CZ33021U1 - Electrochemical cell for determining bacterial drinking water contamination - Google Patents

Electrochemical cell for determining bacterial drinking water contamination Download PDF

Info

Publication number
CZ33021U1
CZ33021U1 CZ2019-36206U CZ201936206U CZ33021U1 CZ 33021 U1 CZ33021 U1 CZ 33021U1 CZ 201936206 U CZ201936206 U CZ 201936206U CZ 33021 U1 CZ33021 U1 CZ 33021U1
Authority
CZ
Czechia
Prior art keywords
electrochemical cell
working electrode
cell according
bdncd
layer
Prior art date
Application number
CZ2019-36206U
Other languages
Czech (cs)
Inventor
Miroslav Ledvina
Tomáš Bystroň
Roman EFFENBERG
Ladislav DroĹľ
Miroslav HAVRÁNEK
Juraj Sedláček
Vincent Mortet
Original Assignee
Vysoká škola chemicko-technologická v Praze
Apigenex S.R.O.
Ústav molekulární genetiky AV ČR, v. v. i.
Fyzikální Ústav Av Čr, V. V. I.
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Vysoká škola chemicko-technologická v Praze, Apigenex S.R.O., Ústav molekulární genetiky AV ČR, v. v. i., Fyzikální Ústav Av Čr, V. V. I. filed Critical Vysoká škola chemicko-technologická v Praze
Priority to CZ2019-36206U priority Critical patent/CZ33021U1/en
Publication of CZ33021U1 publication Critical patent/CZ33021U1/en

Links

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/02Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance
    • G01N27/04Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance
    • G01N27/06Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance of a liquid
    • G01N27/07Construction of measuring vessels; Electrodes therefor

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Apparatus Associated With Microorganisms And Enzymes (AREA)

Description

Oblast technikyTechnical field

Technické řešení se týká konstrukce elektrochemické cely pro elektrochemické stanovení bakteriální kontaminace zdrojů pitné vody. Význakem technického řešení je použití vysoce citlivého impedimetrického biosenzoru založeného na borem dopované nanokrystalické diamantové (BDNCD) vrstvě modifikované senzorovými molekulami jako pracovní elektrody.The technical solution concerns the construction of an electrochemical cell for the electrochemical determination of bacterial contamination of drinking water sources. A feature of the invention is the use of a highly sensitive impedimetric biosensor based on a boron doped nanocrystalline diamond (BDNCD) layer modified with sensor molecules as working electrodes.

Dosavadní stav technikyBACKGROUND OF THE INVENTION

Požadavky na kvalitu pitné vody, které jsou zahrnuty v požadavcích evropské směrnice pro pitnou vodu 98/83/ES, byly transponovány do zákona o ochraně veřejného zdraví č. 258/2000 Sb. A k tomuto zákonu se vztahující vyhlášky č. 252/2004 Sb., v platném znění. Mikrobiologické a biologické ukazatele se liší typem limitu určeným rizikovostí sledovaného ukazatele biologického činitele a dále pak samotným limitem, který může být 0 KTJ/100 ml u rizikových organismů, anebo nenulový u těch méně závažných, indikujících spíše celkové organické znečištění ve vodě. Mezi hlavní sledované ukazatele patří zjm. koliformní bakterie, intestinální enterokoky, Escherichia coli, Clostridium perfringens. V pitné vodě obsažené patogenní bakterie představují přetrvávající vážné zdravotní riziko mnohdy až s fatálními následky a s nemalým ekonomickým dopadem epidemických infekcí. Koliformní bakterie nejsou typickými indikátory fekálního znečištění (spíše indikují sekundární kontaminaci), za pravý a věrohodný ukazatel kontaminace splašky a indikátor fekálního znečištění (dle WHO od roku 1992) je právě Escherichia coli, což je termotolerantní koliformní bakterie, která se vyskytuje ve velkých počtech ve střevech lidí a zvířat. Voda kontaminovaná bakteriemi způsobuje zdravotní problémy, které se projevují nejčastěji jako nevolnost, průjem a zvracení.The drinking water quality requirements, which are included in the requirements of the European Drinking Water Directive 98/83 / EC, have been transposed into the Public Health Protection Act No. 258/2000 Coll. And this Decree-related Decree No. 252/2004 Coll., As amended. Microbiological and biological indicators differ in the type of limit determined by the risk factor of the biological agent and the limit itself, which may be 0 CFU / 100 ml for risk organisms, or non-zero for those less severe, indicating rather total organic pollution in water. The main monitored indicators include the coliform bacteria, intestinal enterococci, Escherichia coli, Clostridium perfringens. Pathogenic bacteria contained in drinking water present a persistent serious health risk, often with fatal consequences and with considerable economic impact of epidemic infections. Coliform bacteria are not typical indicators of faecal contamination (rather indicate secondary contamination), the true and plausible indicator of sewage contamination and faecal contamination indicator (according to WHO since 1992) is just Escherichia coli, a thermotolerant coliform bacterium that occurs in large numbers in intestines of humans and animals. Water contaminated with bacteria causes health problems that are most commonly manifested as nausea, diarrhea and vomiting.

Současný problém v detekci mikrobiální kontaminace v pitných vodách je hlavně vtom, že klasické mikrobiologické analýzy vzorků pitných vod jsou založeny na kultivacích. Kultivační postupy (standardní operační postupy) jsou uzpůsobeny tak, aby poskytly v co možná nejkratším časovém horizontu adekvátní výsledek. Kultivace, která spočívá v tom, že na základní, specifická anebo selektivní média se aplikuje patřičný objem vzorku vody. Tuhá média, nalitá na Petriho miskách, obsahující živiny, které daný mikroorganismus, pokud je ve vodě přítomný, využije pro svůj metabolismus, začne se množit a tzv. zviditelňovat na živném médiu v podobě KTJ neboli koloniích tvořících jednotky, a to až po určité době, v závislosti na metabolismu mikroorganismu (2 až 3 dny). V praxi, v případě úniku bakteriální kontaminace do pitné vody, může nastat velký problém vtom, že výsledek rozboru, tj. zjištění kontaminantu je velmi pozdě. Tato skutečnost iniciovala v posledních letech značné výzkumné úsilí zaměřené na hledání nových efektivních a zejména rychlých analytických postupů, a to včetně aplikace biosenzorů.The current problem in the detection of microbial contamination in drinking water is mainly that classical microbiological analyzes of drinking water samples are culture-based. The culture procedures (standard operating procedures) are adapted to give an adequate result in the shortest possible time horizon. A culture consisting in applying an appropriate volume of a water sample to the base, specific or selective media. Solid media, poured on petri dishes, containing nutrients that the microorganism, if present in the water, will use for its metabolism, will multiply and become visible on the nutrient medium in the form of KTJ, or colony forming units, after some time , depending on the metabolism of the microorganism (2 to 3 days). In practice, in the case of leakage of bacterial contamination into drinking water, there may be a major problem in that the result of the analysis, ie the detection of the contaminant, is very late. This has initiated considerable research efforts in recent years to find new efficient and especially rapid analytical procedures, including the application of biosensors.

Obecně se každý biosenzor se skládá z dvou základních komponent, a to z rozpoznávajícího elementu se specifickou vazebnou afinitou k cílovému analytu a z transduktoru, který převádí specifickou vazebnou událost ve fyzikálně měřitelnou veličinu. Rozpoznávací element mohou tvořit na povrch transduktoru ukotvené senzorové biomolekuly, jako jsou protilátky, peptidy, sacharidy a DNA oligonukleotidy. Z pohledu transduktoru lze biosenzory kategorizovat do několika základních skupin. V prvé řadě jsou to optické biosenzory, přičemž nejrozšířenější jsou senzory pracující na principu povrchové plasmonové rezonance. Piezoelektrické senzory jsou založeny na sledování změn rezonanční frekvence na křemenném krystalu a její transformace indukované hmotnostní změněnou na jeho povrchu v důsledku interakce s cílovým analytem. Další poměrně rozsáhlo skupinou jsou elekrochemické senzory, které monitorují změny elektrického pole způsobené interakcemi na rozhraní senzoru a vzorku.In general, each biosensor consists of two basic components, a recognition element with a specific binding affinity to the target analyte and a transducer that converts the specific binding event into a physically measurable quantity. The recognition element may form anchored sensor biomolecules such as antibodies, peptides, carbohydrates, and DNA oligonucleotides on the transducer surface. From the transducer point of view, biosensors can be categorized into several basic groups. First of all, they are optical biosensors, the most common are surface plasmon resonance sensors. Piezoelectric sensors are based on the observation of changes in the resonance frequency on the quartz crystal and its transformation induced by the mass changed on its surface due to the interaction with the target analyte. Another relatively large group are electrochemical sensors that monitor changes in the electric field caused by interactions at the sensor-sample interface.

Jedním z limitujících faktorů pro široké zavedení biosenzorů do praxe je stabilita rozpoznávacíchOne of the limiting factors for the widespread introduction of biosensors into practice is the stability of the recognition

- 1 CZ 33021 U1 elementů, tj. senzorových molekul imobilizováných na povrch transduktoru, speciálně proteinů. Ta je zejména odvislá od fyzikálněchemické inertnosti transduktoru a chemie použité pro imobilizaci senzorových biomolekul na jeho povrch. V současnosti nejčastěji užívanými materiály pro konstrukci biosenzorů jsou křemík a zlato. Nevýhodou těchto materiálů je, že použitá chemie pro navázání senzorových molekul na jejich povrch, tj. sulfidový můstek v případě zlata a silyleteherový můstek v případě křemíku, neposkytuje ukotvení s dostatečnou stabilitou z pohledu dlouhodobého a opakovaného použití biosenzorů. Dalším neméně významným negativním faktorem je, že tyto materiály indukují denaturaci na ně vázaných proteinů v důsledku jejich interakce s jejich ne zcela chemicky inertním povrchem. Pokusy o potlačení tohoto efektu co-imobilizaci polyetylenglykolu nebo lipidové dvojvrstvy nebyly příliš úspěšné. Ve vztahu kvýše uvedeným nedostatkům se jeví jako velice perspektivní transduktor založený na polovodivém borem dopovaném nanokrystalickém diamantu (BDNCD), neboť kombinuje jeho specifické elektrochemické vlastnosti s unikátními chemickými vlastnostmi a dobrou biokompatibilitou povrchu nanokrystalického diamantu.U1 elements, i.e. sensor molecules immobilized on the surface of the transducer, especially proteins. This is particularly dependent on the physicochemical inertness of the transducer and the chemistry used to immobilize sensor biomolecules to its surface. The most commonly used materials for the construction of biosensors are silicon and gold. The disadvantage of these materials is that the chemistry used to attach the sensor molecules to their surface, i.e. the sulfide bridge for gold and the silyl ether bridge for silicon, does not provide anchorage with sufficient stability in view of the long-term and repeated use of biosensors. Another equally significant negative factor is that these materials induce denaturation of the proteins bound to them due to their interaction with their not entirely chemically inert surface. Attempts to suppress this effect by co-immobilizing polyethylene glycol or a lipid bilayer have not been very successful. In relation to the above-mentioned shortcomings, it appears to be a very promising transducer based on a semiconductor boron doped nanocrystalline diamond (BDNCD), since it combines its specific electrochemical properties with unique chemical properties and good biocompatibility of the nanocrystalline diamond surface.

Podstata technického řešeníThe essence of the technical solution

Podstatou technického řešení elektrochemické cely (viz její sestava znázorněná na Obr. 1) je použití impedimetrického biosenzorů (viz jeho princip znázorněný na Obr. 2) založeného na borem dopované nanokrystalické diamantové (BDNCD) vrstvě modifikované senzorovými molekulami jako pracovní elektrody. Aplikace BDNCD vrstvy jako vysoce citlivého transduktoru schopného převést s vysokou citlivostí vazebnou událost mezi na něm ukotvenou senzorovou molekulou a molekulami buněčného povrchu bakterie ve změnu impedance představuje originální řešení. Použitím chemicky inertní BDNCD vrstvy jako transduktoru jsou eliminovány výše uvedené nedostatky spojené s omezenou stabilitou rozpoznávacího elementu u v případě biosenzorů založených na transduktorech z ne zcela inertních materiálů, jako jsou křemík nebo zlato.The essence of the technical solution of the electrochemical cell (see its assembly shown in Fig. 1) is the use of impedimetric biosensors (see its principle shown in Fig. 2) based on a boron doped nanocrystalline diamond (BDNCD) layer modified by sensor molecules as working electrodes. The application of the BDNCD layer as a highly sensitive transducer capable of converting, with high sensitivity, the binding event between the sensor molecule anchored thereon and the bacterial cell surface molecules in an impedance change is an original solution. By using a chemically inert BDNCD layer as a transducer, the above-mentioned drawbacks associated with the limited stability of the recognition element in the case of biosensors based on transducers of not completely inert materials such as silicon or gold are eliminated.

Elektrochemická cela se sestává (jak je znázorněno na Obr. 1) z duté válcové nádoby cely 1 vyrobené z nevodivého a chemicky inertního plastu. Nádoba cely je ve spodní části opatřena čtvercovým otvorem a vybráním pro umístění pracovní elektrody 2 a její utěsnění čtvercovým těsněním 3. Elektrické propojení pracovní elektrody 2 je obstaráno kovovým přívodem 4 vloženým mezi tělo cely a elektricky nevodivé kruhové těsněním s otvory pro šrouby 5. Uzavření spodní části cely proti úniku roztoku elektrolytu je zajištěno stažením pomocí kruhové kovové příruby 6 a šroubů 7. Horní část cely je uzavřena pomocí horní kruhové příruby 8 a šroubů 7. Horní kruhová příruba je opatřena otvorem pro kapiláru pro přívod inertního plynu 9, otvorem pro pomocnou elektrodu 10 a otvorem pro Lugginovu kapiláru s fritou 11 pro umístění referenční elektrody 12. Pracovní elektroda 2, pomocná elektroda 10 a referenční elektroda 12 jsou připojeny k potenciostatu/galvanostatu umožňujícímu monitorovat změny impedance jako výsledek vazebné odezvy mezi senzorovou molekulou a bakterií.The electrochemical cell consists (as shown in Fig. 1) of a hollow cylindrical vessel of cell 1 made of a non-conductive and chemically inert plastic. The cell vessel is provided with a square hole at the bottom and a recess for locating the working electrode 2 and sealing it with a square seal 3. The electrical connection of the working electrode 2 is provided by a metal lead 4 interposed between the cell and an electrically nonconductive circular seal with screw holes. The upper part of the cell is closed by means of an upper circular flange 8 and screws 7. The upper circular flange is provided with a capillary opening for the inert gas inlet 9, an opening for the auxiliary electrode. The working electrode 2, the auxiliary electrode 10 and the reference electrode 12 are connected to a potentiostat / galvanostat allowing to monitor impedance changes as a result of the coupling response between the sensor molecules. and bacteria.

Klíčovými bodem konstrukce předmětného impedimetrického biosenzorů je depozice polovodivé BDNCD vrstvy na vhodné podložce pomocí tzv. CVD (chemical vapor deposition) techniky. CVD technika je proces tvorby (depozice) nano-krystalické vrstvy na vhodné podložce reakcí v plynné fázi. Tato technika umožňuje syntézu vysoce kvalitní BDNCD vrstvy s kontrolovanou vodivostí reakcí směsi metanu, vodíku a diboranu v plazmatickém stavu. Druhým klíčovým bodem je povrchová chemie nanokrystalického diamatu, která umožní imobilizaci senzorových molekul (tj. molekulami, jež vykazují interakci s molekulami buněčného povrchu bakterií). Aplikovaná povrchová funkcionalizace BDNCD vrstev představuje vícestupňový proces. CVD technikou připravená BDNCD vrstva se nejprve podrobí redukci vodíkovou plazmou čímž se získá vodíkem terminovaná vrstva. Její UV zářením promotovanou reakcí s trifluoroacetamidem allylaminu se získá BDNCD vrstva nesoucí 3-trifluoracetamidopropylové skupiny, která je převedena bazicky katalyzovanou deprotekcí aminoskupin na BDNCD vrstvu prezentující aminoskupiny. Ta je výchozím materiálem pro zavedení vazebných kotev nesoucích funkční skupiny umožňující ligaci senzorových molekul pomocí tzv. klik chemie („click chemistry“;The key point of the construction of the impedimetric biosensor is the deposition of a semiconducting BDNCD layer on a suitable substrate using the so-called CVD (chemical vapor deposition) technique. The CVD technique is the process of formation (deposition) of a nano-crystalline layer on a suitable support by gas-phase reactions. This technique allows the synthesis of a high-quality BDNCD layer with controlled conductivity by reacting a mixture of methane, hydrogen and diborane in the plasma state. The second key point is the surface chemistry of the nanocrystalline diamine, which will allow the immobilization of sensor molecules (ie molecules that show interaction with the cell surface molecules of bacteria). The applied surface functionalization of BDNCD layers represents a multi-stage process. The CVD-prepared BDNCD layer is first subjected to hydrogen plasma reduction to obtain a hydrogen-terminated layer. Its UV-promoted reaction with trifluoroacetamide allylamine yields a BDNCD layer bearing 3-trifluoroacetamidopropyl groups which is converted by base-catalyzed deprotection of amino groups to a BDNCD layer representing amino groups. This is the starting material for the introduction of functional anchor binding anchors allowing ligation of sensor molecules by so-called click chemistry;

-2CZ 33021 U1 vazebnými páry jsou trojná vazba a azidoskupina). Klik chemie, vzhledem k její ortogonalitě ve vztahu k dalším funkčním skupinám přítomným v navazované biomolekule, byla použita k orientovanému kovalentnímu ukotvení bakteriálně specifických peptidových, sacharidových a DNA oligonukleotidových vektorových molekul. V případě ligace rekombinantních monoklonálních protilátek v scFv formátu byla použita tzv. „coiled coil“ technika. Posledně jmenovaná technika je založená intermolekulámí interakci dvou komplementárních peptidů, z nichž jeden je kovalentně ukotven na diamantovém transduktoru a druhý je součástí ligovaného proteinu.The binding pairs are triple bond and azido). Click chemistry, due to its orthogonality in relation to other functional groups present in the bound biomolecule, was used to oriented covalently anchor bacterial-specific peptide, carbohydrate and DNA oligonucleotide vector molecules. In the case of ligation of recombinant monoclonal antibodies in scFv format, the coiled coil technique was used. The latter technique is based on the intermolecular interaction of two complementary peptides, one of which is covalently anchored to the diamond transducer and the other part of the ligated protein.

Objasnění výkresůClarification of drawings

Obr. 1 Perspektivní pohled na podle vertikální osy rozloženou sestavu elektrochemické cely znázorňující její jednotlivé díly ve sledu jejich funkčního propojení.Giant. 1 is a perspective view of an electrochemical cell assembly depicted along its vertical axis, showing its individual parts in sequence of their functional interconnection.

Obr. 2 Technický výkres nádoby elektrochemické celyGiant. 2 Technical drawing of the electrochemical cell vessel

Obr. 3 Znázornění principu impedimetrického biosezoru založeného na polovodivé borem dopované nanokrystalické diamantové (BDNCD) vrstvě modifikované senzorovými biomolekulam, který má v předmětné elektrochemické cele zobrazené v rozložené sestavě na Obr. 1 funkci pracovní elektrody (2)Giant. 3 is an illustration of the principle of an impedimetric biosensor based on a semiconductor boron doped nanocrystalline diamond (BDNCD) layer modified by sensor biomolecules having an electrochemical cell shown in an exploded configuration in FIG. 1 function electrode (2)

Obr. 4 Schematické znázornění BDNCD vrstev s povrchem nesoucím vazebné kotvy umožňující chemoselektivní navázání senzorových molekul pomocí tzv. klik chemieGiant. 4 Schematic representation of BDNCD layers with bonding anchoring surface enabling chemoselective binding of sensor molecules by so-called chemistry handles

Obr. 5 Schéma přípravy BDNCD vrstvy modifikované antimikrobiálním peptidem Magainin s vazebnou afinitou k E. colliGiant. 5 Scheme of preparation of BDNCD layer modified with antimicrobial peptide Magainin with binding affinity for E. colli

Obr. 6 Schéma přípravy BDNCD vrstvy modifikované α-D-mannopyranosou s vazebnou afinitou k povrchovému lektinu E. colliGiant. 6 Scheme of preparation of BDNCD layer modified by α-D-mannopyranose with binding affinity to E. colli surface lectin

Obr. 7 Schéma přípravy BDNCD vrstvy modifikované DNA oligonukleotidem s vazebnou afinitou k E. colliGiant. 7 Scheme for the preparation of a BDNCD layer modified with a DNA oligonucleotide with binding affinity to E. colli

Příklady uskutečnění technického řešeníExamples of technical solutions

Příklad 1Example 1

Konstrukce elektrochemické celyDesign of electrochemical cell

Předmětná elektrochemická cela pro stanovení bakteriální kontaminace pitné vody, znázorněná na Obr. 1 v rozloženém stavu podle vertikální osy, se sestává z duté válcové nádoby 1 zhotovené z polytetrafuoroethylenu (PTFE). Nádoba cely je ve spodní části opatřena čtvercovým otvorem a vybráním pro umístění pracovní čtvercové elektrody 2 o rozměrech 10 x 10 mm a její utěsnění čtvercovým těsněním 3. Elektrické propojení pracovní elektrody 2 je obstaráno kovovým páskovým přívodem 4 širokým 12 mm, které je vloženo mezi tělo cely a elektricky nevodivé kruhové těsněním s otvory pro šrouby 5. Uzavření spodní části cely proti úniku roztoku elektrolytu je zajištěno stažením pomocí kruhové kovové příruby 6 prostřednictvím stahovacích šroubů 7. Horní část cely je uzavřena pomocí horního kruhového plastového příruby 8 a šroubůThe present electrochemical cell for determining bacterial contamination of drinking water, shown in FIG. 1, when disassembled along a vertical axis, consists of a hollow cylindrical container 1 made of polytetrafluoroethylene (PTFE). The cell container is provided with a square hole and recess at the bottom to accommodate a working square electrode 2 measuring 10 x 10 mm and seal it with a square seal 3. The electrical connection of the working electrode 2 is provided by a 12 mm wide metal cable 4. cells and electrically non-conductive ring gaskets with screw holes 5. Closure of the cell bottom against leakage of the electrolyte solution is secured by tightening with a circular metal flange 6 by means of tightening screws 7. The upper part of the cell is closed by the upper circular plastic flange 8 and screws

7. Horní příruba je opatřena otvorem pro kapiláru pro přívod inertního plynu (9), otvorem pro pomocnou elektrodu 10 a otvorem pro Lugginovu kapiláru s fritou 11 pro umístění referenční elektrody 12.The upper flange is provided with a capillary opening for the inlet of inert gas (9), an opening for the auxiliary electrode 10 and an opening for the Luggin capillary with a frit 11 for accommodating the reference electrode 12.

Vlastní technické řešení nádoby cely je detailně znázorněno na Obr. 2 (technický výkres), tj.The actual technical solution of the cell container is shown in detail in FIG. 2 (technical drawing), ie.

-3 CZ 33021 U1 jejím zobrazením jak v nárysu 1 tak i v půdorysu 2. Vnější průměr válcové nádoby cely je 60 mm, její výška je 45 mm a průměr vnitřního otvoru je 25 mm. Nádoba cely je opatřena na horní a dolní straně šesti symetricky rozloženými otvory se závitem M6 pro stahovací šrouby. Vnitřní otvor se ve spodní části zužuje a plynule přechází v lůžko pro pracovní elektrodu o rozměrech 10 x 10 mm. To má čtvercový průřez v ose nádoby o rozměru 8x8 mm. V jeho spodní části následuje zvětšení průřezu o 1,05 mm na všech čtyřech stranách na 10,1 mm; viz detail 3 v nárysu 1 a půdorysu 2. Ze spodní strany se do lůžka vloží těsnění z ethylpropylenového kaučuku a stejném tvaru jako má otvor. Těsnění má v sobě otvor 8x8 mm. Na těsnění se vkládá pracovní elektroda (2; viz Obr. 1) Ta je dotažena po vložení páskového elektrická vodivého přívodu (4; viz Obr. 1) a elektricky nevodivého pružného těsnění o průměru shodným s vnějším průměrem nádoby (5; viz Obr. 1) kovovou přírubou. Jak dolní kovová příruba 4, tak i horní příruba 5, vyrobená z tuhého plastu Delrin (polyoxymetylén), jsou vybaveny třemi symetricky rozloženými otvory umožňujícími jejich bajonetové nasazení na stahovací šrouby. Pro usnadnění manipulace jsou oraje přírub vroubkované.The outer diameter of the cylindrical vessel of the cell is 60 mm, its height is 45 mm, and the diameter of the inner bore is 25 mm. The cell vessel is provided with six symmetrically spaced holes M6 on the top and bottom of the clamping screws. The inner hole tapers at the bottom and merges seamlessly into a working electrode bed of 10 x 10 mm. It has a square cross-section along the axis of the container of 8x8 mm. At its bottom, the cross-section is increased by 1.05 mm on all four sides to 10.1 mm; see detail 3 in front view 1 and plan view 2. An ethylpropylene rubber seal of the same shape as the opening is inserted from the underside of the bed. The seal has an 8x8 mm hole. A working electrode (2; see Fig. 1) is inserted onto the seal, which is tightened after insertion of a strip conductive lead (4; see Fig. 1) and an electrically non-conductive flexible seal with a diameter equal to the outer diameter of the vessel (5; see Fig. 1) metal flange. Both the lower metal flange 4 and the upper flange 5, made of rigid Delrin plastic (polyoxymethylene), are provided with three symmetrically spaced openings for their bayonet mounting on the clamping screws. To facilitate handling, the flange plows are serrated.

Příklad 2Example 2

Příprava borem dopované nanokrystalické diamantové (BDNCD) vrstvy s povrchem nesoucím vazebné kotvy umožňující chemoselektivní navázání senzorových molekul pomocí tzv. klik chemiePreparation of boron doped nanocrystalline diamond (BDNCD) layer with binding anchoring surface allowing chemoselective binding of sensor molecules by so-called chemistry handles

Impedimetrický biosenzor znázorněný na Obr. 3, který má v předmětné elektrochemické cele funkci pracovní elektrody (2; viz Obr. 1), je tvořen borem dopovanou nanokrystalickou diamantovou (BDNCD) vrstvou deponovanou na Si (křemíkovém) nebo Nb (niobovém) substrátu o velikosti 10 x 10 mm modifikovanou senzorovými molekulami.The impedimetric biosensor shown in FIG. 3, which has the function of a working electrode in the electrochemical cell (2; see Fig. 1), consists of a boron doped nanocrystalline diamond (BDNCD) layer deposited on a 10 x 10 mm Si (silicon) or Nb (niobium) substrate modified by sensor molecules.

BDNCD vrstvy deponované na Si (křemíkovém) nebo Nb (niobovém) substrátu o velikosti 10x10 mm se připraví tzv. CVD (chemical vapor deposition) technologii, tj. plazmovou depozicí směsi metanu, diboranu a vodíku. Touto technologií připravené BDNCD vrstvy se následně podrobí redukci vodíkovou plazmou, čímž se získá vodíkem terminovaný povrch.BDNCD layers deposited on 10x10 mm Si (silicon) or Nb (niobium) substrates are prepared by so-called chemical vapor deposition (CVD) technology, ie plasma deposition of methane, diborane and hydrogen mixtures. The BDNCD layer prepared by this technology is then subjected to hydrogen plasma reduction to obtain a hydrogen terminated surface.

Vodíkem terminovaná BDNCD vrstva připravená podle příkladu 2 se ve dvou krocích transformuje na vrstvu prezentující na povrchu aminoskupiny. UV zářením promotvanou reakcí s reakcí s V-allyltrifluoracctylallylamincm se připraví povrch derivatizovaný 3-trifluoracetamidopropylskupinami. Úspěšnost modifikace byla prokázána pomocí XPS (X-ray photoelectron spectroscopy), a to na základě vysokého zastoupení fluoru (11%) a F sl vazebného pásu při 689,11 eV indikujícího přítomnost CF3 skupiny. Bazickým odštěpením trifluoracetylových skupin se následně získá povrch prezentující 3-aminoalkylové skupiny. Přítomnost aminoskupin byla potvrzena vymizením CF3 vazebného pásu v XPS, jakož i následnou derivatizací 3,5-bis(trifluoromethyl)fenylisothiokyanatem a identifikace F sl vazebného pásu při 689,11 eV prokazující přítomnost CF3 skupin.The hydrogen-terminated BDNCD layer prepared according to Example 2 is transformed in two steps into a layer presenting on the surface of the amino group. The UV-promoted reaction with the reaction with N-allyltrifluoroacetyl allyl amine prepared a surface derivatized with 3-trifluoroacetamidopropyl groups. The success of the modification was demonstrated by XPS (X-ray photoelectron spectroscopy), based on a high proportion of fluorine (11%) and F sl binding band at 689.11 eV indicating the presence of a CF3 group. By basic cleavage of trifluoroacetyl groups, the surface presenting 3-aminoalkyl groups is subsequently obtained. The presence of amino groups was confirmed by the disappearance of the CF3 binding band in XPS as well as subsequent derivatization of 3,5-bis (trifluoromethyl) phenyl isothiocyanate and identification of the F1b binding band at 689.11 eV demonstrating the presence of CF3 groups.

Aminoterminované vrstvy se následně modifikují vazebnými spojkami nesoucími funkční skupiny umožňující navázání senzorových molekul pomocí tzv. klik chemie založené na jednomocnou mědí (Cu+ ionty) katalyzované Huisgenově 1,3-dipolámí cykloadici azidu na trojnou vazbu (vazebné páry: azidoskupina a trojná vazba). MM/V',,V'-'fctraiiiethyl-O-( IΛ/-benzotnazol-l-yl)uronium hexafluorofosfátem (HBTU) promotovanou /V-acylací kyselinou propargyloctovou (kyselinou pent-4-inovou) se připraví vrstva prezentující trojné vazby Q; znázorněná na Obr. 4). Analogickou A-acylací kyselinou azidooctovou získá vrstva prezentující azidoskupiny (2; znázorněná na Obr. 4). Přítomnost azidoskupin byla prokázána pomocí jejího charakteristického N ls pásu při 404,78 eV v XPS.The amino-terminal layers are subsequently modified with linkers carrying functional groups to allow the binding of sensor molecules by the so-called click chemistry based on copper (Cu + ions) catalysed by Huisgen 1,3-dipolar azide cycloaddition to the triple bond (binding pairs: azido and triple bond). MM / N ', N' - tetramethyl-O- (1 H -benzothnazol-1-yl) uronium hexafluorophosphate (HBTU) promoted N-acylation with propargylacetic acid (pent-4-ynoic acid) prepared a triple bond presentation layer Q; shown in FIG. 4). By analogous A-acylation with azidoacetic acid, the azido-presenting layer (2; shown in Fig. 4) is obtained. The presence of azido groups was demonstrated by its characteristic N 1 band at 404.78 eV in XPS.

Příklad 3Example 3

Příprava BDNCD vrstvy modifikované peptidem Magainin s vazebnou afinitou k E. colliPreparation of a BainCD layer modified with a Magainin peptide with an affinity for E. colli

-4CZ 33021 U1-4GB 33021 U1

BDNCD vrstva modifikovaná peptidem Magainin s vazebnou afinitou k E. colli (3; schematicky znázorněná na Obr. 5) se připraví jednomocnou mědí (Cu+ ionty) katalýzo vanou 1,3-dipolámí cykloadici azidoskupiny peptidu Magainin prodlouženým na C-konci o azidolysin (3; Obr. 4)) s trojnými vazbami BDNCD vrstvy povrchově modifikované kyselinou propargyloctovou 1 v přítomnosti tris((l-hydroxy-propyl-lH-l,2,3triazol-4-yl)methyl)aminu (THPTA), který stabilizuje Cu+ ionty. Reakce se provádí ve vodném prostředí, přičemž Cu+ ionty se generují in šitu z CuSO4 působením kyseliny askorbové. Úspěšnost modifikace byla prokázána pomocí XPS, a to na základě vysokého zastoupení dusíku (10%) a Nis vazebného pásu při 400,04 eV indikujícího přítomnost dusíku amidových vazeb v peptidovém řetězci.The BDNCD layer modified with the Magainin peptide with affinity for E. colli (3; schematically shown in Fig. 5) is prepared by monovalent copper (Cu + ions) catalysed 1,3-dipolar cycloaddition of the azido group of the Magainin peptide extended by azidolysin ( Fig. 4)) with triple bonds of BDNCD layer modified with propargylacetic acid 1 in the presence of tris ((1-hydroxypropyl-1H-1,2,3-triazol-4-yl) methyl) amine (THPTA), which stabilizes Cu + ions. The reaction is carried out in an aqueous medium wherein Cu + ions are generated in situ from CuSO4 by treatment with ascorbic acid. The success of the modification was demonstrated by XPS, based on a high proportion of nitrogen (10%) and Nis bond band at 400.04 eV indicating the presence of nitrogen amide bonds in the peptide chain.

Příklad 4Example 4

Příprava BDNCD vrstvy modifikované α-D-mannopyranosou s vazebnou afinitou k povrchovému lektinu E. colliPreparation of BDNCD layer modified by α-D-mannopyranose with binding affinity to E. colli surface lectin

BDNCD vrstva modifikovaná modifikované α-D-mannopyranosou s vazebnou afinitou k povrchovému lektinu E. colli (6; schematicky znázorněná na Obr. 6) se připraví za podmínek shodných s příkladem 3, tj. jednomocnou mědí katalýzo vanou 1,3-dipolámí cykloadici azidoskupiny 6-O-DMTr-a-D-mannopyranosidu s aglykonem prezentujícím azidem azidoskupinu (5; Obr. 6) s trojnými vazbami BDNCD vrstvy povrchově modifikované kyselinou propargyloctovou 1_ v přítomnosti THPTA. Úspěšnost modifikace byla prokázána přítomností N ls pásu při 400,78 eV v XPS, indikujícího přítomnost dusíku vázaného v triazolu. Další důkaz byl založen natzv. dimethoxytritylovém testu, tj. kolorimetrickým stanovení 4,4'-Dimethoxytrityl alkoholu odštěpeného z primárních HO-skupin sacyharidu.The BDNCD layer modified with modified α-D-mannopyranose with binding affinity to the surface lectin of E. colli (6; schematically shown in Fig. 6) is prepared under conditions identical to Example 3, i.e. monovalent copper catalysed 1,3-dipolar azido cycloaddition 6-O-DMTr-αD-mannopyranoside with an azide-presenting azide group (5; Fig. 6) with triple bonds of the BDNCD layer modified with propargylacetic acid 7 in the presence of THPTA. The success of the modification was demonstrated by the presence of the N1s band at 400.78 eV in XPS, indicating the presence of nitrogen bound in the triazole. Further evidence was founded so-called. a dimethoxytrityl assay, i.e. a colorimetric determination of 4,4'-Dimethoxytrityl alcohol cleaved from the primary HO-groups of the sacyharide.

Příklad 5Example 5

Příprava BDNCD vrstvy modifikované DNA oligonukleotidem s vazebnou afinitou k E. colliPreparation of BDNCD layer modified with DNA oligonucleotide with binding affinity to E. colli

BDNCD vrstva modifikovaná DNA oligonukleotidem s vazebnou afinitou k E. colli (8; schematicky znázorněná na Obr. 7) se připraví se připraví za podmínek shodných s příklady 3 a 4, tj. jednomocnou mědí (Cu+ ionty) katalyzovanou 1,3-dipolámí cykloadici azidoskupin BDNCD vrstvy povrchově modifikované kyselinou azidooctovou (2) s trojnou vazbou olugonukleotidu nesoucího v poloze 5' hexynylovou skupinu. Úspěšnost modifikace byla púrokázáná pomocí XPS, a to vymizením vazebného pásu azidoskupiny při N při 404,78 eV a přítomností P 2p pásu při 133,6 eV, který je typický pro fosfát u nukleových kyselím.A BDNCD layer modified with a DNA oligonucleotide with an E. colli binding affinity (8; schematically shown in Fig. 7) is prepared under conditions identical to Examples 3 and 4, i.e., 1,3-dipolar catalyzed monovalent copper (Cu + ions) cycloaddition of azido groups of a BDNCD surface modified with azidoacetic acid (2) with a triple bond of an olugonucleotide bearing at the 5 'position a hexynyl group. The success of the modification was demonstrated by XPS by the disappearance of the azido-bonding band at N at 404.78 eV and by the presence of the P2p band at 133.6 eV, which is typical of nucleic acid phosphate.

Příklad 6Example 6

Použití elektrochemické cely pro stanovení bakteriální kontaminace pitné vodyUse of electrochemical cell for determination of bacterial contamination of drinking water

Do sestavené elektrochemické cely znázorněné v rozloženém stavu na Obr. 1 se umístí 5 ml roztok vhodného pufru. Pracovní elektroda 2 se připojí ke kontaktům potenciostatu s analyzátorem frekvencí pomocí kovového přívodu proudu 4. Pomocná elektroda 12 a referentní elektroda 11 se připojí ke kontaktům potenciostatu s analyzátorem frekvencí. Změří se impedanční spektrum v rozsahu frekvencí 1 Hz až 5 MHz při potenciálu otevřeného obvodu s amplitudou potenciálu 10 mV. Do roztoku PBS pufru v elektrochemické cele se aplikuje příslušný analit (v daném případě voda kontaminovaná cílovou bakterií) a změří se impedanční spektrum.In the assembled electrochemical cell shown in the exploded state in FIG. 1, a 5 ml solution of a suitable buffer is placed. The working electrode 2 is connected to the potentiostat contacts with the frequency analyzer by means of a metal current supply 4. The auxiliary electrode 12 and the reference electrode 11 are connected to the potentiostat contacts with the frequency analyzer. Measure the impedance spectrum in the 1 Hz to 5 MHz frequency range at an open circuit potential with a potential amplitude of 10 mV. The appropriate analyte (in this case water contaminated with the target bacterium) is applied to the PBS buffer solution in the electrochemical cell and the impedance spectrum is measured.

Claims (8)

1. Elektrochemická cela pro elektrochemické stanovení bakteriální kontaminace zdrojů pitné vody pracující s pracovní elektrodou na principu vysoce citlivého impedimetrického biosenzoru založeného na borem dopované nanokrystalické diamantové vrstvě modifikované senzorovými molekulami, vyznačující se tím, že se sestává z duté válcovité nádoby (1) vyrobené z nevodivého a chemicky inertního materiálu se čtvercovým otvorem a vybráním ve spodní části těla pro umístnění pracovní elektrody (2) a její utěsnění čtvercovým těsněním (3), kovového pákového přívodu proudu (4) k pracovní elektrodě (2) širšího, než je rozměr pracovní elektrody min. o 14 mm, umístěného mezi tělo cely a elektricky nevodivé kruhové těsnění s otvory na šrouby (5), kovové kruhové příruby s otvory na šrouby (6) umožňující zajištění spodní části cely proti úniku roztoku elektrolytu po utažení šroubů (7), horní kruhové příruby (8), opatřené otvory na šrouby (7), otvorem pro kapiláru pro přívod inertního plynu (9), otvorem pro pomocnou elektrodu (10), otvorem pro Lugginovu kapiláru s fritou (11) sloužící pro umístění referenční elektrody (12), přičemž pracovní elektroda, pomocná elektroda a referenční elektroda jsou připojeny k potenciostatu/galvanostatu umožňujícímu provádění impedančních měření.An electrochemical cell for the electrochemical determination of bacterial contamination of drinking water sources using a working electrode on the principle of a highly sensitive impedimetric biosensor based on a boron doped nanocrystalline diamond layer modified by sensor molecules, characterized in that it consists of a hollow cylindrical vessel (1) made of nonconductive and a chemically inert material with a square hole and a recess in the lower body for positioning the working electrode (2) and sealing it with a square seal (3), a metal lever current (4) to the working electrode (2) wider than the working electrode dimension min . 14 mm, placed between the cell body and an electrically non-conductive ring seal with screw holes (5), metal ring flanges with screw holes (6) to secure the bottom of the cell against leakage of electrolyte solution after tightening the screws (7), top ring flanges (8), provided with screw holes (7), an inert gas capillary hole (9), an auxiliary electrode hole (10), a frit (11) Luggin capillary hole for receiving a reference electrode (12), wherein: the working electrode, the auxiliary electrode and the reference electrode are connected to a potentiostat / galvanostat allowing impedance measurements to be made. 2. Elektrochemická cela podle nároku 1, vyznačující se tím, že pracovní elektroda (2) je impedimetrický biosenzor sestávající se BDNCD vrstvy na Si (křemíkovém) substrátu modifikované senzorovými molekulami.Electrochemical cell according to claim 1, characterized in that the working electrode (2) is an impedimetric biosensor consisting of a BDNCD layer on a Si (silicon) substrate modified with sensor molecules. 3. Elektrochemická cela podle nároku 1, vyznačující se tím, že pracovní elektroda (2) je impedimetrický biosenzor sestávající se BDNCD vrstvy na Nb (niobovém) substrátu modifikované senzorovými molekulami.Electrochemical cell according to claim 1, characterized in that the working electrode (2) is an impedimetric biosensor consisting of a BDNCD layer on a Nb (niobium) substrate modified with sensor molecules. 4. Elektrochemická cela podle kteréhokoliv z předchozích nároků, vyznačující se tím, že tělo cely (1) je vyrobeno z polytetraflourethylenu.Electrochemical cell according to any one of the preceding claims, characterized in that the cell body (1) is made of polytetraflourethylene. 5. Elektrochemická cela podle kteréhokoliv z předchozích nároků, vyznačující se tím, že čtvercové těsnění (3) je vyrobeno z ethylpropylenového kaučuku.Electrochemical cell according to any one of the preceding claims, characterized in that the square seal (3) is made of ethyl propylene rubber. 6. Elektrochemická cela podle kteréhokoliv z nároků 1 až 4, vyznačující se tím, že čtvercové těsnění (3) je vyrobeno z elastického nevodivého expandovaného polytetrafluorethylenu, který je odolný a vůči jak protickým tak i aprotickým polárním rozpouštědlům.Electrochemical cell according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the square seal (3) is made of an elastic non-conductive expanded polytetrafluoroethylene that is resistant to both protic and aprotic polar solvents. 7. Elektrochemická cela podle kteréhokoliv z předchozích nároků, vyznačující se tím, že kovová podložka (6) je opatřena ozubeným okrajem pro usnadnění manipulace.Electrochemical cell according to any one of the preceding claims, characterized in that the metal washer (6) is provided with a toothed rim to facilitate handling. 8. Elektrochemická cela podle kteréhokoli z předchozích nároků, vyznačující se tím, že horní a dolní kruhový uzávěr (8) je opatřen ozubeným okrajem pro usnadnění manipulace.Electrochemical cell according to any one of the preceding claims, characterized in that the upper and lower annular closures (8) are provided with a toothed rim to facilitate handling.
CZ2019-36206U 2019-05-14 2019-05-14 Electrochemical cell for determining bacterial drinking water contamination CZ33021U1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CZ2019-36206U CZ33021U1 (en) 2019-05-14 2019-05-14 Electrochemical cell for determining bacterial drinking water contamination

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CZ2019-36206U CZ33021U1 (en) 2019-05-14 2019-05-14 Electrochemical cell for determining bacterial drinking water contamination

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CZ33021U1 true CZ33021U1 (en) 2019-07-23

Family

ID=67393912

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CZ2019-36206U CZ33021U1 (en) 2019-05-14 2019-05-14 Electrochemical cell for determining bacterial drinking water contamination

Country Status (1)

Country Link
CZ (1) CZ33021U1 (en)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Minunni et al. The quartz crystal microbalance as biosensor. A status report on its future
Viswanathan et al. Electrochemical biosensors for food analysis
Bunde et al. Piezoelectric quartz crystal biosensors
Schöning et al. Recent advances in biologically sensitive field-effect transistors (BioFETs)
Muramatsu et al. Piezoelectric immuno sensor for the detection of Candida albicans microbes
Ghindilis Direct electron transfer catalysed by enzymes: application for biosensor development
CN110220961B (en) L-arginine detection method and sensor based on polypeptide composite membrane modified electrode
Chauhan et al. Development of amperometric lysine biosensors based on Au nanoparticles/multiwalled carbon nanotubes/polymers modified Au electrodes
Ramírez et al. The evolution and developments of immunosensors for health and environmental monitoring: Problems and perspectives
Kim et al. Characteristics of a label-free piezoelectric immunosensor detecting Pseudomonas aeruginosa
Sharma et al. Biosensors: tool for food borne pathogen detection
CN110220960B (en) L-arginine detection method and sensor
Kumar et al. Biocompatible self-assembled monolayer platform based on (3-glycidoxypropyl) trimethoxysilane for total cholesterol estimation
Fapyane et al. Urea biosensor based on a CO2 microsensor
Wan et al. Monitoring microbial populations of sulfate-reducing bacteria using an impedimetric immunosensor based on agglutination assay
A Alonso-Lomillo et al. Screen-printed biosensors in drug analysis
CZ33021U1 (en) Electrochemical cell for determining bacterial drinking water contamination
US9243275B1 (en) Biosensor and method of making same
Manai et al. Diamond micro-cantilevers as transducers for olfactory receptors-based biosensors: Application to the receptors M71 and OR7D4
Tamiya et al. Micro-biosensors for clinical analyses
Sahney et al. Enzyme coated glass pH-electrode: Its fabrication and applications in the determination of urea in blood samples
Arya et al. Fundamentals and applications of biosensors
Bojorge Ramírez et al. The evolution and developments of immunosensors for health and environmental monitoring: problems and perspectives
Killard et al. Rapid antibody biosensor assays for environmental analysis
González-Cortés Electrochemical impedance spectroscopy

Legal Events

Date Code Title Description
FG1K Utility model registered

Effective date: 20190723

MK1K Utility model expired

Effective date: 20230514