RU223466U1 - Устройство для количественной оценки содержания глюкозы в продуктах биотехнологических производств - Google Patents
Устройство для количественной оценки содержания глюкозы в продуктах биотехнологических производств Download PDFInfo
- Publication number
- RU223466U1 RU223466U1 RU2023128667U RU2023128667U RU223466U1 RU 223466 U1 RU223466 U1 RU 223466U1 RU 2023128667 U RU2023128667 U RU 2023128667U RU 2023128667 U RU2023128667 U RU 2023128667U RU 223466 U1 RU223466 U1 RU 223466U1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- glucose content
- composite material
- quantitative assessment
- hybrid composite
- biosensor
- Prior art date
Links
- WQZGKKKJIJFFOK-GASJEMHNSA-N Glucose Natural products OC[C@H]1OC(O)[C@H](O)[C@@H](O)[C@@H]1O WQZGKKKJIJFFOK-GASJEMHNSA-N 0.000 title claims abstract description 20
- 239000008103 glucose Substances 0.000 title claims abstract description 20
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 21
- 239000010439 graphite Substances 0.000 claims abstract description 13
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 claims abstract description 13
- 239000002131 composite material Substances 0.000 claims abstract description 11
- 108010015776 Glucose oxidase Proteins 0.000 claims abstract description 9
- 239000002041 carbon nanotube Substances 0.000 claims abstract description 8
- 229910021393 carbon nanotube Inorganic materials 0.000 claims abstract description 8
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 claims abstract description 7
- PGSADBUBUOPOJS-UHFFFAOYSA-N neutral red Chemical compound Cl.C1=C(C)C(N)=CC2=NC3=CC(N(C)C)=CC=C3N=C21 PGSADBUBUOPOJS-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 7
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 claims abstract description 6
- WYTZZXDRDKSJID-UHFFFAOYSA-N (3-aminopropyl)triethoxysilane Chemical compound CCO[Si](OCC)(OCC)CCCN WYTZZXDRDKSJID-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 5
- 239000004372 Polyvinyl alcohol Substances 0.000 claims abstract description 5
- BOTDANWDWHJENH-UHFFFAOYSA-N Tetraethyl orthosilicate Chemical compound CCO[Si](OCC)(OCC)OCC BOTDANWDWHJENH-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 5
- 229920002451 polyvinyl alcohol Polymers 0.000 claims abstract description 5
- 238000013452 biotechnological production Methods 0.000 claims description 3
- 238000000855 fermentation Methods 0.000 abstract description 4
- 230000004151 fermentation Effects 0.000 abstract description 4
- 235000013305 food Nutrition 0.000 abstract description 2
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 6
- 108090000790 Enzymes Proteins 0.000 description 4
- 102000004190 Enzymes Human genes 0.000 description 4
- 229940088598 enzyme Drugs 0.000 description 4
- 235000019420 glucose oxidase Nutrition 0.000 description 4
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 4
- 229960003351 prussian blue Drugs 0.000 description 3
- 239000013225 prussian blue Substances 0.000 description 3
- 239000004366 Glucose oxidase Substances 0.000 description 2
- 229940116332 glucose oxidase Drugs 0.000 description 2
- DCYOBGZUOMKFPA-UHFFFAOYSA-N iron(2+);iron(3+);octadecacyanide Chemical compound [Fe+2].[Fe+2].[Fe+2].[Fe+3].[Fe+3].[Fe+3].[Fe+3].N#[C-].N#[C-].N#[C-].N#[C-].N#[C-].N#[C-].N#[C-].N#[C-].N#[C-].N#[C-].N#[C-].N#[C-].N#[C-].N#[C-].N#[C-].N#[C-].N#[C-].N#[C-] DCYOBGZUOMKFPA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000002386 leaching Methods 0.000 description 2
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 2
- 239000008057 potassium phosphate buffer Substances 0.000 description 2
- ASHGTUMKRVIOLH-UHFFFAOYSA-L potassium;sodium;hydrogen phosphate Chemical compound [Na+].[K+].OP([O-])([O-])=O ASHGTUMKRVIOLH-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 2
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 2
- VEPOHXYIFQMVHW-XOZOLZJESA-N 2,3-dihydroxybutanedioic acid (2S,3S)-3,4-dimethyl-2-phenylmorpholine Chemical compound OC(C(O)C(O)=O)C(O)=O.C[C@H]1[C@@H](OCCN1C)c1ccccc1 VEPOHXYIFQMVHW-XOZOLZJESA-N 0.000 description 1
- 108091006149 Electron carriers Proteins 0.000 description 1
- SXRSQZLOMIGNAQ-UHFFFAOYSA-N Glutaraldehyde Chemical compound O=CCCCC=O SXRSQZLOMIGNAQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 108010093096 Immobilized Enzymes Proteins 0.000 description 1
- PCNDJXKNXGMECE-UHFFFAOYSA-N Phenazine Natural products C1=CC=CC2=NC3=CC=CC=C3N=C21 PCNDJXKNXGMECE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000004082 amperometric method Methods 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 description 1
- 239000011173 biocomposite Substances 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 230000036983 biotransformation Effects 0.000 description 1
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 description 1
- 229920001940 conductive polymer Polymers 0.000 description 1
- 150000008040 ionic compounds Chemical class 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 1
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 1
- 239000002114 nanocomposite Substances 0.000 description 1
- 230000001590 oxidative effect Effects 0.000 description 1
- 239000008055 phosphate buffer solution Substances 0.000 description 1
- 238000011002 quantification Methods 0.000 description 1
- 230000002468 redox effect Effects 0.000 description 1
- 239000012047 saturated solution Substances 0.000 description 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 1
- 229910052814 silicon oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000003756 stirring Methods 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 1
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 description 1
Abstract
Полезная модель относится к области аналитической биотехнологии, а именно к биосенсорным аналитическим устройствам, и может быть использована для количественной оценки содержания глюкозы в пищевых продуктах, в ферментационных и бродильных процессах. Устройство для количественной оценки содержания глюкозы в продуктах биотехнологических производств содержит графитовый печатный электрод, модифицированный гибридным композитным материалом. В качестве биораспознающего элемента использован фермент глюкозооксидаза. В качестве модифицированного гибридного композитного материала использован редокс-активный полимер на основе кремнийорганической матрицы, состоящей из (3-аминопропил) триэтоксисилана и тетраэтоксисилана в объемных соотношениях 20:80, медиатора нейтрального красного, углеродных нанотрубок и поливинилового спирта. Улучшены технологические возможности устройства путем увеличения продолжительности работы биосенсора без замены биораспознающего элемента. 2 ил., 1 табл.
Description
Полезная модель относится к области аналитической биотехнологии, а именно к биосенсорным аналитическим устройствам. Устройство может быть использовано для количественной оценки содержания глюкозы в пищевых продуктах, в ферментационных и бродильных процессах.
Известна модель устройства для количественной оценки содержания глюкозы, которая представляет собой графитовый печатный электрод с иммобилизованным ферментом глюкозооксидазой. Устройство содержит иммобилизованный фермент глюкозооксидазу на графитовом печатном электроде, модифицированном слоем берлинской лазури и оксида кремния SiCh [Aller-Pellitero, М., Fremeau, J., Villa, R., Guirado, G, Lakard, В., Hihn, J.Y., & del Campo, F.J. Electrochromic biosensors based on screen-printed Prussian Blue electrodes. Sensors and Actuators B: Chemical. 2019. Elsevier, pp. 591-597]. Характерным признаком рассматриваемого устройства, совпадающими с существенными признаками заявляемого технического решения, является амперометрический способ измерения уровня глюкозы с использованием фермента глюкозооксидазы на печатном электроде. Существенным недостатком данного устройства для количественной оценки содержания глюкозы является закрепление медиатора - берлинской лазури и фермента, создающее высокое сопротивление переносу заряда в ходе эксплуатации аналитической системы и приводящее к вымыванию фермента, что снижает долговременную стабильность устройства. Кроме того, устройство не позволяет проводить количественную оценку содержания глюкозы при концентрациях ниже 0,1 мМ.
Наиболее близким, принятым за прототип, является устройство для мониторинга глюкозы в жидкостях [Патент РФ на полезную модель №218094 от 29.11.2022, опубл. 11.05.2023, бюл. №14]. Устройство содержит графитовый печатный электрод, модифицированный гибридным композитным материалом в качестве биораспознающего элемента, использован фермент глюкозооксидаза. В качестве гибридного композитного материала используется проводящий полимер на основе терморасширенного графита и электрополимеризованного медиатора нейтрального красного. Устройство позволяет проводить количественную оценку содержания глюкозы в диапазоне от 0,006 до 0,5 мМ глюкозы и функционирует без замены биораспознающего элемента 30 суток.
Задачей технического решения является улучшение технологических возможностей устройства путем увеличения продолжительности работы биосенсора без замены биораспознающего элемента, а также снижение стоимости единичного анализа.
Поставленная задача решается тем, что устройство для количественной оценки содержания глюкозы в продуктах биотехнологических производств содержит графитовый печатный электрод, модифицированный гибридным композитным материалом, в качестве биораспознающего элемента использован фермент глюкозооксидаза, причем в качестве модифицированного гибридного композитного материала использован редокс-активный полимер на основе кремнийорганической матрицы, состоящей из (3-аминопропил) триэтоксисилана и тетраэтоксисилана в объемных соотношениях 20:80, медиатора нейтрального красного, углеродных нанотрубок и поливинилового спирта.
Кремнийорганическая матрица, состоящая из (3-аминопропил) триэтоксисилана и тетраэтоксисилана, применяемая для иммобилизации фермента глюкозооксидазы создает устойчивое биосовместимое окружение, поддерживающее окислительную активность фермента на высоком уровне, а также предотвращает его вымывание с поверхности электрода, что позволяет увеличить продолжительность работы биосенсора без замены чувствительного элемента. Феназиновый медиатор нейтральный красный, ковалентно-сшитый с кремнийорганической матрицей, являясь эффективным переносчиком электронов, позволяет преобразовать непроводящую кремнийороганическую матрицу в проводящий редокс-активный полимер [Idumah C.I. Novel trends in conductive polymeric nanocomposites, and bionanocomposites. Synthetic Metals. 2021. Elsevier, p. 116674.] Углеродные нанотрубки существенно увеличивают площадь контакта редокс-активного полимера с электродом и обеспечивают высокую чувствительность отклика биосенсора [Ferrier D. С, Honeychurch К.С. Carbon nanotube (CNT)-based biosensors // Biosensors. 2021. Т.П. №.12. C. 486. J. Проводимость графитового печатного электрода является важнейшим параметром электрохимического биосенсора, т.к. от нее напрямую зависит скорость переноса заряда от активных центров фермента на электрод в процессе биотрансформации субстрата и основные характеристики устройства для определения содержания глюкозы.
Устройство для количественной оценки содержания глюкозы в продуктах биотехнологических производств показано на фиг. 1, 2. В таблице представлены характеристики прототипа и заявляемого устройства для количественной оценки содержания глюкозы в продуктах биотехнологических производств.
Устройство состоит из следующих элементов: графитового печатного электрода 1, рабочая поверхность которого модифицирована гибридным композитным материалом 2 на основе редокс-активного полимера, состоящего из кремнийорганической матрицы и медиатора нейтрального красного, углеродных нанотрубок и поливинилового спирта, в качестве биораспознающего элемента использован фермент глюкозооксидаза 3.
Устройство собирают следующим образом: в пробирке типа Эппендорф смешивают 20 мкл (3-аминопропил) триэтоксисилана, 80 мкл тетраэтоксисилана, 10 мкл углеродных нанотрубок, 50 мкл фермента глюкозооксидазы 3, 5 мкл катализатора NaF (5% водный раствор), 20 мкл 20%-го раствора поливинилового спирта, перемешивают в течение 5 минут. На рабочую поверхность графитового печатного электрода 1 наносят 3 мкл смеси, 2,4 мкл насыщенного раствора нейтрального красного, 0,5 мкл 25%-ного раствора глутарового альдегида, оставляют до полного высыхания.
Принцип работы устройства для количественной оценки содержания глюкозы в продуктах биотехнологических производств заключается в следующем: для измерений дополнительно используют потенциостат, ячейку объемом 5 мл, магнитную мешалку и портативный компьютер. Графитовый печатный электрод 1, рабочая поверхность которого модифицирована гибридным композитным материалом 2, и глюкозооксидазой 3, помещают в ячейку, добавляют 5 мл натрий-калий фосфатного буферного раствора (33 мМ KH2PO4+33 мМ Na2HPO4, рН 6,8), включают магнитную мешалку и регистрируют фоновый ток в измерительной ячейке. Для регистрации ответа биосенсора предлагается использовать потенциостат CS150 (Contest, Китай), подключаемый к графитовым печатным электродам и персональному компьютеру. Вводят анализируемую пробу. Измерения проводят при комнатной температуре, при рабочем потенциале -700 мВ, что связано с окислительно-восстановительными свойствами гибридного композитного материала. Между измерениями кювету промывают 5 мл натрий-калий фосфатного буферного раствора (рН 6,8). Сигналом графитового печатного электрода 1 является зависимость силы тока (нА) от времени (с). Рассчитывают амплитуду изменения силы тока после введения пробы в измерительную кювету (ответ биосенсора, AI, нА). Содержание глюкозы в пробе определяют с использованием предварительно построенной градуировочной зависимости. После каждого измерения промывают измерительную кювету фосфатным буферным раствором (рН 6,8) в объеме 5 мл.
Таким образом, заявляемое устройство для количественной оценки содержания глюкозы в продуктах биотехнологических производств и позволяет увеличить время работы биосенсора без замены биораспознающего элемента до 46 суток и проводить определение содержания глюкозы в диапазоне 0,01-0,92 мМ.
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования РФ в рамках государственного задания по теме «Синтез таргетных биологически активных ионных соединений и новых биокомпозитных материалов» (FEWD-2021-0011).
Claims (1)
- Устройство для количественной оценки содержания глюкозы в продуктах биотехнологических производств, содержащее графитовый печатный электрод, модифицированный гибридным композитным материалом, в качестве биораспознающего элемента использован фермент глюкозооксидаза, отличающееся тем, что в качестве модифицированного гибридного композитного материала использован редокс-активный полимер на основе кремнийорганической матрицы, состоящей из (3-аминопропил) триэтоксисилана и тетраэтоксисилана в объемных соотношениях 20:80, медиатора нейтрального красного, углеродных нанотрубок и поливинилового спирта.
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU223466U1 true RU223466U1 (ru) | 2024-02-19 |
Family
ID=
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2076316C1 (ru) * | 1994-02-09 | 1997-03-27 | Акционерное общество закрытого типа "Элта" | Электрохимический датчик для определения содержания глюкозы |
| RU98414U1 (ru) * | 2010-06-11 | 2010-10-20 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Тульский государственный университет" (ТулГУ) | Устройство для определения содержания глюкозы, фруктозы, метанола и этанола |
| RU175461U1 (ru) * | 2017-07-18 | 2017-12-05 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Тульский государственный университет" (ТулГУ) | Устройство для определения содержания глюкозы, лактата, этанола и крахмала при совместном присутствии |
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2076316C1 (ru) * | 1994-02-09 | 1997-03-27 | Акционерное общество закрытого типа "Элта" | Электрохимический датчик для определения содержания глюкозы |
| RU98414U1 (ru) * | 2010-06-11 | 2010-10-20 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Тульский государственный университет" (ТулГУ) | Устройство для определения содержания глюкозы, фруктозы, метанола и этанола |
| RU175461U1 (ru) * | 2017-07-18 | 2017-12-05 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Тульский государственный университет" (ТулГУ) | Устройство для определения содержания глюкозы, лактата, этанола и крахмала при совместном присутствии |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Chaubey et al. | Co-immobilization of lactate oxidase and lactate dehydrogenase on conducting polyaniline films | |
| Fu et al. | Recent advances in the construction of biofuel cells based self‐powered electrochemical biosensors: A review | |
| Li et al. | Study of carbon nanotube modified biosensor for monitoring total cholesterol in blood | |
| Zen et al. | Multianalyte sensor for the simultaneous determination of hypoxanthine, xanthine and uric acid based on a preanodized nontronite-coated screen-printed electrode | |
| Ahmad et al. | Wide linear-range detecting high sensitivity cholesterol biosensors based on aspect-ratio controlled ZnO nanorods grown on silver electrodes | |
| Wu et al. | Simultaneous determination of dopamine and serotonin on a glassy carbon electrode coated with a film of carbon nanotubes | |
| Pundir et al. | Biosensing methods for xanthine determination: A review | |
| Lin et al. | An ECL biosensor for glucose based on carbon-nanotube/Nafion film modified glass carbon electrode | |
| Fang et al. | A disposable amperometric biosensor for determining total cholesterol in whole blood | |
| Gerard et al. | Immobilization of lactate dehydrogenase on electrochemically prepared polyaniline films | |
| CN102998348A (zh) | 一种脱氢酶型电化学生物传感器制备方法 | |
| Isildak et al. | A novel conductometric creatinine biosensor based on solid-state contact ammonium sensitive PVC–NH2 membrane | |
| Huang et al. | Development of an amperometric l-lactate biosensor based on l-lactate oxidase immobilized through silica sol–gel film on multi-walled carbon nanotubes/platinum nanoparticle modified glassy carbon electrode | |
| Chauhan et al. | Construction of an uricase nanoparticles modified au electrode for amperometric determination of uric acid | |
| Mak et al. | Biosensor for rapid phosphate monitoring in a sequencing batch reactor (SBR) system | |
| Huang et al. | A highly-sensitive L-lactate biosensor based on sol-gel film combined with multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs) modified electrode | |
| Hu et al. | A versatile strategy for electrochemical detection of hydrogen peroxide as well as related enzymes and substrates based on selective hydrogen peroxide-mediated boronate deprotection | |
| Yan et al. | Immobilization and electrochemical behavior of gold nanoparticles modified leukemia K562 cells and application in drug sensitivity test | |
| Li et al. | A new handheld biosensor for monitoring blood ketones | |
| Baluta et al. | Point-of-Care Testing: Biosensor for Norepinephrine Determination | |
| Dai et al. | A highly performing electrochemiluminescent biosensor for glucose based on a polyelectrolyte-chitosan modified electrode | |
| Berchmans et al. | Enzymeless approach for the determination of some biologically important species | |
| RU223466U1 (ru) | Устройство для количественной оценки содержания глюкозы в продуктах биотехнологических производств | |
| Xu et al. | A novel electrochemical biosensor for detection of cholesterol | |
| Zhang et al. | An Electrochemical Benzylpenicillin Biosensor Based on ß-Lactamase and Fullerene Supported by A Bilayer Lipid Membrane |