Амперометричний уреазний біосенсор

Електрохімічним окисненням еквімолекулярних сумішей аніліну та орто-сульфоаніліну на платиновому електроді синтезовані багатошарові полімерні матриці для вклинення ензиму уреази. Створений ферментний електрод тестований на вміст карбаміду в аналіті в інтервалі концентрацій 0.2—20 мМ при рН 7.4. Чут...

Повний опис

Збережено в:
Бібліографічні деталі
Дата:2008
Автори: Ковальчук, Є.П., Ковалишин, Я.С., Кекіс, І.В., Лагоцька, Р.В.
Формат: Стаття
Мова:Ukrainian
Опубліковано: Інститут загальної та неорганічної хімії ім. В.І. Вернадського НАН України 2008
Теми:
Онлайн доступ:https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/15188
Теги: Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:Амперометричний уреазний біосенсор / Є.П. Ковальчук, Я.С. Ковалишин, І.В. Кекіс, Р.В. Лагоцька // Украинский химический журнал. — 2008. — Т. 74, № 6. — С. 103-106. — Бібліогр.: 18 назв. — укр.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
id nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-15188
record_format dspace
spelling Ковальчук, Є.П.
Ковалишин, Я.С.
Кекіс, І.В.
Лагоцька, Р.В.
2011-01-13T09:28:13Z
2011-01-13T09:28:13Z
2008
Амперометричний уреазний біосенсор / Є.П. Ковальчук, Я.С. Ковалишин, І.В. Кекіс, Р.В. Лагоцька // Украинский химический журнал. — 2008. — Т. 74, № 6. — С. 103-106. — Бібліогр.: 18 назв. — укр.
0041–6045
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/15188
544.653
Електрохімічним окисненням еквімолекулярних сумішей аніліну та орто-сульфоаніліну на платиновому електроді синтезовані багатошарові полімерні матриці для вклинення ензиму уреази. Створений ферментний електрод тестований на вміст карбаміду в аналіті в інтервалі концентрацій 0.2—20 мМ при рН 7.4. Чутливість амперометричного уреазного сенсора зростає з 7 до 70 нА/ммоль в присутності зшиваючого агента — глутарового альдегіду.
Электрохимическим окислением анилина и его смесей с 2-сульфоанилином на платиновом (Рt) электроде синтезированы полимеры с электронной проводимостью. Иммобилизация уреазы (Ur) на поверхности электрода, модифицированного электропроводным полимером, позволяет применять полученный ферментный электрод как амперометрический биосенсор. Данный ферментный электрод протестирован на содержание карбамида в аналите в интервале концентраций 0.2 —20 мМ при рН 7.4. Линейность зависимости ток насыщения—концентрация карбамида наблюдается на участке 0—5 ммоль/л карбамида, что свидетeльствует о высокой чувствительности амперометрического сенсора к минимальным количествам карбамида в пробе.
The electrochemical aniline oxidation on the platinum electrode was studied. Immobilization of ureaze on the electrode surface was made. The electrode as amperometric ureaze sensor was used. In this conditions this electrode could be detected in the range 0.2—20 mmol/l (pH 7.4). The linear range current saturation—concentration was obtained 0—5 mmol/l. The sensor is highly sensitivity for the detection of some analytes.
uk
Інститут загальної та неорганічної хімії ім. В.І. Вернадського НАН України
Электрохимия
Амперометричний уреазний біосенсор
Article
published earlier
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection DSpace DC
title Амперометричний уреазний біосенсор
spellingShingle Амперометричний уреазний біосенсор
Ковальчук, Є.П.
Ковалишин, Я.С.
Кекіс, І.В.
Лагоцька, Р.В.
Электрохимия
title_short Амперометричний уреазний біосенсор
title_full Амперометричний уреазний біосенсор
title_fullStr Амперометричний уреазний біосенсор
title_full_unstemmed Амперометричний уреазний біосенсор
title_sort амперометричний уреазний біосенсор
author Ковальчук, Є.П.
Ковалишин, Я.С.
Кекіс, І.В.
Лагоцька, Р.В.
author_facet Ковальчук, Є.П.
Ковалишин, Я.С.
Кекіс, І.В.
Лагоцька, Р.В.
topic Электрохимия
topic_facet Электрохимия
publishDate 2008
language Ukrainian
publisher Інститут загальної та неорганічної хімії ім. В.І. Вернадського НАН України
format Article
description Електрохімічним окисненням еквімолекулярних сумішей аніліну та орто-сульфоаніліну на платиновому електроді синтезовані багатошарові полімерні матриці для вклинення ензиму уреази. Створений ферментний електрод тестований на вміст карбаміду в аналіті в інтервалі концентрацій 0.2—20 мМ при рН 7.4. Чутливість амперометричного уреазного сенсора зростає з 7 до 70 нА/ммоль в присутності зшиваючого агента — глутарового альдегіду. Электрохимическим окислением анилина и его смесей с 2-сульфоанилином на платиновом (Рt) электроде синтезированы полимеры с электронной проводимостью. Иммобилизация уреазы (Ur) на поверхности электрода, модифицированного электропроводным полимером, позволяет применять полученный ферментный электрод как амперометрический биосенсор. Данный ферментный электрод протестирован на содержание карбамида в аналите в интервале концентраций 0.2 —20 мМ при рН 7.4. Линейность зависимости ток насыщения—концентрация карбамида наблюдается на участке 0—5 ммоль/л карбамида, что свидетeльствует о высокой чувствительности амперометрического сенсора к минимальным количествам карбамида в пробе. The electrochemical aniline oxidation on the platinum electrode was studied. Immobilization of ureaze on the electrode surface was made. The electrode as amperometric ureaze sensor was used. In this conditions this electrode could be detected in the range 0.2—20 mmol/l (pH 7.4). The linear range current saturation—concentration was obtained 0—5 mmol/l. The sensor is highly sensitivity for the detection of some analytes.
issn 0041–6045
url https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/15188
citation_txt Амперометричний уреазний біосенсор / Є.П. Ковальчук, Я.С. Ковалишин, І.В. Кекіс, Р.В. Лагоцька // Украинский химический журнал. — 2008. — Т. 74, № 6. — С. 103-106. — Бібліогр.: 18 назв. — укр.
work_keys_str_mv AT kovalʹčukêp amperometričniiureazniibíosensor
AT kovališinâs amperometričniiureazniibíosensor
AT kekísív amperometričniiureazniibíosensor
AT lagocʹkarv amperometričniiureazniibíosensor
first_indexed 2025-11-24T16:49:06Z
last_indexed 2025-11-24T16:49:06Z
_version_ 1850486920170176512
fulltext УДК 544.653 Є.П. Ковальчук, Я.С. Ковалишин, І.В. Кекіс, Р.В. Лагоцька АМПЕРОМЕТРИЧНИЙ УРЕАЗНИЙ БІОСЕНСОР Електрохімічним окисненням еквімолекулярних сумішей аніліну та орто-сульфоаніліну на платиновому елек- троді синтезовані багатошарові полімерні матриці для вклинення ензиму уреази. Створений ферментний електрод тестований на вміст карбаміду в аналіті в інтервалі концентрацій 0.2—20 мМ при рН 7.4. Чутли- вість амперометричного уреазного сенсора зростає з 7 до 70 нА/ммоль в присутності зшиваючого агента — глутарового альдегіду. Моніторинг рівня карбаміду в крові та фі- зіологічних виділеннях — важливий чинник у діагностуванні хвороби нирок. Якщо рівень сечо- вини у здорової людини є в межах 2.3—8.3 ммоль/л, то у крові нирково хворих він сягає 25 —42 ммоль/л [1]. Аналіз на вміст сечовини важли- вий також в агрохімії, у визначенні якості питної і рівня забрудненості морської води [2]. Подібні аналізи найчастіше здійснюють біосенсорними при- строями, активний шар яких містив уреазу. Ензим уреаза ефективно каталізує гідроліз сечовини згід- но з рівнянням: (NH2)2CO + 3H2O уреаза 2NH4 + + OH– + HCO3 –. (1) Принцип визначення сечовини полягає у фік- сації величини сигналу перетворювача під впливом продуктів каталітичного розкладу сечовини — амонійних чи гідрокарбонатних йонів. З цією ме- тою використовують потенціометричне детектуван- ня [3—5], вимірювання зміни імпедансу [6], частоти кварцмікробалансового електрода [7], електропро- відності [8], величини струмового відклику [9]. Ключовою проблемою створення біосенсор- ної електрохімічної системи є нанесення чутливо- го шару на поверхню електрохімічного перетво- рювача. Оскільки безпосередній контакт ензиму з поверхнею приводить до втрати каталітичної активності, то необхідно вживати запобігливих заходів, які б попереджували денатурацію. З цією метою на поверхню електрода наносять органі- чну матрицю, в яку потім вклинюють біоактив- ний компонент. В якості матеріалу матриці-плат- форми використовують нанопористі алюміній-ок- сидні мембрани [10], поліакриламідний гель [11], багатошарові структури йонізованих полімерів (полідиметил-діаліл хлорид амонію, полісульфо- стирен) [12]. Особливо корисними в цьому плані виявились електропровідні полімери, завдяки простоті синтезу і легкості переробки [13]. Уреаза була успішно інкорпорована в поліанілін-бутил- метакрилатну електропровідну матрицю [14], ком- позитну поліанілін-нафіонову плівку [15], порис- тий діоксид кремнію, модифікований полі(3-ме- тил тіофеном) [16]. Не дивлячись на великий обсяг досліджень з використанням найновіших методів, багато питань стосовно синтезу електропровідних полімерів вза- галі і ПАн зокрема, їх мікроструктури, формування надмолекулярних утворень, фізико-хімічних влас- тивостей полімеризатів, залишилися нез’ясованими. Метою даної роботи був електрохімічний син- тез поліаніліну та співполімеру з анілін-2-сульфо- новою кислотою на поверхні платинового електро- да в потенціодинамічному режимі електролізу для створення ензимного електрода шляхом іммобілі- зації уреази адсорбційним методом та прищеп- ленням парами глутарового альдегіду. Ензимний електрод забезпечував добрий амперометричний від- клик у присутності карбаміду, що давало можли- вість його кількісного визначення в аналіті. Анілін, анілін-2-сульфонову кислоту, уреазу (Ur) — фермент із Jack Beans з активністю 54 од/мг, карбамід і 50 %-й водний розчин глутарового аль- дегіду (Sigma-Aldrich Chimie S.a.r. l, Франція) ви- користовували марки ALDRICH без подальшої очистки. Циклічні вольтамперограми одержували з ви- користанням електрохемілюмінесцентного аналіза- тора, який був комутований з персональним ком- п’ютером (виробництво Фізико-технічного інститу- ту НАН України, Харків). Ензимний електрод виготовляли шляхом ад- сорбції уреази на поверхні Pt-електрода, моди- фікованого електрохімічно осадженим полімером. Для запобігання дифузії уреази в розчин на поверх- ню сформованого електрода накладалась нанопо- риста полікарбонатна плівка (виробництво Sigma- Aldrich.com, D9777, Lot2140628), що була проник- ною для частинок аналіту і низькомолекулярних продуктів реакції. На рис. 1 приведені циклічні вольтамперогра- ми платинового електрода в розчині, що містив ані- © Є.П . Ковальчук, Я .С. Ковалишин, І.В. Кекіс, Р.В. Лагоцька , 2008 ISSN 0041-6045. УКР. ХИМ . ЖУРН . 2008. Т. 74, № 6 103 лін при розгортці потенціалу від 0 до 1.3 В (пер- ший цикл) і від 0 до 0.9 В — при наступних ци- клах сканування. На першому циклі сканування спостерігається чіткий максимум cтруму окиснення аніліну по міс- цю аміногрупи (1.02—1.1 В), що відповідає утво- ренню катіон-радикала, наступні хімічні перетво- рення якого приводять до утворення поліаніліну і його осадження на поверхні електрода [17]. В на- ступних циклах сканування потенціалу струм ви- трачається на окиснення поліаніліну, що утворив- ся в попередніх циклах розгортки потенціалу, і на полімеризацію нових порцій аніліну за запропоно- ваним раніше механізмом [18]. ЦВА для співполімеру мають дещо відмінний характер. Тут струми окиснення з кожним наступ- ним скануванням зменшуються (рис. 2). Очевид- но, депресія струмів окиснення зумовлена блоку- ванням поверхні електрода менш електропровід- ним за поліанілін співполімерним продуктом. Попередніми дослідами було встановлено, що адсорбована на поверхні Рt уреаза не впливає на форму циклічної вольтамперограми. Ферментний електрод на поліаніліновій матриці був протесто- ваний на вміст карбаміду в аналіті в інтервалі кон- центрацій від 0 до 20 мМ при рН 7.4. При цьому фіксувалась сила струму при нав’язаному потенці- алі +0.2 В відносно насиченого хлорсрібного елек- трода у фосфатному буферному розчині (рН 7.4). Стаціонарне значення струму встановлювалось через 10—15 хв. До вмісту карбаміду 2 ммоль/л спостерігалась лінійна залежність струму відклику від кількості доданого карбаміду. Подальше збіль- шення кількості субстрату в аналіті приводить до виходу кривої на плато (рис. 3, а). Ферментний електрод на співполімерній платформі характери- зується дещо меншим струмом відклику у присут- ності карбаміду у тому самому часовому інтервалі виходу на стаціонарний струм (рис. 3, б). Рис. 1. Циклічна вольтамперограма окиснення 0.1 М розчину аніліну в 0.1 М H2SO4: а — перший цикл; б — 2–20 цикли. Швидкість розгортки 50 мВ/с. Рис. 2. Циклічна вольтамперограма окиснення співпо- лімеру анілін : анілінсульфонова кислота = 1:1. Швид- кість розгортки 50 мВ/с. Рис. 3. Амперометричний відклик електрохімічної ча- рунки на додані кількості карбаміду. Pt-eлектрод моди- фікований поліаніліном (а) і співполімером (б) у присут- ності Ur; вимірювання у 50 мМ фосфатному буферному розчині, рН 7.4; графік на вставці — калібрувальна крива для визначення карбаміду. a б 104 ISSN 0041-6045. УКР. ХИМ . ЖУРН . 2008. Т. 74, № 6 Наступна видозміна роботи полягала у конст- руюванні карбамідного сенсора з допомогою парів глутарового альдегіду. Результати наведені на рис. 4. Подібна залежність струмового відклику одер- жана для модифікованого поліаніліном уреаз- ного електрода, але струми відклику були дещо меншими. Величина струму відклику визначається швид- кістю ферментативного окиснення. Лінійність зале- жності струм насичення—концентрація карбамі- ду спостерігається на ділянці 0—5 ммоль/л субстра- ту, що свідчить про високу чутливість амперомет- ричного сенсора до мінімальних кількостей карба- міду в пробі. Відгук сенсора контролюється швидкістю ен- зимної реакції, коли вона менша за швидкість ди- фузії. І, навпаки, якщо швидкість взаємодії між частинками субстрата і ензимом є високою, то за- гальна швидкість процесу визначається швидкіс- тю дифузії. Швидкість реакції в кінетичному режи- мі виражається співвідношенням IS = Imax [S ] KM + [S ] , (2) де IS — швидкість ензимной реакції при концент- рації субстрата [S]; Imax — максимальна швидкість ензимної реакції; КМ. — константа Міхаеліса. Рівняння (2) є електрохімічним еквівалентом кла- сичного рівняння Міхаеліса–Ментен. Розрахована константа Міхаеліса для даного біосенсора колива- ється в межах від 0.4 ± 0.02 до 0.37 ± 0.011 мМ . Отже, модифікований аніліном та співполіме- ром платиновий електрод придатний як платформа для іммобілізації уреази методом адсорбції та з допомогою глутарового альдегіду і захистом по- лікарбонатною мембраною. Використана в роботі методика виготовлення ензимного електрода вия- вилась оптимальною, оскільки співполімерна анілін-2-сульфоанілінова платформа більш придат- на для імобілізації ензиму. РЕЗЮМЕ. Электрохимическим окислением анили- на и его смесей с 2-сульфоанилином на платиновом (Рt) электроде синтезированы полимеры с электронной про- водимостью. Иммобилизация уреазы (Ur) на поверхно- сти электрода , модифицированного электропроводным полимером, позволяет применять полученный фермен- тный электрод как амперометрический биосенсор. Дан- ный ферментный электрод протестирован на содержа- ние карбамида в аналите в интервале концентраций 0.2 —20 мМ при рН 7.4. Линейность зависимости ток насы- щения—концентрация карбамида наблюдается на уча- стке 0—5 ммоль/л карбамида, что свидетeльствует о вы- сокой чувствительности амперометрического сенсора к минимальным количествам карбамида в пробе. SUMMARY. The electrochemical aniline oxidation on the platinum electrode was studied. Immobilization of ureaze on the electrode surface was made. The electrode as amperometric ureaze sensor was used. In this conditions this electrode could be detected in the range 0.2—20 mmol/l (pH 7.4). The linear range current saturation—concentra- tion was obtained 0—5 mmol/l. The sensor is highly sensi- tivity for the detection of some analytes. 1. Taylor A .J., Vadgama P. // Ann. Clin. Biochem. -1992. -29. -P. 245—264. 2. Abdel L .M .S., Guilbault G.G. // J. Biotechnol. -1990. -14. -P. 53—60. 3. Sehitogullari A ., Uslan A.H . // Talanta. -2002. -57. -P. 1039—1044. 4. Basu I., S ubramanian R .V ., M athew A . et al. // Sen- sor Actuators B. -2005. -107. -P. 418—423. 5. Gutierrez M ., Alegret S., del Valle M . // Biosens. Bioelectron. -2007. -22. -P . 2171—2178. 6. De la Rica R ., Fernandez-Sanchez C., Baldi A . // Electrochem. Comm. -2006. -8. -P. 1239—1244. 7. W ei L i-Fang, Shin J.-Sh. // Anal. Chim. Acta. -2001. -437. -P. 77—85. 8. Thavarungkul P., Asawatreratonakul P., Kanathara- na P. et al. // Science Asia. -1999. -25. -P. 157—163. 9. Rodriguez B.B., Bolbot J.A ., Tothill I.E . // Biosens. Bioelectron. -2004. -19. -P. 1157—1167. 10. Y ang Z ., S i Sh., Dai A ., Z hang Ch. // Ibid. -2007. -22. -P. 3283—3287. 11. Das N., Kayastha A.M ., M alhotra O.P . // Biotechnol. Appl. Biochem. -1988. -27. -P. 25—29. 12. Disawal S ., Qin J., Elmore B.B., Lvov Y .M . // Coll. Surf. B: Biointerfaces. -2003. -32. -P. 145—156. 13. Guimard N.K., Gomez N., Schmidt E . // Progr. Polym. Рис. 4. Амперометричний відклик електрохімічної чарун- ки на додані кількості карбаміду. Pt-eлектрод модифі- кований глутаровим альдегідом; вимірювання у 50 мМ фосфатному буферному розчині, рН 7.4; графік на встав- ці — калібрувальна крива для визначення карбаміду. ISSN 0041-6045. УКР. ХИМ . ЖУРН . 2008. Т. 74, № 6 105 Sci. -2007. -32. -P. 876—921. 14. Castillo-Ortega H.M ., Rodriguez D.E., Eucinas J.C. et al. // Sensors Actuators B. -2002. -85. -P. 19—25. 15. Luo Y .-Ch., Do J.-Sh. // Biosens. Bioelectron. -2004. -20. -P. 15—23. 16. Jin J.-H., M in N.K., Hong Suk-in // Appl. Surf. Sci. -2006. -252. -P. 7397—7406. 17. Ковальчук Є., Срібний В., Блажейовський Є. // Вісн. Львів. ун-ту. Сер. Хім. -2002. -Вип. 42. -Ч . 1. -С. 142—145. 18. Koval’chuk E.P., W hittingham M .S , Skolozdra O.M . et al. // Mater. Chem. Phys. -2001. -69. -P. 154—162. Львівський національний університет ім. Івана Франка Надійшла 25.06.2007 УДК 541.138 О.А. Джамбек, О.І. Джамбек, Ф.В. Макордей, З.І. Жиліна, Ю.В. Ішков ЕЛЕКТРОХІМІЧНЕ ДОСЛІДЖЕННЯ ЕЛЕКТРОДІВ НА ОСНОВІ 5,10,15,20-ТЕТРА-(4-МЕТОКСІФЕНІЛ)-ПОРФІРИНУ ТА ЙОГО КОМПЛЕКСУ З Co (II) Методом циклічної вольтамперометрії в лужному розчині досліджено електрохімічні та електрокаталітичні властивості 5,10,15,20-тетра-(4-метоксіфеніл)-порфірину та його комплексу з кобальтом (II) у складі повітря- них газодифузійних електродів. Виявлено вплив різних режимів електрохімічних досліджень на I—E-криві в інтервалі потенціалів –0.4—0.7 В (о.р.е.). Високоефективні електрокаталізатори на осно- ві металоорганічних сполук є перспективними для створення металоповітряних хімічних джерел стру- му [1—4]. Перевагою таких каталізаторів є мож- ливість зміни в широкому діапазоні електронної бу- дови комплексу, що дозволить регулювати потен- ціал йонізації центрального йона поляризацію реа- генту. Важливим є встановлення загальних зако- номірностей підбору координаційних сполук пере- хідних металів для одержання електрокаталізаторів у залежності від природи центрального атома, ти- пу лігандів, різних замісників у ліганді, структурних та фізико-хімічних властивостей. Дана робота є продовженням електрохімічних досліджень повітряних (кисневих) газодифузійних електродів на основі металопорфіринів [5, 6]. Фізи- ко-хімічною основою каталітичної активності орга- нічних комплексів перехідних металів з порфірина- ми є їх здатність до координування та активації молекули кисню [7]. Для розробки катодного ма- теріалу на основі металопорфіринів важливим є і те, що вони стійкі до кислот та лугів. Об’єктами дослідження були такі сполуки: 5,10,15,20-тетра-(4-метоксіфеніл)-порфірин (ТМФП) та його комплекс з Со (II) (СоТМФП). Комплек- сну сполуку СоТМФП синтезували взаємодією ТМФП з ацетатом Со (II) у розчині диметилформ- аміду при кип’ятінні [8]. Електрокаталізатори відновлення кисню одер- жували нанесенням порфірину або його компле- ксу з Со (II) на високодисперсний носій (гідро- фобна ацетиленова сажа) з диметилформамідних розчинів. Для досліджень були виготовлені повіт- ряні газодифузійні електроди пресуванням гідро- фобізованих (15 % мас. фторопласту) активного та гідрозапорного шарів з струмовим колектором. Активний шар електродів містив до 2 мг/см2 ТМФП або СоТМФП. Умови термічної обробки електродів визначали відповідно [6]. За даними термічного аналізу встановлено, що в атмосфері повітря при 300 оС для порфірину та його комплексу з Со (II) відбуваються процеси окиснення та деструкції органічної складової, які не спостерігаються в інер- тній атмосфері до 400 оС. Тому термообробку по- вітряних електродів проводили в атмосфері азоту при 350 оС (температура спікання фторопласту) протягом 50 хв. Електрохімічне дослідження повітряних елек- тродів на основі даних електрокаталізаторів прово- дили методом циклічної вольтамперометрії на потенціостаті ПИ-50-1,1 у 7 М розчині КОН при температурі 30 оС, в напівелементі з нікелевим про- тиелектродом. Значення потенціалів наведено від- носно оксидно-ртутного електрода порівняння. Ме- тодика випробувань включала попереднє змочуван- ня активного шару електрода лужно-спиртовим розчином перед установленням в комірку та послі- довне вимірювання циклічних I—E-кривих: в ін- © О.А. Джамбек, О.І. Джамбек, Ф .В. Макордей, З.І. Жиліна, Ю .В. Ішков , 2008 106 ISSN 0041-6045. УКР. ХИМ . ЖУРН . 2008. Т. 74, № 6