RU2819920C1 - Способ получения рабочего элемента сенсора, модифицированного наночастицами гексацианоферрата никеля, для определения концентрации глюкозы - Google Patents
Способ получения рабочего элемента сенсора, модифицированного наночастицами гексацианоферрата никеля, для определения концентрации глюкозы Download PDFInfo
- Publication number
- RU2819920C1 RU2819920C1 RU2023120247A RU2023120247A RU2819920C1 RU 2819920 C1 RU2819920 C1 RU 2819920C1 RU 2023120247 A RU2023120247 A RU 2023120247A RU 2023120247 A RU2023120247 A RU 2023120247A RU 2819920 C1 RU2819920 C1 RU 2819920C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- nickel
- glucose
- hexacyanoferrate
- nanoparticles
- nickel hexacyanoferrate
- Prior art date
Links
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical group [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 76
- 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 47
- 239000008103 glucose Substances 0.000 title claims abstract description 47
- UETZVSHORCDDTH-UHFFFAOYSA-N iron(2+);hexacyanide Chemical compound [Fe+2].N#[C-].N#[C-].N#[C-].N#[C-].N#[C-].N#[C-] UETZVSHORCDDTH-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 38
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 38
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 11
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 claims abstract description 38
- 239000000243 solution Substances 0.000 claims abstract description 18
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims abstract description 14
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims abstract description 12
- 239000012224 working solution Substances 0.000 claims abstract description 12
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims abstract description 11
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims abstract description 8
- 238000001035 drying Methods 0.000 claims abstract description 7
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 claims abstract description 6
- AWDBHOZBRXWRKS-UHFFFAOYSA-N tetrapotassium;iron(6+);hexacyanide Chemical compound [K+].[K+].[K+].[K+].[Fe+6].N#[C-].N#[C-].N#[C-].N#[C-].N#[C-].N#[C-] AWDBHOZBRXWRKS-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 6
- 229910021586 Nickel(II) chloride Inorganic materials 0.000 claims abstract description 5
- QMMRZOWCJAIUJA-UHFFFAOYSA-L nickel dichloride Chemical compound Cl[Ni]Cl QMMRZOWCJAIUJA-UHFFFAOYSA-L 0.000 claims abstract description 5
- 235000010482 polyoxyethylene sorbitan monooleate Nutrition 0.000 claims abstract description 5
- 229920000053 polysorbate 80 Polymers 0.000 claims abstract description 5
- 230000002572 peristaltic effect Effects 0.000 claims abstract description 4
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims description 10
- 238000000527 sonication Methods 0.000 claims description 10
- 238000002604 ultrasonography Methods 0.000 claims description 6
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 abstract description 9
- 238000005259 measurement Methods 0.000 abstract description 5
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 abstract description 4
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 4
- 239000013060 biological fluid Substances 0.000 abstract description 3
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 abstract description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 238000009210 therapy by ultrasound Methods 0.000 abstract 1
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 16
- 239000008279 sol Substances 0.000 description 11
- 108090000790 Enzymes Proteins 0.000 description 10
- 102000004190 Enzymes Human genes 0.000 description 10
- 108010015776 Glucose oxidase Proteins 0.000 description 10
- 229940088598 enzyme Drugs 0.000 description 10
- 235000019420 glucose oxidase Nutrition 0.000 description 10
- 239000004366 Glucose oxidase Substances 0.000 description 8
- 229940116332 glucose oxidase Drugs 0.000 description 8
- VRWKTAYJTKRVCU-UHFFFAOYSA-N iron(6+);hexacyanide Chemical group [Fe+6].N#[C-].N#[C-].N#[C-].N#[C-].N#[C-].N#[C-] VRWKTAYJTKRVCU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 8
- MHAJPDPJQMAIIY-UHFFFAOYSA-N Hydrogen peroxide Chemical compound OO MHAJPDPJQMAIIY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- WCUXLLCKKVVCTQ-UHFFFAOYSA-M Potassium chloride Chemical compound [Cl-].[K+] WCUXLLCKKVVCTQ-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 6
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 6
- MTHSVFCYNBDYFN-UHFFFAOYSA-N diethylene glycol Chemical compound OCCOCCO MTHSVFCYNBDYFN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 6
- 229960003351 prussian blue Drugs 0.000 description 6
- 239000013225 prussian blue Substances 0.000 description 6
- VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-N Hydrochloric acid Chemical compound Cl VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- JVTAAEKCZFNVCJ-UHFFFAOYSA-M Lactate Chemical compound CC(O)C([O-])=O JVTAAEKCZFNVCJ-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 5
- WQZGKKKJIJFFOK-VFUOTHLCSA-N beta-D-glucose Chemical compound OC[C@H]1O[C@@H](O)[C@H](O)[C@@H](O)[C@@H]1O WQZGKKKJIJFFOK-VFUOTHLCSA-N 0.000 description 5
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 5
- 108090000854 Oxidoreductases Proteins 0.000 description 4
- 102000004316 Oxidoreductases Human genes 0.000 description 4
- KDLHZDBZIXYQEI-UHFFFAOYSA-N Palladium Chemical compound [Pd] KDLHZDBZIXYQEI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 150000002303 glucose derivatives Chemical class 0.000 description 4
- RBTARNINKXHZNM-UHFFFAOYSA-K iron trichloride Chemical compound Cl[Fe](Cl)Cl RBTARNINKXHZNM-UHFFFAOYSA-K 0.000 description 4
- 239000000463 material Substances 0.000 description 4
- 239000004094 surface-active agent Substances 0.000 description 4
- 229910021607 Silver chloride Inorganic materials 0.000 description 3
- HEMHJVSKTPXQMS-UHFFFAOYSA-M Sodium hydroxide Chemical compound [OH-].[Na+] HEMHJVSKTPXQMS-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 3
- 239000008280 blood Substances 0.000 description 3
- 210000004369 blood Anatomy 0.000 description 3
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 3
- YAGKRVSRTSUGEY-UHFFFAOYSA-N ferricyanide Chemical compound [Fe+3].N#[C-].N#[C-].N#[C-].N#[C-].N#[C-].N#[C-] YAGKRVSRTSUGEY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000010931 gold Substances 0.000 description 3
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N iron Substances [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 3
- 239000001103 potassium chloride Substances 0.000 description 3
- 235000011164 potassium chloride Nutrition 0.000 description 3
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 3
- 230000004044 response Effects 0.000 description 3
- HKZLPVFGJNLROG-UHFFFAOYSA-M silver monochloride Chemical compound [Cl-].[Ag+] HKZLPVFGJNLROG-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 3
- FXYPGCIGRDZWNR-UHFFFAOYSA-N (2,5-dioxopyrrolidin-1-yl) 3-[[3-(2,5-dioxopyrrolidin-1-yl)oxy-3-oxopropyl]disulfanyl]propanoate Chemical compound O=C1CCC(=O)N1OC(=O)CCSSCCC(=O)ON1C(=O)CCC1=O FXYPGCIGRDZWNR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- YCLSOMLVSHPPFV-UHFFFAOYSA-N 3-(2-carboxyethyldisulfanyl)propanoic acid Chemical compound OC(=O)CCSSCCC(O)=O YCLSOMLVSHPPFV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 108010000659 Choline oxidase Proteins 0.000 description 2
- 229910021578 Iron(III) chloride Inorganic materials 0.000 description 2
- KAESVJOAVNADME-UHFFFAOYSA-N Pyrrole Chemical compound C=1C=CNC=1 KAESVJOAVNADME-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000032683 aging Effects 0.000 description 2
- 239000012491 analyte Substances 0.000 description 2
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 2
- 230000003197 catalytic effect Effects 0.000 description 2
- 238000013461 design Methods 0.000 description 2
- 239000012153 distilled water Substances 0.000 description 2
- SZVJSHCCFOBDDC-UHFFFAOYSA-N ferrosoferric oxide Chemical compound O=[Fe]O[Fe]O[Fe]=O SZVJSHCCFOBDDC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- -1 hexacyanoferrate(III) ions Chemical class 0.000 description 2
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 2
- 239000012528 membrane Substances 0.000 description 2
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 2
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 2
- 229910000510 noble metal Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910052763 palladium Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000008055 phosphate buffer solution Substances 0.000 description 2
- 229920000867 polyelectrolyte Polymers 0.000 description 2
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 2
- 230000008569 process Effects 0.000 description 2
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 2
- 125000000101 thioether group Chemical group 0.000 description 2
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Chemical compound O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- WYTZZXDRDKSJID-UHFFFAOYSA-N (3-aminopropyl)triethoxysilane Chemical compound CCO[Si](OCC)(OCC)CCCN WYTZZXDRDKSJID-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- KRQUFUKTQHISJB-YYADALCUSA-N 2-[(E)-N-[2-(4-chlorophenoxy)propoxy]-C-propylcarbonimidoyl]-3-hydroxy-5-(thian-3-yl)cyclohex-2-en-1-one Chemical compound CCC\C(=N/OCC(C)OC1=CC=C(Cl)C=C1)C1=C(O)CC(CC1=O)C1CCCSC1 KRQUFUKTQHISJB-YYADALCUSA-N 0.000 description 1
- KWIUHFFTVRNATP-UHFFFAOYSA-N Betaine Natural products C[N+](C)(C)CC([O-])=O KWIUHFFTVRNATP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- VTLYFUHAOXGGBS-UHFFFAOYSA-N Fe3+ Chemical compound [Fe+3] VTLYFUHAOXGGBS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- KWIUHFFTVRNATP-UHFFFAOYSA-O N,N,N-trimethylglycinium Chemical compound C[N+](C)(C)CC(O)=O KWIUHFFTVRNATP-UHFFFAOYSA-O 0.000 description 1
- 229920002125 Sokalan® Polymers 0.000 description 1
- UCKMPCXJQFINFW-UHFFFAOYSA-N Sulphide Chemical compound [S-2] UCKMPCXJQFINFW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000003929 acidic solution Substances 0.000 description 1
- 230000009471 action Effects 0.000 description 1
- 150000001298 alcohols Chemical class 0.000 description 1
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 1
- 229960003237 betaine Drugs 0.000 description 1
- 239000007853 buffer solution Substances 0.000 description 1
- 125000003178 carboxy group Chemical group [H]OC(*)=O 0.000 description 1
- 238000005119 centrifugation Methods 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 238000005234 chemical deposition Methods 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- OEYIOHPDSNJKLS-UHFFFAOYSA-N choline Chemical compound C[N+](C)(C)CCO OEYIOHPDSNJKLS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229960001231 choline Drugs 0.000 description 1
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 1
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 1
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 1
- 238000002296 dynamic light scattering Methods 0.000 description 1
- 238000004070 electrodeposition Methods 0.000 description 1
- 239000012467 final product Substances 0.000 description 1
- 238000004401 flow injection analysis Methods 0.000 description 1
- 150000004676 glycans Chemical class 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 125000004435 hydrogen atom Chemical group [H]* 0.000 description 1
- 230000001900 immune effect Effects 0.000 description 1
- CWYNVVGOOAEACU-UHFFFAOYSA-N iron (II) ion Substances [Fe+2] CWYNVVGOOAEACU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 108010004902 lactose oxidase Proteins 0.000 description 1
- 239000002082 metal nanoparticle Substances 0.000 description 1
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 1
- 150000002772 monosaccharides Chemical class 0.000 description 1
- 239000012299 nitrogen atmosphere Substances 0.000 description 1
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 1
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000008363 phosphate buffer Substances 0.000 description 1
- 239000004584 polyacrylic acid Substances 0.000 description 1
- 229920000139 polyethylene terephthalate Polymers 0.000 description 1
- 239000005020 polyethylene terephthalate Substances 0.000 description 1
- 238000006116 polymerization reaction Methods 0.000 description 1
- 229920000128 polypyrrole Polymers 0.000 description 1
- 229920001282 polysaccharide Polymers 0.000 description 1
- 239000005017 polysaccharide Substances 0.000 description 1
- 238000004313 potentiometry Methods 0.000 description 1
- 239000011541 reaction mixture Substances 0.000 description 1
- 230000001953 sensory effect Effects 0.000 description 1
- 238000001179 sorption measurement Methods 0.000 description 1
- 238000003756 stirring Methods 0.000 description 1
- 230000002194 synthesizing effect Effects 0.000 description 1
- 239000012085 test solution Substances 0.000 description 1
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 1
- 238000005406 washing Methods 0.000 description 1
Abstract
Изобретение относится к области электрохимических сенсоров для определения анализируемых веществ в биологических жидкостях. Раскрыт способ получения рабочего элемента сенсора, модифицированного наночастицами гексацианоферрата никеля, для определения концентрации глюкозы, включающий синтез золя наночастиц гексацианоферрата никеля путём диспергации 0,01 М растворов гексацианоферрата калия и хлорида никеля в присутствии 0,3% Tween 80 в условиях воздействия ультразвукового излучения при следующих значениях параметров ультразвуковой обработки: частота озвучивания рабочего раствора 20-48 кГц, время озвучивания рабочего раствора 5-60 минут, частота модуляции УЗ-излучения 5-100 Гц, относительная мощность УЗ-излучения 50-100 Вт/л, перенесение в сосуд с вертикально помещённым токопроводящим покрытием золя наночастиц гексацианоферрата никеля с помощью перистальтического насоса со скоростью 10 об/мин и последующим осушением сосуда, высушивание при 100°С в течение 15 минут с трёхкратной повторностью процедур. Изобретение обеспечивает использование практически выгодной технологии получения золя наночастиц гексацианоферрата никеля и формирование рабочего элемента сенсора, имеющего большую чувствительность для определения глюкозы, имея при этом возможность многократного использования. 3 пр., 6 ил.
Description
Изобретение относится к области электрохимических сенсоров для определения анализируемых веществ в биологических жидкостях и, в частности, к новому способу модификации токопроводящих покрытий наночастицами гексацианоферрата никеля. Разработанный рабочий элемент сенсора, модифицированный наночастицами гексацианоферрата никеля, для определения концентрации глюкозы будет использоваться в качестве основного компонента химических сенсоров для определения концентрации глюкозы, используемых в рамках медицинской лабораторной и персональной диагностики.
Среди сенсоров на основе наночастиц благородных металлов известен «Электрод с поперечно-сшитым ферментом для непрерывного контроля аналита» (RU 2731646 С1). Изобретение относится к области ферментных электродов для определения аналита. В данном изобретении проводится двухэтапное получение электрода и сенсора на его основе. На первом этапе проводят получение конъюгата путём связывания платиновых наночастиц с глюкозооксидазой путём смешивания глюкозооксидазы с функциональным сульфидом – реагентом Ломанта (ди-N-гидроксисукцинимидовый сложный эфир 3,3’-дитиодипропионовой кислоты) в молярном соотношении глюкозооксидазы к реактиву Ломанта от 1:1 до 1:10. Далее к полученной смеси добавляют 1 мл дисперсии платиновых наночастиц (0,5 мг/мл; размер частиц <15 нм) и выдерживают в течение 12 часов при комнатной температуре для получения ковалентной связи частиц с модифицированной сульфидными группами глюкозооксидазой. После выдерживания у раствора измеряют размер частиц методом динамического рассеяния света для определения размеров частиц. На втором этапе проводят снабжение электрода покрытием, используя в качестве основы для рабочего электрода золотую стружку QFX301. На золотую стружку пипеткой наносят 80 мкл реакционной смеси глюкозооксидазы, реактива Ломанта и наночастиц платины, и выдерживают в течение 10 минут при комнатной температуре для получения ковалентной связи свободных сульфидных групп на конъюгатах с золотой поверхности. После выдерживания не связавшийся материал удаляют многократным помещением электрода в фосфатный буферный раствор. Полученный сенсор испытывают на потенциостате при трёх уровнях напряжения (200 мВ, 350 мВ, 200 мВ) хроноамперометрически в течение 10 минут в фосфатном буферном растворе в качестве контрольного измерения и в растворе глюкозы с концентрацией 26 ммоль/л. В результате наблюдается увеличение тока в присутствии глюкозы, что свидетельствует о том, что снабженный покрытием рабочий электрод обладает чувствительностью к глюкозе.
Недостатком данного изобретения является использование дорогостоящих материалов – благородных металлов для получения сенсора, что значительно повышает стоимость конечного продукта, а также многостадийная технология его получения.
Также известен «Сенсорный элемент для анализа биологически активных соединений в растворах» (RU 44483 U1). Полезная модель относится к области аналитической биохимии, более конкретно, к устройству сенсорных элементов для проведения селективного биохимического и иммунологического анализа биологически активных соединений в растворах. Сенсорный элемент изготавливается путём многократно повторяющейся адсорбции на поверхность платинового электрода водорастворимого комплекса фермента холиноксидазы с полиэлектролитом и противоположно заряженным водорастворимым полиэлектролитом. В результате получается сенсорное устройство, которое работает посредством контакта рабочей части сенсорного устройства с анализируемым раствором, содержащим холин, который под действием холиноксидазы окисляется до бетаина, выделяя перекись водорода, концентрация которой определяется с помощью платинового электрода при наложении на него потенциала + 600 мВ относительно референсного хлоридсеребряного электрода. Разработанный сенсорный элемент возможно модифицировать, изменяя фермент и рабочий электрод, что позволит измерять концентрацию глюкозы, спиртов, лактата и другое.
Недостатком данной полезной модели является многостадийная подготовка, а также использование ферментов в процессе получения сенсорного элемента. В общей сложности данная технология получения сенсорного элемента для анализа биологически активных соединений в растворах не является экономически целесообразной и эффективной.
Существует «Способ получения биосенсорного электрода для определения моно- и полисахаридов» (RU 2454458 С1). Данное изобретение относится к области биотехнологии и пищевой промышленности. Получение биосенсорного электрода включает три этапа. На первом этапе полипиролл осаждают на платиновую пластинку площадью 6 см2 путём полимеризации пиррола при сканировании потенциала электрода между 0 и 0,9 В при скорости развёртки потенциала 50 мВ/с. На втором этапе проводится получение биорецептора, представляющего собой фермент, иммобилизированный на наночастицах Fe3O4 путём нагревания при перемешивании в атмосфере азота до 220 °C смеси полиакриловой кислоты, хлорида железа (III) и диэтиленгликоля, последующего добавления раствора гидроксида натрия в диэтиленгликоле, отделения наночастиц центрифугированием и последующим связыванием фермента с наночастицами через поверхностные карбоксильные группы. На третьем этапе биорецептор фиксируют на поверхности платинового электрода с помощью специальных магнитов. Биосенсор работает посредством погружения датчика в исследуемый раствор, после чего происходит химическая реакция между ферментом и анализируемым компонентом, в результате чего появляется пероксид водорода, который при подаче 600 мВ на платиновый электрод распадается на 2 протона водорода, 2 электрона и кислород O2. С помощью цифроаналогового преобразователя происходит детекция электронов и генерация тока, по которому можно судить о концентрации компонента в анализируемом растворе.
Недостатком данного изобретения является многостадийная и экономически невыгодная технология получения биосенсорного электрода, которая обусловлена использованием дорогостоящих материалов для получения биосенсорного электрода.
Среди сенсоров на основе гексацианоферратов известно несколько изобретений. Так, известен «Способ изготовления высокостабильного покрытия сенсора на пероксид водорода» (RU 2703316 C1). Изобретение относится к области электроанализа и электрохимических сенсоров и может быть использовано в аналитической химии, при конструировании биосенсоров и других областях. В данном патенте на изобретение проводится осаждение берлинской лазури на поверхность рабочего электрода посредством погружения электрода в ростовой раствор, содержащий 0,5-5,0 мМ гексацианоферрата калия, 0,5-5,0 мМ хлорида железа (III) и 0,1 М хлорида калия в 0,1 М соляной кислоты. После электрод промывают дистиллированной водой и помещают в ростовой раствор, содержащий 0,1-1,0 мМ гексацианоферрата калия, 0,5-2,0 мМ хлорида никеля и 0,5 М хлорида калия в 0,1 М соляной кислоты. Электроосаждение берлинской лазури и гексацианоферрата никеля проводили в потенциодинамическом режиме. После электрод подвергают термической обработке при 100 °C в течение 1 часа и охлаждают до комнатной температуры.
Недостатком данного изобретения является сложность производства данных покрытий в промышленных масштабах, которая объясняется длительностью процесса получения покрытий (около 1,5 часов) и использовании сложного электрохимического оборудования, вследствие чего полученный электрод обладает высокими шумами, что негативно сказывается на точности измерения. Это подтверждается зависимостью плотности тока от времени для электродов, рассматриваемых в рамках данного изобретения, на которой наблюдается большое количество шумов.
Известно изобретение «Способ изготовления модифицированных электродов, электроды, полученные указанным способом, и энзимные биосенсоры, включающие указанные электроды» (RU 2442130 C2). Изобретение относится к области модифицированных электродов для определения анализируемых веществ в биологических жидкостях. В данном изобретении применяются кислые растворы, содержащие как минимум одно поверхностно-активное вещество в количестве от 0,002 до 20 мас. %, содержащие ионы железа(III) или железа(II) с концентрацией между 20 мМ и 2 М и ионы гексацианоферрата(III) с концентрацией между 20 мМ и 2 М в 0,01 М растворе HCl. Электрод отпечатывается трафаретным способом на инертном материале. Растворы смешивают и оставляют на время от 2 минут до 2 часов, а поверхность рабочего электрода промывают промывочным раствором, а после – дистиллированной водой. Модифицированный электрод высушивают в печи при температуре 50°C – 200°C в течение 10 минут – 3 часов. Разработанный электрод может быть использован для энзимных биосенсоров на различные соединения, например, глюкозу.
Недостатком данного изобретения является использование органического фермента для определения концентрации глюкозы, что приводит к повышению стоимости и уменьшению срока годности сенсора.
Также известно изобретение «Способ изготовления микросенсора для определения глюкозы или лактата (RU 2580288 C2)». В данном изобретении рассматривается способ изготовления микробиосенсора на основе гексацианоферрата железа. В данной работе на рабочий электрод наносят гексацианоферрат железа, а поверх него наносят фермент-оксидазу, иммобилизированную в матрицу на основе перфторсульфонированного полимера или гамма-аминопропилсилоксана. В качестве фермента-оксидазы используют глюкозооксидазу.
Недостатком данного изобретения является использование перфторсульфонированного полимера или гамма-аминопропилсилоксана, которые являются труднодоступными веществами в качестве матрицы для фермента-оксидазы, а также непосредственно использование фермента-оксидазы, что в совокупности приводит к повышению стоимости таких сенсоров.
Известно изобретение «Биосенсор для одновременного определения глюкозы и лактата в крови» (RU 2696499 C1). В данном изобретении разработан планарный биосенсор для определения глюкозы и лактата в жидкой пробе. Он включает в себя размещённые на подложке хлоридсеребряный электрод сравнения, два рабочих электрода и вспомогательный электрод, размещённый между рабочими электродами. На один из рабочих электродов нанесена плёнка берлинской лазури и мембрана, содержащая глюкозооксидазу, а на второй рабочий электрод нанесена плёнка берлинской лазури, содержащая лактооксидазу. Плёнка берлинской лазури имеет поликристаллическую структуру, выполнена толщиной 60-80 нм, и покрывает поверхность электрода сплошным однородным слоем.
Данное изобретение в отличие от RU 2580288 C2 обладает преимуществом в виде схемы, способной одновременно определять глюкозу и лактат в крови. Недостатком данного изобретения является ограниченность в использовании прибора только в лабораторных исследованиях с измерением концентрации соединений в разбавленной крови посредством проточно-инжекторного анализа. Использование биосенсора только с помощью данного метода не даёт возможности измерения концентрации глюкозы в рамках персональной диагностики.
Также известно изобретение «Биосенсор с повышенным коэффициентом чувствительности» (RU 2731411 C1). Изобретение относится к электроаналитическим системам анализа. Данный планарный биосенсор включает в себя размещённые на подложке хлоридсеребряный электрод сравнения, рабочий и вспомогательный электроды. На рабочий электрод последовательно наносят плёнку берлинской лазури (БЛ) и мембрану на основе геля полиалкоксисилана, содержащую фермент глюкозооксидазу. За счёт использования технологии печати электродов на листе полиэтилентерефталата и технологии химического осаждения БЛ может производиться мелкосерийное производство биосенсоров на глюкозу.
Недостатком данного изобретение является использование поли-γ-аминопропилтриэтоксисилана и фермента-глюкозооксидазы, для формирования поверхности сенсора, а также потенциостата для измерения концентрации глюкозы, что приводит к серьёзному повышению стоимости прибора для измерения глюкозы.
Известно изобретение «Электрохимический элемент» (RU 2243545 C2), в котором предложен сенсор для аналитического определения жидкой пробы, представляющий собой плоскую полоску, имеющую две боковые кромки, принимающие элемент, два сообщающихся с указанным элементом электрода и прорезь в боковой кромке, сообщающуюся с элементом и обеспечивающую ввод жидкой пробы в элемент. Так для определения глюкозы используют палладиевый электрод и систему «фермент глюкозооксидаза/феррицианид ([Fe(CN)6]3-)», где феррицианид является посредником, который возвращает активированную глюкозооксидазу в каталитическое состояние. Недостатком данного изобретения является использование палладия для электрохимического элемента, что приводит к повышению его стоимости, а также использование феррицианида ([Fe(CN)6]3-) в качестве «посредника» для перехода фермента-глюкозооксидазы из «активного» состояния в каталитическое, который безвозвратно переходит в ферроцианид ([Fe(CN)6]4-), ограничивая возможное количество измерений одним электрохимическим элементом.
Принципиальное отличие заявленного изобретения от существующих аналогов заключается в использовании экономически и практически выгодной технологии получения золя наночастиц гексацианоферрата никеля и плёнок на их основе на любом токопроводящем покрытии. Заявленный рабочий элемент сенсора, модифицированный наночастицами гексацианоферрата никеля, для определения концентрации глюкозы может использоваться как основа для измерительных приборов для медицинского лабораторного или персонального определения концентрации глюкозы.
Задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в разработке способа получения рабочего элемента сенсора, модифицированного наночастицами гексацианоферрата никеля, для определения концентрации глюкозы.
Технический результат, который может быть достигнут с помощью предлагаемого изобретения, сводится к использованию экономически и практически выгодной технологии получения золя наночастиц гексацианоферрата никеля и формирование рабочего элемента сенсора, имеющего большую чувствительность для определения глюкозы, имея при этом более низкую стоимость, а также возможность многократного использования.
Технический результат достигается с помощью осуществления синтеза золя наночастиц гексацианоферрата никеля путём смешивания 0,01 М растворов гексацианоферрата калия, хлорида никеля, а также 0,3 % Tween 80 в условиях воздействия ультразвукового излучения со следующими значениями параметров:
| Частота озвучивания рабочего раствора | 20-48 кГц |
| Время озвучивания рабочего раствора | 5-60 минут |
| Частота модуляции УЗ-излучения | 5-100 Гц |
| Относительная мощность УЗ-излучения | 50-100 Вт/л |
После получения золя наночастиц гексацианоферрата никеля проводится формирование рабочего элемента сенсора путём трёхкратного процесса перенесения в сосуд с вертикально помещённым токопроводящим покрытием золя наночастиц гексацианоферрата никеля с помощью перистальтического насоса со скоростью 10 об/мин, последующего осушения сосуда со скоростью 10 об/мин, и последующего высушивания токопроводящего покрытия в течение 15 мин.
Особенностью изобретения является осуществление синтеза золя наночастиц гексацианоферрата никеля, стабилизированных Tween 80, используемого для формирования рабочего элемента сенсора для определения концентрации глюкозы в условиях воздействия ультразвукового излучения.
Осуществление изобретения
Пример 1.
Получение рабочего элемента сенсора, модифицированного наночастицами гексацианоферрата никеля, для определения концентрации глюкозы.
На первой стадии получают золь наночастиц гексацианоферрата никеля путём диспергации эквимолярных 0,01 М растворов гексацианоферрата калия и хлорида никеля в присутствии 0,3 % Tween 80 с помощью ультразвука при следующих параметрах:
| Частота озвучивания рабочего раствора | 10-20 кГц |
| Время озвучивания рабочего раствора | 1-5 минут |
| Частота модуляции УЗ-излучения | 1-5 Гц |
| Относительная мощность УЗ-излучения | 10-50 Вт/л |
На второй стадии полученный золь наночастиц гексацианоферрата никеля с помощью перистальтического насоса со скоростью 10 об/мин переносят в сосуд с вертикально помещённым токопроводящим покрытием и после осушают сосуд со скоростью 10 об/мин, высушивают при 100 ◦C в течение 15 минут. Процедуру нанесения и высушивания проводят в трёхкратной повторности, таким образом формируя слой наночастиц гексацианоферрата никеля на поверхности токопроводящего покрытия. Пример 2.
Проводят аналогично примеру 1, но при следующих параметрах синтеза золя наночастиц гексацианоферрата никеля:
| Частота озвучивания рабочего раствора | 20-48 кГц |
| Время озвучивания рабочего раствора | 5-60 минут |
| Частота модуляции УЗ-излучения | 5-100 Гц |
| Относительная мощность УЗ-излучения | 50-100 Вт/л |
Пример 3.
Проводят аналогично примеру 1, но при следующих параметрах синтеза золя наночастиц гексацианоферрата никеля:
| Частота озвучивания рабочего раствора | 48-60 кГц |
| Время озвучивания рабочего раствора | 60-120 мин |
| Частота модуляции УЗ-излучения | 100-150 Гц |
| Относительная мощность УЗ-излучения | 100-150 Вт/л |
С целью определения влияния параметров синтеза золя наночастиц гексацианоферрата никеля на морфологию плёнок гексацианоферрата никеля на поверхности токопроводящего покрытия, морфологию поверхности полученных в примерах 1-3 рабочих элементов сенсора для определения концентрации глюкозы, модифицированных наночастицами гексацианоферрата никеля, стабилизированными различными поверхностно-активными веществами (ПАВ) исследовали на атомно-силовом микроскопе (АСМ) «NT-MDT Ntegra Aura» («NT-MDT», Россия) (фиг 1-3). У полученных в примерах 1-3 рабочих элементов сенсора для определения концентрации глюкозы, модифицированных наночастицами гексацианоферрата никеля, стабилизированными различными ПАВ, исследовали сенсорные свойства потенциометрическим методом посредством помещения рабочего элемента сенсора и электрода сравнения в буферный раствор (фосфатный буфер 0,05 М, 0,1 М KCl), соединённых последовательно вольтметром, последующего установления постоянного потенциала и добавления 1 мл растворов глюкозы с концентрацией 0,1, 1, 10 или 100 мМ с последующим установлением полученного значения потенциала. Исходя из результатов измерения уровня глюкозы построены зависимости потенциала от концентрации глюкозы (фиг. 4-6).
На фиг. 1 представлены результаты АСМ поверхности рабочего элемента сенсора для определения концентрации глюкозы, модифицированного наночастицами гексацианоферрата никеля, выполненное в соответствие с Примером 1: а – 3D-изображение поверхности, б – усреднённый профиль сечения, в – плотность распределения шероховатости.
На фиг. 2 представлены результаты АСМ поверхности рабочего элемента сенсора для определения концентрации глюкозы, модифицированного наночастицами гексацианоферрата никеля, выполненное в соответствие с Примером 2: а – 3D-изображение поверхности, б – усреднённый профиль сечения, в – плотность распределения шероховатости
На фиг. 3 представлены результаты АСМ поверхности рабочего элемента сенсора для определения концентрации глюкозы, модифицированного наночастицами гексацианоферрата никеля, выполненное в соответствие с Примером 3: а – 3D-изображение поверхности, б – усреднённый профиль сечения, в – плотность распределения шероховатости
На фиг. 4 представлена зависимость потенциала от концентрации глюкозы в соответствии с Примером 1.
На фиг. 5 представлена зависимость потенциала от концентрации глюкозы в соответствии с Примером 2.
На фиг. 6 представлена зависимость потенциала от концентрации глюкозы в соответствии с Примером 3.
Анализ фиг. 1-3 показал, что наименьшей толщиной плёнки наночастиц гексацианоферрата никеля и наибольшим количеством частиц на поверхности токопроводящего покрытия обладает Пример 2, имеющий на поверхности 854 кристаллита диаметром до 275 нм и высотой до 80 нм. Морфология рабочих элементов сенсора, полученный в соответствии с Примером 1, представляет собой 36 агрегатов частиц с диаметром до 20 мкм и высотой до 2,5 мкм соответственно. Морфология рабочего элемента сенсора, полученного в соответствии с Примером 3, представляет собой неоднородную поверхность с высотой до 3,5 мкм.
Анализ фиг. 4-6 показал, что рабочий элемент сенсора для определения концентрации глюкозы, модифицированный наночастицами гексацианоферрата никеля, полученный в соответствии с Примером 1, обладает минимальным откликом на глюкозу (|∆E| < 6 мВ) и является непригодным для измерения концентрации глюкозы. Рабочий элемент сенсора для определения концентрации глюкозы, модифицированный наночастицами гексацианоферрата никеля, полученный в соответствии с Примером 3, также не является оптимальным вследствие минимального отклика на глюкозу (|∆E| < 6 мВ), а также приводит к нелинейному изменению потенциала при добавлении глюкозы. Установлено, что рабочий элемент сенсора для определения концентрации глюкозы, модифицированный наночастицами гексацианоферрата никеля, полученный в соответствии с Примером 2, обладает наибольшим откликом на глюкозу в диапазоне от 0,1 до 100 мМ, предел обнаружения заявленного рабочего элемента сенсора для определения концентрации глюкозы, модифицированного наночастицами гексацианоферрата никеля, полученного в соответствии с Примером 2 составляет 55 мкМ, точность
измерений – 95,5 %. В связи с этим можно сделать вывод, что для получения высокой чувствительности рабочего элемента сенсора необходимо формирование на поверхности токопроводящего покрытия плёнки гексацианоферрата никеля наименьшей толщины.
измерений – 95,5 %. В связи с этим можно сделать вывод, что для получения высокой чувствительности рабочего элемента сенсора необходимо формирование на поверхности токопроводящего покрытия плёнки гексацианоферрата никеля наименьшей толщины.
Claims (3)
- Способ получения рабочего элемента сенсора, модифицированного наночастицами гексацианоферрата никеля, для определения концентрации глюкозы, включающий синтез золя наночастиц гексацианоферрата никеля путём диспергации 0,01 М растворов гексацианоферрата калия и хлорида никеля в присутствии 0,3% Tween 80 в условиях воздействия ультразвукового излучения при следующих значениях параметров ультразвуковой обработки:
-
Частота озвучивания рабочего раствора 20-48 кГц Время озвучивания рабочего раствора 5-60 минут Частота модуляции УЗ-излучения 5-100 Гц Относительная мощность УЗ-излучения 50-100 Вт/л, - перенесение в сосуд с вертикально помещённым токопроводящим покрытием золя наночастиц гексацианоферрата никеля с помощью перистальтического насоса со скоростью 10 об/мин и последующим осушением сосуда, высушивание при 100°С в течение 15 минут с трёхкратной повторностью процедур.
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2819920C1 true RU2819920C1 (ru) | 2024-05-28 |
Family
ID=
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2580288C2 (ru) * | 2013-04-29 | 2016-04-10 | Общество С Ограниченной Ответственностью "Русенс" | Способ изготовления микробиосенсора для определения глюкозы или лактата |
| RU2703316C1 (ru) * | 2018-11-29 | 2019-10-16 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова" (МГУ) | Способ изготовления высокостабильного покрытия сенсора на пероксид водорода |
| WO2022056978A1 (zh) * | 2020-09-17 | 2022-03-24 | 南京工业大学 | 一种nadh及乙醇生物传感芯片的制备方法 |
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2580288C2 (ru) * | 2013-04-29 | 2016-04-10 | Общество С Ограниченной Ответственностью "Русенс" | Способ изготовления микробиосенсора для определения глюкозы или лактата |
| RU2703316C1 (ru) * | 2018-11-29 | 2019-10-16 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова" (МГУ) | Способ изготовления высокостабильного покрытия сенсора на пероксид водорода |
| WO2022056978A1 (zh) * | 2020-09-17 | 2022-03-24 | 南京工业大学 | 一种nadh及乙醇生物传感芯片的制备方法 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| WANG X. et al. Non-enzymatic amperometric glucose biosensor based on nickel hexacyanoferrate nanoparticle film modified electrodes // Colloids and Surfaces B: Biointerfaces, 2010, V. 78, pp. 363-366. BAIONI A.P. et al. Copper hexacyanoferrate nanoparticles modified electrodes: A versatile tool for biosensors // Journal of Electroanalytical Chemistry, 2008, V. 622, pp. 219-224. * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Ali et al. | A fast and sensitive potentiometric glucose microsensor based on glucose oxidase coated ZnO nanowires grown on a thin silver wire | |
| Dey et al. | Mediator free highly sensitive polyaniline–gold hybrid nanocomposite based immunosensor for prostate-specific antigen (PSA) detection | |
| Zuaznabar-Gardona et al. | A wide-range solid state potentiometric pH sensor based on poly-dopamine coated carbon nano-onion electrodes | |
| Pundir et al. | Amperometric choline biosensor based on multiwalled carbon nanotubes/zirconium oxide nanoparticles electrodeposited on glassy carbon electrode | |
| Baghayeri | Glucose sensing by a glassy carbon electrode modified with glucose oxidase and a magnetic polymeric nanocomposite | |
| Zhang et al. | A sensitive choline biosensor using Fe3O4 magnetic nanoparticles as peroxidase mimics | |
| Kannan et al. | Highly sensitive amperometric detection of bilirubin using enzyme and gold nanoparticles on sol–gel film modified electrode | |
| Narang et al. | Construction of triglyceride biosensor based on nickel oxide–chitosan/zinc oxide/zinc hexacyanoferrate film | |
| Wang et al. | Amperometric choline biosensor fabricated through electrostatic assembly of bienzyme/polyelectrolyte hybrid layers on carbon nanotubes | |
| Yuan et al. | Eliminating the interference of ascorbic acid and uric acid to the amperometric glucose biosensor by cation exchangers membrane and size exclusion membrane | |
| Hamtak et al. | A new electrochemiluminescence biosensor for the detection of glucose based on polypyrrole/polyluminol/Ni (OH) 2–C 3 N 4/glucose oxidase-modified graphite electrode | |
| Beitollahi et al. | Voltammetric and amperometric sensors for determination of epinephrine: A short review (2013-2017) | |
| Guan et al. | Biosensor composed of integrated glucose oxidase with liposome microreactors/chitosan nanocomposite for amperometric glucose sensing | |
| Sun et al. | Controlled multilayer films of sulfonate-capped gold nanoparticles/thionine used for construction of a reagentless bienzymatic glucose biosensor | |
| Hosseinian et al. | Amperometric urea biosensor based on immobilized urease on polypyrrole and macroporous polypyrrole modified Pt electrode | |
| Senillou et al. | A laponite clay-poly (pyrrole–pyridinium) matrix for the fabrication of conductimetric microbiosensors | |
| Wang et al. | One-step electropolymeric co-immobilization of glucose oxidase and heparin for amperometric biosensing of glucose | |
| Li et al. | A microbial electrode based on the co-electrodeposition of carboxyl graphene and Au nanoparticles for BOD rapid detection | |
| Alkhawaldeh | Platinum nanoparticle electrode modified iodine using cyclic voltammetry and chronoamperometry for determination of ascorbic acid | |
| Naik et al. | Surfactant induced iron (II) phthalocyanine modified carbon paste electrode for simultaneous detection of ascorbic acid, dopamine and uric acid | |
| US8968825B1 (en) | Disposable palladium nanoparticle-modified graphite pencil electrode | |
| Long et al. | Amperometric hydrogen peroxide sensor electrodes coated with electropolymerized tyrosine derivative and phenolic films | |
| Savin et al. | Nanohybrid biosensor based on mussel-inspired electro-cross-linking of tannic acid capped gold nanoparticles and enzymes | |
| Motonaka et al. | Micro enzyme-sensor with osmium complex and a porous carbon for measuring uric acid | |
| RU2819920C1 (ru) | Способ получения рабочего элемента сенсора, модифицированного наночастицами гексацианоферрата никеля, для определения концентрации глюкозы |