue (BL), on top of which an enzyme-containing membrane based on Nafion is applied. A flow-injection system based on a biosensor has the following characteristics: a sensitivity coefficient of 50 mA / Mcm 2 , a lower limit of detectable concentrations of 0.1 μM. The system allows the determination of glucose in diluted blood with minimal sample preparation. However, the use of glassy carbon electrodes is not suitable for the industrial production of biosensors due to the high costs of producing the electrode and the high cost of materials. In addition, each electrode is made individually by the master, which is unsuitable for creating replaceable units for a device - a glucose analyzer, which are mainly used as biosensors. The electrochemical method for the synthesis of BL is also inconvenient for the mass production of biosensors due to the high time required for production and the impossibility of automating this process, since each sensor is manufactured individually, in several stages, including the use of the device, which excludes the parallel production of several sensors.
Раскрытие изобретенияDisclosure of invention
Технической проблемой заявленного изобретения является необходимость создания экспрессного, точного, высокочувствительного и селективного биосенсора, обеспечивающего возможность проведения анализа крови (определения концентрации глюкозы) в лабораторных условиях.The technical problem of the claimed invention is the need to create an express, accurate, highly sensitive and selective biosensor, providing the ability to conduct a blood test (determination of glucose concentration) in laboratory conditions.
Технический результат, достигаемый при использовании изобретения, заключается в повышении чувствительности заявляемого биосенсора.The technical result achieved with the use of the invention is to increase the sensitivity of the proposed biosensor.
К преимуществом заявляемого биосенсора также можно отнести обеспечение возможности мелкосерийного производства биосенсоров на глюкозу за счет использования технологии печати электродов на листе полиэтилентерефталата (около 350-400 электродов на одну партию, цикл производства 6 часов) и технологии химического осаждения БЛ (до 60 сенсоров за одну партию, цикл производства 2,5 ч.).The advantage of the proposed biosensor can also be attributed to the provision of the possibility of small-scale production of biosensors for glucose by using the technology of printing electrodes on a sheet of polyethylene terephthalate (about 350-400 electrodes per batch,
Технический результат достигается за счет использования геля полиалкоксисилана в качестве мембранообразующего компонента, что обеспечивает улучшение аналитических характеристик биосенсора. Технический результат также достигается за счет увеличения содержания фермента в ферментсодержащей мембране, которое стало возможным вследствие замены мембранообразующего компонента на гель полиалкоксисилана.The technical result is achieved through the use of polyalkoxysilane gel as a membrane-forming component, which improves the analytical characteristics of the biosensor. The technical result is also achieved by increasing the content of the enzyme in the enzyme-containing membrane, which became possible due to the replacement of the membrane-forming component with polyalkoxysilane gel.
Поставленная задача решается тем, что планарный биосенсор для определения глюкозы в жидкой пробе, включает размещенные на подложке хлоридсеребряный электрод сравнения, рабочий и вспомогательный электроды, при этом на рабочий электрод нанесена пленка берлинской лазури и мембрана, выполненная из полиалкоксисилана, включающая в качестве фермента глюкозооксидазу, иммобилизованную внутри слоя мембраны, при этом электрод сравнения расположен на расстоянии 3-5 мм от рабочего электрода с обеспечением возможности задания постоянного нулевого потенциала на рабочем электроде. Площадь вспомогательного электрода заявляемого биосенсора больше площади рабочего электрода, при этом все электроды биосенсора выполнены с возможностью подключения к потенциостату. Мембрана, содержащая фермент, может быть получена методом гидролиза с последующей поликонденсацией из мономера, выбранного из метилтриметоксисилана, винилтриметоксисилана, γ-меркаптопропилметилтриметоксисилана, фенилтриметоксисилана, бензилтриэтоксисилана, толилтриэтоксисилана, γ-глицидилоксипропилтриэтоксисилана, γ-аминопропилтриэтоксисилана. Мембрана также может быть получена посредством включения фермента в гель полиалкоксисилана непосредственно при его образовании из мономера. Такая мембрана содержит - 2-12 мкг глюкозооксидазы и получена из 0,5-2,5 об.% раствора γ-аминопропилтриэтоксисилана в изопропиловом спирте с содержанием воды 15 об.%. Рабочий электрод может быть выполнен радиусом 0,8-1 мм и расположен на расстоянии от электрода сравнения не более 5 мм. Биосенсор может быть изготовлен методом трафаретной печати и может иметь толщину 0,22-0,35 мм.The problem is solved by the fact that a planar biosensor for determining glucose in a liquid sample includes a silver chloride reference electrode, a working and auxiliary electrodes placed on a substrate, while a Prussian blue film and a membrane made of polyalkoxysilane containing glucose oxidase as an enzyme are applied to the working electrode. immobilized inside the membrane layer, while the reference electrode is located at a distance of 3-5 mm from the working electrode with the possibility of setting a constant zero potential on the working electrode. The area of the auxiliary electrode of the claimed biosensor is larger than the area of the working electrode, while all electrodes of the biosensor are made with the ability to connect to a potentiostat. The membrane containing the enzyme can be obtained by hydrolysis followed by polycondensation from a monomer selected from methyltrimethoxysilane, vinyltrimethoxysilane, γ-mercaptopropylmethyltrimethoxysilane, phenyltrimethoxysilane, benzyltriethoxysilane, γ -triethoxypropyl-glythoxysyl The membrane can also be obtained by incorporating the enzyme into the polyalkoxysilane gel directly upon its formation from the monomer. Such a membrane contains - 2-12 μg of glucose oxidase and is obtained from 0.5-2.5 vol. % solution of γ-aminopropyltriethoxysilane in isopropyl alcohol with a water content of 15 vol. %. The working electrode can be made with a radius of 0.8-1 mm and is located at a distance from the reference electrode no more than 5 mm. The biosensor can be screen printed and can have a thickness of 0.22-0.35 mm.
Краткое описание чертежейBrief Description of Drawings
Изобретение поясняется чертежами, гдеThe invention is illustrated by drawings, where
на фиг. 1 представлена схема планарного электрода - основы для изготовления биосенсора на глюкозу,in fig. 1 shows a diagram of a planar electrode - the basis for the manufacture of a biosensor for glucose,
на фиг. 2 представлена схема действия сенсорного материала,in fig. 2 shows a diagram of the action of the sensor material,
на фиг. 3 - представлена диаграмма чувствительности определения глюкозы для рабочего электрода с пленкой, содержащей ГОД, и различными мембранообразующими компонентами (концентрация 0,5 об.% в мембранообразующей смеси),in fig. 3 shows a diagram of the sensitivity of glucose determination for a working electrode with a film containing YEAR and various membrane-forming components (concentration 0.5 vol. % In the membrane-forming mixture),
на фиг. 4 - представлена диаграмма чувствительности определения глюкозы для рабочего электрода с пленкой, содержащей ГОД, и различными концентрациями γ-аминопропилтриэтоксисилана и ГОД в мембранообразующей смеси (3D),in fig. 4 - a diagram of the sensitivity of glucose determination for a working electrode with a film containing GOD and various concentrations of γ-aminopropyltriethoxysilane and GOD in a membrane-forming mixture (3D),
на фиг. 5 - представлена диаграмма чувствительности определения глюкозы для рабочего электрода с пленкой, содержащей ГОД, и различными концентрациями γ-аминопропилтриэтоксисилана и ГОД в мембранообразующей смеси (2D),in fig. 5 - a diagram of the sensitivity of glucose determination for a working electrode with a film containing GOD and various concentrations of γ-aminopropyltriethoxysilane and GOD in the membrane-forming mixture (2D),
на фиг. 6 - представлен пример градуировочной зависимости для заявляемого биосенсора,in fig. 6 - an example of a calibration dependence for the claimed biosensor is presented,
и на фиг. 7 - представлен график проверки правильности показаний биосенсора путем сравнения с аккредитованным прибором (анализатор глюкозы Eco-Basic).and in FIG. 7 shows a graph of checking the correctness of biosensor readings by comparison with an accredited device (Eco-Basic glucose analyzer).
Позициями на фигурах обозначены:Positions in the figures indicate:
1 - подложка,1 - substrate,
2 - вспомогательный электрод,2 - auxiliary electrode,
3 - рабочий электрод,3 - working electrode,
4 - электрод сравнения,4 - reference electrode,
5 - фотоотверждаемый изолятор, разделяющий электроды,5 - photocurable insulator separating the electrodes,
6 - контакты,6 - contacts,
7 - мембрана на основе геля полиалкоксисилана, содержащая фермент ГОД,7 - membrane based on polyalkoxysilane gel containing the enzyme YEAR,
8 - пленка берлинской лазури (БЛ),8 - film of Prussian blue (BL),
9 - поверхность рабочего электрода,9 - surface of the working electrode,
10 - Метилтриметоксисилан,10 - Methyltrimethoxysilane,
11 - Винилтриметоксисилан,11 - Vinyltrimethoxysilane,
12 - Фенилтриметоксисилан,12 - Phenyltrimethoxysilane,
13 - (γ-меркаптопропил) триметоксисилан,13 - (γ-mercaptopropyl) trimethoxysilane,
14 - Бензилтриэтоксисилан,14 - Benzyltriethoxysilane,
15 - Толилтриэтоксисилан,15 - Tolyltriethoxysilane,
16 - (γ-аминопропил) триэтоксисилан,16 - (γ-aminopropyl) triethoxysilane,
17 - (γ-глицидилоксипропил) триэтоксисилан17 - (γ-glycidyloxypropyl) triethoxysilane
18 - нафион.18 - nafion.
Осуществление изобретенияImplementation of the invention
Заявляемый биосенсор включает электрод сравнения, вспомогательный электрод и рабочий электрод, модифицированный сенсорным покрытием, позволяющим селективно определять целевой аналит - глюкозу (схема трехэлектродной печатной структуры, на основе которой создан биосенсор, изображена на фиг. 1). Сенсорное покрытие включает пленку электрокатализатора восстановления пероксида водорода (БЛ) и биораспознающий элемент (мембрану геля полиалкоксисиланов, содержащую фермент - ГОД) (схема сенсорного покрытия и принцип его действия изображены на фиг. 2).The inventive biosensor includes a reference electrode, an auxiliary electrode and a working electrode modified with a sensor coating that allows selective determination of the target analyte - glucose (a diagram of a three-electrode printed structure on the basis of which the biosensor is created is shown in Fig. 1). The sensor coating includes a film of an electrocatalyst for the reduction of hydrogen peroxide (BL) and a biorecognition element (a polyalkoxysilane gel membrane containing an enzyme - YEAR) (the scheme of the sensor coating and its principle of operation are shown in Fig. 2).
На рабочий электрод последовательно нанесены пленка БЛ и мембрана на основе геля полиалкоксисилана, содержащая фермент - ГОД для получения сенсорного покрытия для определения глюкозы. Сплошная однородная пленка БЛ толщиной 60-80 нм нанесена по методике [Borisova A.V., Karyakina Е.Е., Cosnier S., Karyakin A.A. // Electroanalysis. 2009. Vol. 21 P. 409]. Мембрана, содержащая фермент - ГОД, получена из мембранообразующей смеси с концентрацией γ-аминопропилтриэтоксисилана 0,5-2,5 об.% (фиг. 5, 6), или ряда других алкоксисиланов (метилтриметоксисилана, винилтриметоксисилана, γ-меркаптопропилметилтриметоксисилана, фенилтриметоксисилана, бензилтриэтоксисилана, толилтриэтоксисилана, γ-глицидилоксипропилтриэтоксисилана) с концентрацией 0,5 об.% (фиг. 3) ГОД - 1-6 мг/мл и воды - 15 об.% в изопропиловом спирте (фиг. 5, 6), по методике, которая заключается в смешивании раствора мономера алкоксисилана в изопропиловом спирте и водного раствора фермента с последующим нанесением на поверхность электрода и высушиванием при температуре 4°С в течение 12 ч. При этом происходит катализируемая ферментом реакция гидролиза и поликонденсации мономера алкоксисилана и образуется гель полиалкоксисилана с включенными внутрь него молекулами фермента, удерживаемыми в пленке. Эффект повышения чувствительности биосенсора при использовании геля полиалкоксисилана может достигаться за счет создания более благоприятной среды для фермента в такой матрице, благодаря чему он демонстрирует большую активность.A BL film and a membrane based on polyalkoxysilane gel, containing an enzyme - YEAR, are sequentially applied to the working electrode to obtain a sensor coating for glucose determination. Continuous homogeneous BL film 60-80 nm thick was applied according to the method [Borisova AV, Karyakina EE, Cosnier S., Karyakin AA // Electroanalysis. 2009. Vol. 21 P. 409]. The membrane containing the enzyme - YEAR, is obtained from a membrane-forming mixture with a concentration of γ-aminopropyltriethoxysilane of 0.5-2.5 vol. % (Fig. 5, 6), or a number of other alkoxysilanes (methyltrimethoxysilane, vinyltrimethoxysilane, γ-mercaptopropylmethyltrimethoxysilane, phenyltrimethoxysilane, benzyltriethoxysilane, tolyltriethoxysilane, γ-glycidyloxypropyl . % (Fig. 3) YEAR - 1-6 mg / ml and water - 15 vol. % in isopropyl alcohol (Fig. 5, 6), according to the technique, which consists in mixing a solution of alkoxysilane monomer in isopropyl alcohol and an aqueous solution of the enzyme, followed by application to the electrode surface and drying at 4 ° C for 12 hours. the enzyme-catalyzed reaction of hydrolysis and polycondensation of the alkoxysilane monomer and a polyalkoxysilane gel is formed with the enzyme molecules incorporated inside it and retained in the film. The effect of increasing the sensitivity of the biosensor when using polyalkoxysilane gel can be achieved by creating a more favorable environment for the enzyme in such a matrix, due to which it exhibits greater activity.
Электрод сравнения расположен на расстоянии не более 5 мм от рабочего электрода с обеспечением возможности задания постоянного нулевого потенциала на рабочем электроде.The reference electrode is located at a distance of no more than 5 mm from the working electrode with the provision of the possibility of setting a constant zero potential on the working electrode.
Вспомогательный электрод имеет площадь, превышающую площадь рабочего электрода, для уменьшения влияния процессов, протекающих на вспомогательном электроде, на измеряемый сигнал.The auxiliary electrode has an area larger than the area of the working electrode in order to reduce the influence of the processes taking place on the auxiliary electrode on the measured signal.
Все электроды выполнены с возможностью подключения к потенциостату.All electrodes are designed to be connected to a potentiostat.
Толщина биосенсора составляет 0,22-0,35 мм. Такая толщина обеспечивает достаточную механическую прочность полученных сенсоров, не приводя к их излишней громоздкости; при этом материал подложки не является хрупким и его невозможно расколоть (в отличие от используемой в некоторых аналогах керамики).The biosensor thickness is 0.22-0.35 mm. This thickness provides sufficient mechanical strength of the obtained sensors without leading to their excessive bulkiness; at the same time, the substrate material is not brittle and it is impossible to split it (in contrast to the ceramics used in some analogs).
Для определения глюкозы используется биосенсор на основе трехэлектродной печатной системы (ТПС) (фиг. 1). ТПС изготавливается методом трафаретной печати на пластиковой подложке из полиэтилентерефталата (ПЭТФ). Изготовление печатной системы включает несколько этапов: на пластиковую подложку наносят слой серебросодержащей пасты, служащей в качестве токопроводящих контактов, а также материала электрода сравнения; далее наносят слой углеродной пасты, служащей материалом вспомогательного и рабочего электродов, затем наносят слой фотоотверждаемого изолятора, отделяющего рабочий электрод от электрода сравнения и вспомогательного электрода и закрывающего токопроводящие контакты от соприкосновения с раствором в ячейке. Способ изготовления сенсорного покрытия биосенсора включает химическую модификацию поверхности рабочего электрода пленкой БЛ с последующей иммобилизацией фермента ГОД в мембрану на поверхности модифицированного электрода. Мембрана состоит из геля полиалкоксисилана с включенным в него ферментом - ГОД. Принцип действия сенсорного покрытия основан на селективном электрокаталитическом восстановлении пероксида водорода, выделяющегося в процессе катализируемой ферментом реакции, на поверхности электрода с нанесенной пленкой БЛ (фиг. 2). Мембрана, содержащая фермент - ГОД, получена путем нанесения капли мембранообразующей смеси, содержащей алкоксисилан с концентрацией 0,5-2,5 об.%, ГОД - 1-6 мг/мл и воду - 15 об.% в изопропиловом спирте (фиг. 4), на поверхность рабочего электрода с последующим высушиванием при температуре 4°С в течение 1 часа.To determine glucose, a biosensor based on a three-electrode printing system (TPN) is used (Fig. 1). TPR is made by screen printing on a plastic substrate made of polyethylene terephthalate (PET). Manufacturing of the printing system includes several stages: a layer of silver-containing paste is applied to the plastic substrate, which serves as conductive contacts, as well as the material of the reference electrode; then a layer of carbon paste is applied, which serves as the material of the auxiliary and working electrodes, then a layer of photocurable insulator is applied, which separates the working electrode from the reference electrode and the auxiliary electrode and closes the current-carrying contacts from contact with the solution in the cell. A method for manufacturing a biosensor sensor coating includes chemical modification of the surface of the working electrode with a BL film followed by immobilization of the GOD enzyme into a membrane on the surface of the modified electrode. The membrane consists of a polyalkoxysilane gel with an enzyme included in it - YEAR. The principle of operation of the sensor coating is based on the selective electrocatalytic reduction of hydrogen peroxide, released during the enzyme-catalyzed reaction, on the surface of the electrode with the applied BL film (Fig. 2). The membrane containing the enzyme - YEAR, is obtained by applying a drop of a membrane-forming mixture containing alkoxysilane with a concentration of 0.5-2.5 vol. %, YEAR - 1-6 mg / ml and water - 15 vol. % in isopropyl alcohol (Fig. 4), on the surface of the working electrode, followed by drying at 4 ° C for 1 hour.
Аналитический сигнал биосенсора регистрируется методом амперометрии при приложении потенциала 0 В (относительно хлорид-серебряного электрода сравнения, в дальнейшем - ХСЭ) по увеличению тока в присутствии аналита - глюкозы.The analytical signal of the biosensor is recorded by the amperometry method when a potential of 0 V is applied (relative to the silver chloride reference electrode, hereinafter referred to as CSE) to increase the current in the presence of the analyte - glucose.
Определение концентраций глюкозы заявляемым биосенсором осуществляется следующим образом:Determination of glucose concentrations by the claimed biosensor is carried out as follows:
• На первом этапе через электроаналитическую систему, включающую заявляемый биосенсор, пропускают фоновый буферный раствор (50 мМ КН2РО4/К2НРО4, 0,1 М KCl, рН 6.0), одновременно измеряя ток на рабочем электроде при потенциале 0 мВ относительно внутреннего хлорид-серебряного электрода сравнения. Данный этап заканчивается установлением постоянного фонового тока на рабочем электроде.• At the first stage, a background buffer solution (50 mM KH 2 PO 4 / K 2 NRO 4 , 0.1 M KCl, pH 6.0) is passed through the electroanalytical system, which includes the proposed biosensor, while simultaneously measuring the current at the working electrode at a potential of 0 mV relative to internal silver chloride reference electrode. This stage ends with the establishment of a constant background current at the working electrode.
• На втором этапе в петлю инжектора (в закрытом положении) вводят анализируемый раствор (объем петли инжектора 50 мкл, объем образца - 300 мкл, избыток образца выливается через слив петли). После этого инжектор устанавливают в открытое положение и часть введенного образца из петли (50 мкл) по системе шлангов поступает в проточно-инжекционную ячейку. При этом потенциостат измеряет изменение катодного тока на рабочем электроде, выражающееся в появлении пиков на экспериментальной кривой зависимости тока от времени. Высота пиков пропорциональна концентрации аналита в исследуемом растворе. После измерения образец вымывается из ячейки фоновым буферным раствором через слив ячейки.• At the second stage, the analyzed solution is injected into the injector loop (in the closed position) (the volume of the injector loop is 50 µl, the sample volume is 300 µl, the excess sample is poured out through the loop drain). After that, the injector is set in the open position, and a part of the injected sample from the loop (50 μL) enters the flow-injection cell through the hose system. In this case, the potentiostat measures the change in the cathodic current at the working electrode, which is expressed in the appearance of peaks on the experimental curve of the current versus time. The height of the peaks is proportional to the concentration of the analyte in the test solution. After measurement, the sample is washed out of the cell with the background buffer solution through the cell drain.
• Этапы 1 и 2 повторяют для ряда модельных растворов с концентрациями аналитов 1 мкМ - 1 мМ. Каждую концентрацию необходимо определить, по меньшей мере, три раза. По результатам измерений строится градуировочная зависимость. Далее в качестве анализируемого раствора используют образцы крови (разбавленные фоновым буферным раствором в 100 раз). Концентрацию глюкозы в образцах крови находят по построенной ранее градуировочной зависимости.•
Сенсорные материалы и биосенсор на их основе позволяют селективно различать сигнал, обусловленный присутствием глюкозы в образце крови на фоне всех прочих компонентов образца. Коэффициент чувствительности биосенсора составляет более 200 мА⋅М-1⋅см-2 (фиг. 6) при определении глюкозы; диапазон определяемых содержаний (ДОС) - от 5 до 1000 мкМ. Биосенсор обладает высокой воспроизводимостью (систематическая погрешность не превышает 3%), операционной стабильностью (свыше 50 измерений без необходимости перекалибровки при определении концентрации глюкозы). ДОС биосенсора полностью перекрывает диапазон физиологических концентраций глюкозы в крови как в норме, так и в патологии. Объем пробы крови, необходимый для измерений, составляет всего 10 мкл, что в 2 раза меньше, чем для аналогов. Время анализа для биосенсора не превышает одной минуты.Sensor materials and a biosensor based on them make it possible to selectively distinguish the signal caused by the presence of glucose in a blood sample against the background of all other components of the sample. The sensitivity coefficient of the biosensor is more than 200 mA⋅M -1 ⋅cm -2 (Fig. 6) when determining glucose; the range of determined contents (DOS) is from 5 to 1000 μM. The biosensor has high reproducibility (systematic error does not exceed 3%), operational stability (over 50 measurements without the need for recalibration when determining glucose concentration). The DOS of the biosensor completely overlaps the range of physiological concentrations of glucose in the blood both in normal conditions and in pathology. The volume of a blood sample required for measurements is only 10 μl, which is 2 times less than for analogs. The analysis time for a biosensor does not exceed one minute.
Пример 1. Создание ферментсодержащих мембран на основе различных полиалкоксисиланов проводили путем смешения раствора полиалкоксисилана в изопропиловом спирте (0,5 об.% в конечной смеси) и водного раствора ГОД (1,5 мг/мл в конечной смеси), содержание воды в конечной смеси составляло 15 об.%, так как такое содержание воды в водно-органических смесях обеспечивает наилучшее сохранение активности ГОД. О качестве полученных мембран судили по величине коэффициента чувствительности биосенсоров на основе таких мембран, измеренного как тангенс угла наклона зависимости отклика биосенсора (в мА⋅см-2) от концентрации модельного раствора глюкозы, на которую получен данный отклик (в М). Данные эксперимента для биосенсоров с мембранами на основе полиметилтриметоксисилана, поливинилтриметоксисилана, поли-γ-меркаптопропилметилтриметоксисилана, поли-γ-глицидилоксипропилтриэтоксисилана, полифенилтриметоксисилана, полибензилтриэтоксисилана, и политолилтриэтоксисилана представлены на фиг. 3, для сравнения приведены данные, полученные для биосенсора с мембраной на основе нафион (прототип) в аналогичных условиях. Наилучшей чувствительностью обладали биосенсоры с мембраной на основе поли-γ-аминопропилтриэтоксисилана, для которого был проведен дополнительный подбор содержания различных компонентов мембраны (фиг. 4, 5) и показана возможность дальнейшего увеличения чувствительности при увеличении количества ГОД в мембране, возможное за счет большей емкости мембраны на основе полиалкоксисилана по сравнению с нафионом (для которого увеличение количества фермента в мембране невозможно). Пример зависимости отклика биосенсора с мембраной на основе поли-γ-аминопропилтриэтоксисилана от концентрации модельных растворов глюкозы (градуировочного графика) приведен на фиг. 6. Чувствительность такого биосенсора превышает 200 мА⋅М-1⋅см-2, что значительно выше прототипа (40-50 мА⋅М-1⋅см-2).Example 1. The creation of enzyme-containing membranes based on various polyalkoxysilanes was carried out by mixing a solution of polyalkoxysilane in isopropyl alcohol (0.5 vol % in the final mixture) and an aqueous solution of YEAR (1.5 mg / ml in the final mixture), the water content in the final mixture was 15 vol. %, since such a water content in water-organic mixtures provides the best retention of activity YEAR. The quality of the obtained membranes was judged by the value of the sensitivity coefficient of biosensors based on such membranes, measured as the slope of the dependence of the biosensor response (in mA cm -2 ) on the concentration of the model glucose solution to which this response was obtained (in M). Experimental data for biosensors with membranes based on polymethyltrimethoxysilane, polyvinyltrimethoxysilane, poly-γ-mercaptopropylmethyltrimethoxysilane, poly-γ-glycidyloxypropyltriethoxysilane, polyphenyltrimethoxysilane, polybenzyltriethoxysilane, are presented on fig. 3, for comparison, the data obtained for a biosensor with a membrane based on Nafion (prototype) under similar conditions are shown. The best sensitivity was possessed by biosensors with a membrane based on poly-γ-aminopropyltriethoxysilane, for which an additional selection of the content of various membrane components was carried out (Fig. 4, 5) and the possibility of a further increase in sensitivity with an increase in the amount of YEAR in the membrane was shown, which is possible due to the larger membrane capacity based on polyalkoxysilane compared to Nafion (for which an increase in the amount of enzyme in the membrane is impossible). An example of the dependence of the response of a biosensor with a membrane based on poly-γ-aminopropyltriethoxysilane on the concentration of model glucose solutions (calibration graph) is shown in Fig. 6. The sensitivity of such a biosensor exceeds 200 mA⋅M -1 ⋅cm -2 , which is much higher than the prototype (40-50 mA⋅M -1 ⋅cm -2 ).
Пример 2. Проведена проверка правильности работы биосенсора на основе мембраны, содержавшей 1,5 об.% γ-аминопропилтриэтоксисилана и 4 мг/мл ГОД в мембранообразующей смеси, путем анализа стандартизованных образцов сыворотки крови с известной концентрацией глюкозы с нормальным (Spintpol Н Normal) и патологическим (Spintrol Н Pathologic) содержанием, произведенными компанией Spinreact (Испания).Example 2. The correct operation of a biosensor based on a membrane containing 1.5 vol.% Γ-aminopropyltriethoxysilane and 4 mg / ml YEAR in a membrane-forming mixture was checked by analyzing standardized blood serum samples with a known concentration of glucose with normal (Spintpol H Normal) and pathological (Spintrol H Pathologic) content produced by Spinreact (Spain).
После измерения серии откликов на образцы проводили измерение отклика на модельные растворы аналита, при этом изменения откликов на модельные растворы после измерения образцов замечено не было. Данные по определенным концентрациям глюкозы и лактата представлены в табл. 1. Они не отличались от данных, представленных в паспорте образцов. Таким образом, разработанный биосенсор может быть использован для анализа образцов разбавленной крови.After measuring a series of responses to the samples, the response to the model solutions of the analyte was measured, while no change in the responses to the model solutions after the measurement of the samples was noticed. Data on certain concentrations of glucose and lactate are presented in table. 1. They did not differ from the data presented in the passport of samples. Thus, the developed biosensor can be used to analyze diluted blood samples.
Данные, полученные при использовании заявляемого биосенсора (представленные во втором столбце), совпадают как с данными, полученными при помощи анализатора глюкозы Eco-Basic (Care Diagnostica, Германия), широко используемом в клинических лабораториях для анализа крови (представленных во втором столбце), так и с данными по содержанию определяемого компонента, приведенными в паспорте стандартных образцов.The data obtained using the proposed biosensor (presented in the second column) coincide both with the data obtained using the Eco-Basic glucose analyzer (Care Diagnostica, Germany), which is widely used in clinical laboratories for blood analysis (presented in the second column), as well as and with data on the content of the determined component given in the certificate of reference materials.
Пример 3. При помощи биосенсора определена концентрация глюкозы в разбавленных образцах крови доноров (фиг. 7). Процедура пробоподготовки сводилась к разбавлению образцов крови в 100 раз фоновым буферным раствором.Example 3. Using a biosensor, the concentration of glucose in diluted blood samples from donors was determined (Fig. 7). The sample preparation procedure was reduced to diluting blood samples by a factor of 100 with the background buffer solution.
Полученные результаты хорошо согласуются с результатами, полученными методом сравнения (анализатор глюкозы Eco-Basic), коэффициент корреляции Пирсона составил 0,95.The results obtained are in good agreement with the results obtained by the comparison method (Eco-Basic glucose analyzer), the Pearson correlation coefficient was 0.95.
Таким образом, заявленный технический результат изобретения, заключающийся в обеспечении повышения чувствительности биосенсора достигается (в частности, коэффициент чувствительности увеличен относительно прототипа в 4,5 раза), а также, как следствие, достигается повышение точности анализа крови с использованием заявляемого биосенсора в составе электроаналитической системы, за счет исключения систематической погрешности, которая, как правило, присутствует при измерении известными анализаторами. Кроме того, становится возможным использование мелкосерийного производства биосенсоров на глюкозу.Thus, the claimed technical result of the invention, which consists in ensuring an increase in the sensitivity of the biosensor, is achieved (in particular, the sensitivity coefficient is increased by a factor of 4.5 relative to the prototype), and, as a consequence, an increase in the accuracy of blood analysis is achieved using the proposed biosensor as part of an electroanalytical system , due to the elimination of systematic error, which, as a rule, is present when measuring by known analyzers. In addition, it becomes possible to use small-scale production of biosensors for glucose.
Claims (8)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2019107705A RU2731411C1 (en) | 2019-03-18 | 2019-03-18 | Biosensor with high sensitivity factor |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2019107705A RU2731411C1 (en) | 2019-03-18 | 2019-03-18 | Biosensor with high sensitivity factor |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2731411C1 true RU2731411C1 (en) | 2020-09-02 |
Family
ID=72421631
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2019107705A RU2731411C1 (en) | 2019-03-18 | 2019-03-18 | Biosensor with high sensitivity factor |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2731411C1 (en) |
Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2267120C2 (en) * | 2000-07-14 | 2005-12-27 | Лайфскен, Инк. | Electrochemical mode of measuring of speed of chemical reactions |
-
2019
- 2019-03-18 RU RU2019107705A patent/RU2731411C1/en active
Patent Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2267120C2 (en) * | 2000-07-14 | 2005-12-27 | Лайфскен, Инк. | Electrochemical mode of measuring of speed of chemical reactions |
Non-Patent Citations (2)
Title |
---|
Карякина Е.Е., Карякин А.А., "Биосенсорные системы для анализа качества продуктов питания на основе электродов, модифицированных наноразмерными пленками Берлинской лазури", 2007, аннотация к отчету по проекту РФФИ-06-03-33013. * |
М.М. Прибиль "Высокоэффективные лактатные биосенсоры на основе инженерии иммобилизованной лактатоксидазы", Москва-2015, с.22, рис.12. * |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Rezaei et al. | Electrochemical detection techniques in biosensor applications | |
EP0255291B1 (en) | Method and apparatus for electrochemical measurements | |
JP3387926B2 (en) | Potentiometric biosensor and method of using the same | |
CN101849180B (en) | Multizone analyte testing sensor | |
Soldatkin et al. | Creatinine sensitive biosensor based on ISFETs and creatinine deiminase immobilised in BSA membrane | |
CN101529237B (en) | Method for measuring hematocrit value of blood sample, method for measuring concentration of analyte in blood sample, sensor chip and sensor unit | |
Qu et al. | A micro-potentiometric hemoglobin immunosensor based on electropolymerized polypyrrole–gold nanoparticles composite | |
BR112019016912A2 (en) | analyte detector to detect at least one analyte in at least one fluid sample, method for detecting at least one analyte in at least one fluid sample and use | |
US20100089774A1 (en) | Non-enzymatic electrochemical method for simultaneous determination of total hemoglobin and glycated hemoglobin | |
JPH05503580A (en) | Polarographic chemical sensor with external reference electrode | |
CN101529236A (en) | Method for measuring hematocrit value of blood sample, method for measuring concentration of analyte in blood sample, sensor chip and sensor unit | |
JP5139538B2 (en) | Potential difference sensor chip, potential difference measuring method, and measurement kit | |
US11307162B2 (en) | Highly sensitive biomarker biosensors based on organic electrochemical transistors | |
CN105784814A (en) | Sensor based on concentration cell principle | |
CN2748912Y (en) | Disposable electrode type blood sugar test bar | |
RU2731411C1 (en) | Biosensor with high sensitivity factor | |
US20210255134A1 (en) | Biosensor and method for producing same | |
JPS6375655A (en) | Enzyme electrode apparatus | |
JPH04279854A (en) | Platinum coated carbon fiber electrode and enzymatic film sensor using same | |
RU2696499C1 (en) | Biosensor for simultaneous glucose and blood lactate determination | |
Lewenstam | Clinical analysis of blood gases and electrolytes by ion-selective sensors | |
Eppelsheim et al. | Potentiometric thick-film sensor for the determination of the neurotransmitter acetylcholine | |
Vokhmyanina et al. | Prussian Blue-Based Thin-Layer Flow-Injection Multibiosensor for Simultaneous Determination of Glucose and Lactate | |
D’Orazio | Electrochemical sensors: a review of techniques and applications in point of care testing | |
EP4414700A1 (en) | A method of determining hydrogen peroxide with a multiplex electrochemical sensor |