SU1113744A1

SU1113744A1 - Method of determination of glucose concentration in blood in vivo

Info

Publication number: SU1113744A1
Application number: SU823548309A
Authority: SU
Inventors: Юрий Борисович Васильев; Ольга Алексеевна Хазова; Наталья Николаевна Николаева
Original assignee: Институт электрохимии АН СССР; Истринское отделение Всесоюзного научно-исследовательского института электромеханики
Priority date: 1982-11-30
Filing date: 1982-11-30
Publication date: 1984-09-15

Abstract

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ ГЛЮКОЗЫ В КРОВИ IN VIVO с помощью электррда из благородного металла с последующим измерением тока или потенциала окислени глюкозы, отличающийс тем, что, с целью повышени точности способа, электроокисление глюкозы провод т на золотом электроде при рН 9,514 ,0.METHOD FOR DETERMINING GLUCOSE CONCENTRATION IN THE BLOOD IN VIVO using a noble metal electrod, followed by measuring the current or glucose oxidation potential, characterized in that, in order to improve the accuracy of the method, the electro-oxidation of glucose is performed on a gold electrode at pH 9.514, 0.

Description

0000

«-д“-D

4 Изобретение относитс к физикохимическим способам анализа в анали тической химии и может найти применение дл определени Содержани глюкозы в крови и других биологичес ких жидкост х, в сельскохоз йственном производстве, пищевой промышлен ности. Известен способ определени концентрации глюкозы в крови in vivo с помощью электрода из благородного металла с последующим измерением то ка или потенциала окислени глюкозы использу в качестве основной реакции электрохимическое окисление глю козы на электродах-катализаторах из платиновой черни, стационарный ток, протекающий через этот элемент, про порционален концентрации глюкозы в анализируемой жидкости 113. Дл очистки измерительного элект рода дополнительно используетс пот циостатическое устройство, подающее очистительный импульс 1,5 В. Такой способ характеризуетс быстрой дезактивацией платинового электрода-катализатора из-за высокой способности платины к прочной хемосорбции различных органических веществ, анионов и катионов, отсюда неконтролируемое падение тока во времени и выход датчика из стро . Максимальное врем работы 2 мес., среднее - 2 недели. Точность измерений работающего датчика 7%. Дл пр одолени этого недостатка требуетс разработка различных сложных систем реактивации и непрерывной калибровки. Кроме того, низка величина токового сигнала с единицы поверхности катализатора. Система нечувствительна также к концентрации глюкозы менее 50 мг% и мало чувствительна к концентраци м более 500 мг% (0,0275 М), дл которых зависимость тока от концентрации на платиновом электроде отклон етс от линейности и выходит на предел. Целью изобретени вл етс повышение точности способа. Поставленна цель достигаетс тем что согласно способу определени концентрации глюкозы в крови in vivo с помощью электрода из благородного металла с последующим измерением тока или потенциала окислени глюкозы, электроокисление глюкозы провод т на золотом электроде при рН 9,5-14,0. Способ осуществл ют следующим образом . Дл проведени анализа на содержание глюкозы используют стандартное электрохимическое оборудование: трехэлектродную электрохимическую чейку, осциллографический пол рограф ПО-5122, рабочий электрод - золота пластина 15 мм дл малых концентраций или торец золотой проволоки дл больших концентраций, вспомогательный электрод - никелева сетка , электрод Сравнени - окиснортутный электрод в 1 М КОН. В качестве индикаторного электрода используют золото, так как оно вл етс более селективным электродом-катализатором дл электроокислени глюкозы, на котором большинство других органических веществ не окисл етс . Золотой электрод в отличие от платинового практически не хемосорбирует большинство органических веществ и поэтому не отравл етс , т.е. токи окислени глюкозы на нем стабильны в растворах, содержащих другие органические вещества. Система не предъ вл ет никаких специальных требований к противоэлектроду (катоду) и к электроду сравнени . Измерени можно проводить в режиме вольтамперометрии с обычной пол рографической чейкой с золотым электродом и при посто нном потенциале . Ток, протекающий в цепи при окислении глюкозы, пр мо пропорционален ее концентрации в растворе. Выбор рабочего электрода-катализатора сделан на основании проведенных исследований электроокислени глюкозы в кислых, щелочных и нейтральных растворах на различных электроах из металлов I и VIII групп, стеклоуглероде и фталоцианинах кобальта и марганца. Величины токов окислени глюкозы на этих электродах приведены в табл.1 Таблица 14 The invention relates to physicochemical methods of analysis in analytical chemistry and can be used to determine the content of glucose in blood and other biological fluids, in agricultural production, and in the food industry. A method is known for determining the concentration of glucose in blood in vivo using a noble metal electrode, followed by measuring the current or glucose oxidation potential using the electrochemical oxidation of glucose on platinum-black electrodes-catalysts as the main reaction, the steady-state current flowing through this element portions of the glucose concentration in the analyzed liquid 113. For cleaning the measuring electrodes, an additional device is used that cleans the impulse 1.5 V. This method is characterized by the rapid deactivation of the catalyst Pt-electrode due to the high platinum strong chemisorption ability of various organic substances, anions and cations, hence uncontrollable drop in current time and the sensor fail. The maximum working time is 2 months, the average is 2 weeks. The measurement accuracy of the working sensor is 7%. To overcome this drawback, the development of various complex reactivation systems and continuous calibration is required. In addition, the value of the current signal per unit surface of the catalyst is low. The system is also insensitive to glucose concentrations less than 50 mg% and little sensitive to concentrations greater than 500 mg% (0.0275 M), for which the dependence of current on concentration on the platinum electrode deviates from linearity and goes beyond the limit. The aim of the invention is to improve the accuracy of the method. This goal is achieved by the fact that according to the method of determining the concentration of glucose in the blood in vivo using a noble metal electrode, followed by measuring the current or glucose oxidation potential, the electro-oxidation of glucose is carried out on a gold electrode at pH 9.5-14.0. The method is carried out as follows. For analysis of glucose content, standard electrochemical equipment is used: a three-electrode electrochemical cell, an oscillographic software box PO-5122, a working electrode — a gold plate of 15 mm for low concentrations or an end of a gold wire for large concentrations, an auxiliary electrode — nickel mesh, an Electrode Comparison — oxidized electrode in 1 M KOH. Gold is used as an indicator electrode, since it is a more selective electrode catalyst for the electrooxidation of glucose, on which most other organic substances are not oxidized. The gold electrode, unlike platinum, practically does not chemisorb most organic substances and therefore is not poisoned, i.e. The currents of glucose oxidation on it are stable in solutions containing other organic substances. The system has no special requirements for the counter-electrode (cathode) and the reference electrode. Measurements can be made in the voltammetry mode with a conventional polarographic cell with a gold electrode and at a constant potential. The current flowing in the chain during the oxidation of glucose is directly proportional to its concentration in the solution. The choice of the working electrode-catalyst was made on the basis of the conducted studies of the electrooxidation of glucose in acidic, alkaline, and neutral solutions on various electrons from metals of groups I and VIII, glassy carbon, and cobalt and phthalocyanines of manganese. The magnitudes of glucose oxidation currents on these electrodes are given in Table 1. Table 1

0,20.2

ОABOUT

О О ОLTD

0,02 0,08 О0.02 0.08 O

КобальтCobalt

НикельNickel

ЗолотоGold

ПлатинаPlatinum

МедьCopper

СтеклоуглероGlass carblero

Фталоцианины кобальтаCobalt phthalocyanines

Фталоцианины марганца Полученные результаты показывают что золотой электрод в щелочных рас ворах вл етс лучшим электродомкатализатором дл электроокислени глюкозы в щелочной среде. В щелочной среде золотой электро оказываетс полностью нечувствитель ным к присутствию ионов хлора, даже в физиологической концентрации (1,610 MNaCl), что особенно важно при использовании этого метода дл биологических жидкостей. Дл получени воспроизводимых результатов проводитс регенераци поверхности золотого электрода путем использовани электрохимического способа наложени потенциодинамического импульса, состо щего из двух ступеней. На первой ступени провод т выдержку при потенциале окислени поверхности электрода Е 1,451 ,55 В в течение 2-5 с, при котором происходит окисление всех органических примесей, адсорбированных на поверхности электрода и покрытие поверхности электрода защитным слоем окисла, на второй - выдержку электро да при восстановительном потенциале Ej 0-0,02 В в течение 2-5 с, при котором происходит восстановление не окислившихс примесей и восстановление окисного сло и чиста поверхность электрода оказываетс в контакте с анализируемым раствором. Затем проводитс выдержка при Е 0,05-0,06 В в течение 2-5 с дл установлени адсорбционного равновеси и диффузионного режима в приэлектрод ном слое. После этого на электрод на кладываетс линейно возрастающий по1113744Manganese phthalocyanines. The obtained results show that the gold electrode in alkaline solutions is the best electrocatalyst for the electrooxidation of glucose in an alkaline medium. In an alkaline medium, gold electro-is completely insensitive to the presence of chlorine ions, even at physiological concentration (1.610 MNaCl), which is especially important when using this method for biological fluids. To obtain reproducible results, the surface of the gold electrode is regenerated by using an electrochemical imposition method of a potentiodynamic pulse consisting of two stages. In the first stage, the exposure is carried out at the potential of the oxidation of the electrode surface E 1,451,55 V for 2-5 s, during which all the organic impurities adsorbed on the electrode surface are oxidized and the electrode surface is coated with a protective oxide layer; the reduction potential Ej is 0–0.02 V for 2–5 s, at which the reduction of non-oxidized impurities occurs and the recovery of the oxide layer and the clean electrode surface is in contact with the analyzed solution. Then exposure is carried out at E 0.05-0.06 V for 2-5 seconds to establish the adsorption equilibrium and the diffusion mode in the near-electrode layer. After that, a linearly increasing value is put on the electrode.

Продолжение табл. 1Continued table. one

ОABOUT

,008, 008

5,85.8

49,049.0

,85, 85

3,03.0

1,51.5

ОABOUT

7,07.0

ОABOUT

0,22 0.22

О 0,26 тенциал с достаточно медленной скоростью V 12,5 мВ/с. Дл проведени анализа на содержание глюкозы в чейку заливают строго определенный объем 1 М КОИ и ввод т 0,1-2,5 мл жидкости, содержащей глюкозу, и, накладыва сложный потенциодинамический импульс, провод т активацию и записывают зависимость тока окислени от потенциала со скоростью 12,5 мВ/с. Измерени можно проводить в режиме измерени стационарного тока при посто нном потенциале (Е 1,0-1,1 В) При этом на электрод накладывают очистительный импульс, затем задают потенциал Е 1.0-1,1 В и измер ют ток при этом потенциале. Концентрацию глюкозы определ ют по калибровочной кривой зависимость тока окислени от концентрации глюкозы . В области потенциалов окислени 1,0-1,1 В относительно водородного электрода в том же растворе ток окислени пр мо пропорционален концентрации глюкозы в диапазоне концентраций 0,01 (5,5 10М) - 2000 мг% (0,11 М). При анализе сложных многокомпонентных жидкостей калибровочную кривую лучше строить по данным, полученным не дл чистых растворов глюкозы, а дл тех же жидкостей с разным количеством глюкозы, т.е. в присутствии всех компонентов данной жидкости. Это позвол ет увеличить точность измерений . Измерени можно проводить на золотом электроде, отделенном от исследуемой жидкости проницаемой дл глюкозы мембраной, но не проницаемой дл других компонентов жидкости. При использовании такой полупроницаемой мембраны ток может приобрести диффузионный характер по отношению к глюкозе, и коэффициент диффузии определ етс мембраной. Мембрана вносит дополнительное диффузионное сопротивление, снижа ток, но он остаетс достаточно большим и хорошо измер емым. :,About 0.26 tsental with a fairly slow speed of V 12.5 mV / s. To analyze the glucose content, a well-defined volume of 1 M COI is poured into the cell and 0.1-2.5 ml of fluid containing glucose is injected and, applying a complex potentiodynamic pulse, the activation is performed and the dependence of the oxidation current on the potential is recorded at a rate of 12.5 mV / s. Measurements can be made in the measurement mode of a stationary current at a constant potential (E 1.0–1.1 V). A cleaning pulse is applied to the electrode, then a potential E 1.0–1.1 V is set and the current is measured at this potential. The glucose concentration is determined by the calibration curve, the dependence of the oxidation current on the glucose concentration. In the region of the oxidation potentials of 1.0-1.1 V relative to the hydrogen electrode in the same solution, the oxidation current is directly proportional to the glucose concentration in the concentration range of 0.01 (5.5 10 M) - 2000 mg% (0.11 M). When analyzing complex multicomponent liquids, it is better to build the calibration curve using data obtained not for pure glucose solutions, but for the same liquids with different amounts of glucose, i.e. in the presence of all components of the fluid. This makes it possible to increase the measurement accuracy. Measurements can be carried out on a gold electrode, separated from the test liquid by a membrane permeable to glucose but not permeable to other components of the liquid. When using such a semi-permeable membrane, the current can become diffusive in relation to glucose, and the diffusion coefficient is determined by the membrane. The membrane introduces additional diffusion resistance, reducing the current, but it remains sufficiently large and well measured. :,

Пример 1, Определение содержани глюкозы в потенциодинамическом режиме.Example 1, Determination of glucose content in a potentiodynamic mode.

В трехэлектродную чейку заливают раствор глюкозы (0,11 М)в 1М КОН (рН 13,6), подают на электрод трехступенчатый импульс Е 1,5 В, Е2 0,02 в и ЕЗ 0,05 В и выдерживают при каждом потенциале 5 с. От потенциала 0,05 В на пол рографе ПО-5122 модель ОЗА при скорости развертки 12,5 мВ/с снимают потенциодинамическую кривую и фиксируют ток при потенциале максимального значени тока, т.е. при Р: 1,1 В.A glucose solution (0.11 M) in 1M KOH (pH 13.6) is poured into a three-electrode cell, a three-step pulse E 1.5 V, E2 0.02 V and EZ 0.05 V are fed to the electrode and kept at each potential 5 with. From the potential of 0.05 V on the PO-5122 polygraph, the OZA model with a sweep rate of 12.5 mV / s removes the potentiodynamic curve and records the current at the potential of the maximum current, i.e. with P: 1.1 V.

По калибровочной кривой определ ют содержание глюкозы.The glucose content is determined from the calibration curve.

В табл, 2 представлены результаты определени глюкозы на золотом электроде в 1м КОН в потенциодинамическом режиме.Table 2 presents the results of the determination of glucose on a gold electrode in 1m KOH in a potentiodynamic mode.

Таблица2Table 2

на рабочий электрод после потенциалов 1,5 В и 0,02 В подавалс посто нный потенциал 1,1 В, и при этом потенциале определ ли содержание глюкозы в растворах различной концентрации по калибровочной кривой, как в примере .1. Определение проводили методом перехода от- менее концентрированных растворов к более концентрированным (врем реакции 1-2 с, затем методом перехода от более концентрированных растворов к менее концентрированным .(врем реакции 1015 с). Поэтому при анализе содержани глюкозы измерени проводились через 30 с.a constant potential of 1.1 V was applied to the working electrode after the potentials of 1.5 V and 0.02 V, and at this potential the glucose content in solutions of various concentrations was determined using a calibration curve, as in example .1. The determination was carried out by transferring less concentrated solutions to more concentrated ones (reaction time 1-2 seconds, then using transition from more concentrated solutions to less concentrated solutions (reaction time 1015 seconds). Therefore, when analyzing glucose content, measurements were made after 30 seconds.

В табл. 3 даны результаты определени глюкозы на золотом электроде в 1м КОН в режиме сн ти стационарных- токов,In tab. 3 shows the results of the determination of glucose on the gold electrode at 1m KOH in the stationary-discharge mode,

Таблица 3Table 3

Claims

METHOD FOR DETERMINING Glucose Concentration in KPOBHIN VIVO using a noble metal electrode followed by measuring current or glucose oxidation potential, characterized in that, in order to increase the accuracy of the method, glucose electrooxidation is carried out on a gold electrode at pH 9.514.0.