RU2816917C1 - Apparatus for determining volatile alkylphenols in aqueous media - Google Patents
Apparatus for determining volatile alkylphenols in aqueous media Download PDFInfo
- Publication number
- RU2816917C1 RU2816917C1 RU2023124191A RU2023124191A RU2816917C1 RU 2816917 C1 RU2816917 C1 RU 2816917C1 RU 2023124191 A RU2023124191 A RU 2023124191A RU 2023124191 A RU2023124191 A RU 2023124191A RU 2816917 C1 RU2816917 C1 RU 2816917C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- layer
- serum albumin
- bovine serum
- carbon nanotubes
- alkylphenols
- Prior art date
Links
- 239000012736 aqueous medium Substances 0.000 title claims abstract description 12
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 32
- 108091003079 Bovine Serum Albumin Proteins 0.000 claims abstract description 16
- 229940098773 bovine serum albumin Drugs 0.000 claims abstract description 16
- 239000002041 carbon nanotube Substances 0.000 claims abstract description 16
- 229910021393 carbon nanotube Inorganic materials 0.000 claims abstract description 16
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 16
- 239000012620 biological material Substances 0.000 claims abstract description 14
- OARRHUQTFTUEOS-UHFFFAOYSA-N safranin Chemical group [Cl-].C=12C=C(N)C(C)=CC2=NC2=CC(C)=C(N)C=C2[N+]=1C1=CC=CC=C1 OARRHUQTFTUEOS-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 11
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 10
- 108060008724 Tyrosinase Proteins 0.000 claims abstract description 8
- 239000004020 conductor Substances 0.000 claims abstract description 8
- 238000000502 dialysis Methods 0.000 claims abstract description 8
- 239000012528 membrane Substances 0.000 claims abstract description 8
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 claims abstract description 8
- 239000002480 mineral oil Substances 0.000 claims abstract description 7
- 235000010446 mineral oil Nutrition 0.000 claims abstract description 7
- 102100039094 Tyrosinase Human genes 0.000 claims abstract 2
- 239000000758 substrate Substances 0.000 abstract description 13
- 230000007774 longterm Effects 0.000 abstract description 11
- 238000005259 measurement Methods 0.000 abstract description 6
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 4
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 3
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 abstract description 2
- 230000002452 interceptive effect Effects 0.000 abstract description 2
- ISWSIDIOOBJBQZ-UHFFFAOYSA-N phenol group Chemical group C1(=CC=CC=C1)O ISWSIDIOOBJBQZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 14
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 12
- DHMQDGOQFOQNFH-UHFFFAOYSA-N Glycine Chemical compound NCC(O)=O DHMQDGOQFOQNFH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 10
- KFZMGEQAYNKOFK-UHFFFAOYSA-N Isopropanol Chemical compound CC(C)O KFZMGEQAYNKOFK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 10
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 7
- 102000004190 Enzymes Human genes 0.000 description 6
- 108090000790 Enzymes Proteins 0.000 description 6
- 102000003425 Tyrosinase Human genes 0.000 description 6
- FBPFZTCFMRRESA-FSIIMWSLSA-N D-Glucitol Natural products OC[C@H](O)[C@H](O)[C@@H](O)[C@H](O)CO FBPFZTCFMRRESA-FSIIMWSLSA-N 0.000 description 5
- FBPFZTCFMRRESA-JGWLITMVSA-N D-glucitol Chemical compound OC[C@H](O)[C@@H](O)[C@H](O)[C@H](O)CO FBPFZTCFMRRESA-JGWLITMVSA-N 0.000 description 5
- 239000004471 Glycine Substances 0.000 description 5
- XUJNEKJLAYXESH-REOHCLBHSA-N L-Cysteine Chemical compound SC[C@H](N)C(O)=O XUJNEKJLAYXESH-REOHCLBHSA-N 0.000 description 5
- DKGAVHZHDRPRBM-UHFFFAOYSA-N Tert-Butanol Chemical compound CC(C)(C)O DKGAVHZHDRPRBM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 5
- XUJNEKJLAYXESH-UHFFFAOYSA-N cysteine Natural products SCC(N)C(O)=O XUJNEKJLAYXESH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 235000018417 cysteine Nutrition 0.000 description 5
- 239000000600 sorbitol Substances 0.000 description 5
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 4
- 239000002351 wastewater Substances 0.000 description 4
- 241000894006 Bacteria Species 0.000 description 3
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 3
- KTWOOEGAPBSYNW-UHFFFAOYSA-N ferrocene Chemical compound [Fe+2].C=1C=C[CH-]C=1.C=1C=C[CH-]C=1 KTWOOEGAPBSYNW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000000034 method Methods 0.000 description 3
- ASHGTUMKRVIOLH-UHFFFAOYSA-L potassium;sodium;hydrogen phosphate Chemical compound [Na+].[K+].OP([O-])([O-])=O ASHGTUMKRVIOLH-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 3
- 239000012064 sodium phosphate buffer Substances 0.000 description 3
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 241000589776 Pseudomonas putida Species 0.000 description 2
- 229910021607 Silver chloride Inorganic materials 0.000 description 2
- 150000001721 carbon Chemical class 0.000 description 2
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 2
- 238000011161 development Methods 0.000 description 2
- 230000000813 microbial effect Effects 0.000 description 2
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 2
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 2
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 2
- 150000002989 phenols Chemical class 0.000 description 2
- HKZLPVFGJNLROG-UHFFFAOYSA-M silver monochloride Chemical compound [Cl-].[Ag+] HKZLPVFGJNLROG-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 2
- 241000283690 Bos taurus Species 0.000 description 1
- SXRSQZLOMIGNAQ-UHFFFAOYSA-N Glutaraldehyde Chemical compound O=CCCCC=O SXRSQZLOMIGNAQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 241001291485 Pseudomonas veronii Species 0.000 description 1
- 108010071390 Serum Albumin Proteins 0.000 description 1
- 102000007562 Serum Albumin Human genes 0.000 description 1
- 230000006978 adaptation Effects 0.000 description 1
- 239000012491 analyte Substances 0.000 description 1
- 230000001580 bacterial effect Effects 0.000 description 1
- 239000012888 bovine serum Substances 0.000 description 1
- 238000011088 calibration curve Methods 0.000 description 1
- 238000002242 deionisation method Methods 0.000 description 1
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 1
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 1
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 1
- 231100000463 ecotoxicology Toxicity 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 238000006911 enzymatic reaction Methods 0.000 description 1
- 239000003112 inhibitor Substances 0.000 description 1
- 230000005764 inhibitory process Effects 0.000 description 1
- 238000002386 leaching Methods 0.000 description 1
- 231100001231 less toxic Toxicity 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 1
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 1
- 150000002988 phenazines Chemical class 0.000 description 1
- 239000008055 phosphate buffer solution Substances 0.000 description 1
- 238000012552 review Methods 0.000 description 1
- 239000012047 saturated solution Substances 0.000 description 1
- 239000002109 single walled nanotube Substances 0.000 description 1
- 230000006641 stabilisation Effects 0.000 description 1
- 238000011105 stabilization Methods 0.000 description 1
- 238000010561 standard procedure Methods 0.000 description 1
- 238000003756 stirring Methods 0.000 description 1
- 239000000725 suspension Substances 0.000 description 1
- 230000002588 toxic effect Effects 0.000 description 1
- 238000004065 wastewater treatment Methods 0.000 description 1
Abstract
Description
Устройство для определения летучих алкилфенолов в водных средах относится к области экологической экспертизы состояния окружающей среды и может быть использовано для контроля процессов очистки сточной воды централизованных систем водоотведения. Ввиду сложности и продолжительности стандартного метода, при котором время анализа одной пробы составляет 6 часов [ПНДФ 14.1:2.105-97. Методика выполнения измерений массовой концентрации летучих фенолов в природных и очищенных сточных водах фотометрическим методом после отгонки с водяным паром. - М.: 1997. - 19 с] разработка экспресс-анализаторов наиболее актуальна.A device for determining volatile alkylphenols in aquatic environments belongs to the field of environmental assessment of the state of the environment and can be used to control the processes of wastewater treatment of centralized wastewater disposal systems. Due to the complexity and duration of the standard method, in which the analysis time for one sample is 6 hours [PNDF 14.1:2.105-97. Methodology for measuring the mass concentration of volatile phenols in natural and treated wastewater using the photometric method after steam stripping. - M.: 1997. - 19 p.] the development of express analyzers is the most relevant.
Известно устройство для экспресс-мониторинга фенольного индекса [Лаврова Т.В. и др. Адаптация бактериальных штаммов Pseudomonas putida BS394 (pBS216) и Pseudomonas veronii DSM 11331T как основа формирования биосенсора для определения фенольного индекса // экотоксикология -2021. - 2021. - с. 122-124]. Устройство содержит пластмассовый корпус, в его полости располагается платиновый проводник, погруженный в угольную пасту на основе минерального масла и графитовой пудры, рабочая поверхность покрыта редокс-слоем - модифицированной угольной пасты на основе ферроцена, далее нанесен слой иммобилизованных адаптированных к фенолу бактерий Pseoudomonas putida BS394 (pBS216), которые зафиксированы диализной мембраной с помощью пластикового кольца. Нижняя граница определяемых концентраций фенола составляет 0,5 мг/дм3, время анализа одной пробы составляет 15 минут, число регистрируемых субстратов 16, включая легкоокисляемые субстраты, не входящие в фенольный индекс, долговременная стабильность - 8 суток.A device for express monitoring of the phenolic index is known [Lavrova T.V. and others. Adaptation of bacterial strains Pseudomonas putida BS394 (pBS216) and Pseudomonas veronii DSM 11331 T as the basis for the formation of a biosensor for determining the phenolic index // ecotoxicology -2021. - 2021. - p. 122-124]. The device contains a plastic body, in its cavity there is a platinum conductor immersed in a carbon paste based on mineral oil and graphite powder, the working surface is covered with a redox layer - a modified carbon paste based on ferrocene, then a layer of immobilized phenol-adapted bacteria Pseoudomonas putida BS394 ( pBS216), which are fixed to the dialysis membrane using a plastic ring. The lower limit of determined phenol concentrations is 0.5 mg/dm 3 , the analysis time of one sample is 15 minutes, the number of registered substrates is 16, including easily oxidized substrates that are not included in the phenolic index, long-term stability is 8 days.
Существенным недостатком устройства является низкая долговременная стабильность - 8 суток, в течение указанного непродолжительного периода можно хранить устройство после изготовления, т.е. фактически устройство необходимость изготавливать непосредственного перед анализом проб.A significant disadvantage of the device is its low long-term stability - 8 days; during the specified short period, the device can be stored after manufacture, i.e. in fact, the device needs to be manufactured immediately before sample analysis.
Наиболее близким по своим признакам, принятое за прототип, является устройство для определения фенольного индекса в водных средах [Устройство для определения фенольного индекса в водных средах: пат. ПМ№217965 Рос. Федерация: МПК C12Q 1/02, G01N 33/18 / Перчиков Р.Н., Провоторова Д.В., Харькова А. С., Арляпов В.А.; патентообладатель Федеральное государственное образовательное учреждение высшего образования «Тульский государственный университет» (ТулГУ) - №2022132782; заявл. 13.12.2022; опубл. 26.04.2023, бюл. №12; Perchikov R. N. et at. Bioanalytical System for Determining the Phenol Index Based on Pseudomonas putida BS394 (pBS216) Bacteria Immobilized in a Redox-Active Biocompatible Composite Polymer "Bovine Serum Albumin-Ferrocene-Carbon Nanotubes" // Polymers. - 2022. - T. 14. - I. 24. - №. 5366]. Устройство содержит пластмассовый корпус, в его полости располагается платиновый проводник, погруженный в угольную пасту на основе минерального масла и графитовой пудры, рабочая поверхность покрыта редокс-слоем на основе композитного материала, содержащего углеродные нанотрубки и модифицированный ферроценкарбоксальдегидом бычий сывороточный альбумин, далее нанесен слой иммобилизованного биоматериала - адаптированных к фенолу бактерий Pseoudomonas putida В S394 (pBS216), который зафиксирован диализной мембраной с помощью пластикового кольца. Устройство позволяет определять фенол в концентрациях от 0,001 мг/дм3, время анализа одной пробы составляет 10 минут, долговременная стабильность - 11 суток, относительное стандартное отклонение серии 14 последовательных аналитических сигналов составляет 15%, число регистрируемых субстратов 7, включая пять легкоокисляемых субстратов (изопропанол, 2-метилпропанол-2, сорбит, глицин, цистеин), не входящих в фенольный индекс. Замена редокс-слоя с модифицированной угольной пасты на основе ферроцена (аналог) на композитный материал, содержащий углеродные нанотрубки и модифицированный ферроценкарбоксальдегидом бычий сывороточный альбумин (прототип) позволило предотвратить вымывание электро-активного ферроцена из аналитической системы, увеличивая долговременную стабильность устройства и изменяя число регистрируемых легкоокисляемых субстратов, формируя более селективный аналитический сигнал по отношению к фенолу и его производным. Недостатком прототипа является низкая стабильность аналитического сигнала, что приводит к высокому относительному стандартному отклонению серии 14 последовательных аналитических сигналов, низкой долговременной стабильности и высокому числу легкоокисляемых субстратов, при введении которых генерируются ложно-положительный сигнал.The closest in its characteristics, adopted as a prototype, is a device for determining the phenolic index in aqueous media [Device for determining the phenolic index in aqueous media: Pat. PM No. 217965 Ros. Federation: IPC C12Q 1/02, G01N 33/18 / Perchikov R.N., Provotorova D.V., Kharkova A.S., Arlyapov V.A.; patent holder Federal State Educational Institution of Higher Education "Tula State University" (Tula State University) - No. 2022132782; application 12/13/2022; publ. 04/26/2023, bulletin. No. 12; Perchikov RN et at. Bioanalytical System for Determining the Phenol Index Based on Pseudomonas putida BS394 (pBS216) Bacteria Immobilized in a Redox-Active Biocompatible Composite Polymer "Bovine Serum Albumin-Ferrocene-Carbon Nanotubes" // Polymers. - 2022. - T. 14. - I. 24. - No. 5366]. The device contains a plastic body, in its cavity there is a platinum conductor immersed in a carbon paste based on mineral oil and graphite powder, the working surface is covered with a redox layer based on a composite material containing carbon nanotubes and bovine serum albumin modified with ferrocenecarboxaldehyde, then a layer of immobilized biomaterial is applied. - phenol-adapted bacteria Pseoudomonas putida B S394 (pBS216), which is fixed by the dialysis membrane using a plastic ring. The device allows you to determine phenol in concentrations from 0.001 mg/dm 3 , the analysis time of one sample is 10 minutes, long-term stability is 11 days, the relative standard deviation of a series of 14 consecutive analytical signals is 15%, the number of registered substrates is 7, including five easily oxidized substrates (isopropanol , 2-methylpropanol-2, sorbitol, glycine, cysteine), not included in the phenolic index. Replacing the redox layer with a modified carbon paste based on ferrocene (analogue) with a composite material containing carbon nanotubes and bovine serum albumin modified with ferrocenecarboxaldehyde (prototype) made it possible to prevent the leaching of electro-active ferrocene from the analytical system, increasing the long-term stability of the device and changing the number of recorded easily oxidized substances substrates, forming a more selective analytical signal in relation to phenol and its derivatives. The disadvantage of the prototype is the low stability of the analytical signal, which leads to a high relative standard deviation of a series of 14 consecutive analytical signals, low long-term stability and a high number of easily oxidized substrates, the introduction of which generates a false positive signal.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, является улучшение технических характеристик устройства для определения летучих алкилфенолов в водных средах, в частности повышения стабильности получаемого аналитического сигнала.The problem to be solved by the claimed technical solution is to improve the technical characteristics of the device for determining volatile alkylphenols in aqueous media, in particular to increase the stability of the resulting analytical signal.
Данная задача решается за счет того, что заявленное устройство для определения летучих алкилфенолов в водных средах содержит платиновый проводник, погруженный в угольную пасту на основе минерального масла и графитовой пудры, рабочая поверхность которой покрыта редокс-слоем на основе углеродных нанотрубок и модифицированного бычьего сывороточного альбумина. На редокс-слой нанесен слой иммобилизованного биоматериала, которые зафиксированы диализной мембраной с помощью пластикового кольца, причем редокс-слой сформирован из последовательно нанесенных слоев углеродных нанотрубок и модифицированного сафранином О бычьего сывороточного альбумина, в качестве биоматериала использован фермент тирозиназа.This problem is solved due to the fact that the claimed device for determining volatile alkylphenols in aqueous media contains a platinum conductor immersed in a carbon paste based on mineral oil and graphite powder, the working surface of which is coated with a redox layer based on carbon nanotubes and modified bovine serum albumin. A layer of immobilized biomaterial is applied to the redox layer, which is fixed by a dialysis membrane using a plastic ring, and the redox layer is formed from sequentially deposited layers of carbon nanotubes and safranin O modified bovine serum albumin, the enzyme tyrosinase is used as a biomaterial.
На иллюстрации показано устройство для определения летучих алкилфенолов в водных средах. В таблице представлены характеристики прототипа и заявляемого устройства для определения летучих алкилфенолов в водных средах.The illustration shows a device for determining volatile alkylphenols in aqueous media. The table presents the characteristics of the prototype and the proposed device for the determination of volatile alkylphenols in aqueous media.
Технический результат заявляемого устройства заключается в улучшении технических характеристик, за счет повышения стабильности получаемого аналитического сигнала, в частности, относительное стандартное отклонение серии 14 последовательных аналитических сигналов уменьшается с 15% (прототип) до 10% (заявляемое техническое решение), увеличена долговременная стабильность с 11 суток (прототип) до 22 суток (заявляемое техническое решение), заявляемое техническое решение не генерирует сигнал при введении легкоокисляемых субстратов (изопропанол, 2-метилпропанол-2, сорбит, глицин, цистеин), на которые прототип давал ложно-положительный сигнал. При этом устройство позволяет определять сумму летучих алкилфенолов в пересчете на фенол, значение концентрации которых более 0,5 мг/дм3.The technical result of the claimed device is to improve the technical characteristics by increasing the stability of the resulting analytical signal, in particular, the relative standard deviation of a series of 14 consecutive analytical signals is reduced from 15% (prototype) to 10% (the claimed technical solution), long-term stability is increased from 11 days (prototype) to 22 days (the claimed technical solution), the claimed technical solution does not generate a signal when introducing easily oxidizable substrates (isopropanol, 2-methylpropanol-2, sorbitol, glycine, cysteine), to which the prototype gave a false-positive signal. In this case, the device allows you to determine the amount of volatile alkylphenols in terms of phenol, the concentration of which is more than 0.5 mg/dm 3 .
Стабилизация сигнала при последовательных измерениях, связанная с величиной относительного стандартного отклонения последовательных измерений, является следствием формирования редокс-слоя послойным нанесением углеродных нанотрубок и редокс-активного полимера модифицированного сафранином О бычьего сывороточного альбумина. В тонких электрокаталитических слоях определяющую роль в формировании аналитического сигнала оказывает скорость ферментативных реакций в приэлектродном пространстве и, таким образом, разброс результатов анализа определяется изменением активности фермента, любые флуктуации рН внутри слоя изменяют активность биоматериала и вызывают разброс результатов измерений. Увеличение толщины редокс-слоя снижает роль кинетической составляющей генерации аналитического сигнала, приводя к увеличению влияния диффузии субстрата на формирование аналитического сигнала, минимизируя влияние флуктуаций рН на аналитический сигнал [Stikoniene О., Ivanauskas F., Laurinavicius V. The influence of external factors on the operational stability of the biosensor response // Talanta. - 2010. - T. 81. - №.4-5. - C. 1245-1249].Stabilization of the signal during successive measurements, associated with the value of the relative standard deviation of successive measurements, is a consequence of the formation of a redox layer by layer-by-layer deposition of carbon nanotubes and a redox-active polymer of safranin O modified bovine serum albumin. In thin electrocatalytic layers, the determining role in the formation of the analytical signal is played by the rate of enzymatic reactions in the near-electrode space and, thus, the spread of analysis results is determined by changes in enzyme activity; any pH fluctuations within the layer change the activity of the biomaterial and cause a spread of measurement results. Increasing the thickness of the redox layer reduces the role of the kinetic component of the generation of the analytical signal, leading to an increase in the influence of substrate diffusion on the formation of the analytical signal, minimizing the influence of pH fluctuations on the analytical signal [Stikoniene O., Ivanauskas F., Laurinavicius V. The influence of external factors on the operational stability of the biosensor response // Talanta. - 2010. - T. 81. - No. 4-5. - C. 1245-1249].
Увеличение долговременной стабильности обусловлено использованием в составе редокс-слоя модифицированного сафранином О бычьего сывороточного альбумина. При модификации бычьего сывороточного альбумина производными феназина (заявляемое техническое решение) количество электроактивного вещества в редокс-полимере меньше, чем при модификации ферроценкарбоксальдегидом (прототип) [Arlyapov V. A., Kharkova A.S., Kurbanaliyeva S.K., Kuznetsova L.S., Machulin A. V., Tarasov S.E., Melnikov P. V., Ponamoreva O.N., Alferov V.A., Reshetilov A.N. Use of biocompatible redox-active polymers based on carbon nanotubes and modified organic matrices for development of a highly sensitive BOD biosensor // Enzyme and Microbial Technology. - 2021. - V. 143. - No. 109706], низкое содержание редокс-частиц в полимере оказывает менее токсичное влияние на биоматериал, что увеличивает долговременную стабильность.The increase in long-term stability is due to the use of safranin O-modified bovine serum albumin in the redox layer. When modifying bovine serum albumin with phenazine derivatives (the claimed technical solution), the amount of electroactive substance in the redox polymer is less than when modifying ferrocenecarboxaldehyde (prototype) [Arlyapov V. A., Kharkova A. S., Kurbanaliyeva S. K., Kuznetsova L. S., Machulin A. V., Tarasov S. E., Melnikov P. V., Ponamoreva O.N., Alferov V.A., Reshetilov A.N. Use of biocompatible redox-active polymers based on carbon nanotubes and modified organic matrices for the development of a highly sensitive BOD biosensor // Enzyme and Microbial Technology. - 2021. - V. 143. - No. 109706], the low content of redox particles in the polymer has a less toxic effect on the biomaterial, which increases long-term stability.
Отсутствие сигнала при введении легкоокисляемых субстратов (изопропанола, 2-метилпропанола-2, сорбита, глицина, цистеина) связано с использованием в качестве иммобилизованного биоматериала фермента тирозиназы, которая в отличие от клеток микроорганизмов не катализирует реакции окисления указанных субстратов [Zolghadri S. et al. A comprehensive review on tyrosinase inhibitors // Journal of enzyme inhibition and medicinal chemistry. - 2019. - T. 34. -№. 1. - C. 279-309].The absence of a signal upon the introduction of easily oxidizable substrates (isopropanol, 2-methylpropanol-2, sorbitol, glycine, cysteine) is associated with the use of the enzyme tyrosinase as an immobilized biomaterial, which, unlike microbial cells, does not catalyze the oxidation reactions of these substrates [Zolghadri S. et al. A comprehensive review on tyrosinase inhibitors // Journal of enzyme inhibition and medicinal chemistry. - 2019. - T. 34. -No. 1. - pp. 279-309].
Заявляемое устройство состоит из следующих элементов: пластмассового корпуса 1; платинового проводника 2; угольной пасты 3 на основе минерального масла и графитовой пудры; редокс-слоя 4, состоящего из углеродных нанотрубок 5 и модифицированного сафранином О бычьего сывороточного альбумина 6; иммобилизованного биоматериала - фермента тирозиназы 7; диализной мембраны 8 и пластикового кольца 9.The inventive device consists of the following elements: plastic housing 1; platinum conductor 2; carbon paste 3 based on mineral oil and graphite powder; redox layer 4, consisting of carbon nanotubes 5 and safranin O modified bovine serum albumin 6; immobilized biomaterial - tyrosinase 7 enzyme; dialysis membrane 8 and plastic ring 9.
Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является повышение стабильности получаемого аналитического сигнала, в частности, снижение относительного стандартного отклонения серии последовательных аналитических сигналов, увеличение долговременной стабильности, сокращение влияния мешающих компонентов легкоокисляемых субстратов (изопропанол, 2-метилпропанол-2, сорбит, глицин, цистеин) на аналитический сигнал, что связано с использованием редокс-слоя, состоящего из углеродных нанотрубок и модифицированного сафранином О бычьего сывороточного альбумина, и иммобилизованного биоматериала - фермента тирозиназы.The technical result provided by the given set of features is an increase in the stability of the resulting analytical signal, in particular, a decrease in the relative standard deviation of a series of successive analytical signals, an increase in long-term stability, a reduction in the influence of interfering components of easily oxidized substrates (isopropanol, 2-methylpropanol-2, sorbitol, glycine, cysteine) on the analytical signal, which is associated with the use of a redox layer consisting of carbon nanotubes and safranin O modified bovine serum albumin, and an immobilized biomaterial - the enzyme tyrosinase.
Устройство собирают следующим образом: готовят угольную пасту 3 следующего состава: графитовая пудра - 100 мг, минеральное масло - 40 мкл. Угольной пастой 3 заполняют пластмассовый корпус 1. Платиновый проводник 2 погружают в угольную пасту 3. Затем поверхность электрода модифицируют редокс-слоем 4, для этого поверхность угольной пасты 3 покрывают 10 мкл суспензии углеродных нанотрубок 5, сформированной на основе 0,25 г дисперсии на водной основе 2,5% (масс.) одностенных улеродных нанотрубок, растровенных в 1 мл деионизационной воды. Затем наносят редокс-активный полимер на основе модифицированного сафранином О бычьего сывороточного альбумина 6. Для этого в 50 мкл фосфатного буферного раствора с рН=6,8 растворяют 0,0035 г бычьего сывороточного альбумина, добавляют 5 мкл водного насыщенного раствора сафранина О, тщательно перемешивают, затем добавляют 7,5 мкл глутарового альдегида, перемешивают не более 30 секунд и в количестве 10 мкл добавляют к нанесенному слою углеродных нанотрубок 5. Слой модифицированного сафранином О бычьего сывороточного альбумина 6 высушивают при комнатной температуре. Поверх редокс-слоя 4 наносят раствор фермента тирозиназы 7 250 мг/см3, 10 мкл, высушивают и закрепляют на электроде диализной мембраной 8 с помощью пластикового кольца 9.The device is assembled as follows: prepare carbon paste 3 of the following composition: graphite powder - 100 mg, mineral oil - 40 μl. Carbon paste 3 is filled into the plastic housing 1. Platinum conductor 2 is immersed in carbon paste 3. Then the surface of the electrode is modified with a redox layer 4, for this purpose the surface of carbon paste 3 is covered with 10 μl of a suspension of carbon nanotubes 5, formed on the basis of 0.25 g of dispersion in aqueous based on 2.5% (wt.) single-walled carbon nanotubes, dispersed in 1 ml of deionization water. Then a redox-active polymer based on bovine serum albumin 6 modified by safranin O is applied. To do this, 0.0035 g of bovine serum albumin is dissolved in 50 μl of a phosphate buffer solution with pH = 6.8, 5 μl of an aqueous saturated solution of safranin O is added, and thoroughly mixed , then add 7.5 μl of glutaraldehyde, mix for no more than 30 seconds and add 10 μl to the applied layer of carbon nanotubes 5. The layer of safranin O modified bovine serum albumin 6 is dried at room temperature. A solution of tyrosinase enzyme 7 250 mg/cm 3 , 10 μl, is applied on top of the redox layer 4, dried and secured to the electrode with a dialysis membrane 8 using a plastic ring 9.
Принцип работы устройства для определения летучих алкилфенолов в водных средах заключается в следующем: для регистрации аналитического сигнала используют измерительную кювету объемом 5 мл, содержащую калий-натрий фосфатный буферный раствор (рН=7,8). В измерительную кювету погружают хлорсеребряный электрод и пластмассовый корпус 1 устройства, таким образом, чтобы калий-натрий фосфатный буферный раствор контактировал с иммобилизованным биоматериалом - ферментом тиразиназой 7, который расположен на поверхности редокс-слоя 4, состоящего из углеродных нанотрубок 5 и модифицированного сафранином О бычьего сывороточного альбумина 6. Биоматериал - фермент тиразиназа 7 - зафиксирована диализной мембраной 8 с помощью пластикового кольца 9.The operating principle of the device for determining volatile alkylphenols in aqueous media is as follows: to record the analytical signal, a 5 ml measuring cuvette containing potassium-sodium phosphate buffer solution (pH = 7.8) is used. A silver chloride electrode and a plastic body 1 of the device are immersed in the measuring cell, so that the potassium-sodium phosphate buffer solution comes into contact with the immobilized biomaterial - the enzyme tyrazinase 7, which is located on the surface of the redox layer 4, consisting of carbon nanotubes 5 and modified with bovine safranin O serum albumin 6. Biomaterial - the enzyme tyrazinase 7 - is fixed by the dialysis membrane 8 using a plastic ring 9.
Устройство посредством платинового проводника 2 подключают к гальванопотенциостату «Cortest», регистрирующего зависимость силы тока от времени. К потенциостату подключают хлорсеребряный электрод. Измерения проводят при постоянном потенциале +350 мВ и непрерывном перемешивании раствора с помощью магнитной мешалки (300 об/мин) при комнатной температуре.The device is connected via a platinum conductor 2 to a “Cortest” galvanopotentiostat, which records the dependence of the current on time. A silver chloride electrode is connected to the potentiostat. Measurements are carried out at a constant potential of +350 mV and continuous stirring of the solution using a magnetic stirrer (300 rpm) at room temperature.
После установления стабильного уровня тока в измерительную кювету микропипеткой вводят необходимое количество раствора анализируемого вещества. После каждого измерения производят промывку измерительной кюветы калий-натрий фосфатный буферный раствор (рН=7,8). Скорость окисления фенола и его гомологов рассчитывают по амплитуде силы тока (ответ сенсора, ΔI, мкА) и определяют концентрацию летучих алкилфенолов, в пересчете на фенол, по предварительно построенной с помощью стандартного раствора фенола калибровочной кривой.After establishing a stable current level, the required amount of the analyte solution is introduced into the measuring cell using a micropipette. After each measurement, the measuring cuvette is washed with potassium-sodium phosphate buffer solution (pH=7.8). The rate of oxidation of phenol and its homologues is calculated from the amplitude of the current (sensor response, ΔI, μA) and the concentration of volatile alkylphenols, in terms of phenol, is determined using a calibration curve previously constructed using a standard phenol solution.
Таким образом, заявляемое устройство для определения летучих алкилфенолов в водных средах позволяет определять содержание летучих алкилфенолов в водных средах, генерируя стабильный аналитический сигнал: относительное стандартное отклонение серии 14 последовательных аналитических сигналов уменьшается 10%, долговременная стабильность - 22 суток, при этом устройство не генерирует ложно-положительные сигналы при введении легкоокисляемых субстратов, таких как изопропанол, 2-метилпропанол-2, сорбит, глицин, цистеин. Нижняя граница определяемых концентраций устройства для определения летучих алкилфенолов в водных средах составляет 0,5 мг/дм3, что позволяет проводить мониторинг качества сточных вод централизованных систем водоотведения, для которых установлена предельно-допустимая концентрация суммы фенолов - 5 мг/дм3 [Постановление Правительства РФ от 29.07.2013 N644 (ред. от 30.11.2021) "Об утверждении Правил холодного водоснабжения и водоотведения и о внесении изменений в некоторые акты Правительства Российской Федерации". Приложение №5 к Правилам холодного водоснабжения и водоотведения].Thus, the inventive device for the determination of volatile alkylphenols in aqueous media makes it possible to determine the content of volatile alkylphenols in aqueous media, generating a stable analytical signal: the relative standard deviation of a series of 14 consecutive analytical signals decreases by 10%, long-term stability is 22 days, while the device does not generate false signals -positive signals when introducing easily oxidizable substrates, such as isopropanol, 2-methylpropanol-2, sorbitol, glycine, cysteine. The lower limit of the determined concentrations of the device for determining volatile alkylphenols in aquatic environments is 0.5 mg/dm 3 , which allows monitoring the quality of wastewater from centralized wastewater disposal systems, for which the maximum permissible concentration of the sum of phenols is established - 5 mg/dm 3 [Government Decree RF dated July 29, 2013 N644 (as amended on November 30, 2021) “On approval of the Rules for cold water supply and sanitation and on amendments to certain acts of the Government of the Russian Federation.” Appendix No. 5 to the Rules for cold water supply and sanitation].
Claims (1)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2816917C1 true RU2816917C1 (en) | 2024-04-08 |
Family
ID=
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104237341A (en) * | 2013-06-13 | 2014-12-24 | 中国科学院大连化学物理研究所 | Tyrosinase electrochemical biosensor and application thereof |
| CN107037093A (en) * | 2017-03-02 | 2017-08-11 | 辽宁科技大学 | A kind of tyrosinase electrochemica biological sensor and its preparation, application process |
| RU210524U1 (en) * | 2021-11-08 | 2022-04-19 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Тульский государственный университет" (ТулГУ) | DEVICE FOR EXPRESS DETERMINATION OF SURFACE WATER TOXICITY |
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104237341A (en) * | 2013-06-13 | 2014-12-24 | 中国科学院大连化学物理研究所 | Tyrosinase electrochemical biosensor and application thereof |
| CN107037093A (en) * | 2017-03-02 | 2017-08-11 | 辽宁科技大学 | A kind of tyrosinase electrochemica biological sensor and its preparation, application process |
| RU210524U1 (en) * | 2021-11-08 | 2022-04-19 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Тульский государственный университет" (ТулГУ) | DEVICE FOR EXPRESS DETERMINATION OF SURFACE WATER TOXICITY |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| ARVINTE A. et al. Synergistic effect of mediator-carbon nanotube composites for dehydrogenases and peroxidases based biosensors // Bioelectrochemistry, 2009, V.76, pp.107-114. * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Liu et al. | Immobilised activated sludge based biosensor for biochemical oxygen demand measurement | |
| Kandimalla et al. | Binding of acetylcholinesterase to multiwall carbon nanotube‐cross‐linked chitosan composite for flow‐injection amperometric detection of an organophosphorous insecticide | |
| Eggins | Biosensors: an introduction | |
| Dicks et al. | Mediated amperometric biosensors for D-galactose, glycolate and L-amino acids based on a ferrocene-modified carbon paste electrode | |
| Sprules et al. | Evaluation of a new disposable screen‐printed sensor strip for the measurement of NADH and its modification to produce a lactate biosensor employing microliter volumes | |
| Gilbert et al. | Development of an amperometric, screen-printed, single-enzyme phosphate ion biosensor and its application to the analysis of biomedical and environmental samples | |
| Timur et al. | Detection of phenolic compounds by thick film sensors based on Pseudomonas putida | |
| Niwa et al. | Small-volume on-line sensor for continuous measurement of γ-aminobutyric acid | |
| Kharkova et al. | A mediator microbial biosensor for assaying general toxicity | |
| Lee et al. | Comparison of amperometric biosensors fabricated by palladium sputtering, palladium electrodeposition and Nafion/carbon nanotube casting on screen-printed carbon electrodes | |
| Evtugyn et al. | Amperometric flow-through biosensor for the determination of cholinesterase inhibitors | |
| Simonte et al. | Extracellular electron transfer and biosensors | |
| Khor et al. | A redox mediated UME biosensor using immobilized Chromobacterium violaceum strain R1 for rapid biochemical oxygen demand measurement | |
| Ramanavicius | Amperometric biosensor for the determination of creatine | |
| Thakur et al. | Polyaniline/Prussian‐Blue‐Based Amperometric Biosensor for Detection of Uric Acid | |
| Prévoteau et al. | Hydrodynamic chronoamperometry for probing kinetics of anaerobic microbial metabolism–case study of Faecalibacterium prausnitzii | |
| Chang et al. | Determination of glutamate pyruvate transaminase activity in clinical specimens using a biosensor composed of immobilized L-glutamate oxidase in a photo-crosslinkable polymer membrane on a palladium-deposited screen-printed carbon electrode | |
| CA2645349C (en) | A bacterium consortium, bio-electrochemical device and a process for quick and rapid estimation of biological oxygen demand | |
| Mak et al. | Biosensor for rapid phosphate monitoring in a sequencing batch reactor (SBR) system | |
| Domínguez-Renedo et al. | Determination of metals based on electrochemical biosensors | |
| Jeanty et al. | Flow-injection amperometric determination of pesticides on the basis of their inhibition of immobilized acetylcholinesterases of different origin | |
| Timur et al. | Screen printed graphite biosensors based on bacterial cells | |
| Evans et al. | Biosensors for the measurement of toxicity of wastewaters to activated sludge | |
| Yu et al. | Small microbial three-electrode cell based biosensor for online detection of acute water toxicity | |
| Iwuoha et al. | Investigation of the effects of polar organic solvents on the activity of tyrosinase entrapped in a poly (ester-sulphonic acid) polymer |