DE19957826C1 - Stable biosensor production, comprises coating a redox mediator layer with an adhesive hydrogel gelled at low temperature - Google Patents
Stable biosensor production, comprises coating a redox mediator layer with an adhesive hydrogel gelled at low temperatureInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines stabilen redoxmediatormodifizierten Biosensors, wobei sich ein Redoxmediator auf der Arbeitselektrode des Sensormaterials befindet. Erfindungsgemäß wird über dem Redoxmediator eine Schicht eines selbsthaftenden Hydrogels aufgebracht, indem der Sensor mit der wässrigen Lösung des Gels bei Temperaturen bis zu maximal 2°C in Kontakt gebracht wird und dann bei -5°C bis 0°C kurzzeitig gelagert wird sowie anschließend bis zur Gelierung weiter bei ca. +4°C gelagert wird.The invention relates to a method for manufacturing a stable redox mediator modified biosensor, with a redox mediator on the working electrode of the sensor material. According to the invention the redox mediator a layer of a self-adhesive Hydrogels applied by the sensor with the aqueous solution of the gel at temperatures up to maximum 2 ° C and then at -5 ° C up to 0 ° C for a short time and then until for gelation is further stored at approx. + 4 ° C.
Biosensoren sind bekanntermaßen eine Kopplung biologischer Komponenten zur spezifischen Erkennung eines Analyten mit einem physikalischen Transduktor. Die Auswahl des Transduktors wird von der biochemischen Reaktion der Biokomponente bestimmt. Am effektivsten sind amperometrische Elektroden. Voraussetzug für die Funktion von Biosensoren ist der direkte Kontakt einer Biokomponente mit dem physikalischen Transduktor durch Immobiliserung der biologisch aktiven Reagentien. Zu ihrer Immobilisierung sind zahlreiche Methoden bekannt, die auf Adsorption, Einschluss z. B. in Hydrogele wie Gelatine oder Kreuzvernetzung in/mit einer Matrix wie Polyacrylamid oder Rinderserumalbumin beruhen.As is known, biosensors are a coupling biological components for specific recognition of an analyte with a physical transducer. The choice of transducer is based on the biochemical Response of the biocomponent determined. Most effective are amperometric electrodes. Prerequisite for the The function of biosensors is the direct contact of one Biocomponent with the physical transducer Immobilization of the biologically active reagents. To Numerous methods are known for their immobilization, the adsorption, inclusion z. B. in hydrogels like Gelatin or cross-linking in / with a matrix like Polyacrylamide or bovine serum albumin are based.
Reale Proben müssen für eine Messung mit Biosensoren jedoch verdünnt werden, wenn die zu messende Konzentration außerhalb des linearen Messbereichs der Elektrode liegt. Sind mehrere Verdünnungsschritte nötig, steigt der Fehler der Messung. Um diesen linearen Messbereich eines Sensors zu erhöhen, kann eine diffusionslimitierende Schicht auf der Elektrode angeordnet werden.Real samples need to be measured with biosensors however, be diluted when measuring Concentration outside the linear measuring range of Electrode. Are several dilution steps necessary, the error of the measurement increases. To this can increase the linear measuring range of a sensor a diffusion-limiting layer on the electrode to be ordered.
Man bedient sich sogenannter Mediatoren, die als niedermolekulare Redoxüberträger den Elektronentransfer zwischen dem Enzym bzw. der enzymatischen Reaktion und der Elektrode vermitteln.One uses so-called mediators, which as low molecular weight redox transfer electron transfer between the enzyme or the enzymatic reaction and convey the electrode.
Zur Herstellung mediatormodifizierter Biosensoren muss zunächst der Redoxmediator so mit der Elektrode in Kontakt gebracht werden, dass er den gewünschten Elektronentransport zur Elektrodenoberfläche effizient durchführen kann und gleichzeitig aber stabil auf der Elektrode bleibt, ohne sich bei langen Funktionszeiten allmählich von der Elektrode zu entfernen.To produce mediator-modified biosensors first the redox mediator with the electrode in Be brought in contact with the one you want Electron transport to the electrode surface efficiently can perform and at the same time stable on the Electrode remains without long functional times gradually remove from the electrode.
Es sind verschiedene Verfahren zur Mediatoraufbringung bekannt, so z. B. durch Adsorption, kovalente Bindung und Inkorporation in das Elektrodenmaterial. Als besonders effektiv hat sich die Inkorporation erwiesen. So ist aus DD 285 834 A1 ein Verfahren bekannt, nach welchem der Mediator durch Anionenaustausch in eine wasserunlösliche Form überführt und dann in das Elektrodenmaterial inkorporiert wird. Das Problem dabei ist, dass der Elektronentransfer von der Diffusionsfähigkeit des Mediators zwischen Elektrode und Enzym abhängig ist. D. h. der Mediator muss noch immer eine gewisse Wasserlöslichkeit aufweisen, um genügend diffusionsfähig für den Elektronentransfer zu sein, aber er darf gleichzeitig nicht von der Elektrodenoberfläche wegdiffundieren. Das bedeutet, dass der Sensor zwar eine relativ gute Stabilität hat, wenn der Mediator relativ fest in das Material eingebunden ist, die Sensoren jedoch dann eine geringe Sensitivität aufweisen. Durch eine nicht so starke Bindung des Mediators erreicht man Sensoren mit höherer Sensivitität. Diese sind aber wiederum wesentlich weniger stabil.There are various methods of applying the mediator known, e.g. B. by adsorption, covalent bond and incorporation into the electrode material. As The incorporation has proven to be particularly effective. A method is known from DD 285 834 A1, according to which the mediator exchanges into an transferred to the water-insoluble form and then into the Electrode material is incorporated. The problem with that is that the electron transfer from the Diffusibility of the mediator between the electrode and enzyme dependent. That is, the mediator still has to always have a certain water solubility in order sufficiently diffusible for electron transfer be, but at the same time it must not be from the Diffuse away the electrode surface. That means, that the sensor has a relatively good stability, if the mediator is relatively firm in the material is involved, but the sensors then a small one Show sensitivity. By a not so strong one Binding of the mediator is achieved with higher sensors Sensitivity. But these are again essential less stable.
Es sind elektrochemische Verfahren zur kontrollierten Mediatorabscheidung in Kombination mit einem Polymer beschrieben, wobei das Polymer z. B. Polypyrrol sein kann oder ein Polymer des Mediators allein ist. Dazu wird entweder ein konstantes Potential (Festpotential) angelegt, das Potential wird in einem bestimmten Potentialbereich geändert (zyklische Voltametrie) oder es wird sprunghaft von einem Potential zum anderen geändert (Potential-Puls-Verfahren). Diese Mediator- Polymerfilme weisen zwar eine recht gute Stabilität auf, ihre Haftfähigkeit auf der Elektrodenoberfläche ist jedoch begrenzt.There are electrochemical processes for controlled Mediator separation in combination with a polymer described, wherein the polymer z. B. be polypyrrole can or is a polymer of the mediator alone. To either a constant potential (fixed potential) created, the potential is in a certain Potential range changed (cyclic voltammetry) or it will jump from one potential to another changed (potential pulse method). This mediator Polymer films have a very good stability on their adherence to the electrode surface is however limited.
Aufgabe der Erfindung war es deshalb, ein Verfahren zur Herstellung von redoxmediatormodifizierten Biosensoren bereitzustellen, die langzeitstabil, hoch sensitiv und auch zur Messung höherer Analytkonzentrationen geeignet sind.The object of the invention was therefore to provide a method for Manufacture of redox mediator modified biosensors to provide the long-term stable, highly sensitive and also suitable for measuring higher analyte concentrations are.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das Einschließen des Redoxmediators in die Schicht eines selbsthaftenden Hydrogels gelöst. Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines redoxmediatormodifi zierten Biosensors ist dadurch gekennzeichnet, dass über dem Redoxmediator eine Schicht eines selbsthaftenden Hydrogels aufgebracht wird, indem der Sensor mit der wässrigen Lösung des Gels bei Temperaturen bis zu maximal 2°C in Kontakt gebracht wird und dann bei -5°C bis 0°C kurzzeitig gelagert wird, bevorzugt für 20 bis 40 Minuten, insbesondere bevorzugt für 30 Minuten. Anschließend wird der Biosensor weiter bis zur Gelierung bei ca. +4°C gelagert. Die Gelierung tritt je nach verwendetem Gel nach ca. 20 bis 28 Stunden ein.This object is achieved by the Enclosing the redox mediator in the layer of a self-adhesive hydrogel dissolved. The invention Process for producing a redox mediator modifi graced biosensor is characterized in that a layer of one over the redox mediator self-adhesive hydrogel is applied by the Sensor with the aqueous solution of the gel Temperatures up to a maximum of 2 ° C brought into contact is then stored at -5 ° C to 0 ° C for a short time is, preferably for 20 to 40 minutes, in particular preferably for 30 minutes. Then the Biosensor continues until gelation at approx. + 4 ° C stored. Gelation occurs depending on the gel used after about 20 to 28 hours.
Es wurden dadurch Strukturen an der Elektrodenoberfläche ausgebildet, die einerseits eine effektive Rückhaltung des Redoxmediators gewährleisten und andererseits eine Diffusionslimitierung des Analyten darstellen.This resulted in structures on the Electrode surface formed on the one hand ensure effective retention of the redox mediator and on the other hand a diffusion limitation of the Represent analytes.
Die biologischen Reagentien für den Biosensor, vorzugsweise Enzyme, Antikörper, Mikroorganismen, DNA/RNA bzw. deren Fragmente, werden mit dem Redoxmediator auf der Elektrode plaziert. In einer anderen Variante werden sie zusammen mit dem Hydrogel aufgebracht, indem die wässrige Gellösung die biologischen Reagentien enthält.The biological reagents for the biosensor, preferably enzymes, antibodies, microorganisms, DNA / RNA or its fragments are with the Redox mediator placed on the electrode. In a another variant they are together with the hydrogel applied by the aqueous gel solution contains biological reagents.
Die wässrige Hydrogelschicht wird vorzugsweise bei einem pH-Wert von 5,5 bis 7,5 aufgebracht und deckt die Elektrode an allen Rändern sicher ab.The aqueous hydrogel layer is preferably at a pH of 5.5 to 7.5 applied and covers the Electrode safely on all edges.
Da die Gelierung des Hydrogels bei niedrigen Temperaturen unerwartet so abläuft, dass eine dichtere Struktur ausgebildet wird, wird das erfindungsgemäße Verfahren zum Aufbringen des Hydrogels bei Temperaturen von ca. 2°C durchgeführt. Überraschend ist, dass bei der Verarbeitung und Aufbringung des Hydrogels bei den niedrigen Temperaturen eine besonders feine Struktur erreicht wird, die eine verbesserte Rückhaltung des Mediators bewirkt.Because the gelation of the hydrogel at low Temperatures run unexpectedly so that a denser one Structure is formed, the invention Process for applying the hydrogel at temperatures of approx. 2 ° C. It is surprising that at the processing and application of the hydrogel at the a particularly fine structure at low temperatures is achieved, the improved reluctance of the Mediators causes.
In einer Ausführungsvariante hat sich sogar gezeigt, dass die Umsetzung erfolgreich durchgeführt werden kann, wenn die Sensoren bei -5 bis -7°C z. B. auf Kühlakkus vorgekühlt werden und auch bei diesen Temperaturen bearbeitet werden.In one embodiment variant, it has even been shown that the implementation can be carried out successfully can, if the sensors at -5 to -7 ° C z. B. on Cold packs are pre-cooled and also with these Temperatures are processed.
Als besonders geeignet hat sich für das erfindungsgemäße Verfahren das Hydrogel Poly(carbamoylsulfonat)hydrogel (PCS) erwiesen. Aber auch andere Gele, wie z. B. Polyacrylamid, Calciumalginat oder Chitosan-Gel sind erfindungsgemäß einsetzbar.Has been particularly suitable for that process according to the invention the hydrogel Poly (carbamoyl sulfonate) hydrogel (PCS) has been proven. But other gels, such as B. polyacrylamide, Calcium alginate or chitosan gel are according to the invention applicable.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können alle
bekannten Redoxmediatoren stabil auf der Elektrode
gehalten werden. Folgende Redoxmediatoren kommen für
das Verfahren bevorzugt in Frage:
Triarylmethan-Farbstoffe, wie z. B. Kresolrot, p-
Xenolblau, Bromphenolblau, Thymolblau, Bromchlorphenol,
Pararosanilin, Bromphenolrot, Bromkresolpurpur,
Kristallviolett, Methylthymolblau, Bromthymolblau, m-
Kresolpurpur, Bromkresolgrün, Anilinblau, Methylgrün,
Methylblau, Fuchsin, Neufuchsin, Xylenolorange,
Chlorphenolrot, Brillantgrün, Patentblau;
Viologene, wie z. B. Benzyl-, Methylviologen, 1-Methyl-
1-tetradecyl-viologen;
Phenazine, wie z. B. Neutralrot, Safranin T,
Phenosafranin, Janusgrün B, Phenaziniummethosulfat
(PMS), 1-Methoxy-PMS;
Phenothiazine, wie z. B. Neumethylenblau, Azur A, Azur
B, Azur II, Toluidinblau O, Methylenblau, Thionin,
Nilblau, Acridinorange;
Phenoxazine, wie z. B. Gallocyanin, und
Indigosulfonate, wie z. B. Indigocarmin,
Indigotrisulfonat.With the method according to the invention, all known redox mediators can be held stably on the electrode. The following redox mediators are preferred for the process:
Triarylmethane dyes, such as. B. cresol red, p-xenol blue, bromophenol blue, thymol blue, bromochlorophenol, pararosaniline, bromophenol red, bromocresol purple, crystal violet, methylthymol blue, bromothymol blue, m-cresol purple, bromocresol green, aniline blue, methyl green, methyl blue, fuchsin, neuroprotene green, chlorine green, chlorine green, chlorine phenol;
Viologene, such as B. benzyl, methyl viologen, 1-methyl-1-tetradecyl viologen;
Phenazines such as e.g. B. Neutral Red, Safranin T, Phenosafranin, Janus Green B, Phenazinium Methosulfate (PMS), 1-Methoxy-PMS;
Phenothiazines, e.g. B. Neumethylene Blue, Azure A, Azure B, Azure II, Toluidine Blue O, Methylene Blue, Thionine, Nile Blue, Acridine Orange;
Phenoxazines such as e.g. B. gallocyanine, and indigo sulfonates, such as. B. indigo carmine, indigo trisulfonate.
In einer bevorzugten Ausführungsvariante erfolgt das Aufbringen des Redoxmediators durch elektrochemische Polymerisation, wobei der Redoxmediator, ggf. in Kombination mit dem biologischen Reagenz, aus einer wässrigen oder organischen Lösung bzw. einem Gemisch beider polymerisiert wird. Aber auch andere Methoden der Mediatoraufbringung können erfolgreich angewandt werden.This is done in a preferred embodiment Application of the redox mediator by electrochemical Polymerization, the redox mediator, possibly in Combination with the biological reagent, from one aqueous or organic solution or a mixture both are polymerized. But also other methods the mediator application can be successfully applied become.
Der erfindungsgemäß hergestellte Biosensor ist langzeitstabil und kann bei Temperaturen von 4°C über einen Zeitraum von mehr als 6 Monaten gelagert werden ohne an Sensivität zu verlieren.The biosensor produced according to the invention is long-term stable and can at temperatures of 4 ° C over stored for a period of more than 6 months without losing sensitivity.
Darüber hinaus weisen die erfindungsgemäßen redoxmediatormodifizierten Biosensoren eine Vergrößerung des Messbereichs auf. So erfassen z. B. bekannte Biosensoren für die Phenolbestimmung einen Bereich bis 10 µM. Ein erfindungsgemäß hergestellter Biosensor ermöglicht den Bereich auf das 10-fache zu erweitern und Messungen bis 100 µM werden durchführbar.In addition, the invention redox mediator-modified biosensors Enlargement of the measuring range to. So capture z. B. Known biosensors for phenol determination Range up to 10 µM. A manufactured according to the invention Biosensor enables the area to 10 times expand and measurements up to 100 µM become feasible.
Gegenstand der Erfindung ist weiterhin ein redoxmediatormodifizierte Biosensor. Dieser Biosensor umfaßt eine Arbeitselektrode, auf der sich eine Redoxmediatorschicht und darüber eine selbsthaftende Hydrogelschicht befindet. The invention is also a redox mediator modified biosensor. This biosensor comprises a working electrode on which a Redox mediator layer and a self-adhesive over it Hydrogel layer is located.
In einer bevorzugten Ausführungsvariante sind in der Hyrogelschicht biologische Reagentien, vorzugsweise mindestens ein Enzym, vorhanden.In a preferred embodiment, the Hyrogel layer biological reagents, preferably at least one enzyme present.
Ein besonders bevorzugter Biosensor ist in der Fig. 1 dargestellt, die die Schichten auf der Arbeitselektrode zeigt. A particularly preferred biosensor is shown in FIG. 1, which shows the layers on the working electrode.
- 1. 1 Sensorbasismaterial1. 1 sensor base material
- 2. 2 Arbeitselektrode mit Leiterbahn2. 2 working electrode with conductor track
- 3. 3 Isolierschicht3. 3 insulating layer
- 4. 4 Redoxpolymerschicht4. 4 redox polymer layer
- 5. 5 PCS-Gelschicht bzw. Enzymimmobilisatschicht5. 5 PCS gel layer or enzyme immobilized layer
Anschließend wird die Erfindung am Beispiel eines Phenolsensors auf der Basis des Enzyms Tyrosinase und des Redoxmediators Phenaziniummethosulfat (PMS) näher erläutert, auf den sie sich jedoch nicht beschränkt.Subsequently, the invention using the example of a Phenolic sensor based on the enzyme tyrosinase and of the redox mediator phenazinium methosulfate (PMS) explained, to which it is not limited.
Das Polymer von PMS wird elektrochemisch auf der Kohlenstoff-Arbeitselektrode eines dickschichtmodifi zierten Sensors aus der 1 mM Lösung des Monomers in 0,25 M Phosphatpufferlösung pH 6,86 abgeschieden. Dazu wird die Methode der zyklischen Voltametrie mit den Bedingungen: Potentialbereich -400 mV . . . + 100 mV, scan rate 50 mV/s, 100 scans verwendet. Als Gegenelektrode dient eine Pt-Elektrode, die Referenzelektrode ist eine Ag/AgCl-Elektrode. Der Sensor wird zur Aufbringung der Enzym-Immobilisatschicht für 30 min auf 0°C vorgekühlt. Die für die Herstellung der Immobilisatschicht erforderlichen Lösungen werden im Kühlschrank auf 2°C vorgekühlt, 1 mg Tyrosinase wird in 12 µl Phosphatpufferlösung pH 6,8 gelöst und mit 12,5 µl PCS-Präpolymer vermischt. Der pH-Wert wird auf 7,0 eingestellt. 0,1 µl werden auf die Arbeitselektrode aufgebracht. Der Sensor wird weitere 30 min auf -5 bis 0°C gekühlt, danach wird er bei ca. 4°C im Kühlschrank 24 h gelagert. Der Sensor ist zur Messung von Phenolen geeignet.The polymer from PMS is electrochemically based on the Carbon working electrode of a thick film modifi decorated sensor from the 1 mM solution of the monomer in 0.25 M phosphate buffer solution pH 6.86 deposited. To the method of cyclic voltammetry with the Conditions: potential range -400 mV. . . + 100 mV, scan rate 50 mV / s, 100 scans used. As a counter electrode serves a Pt electrode, the reference electrode is a Ag / AgCl electrode. The sensor is used to apply the Enzyme immobilization layer for 30 min at 0 ° C pre-cooled. The for the production of the Immobilisatschicht required solutions are in Refrigerator pre-cooled to 2 ° C, 1 mg tyrosinase dissolved in 12 µl phosphate buffer solution pH 6.8 and with 12.5 µl of PCS prepolymer mixed. The pH will rise to 7.0 set. 0.1 µl are placed on the working electrode upset. The sensor is set to -5 to for a further 30 min Chilled 0 ° C, then it is at about 4 ° C in the refrigerator Stored for 24 hours. The sensor is for measuring phenols suitable.
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- 1999-11-25 DE DE1999157826 patent/DE19957826C1/en not_active Expired - Fee Related
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