Влияние дополнительных положительно заряженных полимерных мембран на аналитические характеристики кондуктометрических глюкозных биосенсоров

Проведено сравнение рабочих характеристик кондуктометрических глюкозных энзимосенсоров, модифицированных и не модифицированных дополнительной положительно заряженной полимерной мембраной. Использование такой дополнительной мембраны приводит к существенному расширению динамического диапазона работы с...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	1998
Автор:	Архипова, В.Н.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Інститут молекулярної біології і генетики НАН України 1998
Назва видання:	Биополимеры и клетка
Теми:	Методы
Онлайн доступ:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/155387
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Влияние дополнительных положительно заряженных полимерных мембран на аналитические характеристики кондуктометрических глюкозных биосенсоров / В.Н. Архипова // Биополимеры и клетка. — 1998. — Т. 14, № 3. — С. 242-245. — Бібліогр.: 8 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-155387
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-1553872019-06-17T01:29:07Z Влияние дополнительных положительно заряженных полимерных мембран на аналитические характеристики кондуктометрических глюкозных биосенсоров Архипова, В.Н. Методы Проведено сравнение рабочих характеристик кондуктометрических глюкозных энзимосенсоров, модифицированных и не модифицированных дополнительной положительно заряженной полимерной мембраной. Использование такой дополнительной мембраны приводит к существенному расширению динамического диапазона работы сенсора и увеличению его чувствительности. Изучено влияние буферной емкости и ионной силы анализируемой среды на величины откликов обоих типов сенсоров. Также были исследованы операционная стабильность работы полученных биосенсоров и воспроизводимость их измерений. У роботі порівняно робочі характеристик кондуктометричних глюкозних ензимосенсорів, модифікованих та не модифікованих додатковою позитивно зарядженою полімерною мембраною. Використання такої додаткової мембрани призводить до значного розширення динамічного діапазону роботи сенсора, та підвшцення його чутливості. Вивчено вплив буферної ємності та іонної сили тa величину відгуку сенсорів з додатковою мембраною та без неї. Також досліджено операційну стабільність роботи отриманих біосенсорів та відтворюваність їхніх вимірів. The working characteristics of conductometric glucose enzyme-based sensors with and without additional positively charged polymer membrane have been compared. The use of this additional membrane resulted in substantial extention of the sensor dynamic range and increasing of Us sensitivity. The influence of buffer capacity and ionic strength on the biosensor response was examined for the sensors with and without additional membrane. Also operational stability of created sensors and reproducibility of measurements were studied. 1998 Article Влияние дополнительных положительно заряженных полимерных мембран на аналитические характеристики кондуктометрических глюкозных биосенсоров / В.Н. Архипова // Биополимеры и клетка. — 1998. — Т. 14, № 3. — С. 242-245. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. 0233-7657 DOI: http://dx.doi.org/10.7124/bc.0004D4 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/155387 ru Биополимеры и клетка Інститут молекулярної біології і генетики НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Методы Методы
spellingShingle	Методы Методы Архипова, В.Н. Влияние дополнительных положительно заряженных полимерных мембран на аналитические характеристики кондуктометрических глюкозных биосенсоров Биополимеры и клетка
description	Проведено сравнение рабочих характеристик кондуктометрических глюкозных энзимосенсоров, модифицированных и не модифицированных дополнительной положительно заряженной полимерной мембраной. Использование такой дополнительной мембраны приводит к существенному расширению динамического диапазона работы сенсора и увеличению его чувствительности. Изучено влияние буферной емкости и ионной силы анализируемой среды на величины откликов обоих типов сенсоров. Также были исследованы операционная стабильность работы полученных биосенсоров и воспроизводимость их измерений.
format	Article
author	Архипова, В.Н.
author_facet	Архипова, В.Н.
author_sort	Архипова, В.Н.
title	Влияние дополнительных положительно заряженных полимерных мембран на аналитические характеристики кондуктометрических глюкозных биосенсоров
title_short	Влияние дополнительных положительно заряженных полимерных мембран на аналитические характеристики кондуктометрических глюкозных биосенсоров
title_full	Влияние дополнительных положительно заряженных полимерных мембран на аналитические характеристики кондуктометрических глюкозных биосенсоров
title_fullStr	Влияние дополнительных положительно заряженных полимерных мембран на аналитические характеристики кондуктометрических глюкозных биосенсоров
title_full_unstemmed	Влияние дополнительных положительно заряженных полимерных мембран на аналитические характеристики кондуктометрических глюкозных биосенсоров
title_sort	влияние дополнительных положительно заряженных полимерных мембран на аналитические характеристики кондуктометрических глюкозных биосенсоров
publisher	Інститут молекулярної біології і генетики НАН України
publishDate	1998
topic_facet	Методы
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/155387
citation_txt	Влияние дополнительных положительно заряженных полимерных мембран на аналитические характеристики кондуктометрических глюкозных биосенсоров / В.Н. Архипова // Биополимеры и клетка. — 1998. — Т. 14, № 3. — С. 242-245. — Бібліогр.: 8 назв. — рос.
series	Биополимеры и клетка
work_keys_str_mv	AT arhipovavn vliâniedopolnitelʹnyhpoložitelʹnozarâžennyhpolimernyhmembrannaanalitičeskieharakteristikikonduktometričeskihglûkoznyhbiosensorov
first_indexed	2025-07-14T07:34:00Z
last_indexed	2025-07-14T07:34:00Z
_version_	1837606833951342592
fulltext	I S S N 0233-7657. Биополимеры и клетка. 1998. Т. 14. № 3 МЕТОДЫ Влияние дополнительных положительно заряженных полимерных мембран на аналитические характеристики кондуктометрических глюкозных биосенсоров В. Н. Архипова Институт молекулярной биологии и генетики НАН Украины 252143, Киев, ул. Академика 'Заболотного, 150 Проведено сравнение рабочих характеристик кондуктометрических глюкозных энзимосенсоров, модифицированных и не модифицированных дополнительной положительно заряженной полимер ной мембраной. Использование такой дополнительной мембраны приводит к существенному расширению динамического диапазона работы сенсора и увеличению его чувствительности. Изучено влияние буферной емкости и ионной силы анализируемой среды на величины откликов обоих типов сенсоров. Также были исследованы операционная стабильность работы полученных биосенсоров и воспроизводимость их измерений. Введение, Среди биосенсоров, разработанных на сегодняшний день, доминирующее положение за нимают датчики для определения глюкозы, так как именно глюкоза является одним из главных мета болитов, который чаще всего определяется в биоло гических средах, а именно: при диагностике сахар ного диабета [1]. У здоровых людей уровень глю козы в крови составляет 3—5 мМ. Заболевание сахарным диабетом в большинстве случаев возни кает в результате недостаточности инсулярного аппарата поджелудочной железы (/^-клеток, проду цирующих инсулин), что сопровождается повыше нием уровня сахара в крови и наличием его в моче, Лечение больных диабетом в зависимости от тяже сти заболевания назначают, основываясь на дан ных анализа уровня глюкозы в крови. Контроль должен осуществляться достаточно часто. Поэтому проблема создания биосенсора для точного, надеж ного и быстрого определения количества глюкозы в крови имеет большое значение в современной ме дицинской диагностике. Широкое использование глюкозных биосенсо ров на практике лимитировано рядом их недостат- © В Н. А Р Х И П О В А , 1998 ков. В некоторых случаях — это недостаточно вы сокая чувствительность и стабильность сенсоров, но чаще — узкий линейный диапазон определяемых концентраций. Рабочие характеристики известных потенциометрических и кондуктометрических био сенсоров также очень сильно зависят от условий среды (ионной силы, буферной емкости и рН), что постоянно необходимо учитывать при проведении анализа [2 ]. Цель данной работы состояла в изучении дей ствия положительно заряженных дополнительных мембран на основные аналитические характеристи ки кондуктометрического ферментного биосенсо ра — линейный динамический диапазон работы, чувствительность и влияние факторов среды на величину его отклика. Материалы и методы. В работе использовали глюкозооксидазу (ГОД) из Penicillium vitale (КФ 1.1.3.4, Косарский спиртзавод Черкасского произ водственного объединения спиртовой промышлен ности) с активностью 168 ед. акт/мг; бычий сыво роточный альбумин (БСА) фирмы «Boehringer Mannheim* (ФРГ, Франция); 25 %-й раствор глю- тарового альдегида (ГА) фирмы «Serva» (ФРГ); глюкозу фирмы «Sigma» (США, Франция); poly(4- 242 В Л И Я Н И Е Д О П О Л Н И Т Е Л Ь Н Ы Х МЕМБРАН НА Г Л Ю К О З Н Ы Е Б И О С Е Н С О Р Ы vinylpyridine-co-styrene) (продукт № 19 207-4 фир мы «Aldrich Chem. Со», США) (PVCS). Для приготовления буферною раствора ис пользовали Tris фирмы «Reanal» (Венгрия). Другие реактивы были отечественного и импортного про изводства с квалификацией «ос. ч.» и «х. ч.». Кондуктометрические преобразователи пред ставляли собой подложку размером 30 х 5 мм, на которой размещены две пары одинаковых тонко пленочных гребенчатых электродов, полученных вакуумным напылением [3 ]. Для образования биоматрицы готовили раствор фермента и БСА в 20 мМ калий-фосфатном буфе ре, рН 7,4, с конечными концентрациями 50 мг/мл и смешивали в соотношении 1:1 соответственно. В раствор смеси ГОД — БСА добавляли глицерин до конечной концентрации 10 % для стабилизации фермента при иммобилизации, предотвращения преждевременного высыхания раствора и улучше ния адгезии мембраны к поверхности преобразова теля. На поверхность одной пары электродов наноси ли каплю смеси ГОД — БСА, на поверхность дру гой пары — 10 %-й раствор БСА в 20 мМ калий- фосфатном буфере, рН 7,4, содержащий 10 %-й глицерин (эта пара была датчиком сравнения). Для полимеризации мембран датчики помещали в ат мосферу насыщенных паров ГА на 30 мин, а потом подсушивали на воздухе в течение 20—30 мин [4., 5] . Для формировани5і дополнительного заряжен ного полимерного слоя брали 1—2 мкл 0,5 %-го раствора PVCS в этаноле, наносили поверх фер- ментсодержащей и референтной мембран и подсу шивали на воздухе. Перед работой сенсоры вымачивали некоторое время в буферном растворе до получения стабиль ного сигнала. Измерения концентраций глюкозы проводили в модельных буферных растворах при комнатной температуре в открытом объеме при интенсивном перемешивании. Концентрацию глю козы изменяли, добавляя определенные аликвоты концентрированного раствора. В работе использо вали оригинальную кондуктометрическую установ ку, величины откликов сенсора измеряли в стаци онарном режиме [3 \|. Результаты и обсуждение. В основе работы кондуктометрического биосенсора для определения глюкозы лежит регистрация изменения проводимо сти в ферментсодержаїцей мембране за счет изме нения концентрации протонов в результате диссо циации глюконовой кислоты, образующейся при окислении глюкозы с помощью ГОД по схеме: ГОД /^-D-глюкоза + 0 2 + Н 2 0 -> -» ГОД -» -» D-глюконо-б-лактон + Н 2 0 2 I глюконовая кислота II остаток глюконовой кислоты + Н \ На рис 1 представлены калибровочные кривые для кондуктометрических глюкозных биосенсоров без дополнительной мембраны и с дополнительны ми PVCS-слоями различной толщины. Видно, что сенсор без дополнительной мембраны имеет узкий динамический диапазон работы (до 1,5 мМ глюко зы) (кривая Л . Причиной ограниченного динами ческого диапазона глюкозного сенсора является лимитирование биокаталитического окисления глюкозы недостатком кислорода в реакционной среде [6, 7 ]. При использовании дополнительной мембраны происходит некоторое ограничение диф фузии глюкозы внутрь мембраны, в то время как небольшие молекулы кислорода могут свободно туда проникать. В результате происходит расшире ние динамического диапазона работы сенсора до 3—5 мМ глюкозы (кривые 2, 3). Дальнейшее увеличение толщины PVCS-мембраны (три слоя полимера) приводит к возрастанию динамического диапазона работы датчика до 10 мМ. При использовании дополнительной мембраны также заметно расширяется амплитуда отклика. Рис. 1. Калибровочные кривые для кондуктометрического глю козного биосенсора без дополнительной мембраны ( / ) и с дополнительными PVCS-мембранами различной толщины (один слой полимера (2 ) , два слоя (3) и три слоя (4)). Измерения проводили в 5 мМ трисовом буфере, рН 7.4 243 А Р Х И П О В А В. Н Этот эффект можно объяснить тем, что за счет положительно заряженных функциональных групп внутри полимера создается диффузионный барьер для протонов, блокируя диффузию свободных про тонов из мембраны. При значительном увеличении толщины до полнительной мембраны происходит существенное возрастание времени отклика и уменьшение чувст вительности сенсора, так как мембрана становится слишком плотной и сильно ограничивает диффу зию обоих субстратов (кислорода и глюкозы). На рис. 2 представлены калибровочные кривые для глюкозного биосенсора без дополнительной мембраны (а) и с PVCS дополнительной мембраной (б) в трисовом буфере различных концентраций. Перед измерениями для обеспечения одинаковой проводимости среды все буферные растворы были нодтитрованы концентрированным раствором NaCI [5]. Из рис 2 видно, что амплитуда отклика биосенсора как с дополнительной PVCS мембраной, так и без нее очень сильно зависит от концентра ции буферного раствора (при изменении концент рации буфера с 1 до 10 мМ происходит уменьшение отклика биосенсора практически в 10 раз). Даль нейшее увеличение концентрации буфера до 20 мМ делает определение глюкозы практически невоз можным, сенсор становится нечувствительным к добавлению субстрата. Зависимость амплитуды от клика от концентрации буфера можно объяснить связыванием протонов, образующихся внутри мем браны, с частицами буфера («облегченная» диффу зия протонов) 18 ]. Таким образом, чем больше буферная емкость раствора, тем больше протонов связано с частицами буфера и соответственно тем меньше величина отклика. Следующим этапом работы было изучение влияния ионной силы раствора на величину откли ка глюкозного биосенсора (рис. 3), Известно, что чувствительность кондуктометрического преобразо вателя линейно зависит от фоновой проводимости среды [4 ], а вариация ионной силы образца не влияет на кинетику отклика сенсора [3]. В наших экспериментах время отклика биосенсора без до полнительной мембраны на добавление глюкозы оставалось неизменным при определениях в раство рах с различной ионной силой, но при этом умень шалась величина отклика (рис. 3, кривая У). Это позволяет сделать вывод о том, что фоновая кон центрация ионов не влияет на ферментативную кинетику и массоперенос протонов в мембране, но изменяет чувствительность самого преобразовате ля. Присутствие же дополнительной мембраны уменьшает действие соли на величину отклика биосенсрра (рис. 3, кривая 2), вероятно, за счет ограничения ее диффузии. В этом случае при малых концентрациях NaCI происходит даже неко торое увеличение отклика за счет возможной ста билизации работы фермента при небольших кон центрациях соли [7 ]. Сравнение операционной стабильности и восп роизводимости работы сенсора (с дополнительной мембраной и без нее) показало, что сенсор, моди фицированный PVCS слоями, демонстрирует улуч шение этих характеристик. Так, разброс величин откликов на добавление 1 мМ глюкозы для обыч ного датчика составляет около 10 %. В случае же кондуктометрического глюкозного биосенсора с до полнительной мембраной разброс величин умень шается до 5 % и значительно увеличивается его операционная стабильность. Рис. 2. Калибровочные кривые для кондуктометрического глюкозного биосенсора без дополнительной мембраны (а) и с дополнительной положительно заряженной полимерной мембраной (б). Измерения проводили в 1 ( / ) , 2 (2) , 5 (3) и 10 мМ (4) трисовом буфере, рН 7,4 244 В Л И Я Н И Е Д О П О Л Н И Т Е Л Ь Н Ы Х МЕМБРАН НА Г Л Ю К О З Н Ы Е Б И О С Е Н С О Р Ы Рис. 3. Зависимость величины отклика кондуктометрического глюкозного биосенсора (без дополнительной мембраны ( / ) и с дополнительной PVCS-мембраной (1) от концентрации NaCl в 5 мМ трисівом буфере, рН 7,4. Концентрация глюкозы в растворе 1 мМ Таким образом, использование дополнитель ных положительно заряженных мембран приводит к существенному расширению динамического диа пазона работы сенсора, увеличению его чувстви тельности и операционной стабильности, а также воспроизводимости результатов измерений. Часть этой работы выполнена благодаря фи нансовой поддержке Министерства по делам науки и технологий (проект № 5.4/74 Государственного фонда фундаментальных исследований). В. М. Лрхшюва Вплив додаткових позитивно заряджених полімерних мембран на аналітичні характеристики кондуктометричних глюкозних біосенсорів Резюме У роботі порівняно робочі характеристик кондуктометрич них глюкозних ензимосенсорів, модифікованих та не моди фікованих додатковою позитивно зарядженою полімерною мембраною. Використання такої додаткової мембрани при зводить до значного розширення динамічного діапазону роботи сенсора, та підвшцення його чутливості. Вивчено вплив буфер ної ємності та іонної сили via величину відгуку сенсорів з додатковою мембраною та без неї. Також досліджено опе раційну стабільність роботи отриманих біосенсорів та від- творюваність їхніх вимірів. Vatentina N. Arkhipova Influence of additional positively charged polymer membranes on the analytical characteristics of conductometric glucose biosensors Summary The working characteristics of conductometric glucose enzyme-based sensors with and without additional positively charged polymer membrane have been compared. The use of this additional membrane resulted in substantial extention of the sensor dynamic range and increasing of its sensitivity. The influence of buffer capacity and ionic strength on the biosensor response was examined for the sensors with and without additional membrane. Also operational stability of created sensors and reproducibility of measurements were studied. СПИСОК ЛИТЕРА ТУРЫ 1. Schmid R. D.t Karube I. Biosensors and «Bioelectronics / / Biotechnology / Eds H.-J. Rehm, G. Reed.— Weinheim: VCH, 1988.—V. 6b .—P. 3 1 7 - 3 6 5 . 2. Biosensors: Fundamentals and Applications / Eds A. P. F. Turner, I. Karube, G. S. Wilson.—Oxford: Univ. press, 1987 .—770 p. 3. Shul'ga A. A., Soldatkin A. P., El'skaya A. V. et al. Thin-film conductometric biosensor for glucose and urea determination / / Biosensors and Bioelectronics.—1994.—9.—E > . 2 1 7 — 2 2 3 . 4. Дзядевич С. В., Корпан Я. И., Солдаткин А. П. и. др. Использование кондуктометрических микросенсоров для определения кинетически* параметров ферментов / / Укр. биохим. журн. — 1 9 9 3 . — 6 5 , № 5 .—С- 47—54 . 5. Shutga A. A., Dzyadevich S. К, Soldatkin А. P. et al. Conductometric biosensors for glucose and urea based on microfabricated thin-film interdigitated array-electrodes / / Bi ol. I ta l .—1993.—23, N 6 .—P. 4 0 — 4 5 . 6. Hanazato Y., Nakako M.f Maeda M.t Shiono S. Glucose sensor based on a field-effect transistor with a photolitho- graphically patterned glucose oxidase membrane / / Anal, chim. acta.— 1987 .—193 .—P. 87—96 . 7. Солдаткин А. П., Сандровский А. К., Шульга А. А. и др. Глюкозный биосенсор на основе рН-чувствительных поле вых транзисторов. Зависимость отклика биосенсора от состава анализируемого раствора / / Журн. аналит. х и мии .—1990 .—45 , № 7 .—С. 1405—1409 . 8. Soldatkin А. P., El'skaya А. К, Shul'ga A. A. et al. Glucose sensitive conductometric biosensor with additional NAFION membrane: reduction of influence of buffer capacity on the sensor response and extension of its dynamic range / / Anal, chim. ac ta .—1984 .—288 .—P. 197—203 . Поступила в редакцию 22.10.97 245

Влияние дополнительных положительно заряженных полимерных мембран на аналитические характеристики кондуктометрических глюкозных биосенсоров

Репозитарії

Схожі ресурси