Біосенсор на основі уреази з покращеною чутливістю для аналізу іонів важких металів
Потенціометричний біосенсор, який складається з двох іонселективних польових транзисторів (ІСПТ) та іммобілізованого ферменту уреази, може бути використаний для кількісного визначен¬ня концентрації іонів важких металів. Після преінкубації сенсора в модельному розчині інгібітора (CuCl₂) відгук сенсор...
Gespeichert in:
| Veröffentlicht in: | Биополимеры и клетка |
|---|---|
| Datum: | 1997 |
| 1. Verfasser: | |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Ukrainisch |
| Veröffentlicht: |
Інститут молекулярної біології і генетики НАН України
1997
|
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/155642 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Біосенсор на основі уреази з покращеною чутливістю для аналізу іонів важких металів / О.П. Солдаткін // Биополимеры и клетка. — 1997. — Т. 13, № 5. — С. 377-379. — Бібліогр.: 6 назв. — укр. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1860218186369073152 |
|---|---|
| author | Солдаткін, О.П. |
| author_facet | Солдаткін, О.П. |
| citation_txt | Біосенсор на основі уреази з покращеною чутливістю для аналізу іонів важких металів / О.П. Солдаткін // Биополимеры и клетка. — 1997. — Т. 13, № 5. — С. 377-379. — Бібліогр.: 6 назв. — укр. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Биополимеры и клетка |
| description | Потенціометричний біосенсор, який складається з двох іонселективних польових транзисторів (ІСПТ) та іммобілізованого ферменту уреази, може бути використаний для кількісного визначен¬ня концентрації іонів важких металів. Після преінкубації сенсора в модельному розчині інгібітора (CuCl₂) відгук сенсора після пригнічення і відповідно залишкову ферментативну активність вимірювали з трис-НСl-буфері, рН 7,4. Було показано, що чутливість біосенсора до концентрації інгібітора сильно залежить від методу іммобілізації уреази. Максимальною чутливістю при визначенні концентрацій CuCl₂ відзначався біосенсор, у якому ферментна та референтна мембрани були покриті плівкою із негативно зарядженого полімеру Nafion.
Потенциометрический биосенсор, состоящий из двух ионселективных полевых транзисторов (ИСПТ) и иммобилизированного фермента уреазы, может быть использован для количественного определения концентраций ионов тяжелых металлов. После преинкубации сенсора в модельном растворе ингибитора (CuCl₂) отклик сенсора после ингибирования и соответственно остаточную ферментативную активность измеряли в трис-НСl-буфере, рН 7,4. Показано, что чувствительность биосенсора к концентрациям ингибитора сильно зависит от метода иммобилизации уреазы Максимальной чувствительностью при определении концентраций CuCl₂ характеризовался биосенсор, в котором уреаза была иммобилизована под пленкой отрицательно заряженого полимера Nafion.
Potcntiometric biosensors which consist of two ISFET structures covered with immobilized enzyme (urease) can be used for quantitative estimation, of water pollution with heavy metal ions. The measurements of the residual enzyme activity have been carried out in Tris-HCl buffer (pH 7,4) after preincubation in model CuCl₂ solution. It was shown that sensor sensitivity to inhibitor concentration depends strongly on enzyme immobilization method. The lowest detection limit has been obtained for urease biosensor modified by negatively charged additional Nafion membrane.
|
| first_indexed | 2025-12-07T18:17:04Z |
| format | Article |
| fulltext |
ISSN 0233-7657. Биополимеры и клетка. 1997. Т\ 13. № 5
Біосенсор на основі уреази з покращеною
чутливістю для аналізу іонів важких металів
О. П. Солдаткін
Інститут молекулярної біології та генетики НАН України
252143, Київ, вул. Академіка Заболотного, 150
Потенціометричний біосенсор, який складається з двох іонселективних польових транзисторів
(ІСПТ) та іммобілізованого ферменту уреази, може бути використаний для кількісного визначен
ня концентрації іонів важких металів. Після преінкубації сенсора в модельному розчині інгібітора
(СиСІг) відгук сенсора після пригнічення і відповідно залииікову ферментативну активність
вимірювали з трис-НС 1-буфері, рН 7,4. Було показано, що чутливість біосенсора до концентрації
інгібітора сильно залежить від методу іммобілізації уреази. Максимальною чутливістю при
визначенні концентрацій СиСІг відзначався біосенсор, у якому ферментна та референтна
мембрани були покриті плівкою із негативно зарядженого полімеру Nafiott
Вступ. Вивчення, розробка та використання біо-
сенсорів для кількісного та якісного визначення
токсичних речовин в останні 10—15 років набули
значного розвитку. Це зумовлено тим, що ана
літичні системи на основі біосенсорів прості, де
шеві, чутливі та швидкодіючі [1—4]. Недавно
показано, що біосенсори на основі уреази можна
використовувати в інгібіторному аналізі для кіль
кісного визначення концентрацій іонів важких ме
талів [3, 4] . Але в деяких випадках чутливість
таких біосенсорів до токсичних речовин як інгі
біторів недостатня, тому дуже важливо знайти
підходи для її підвищення. Саме цій проблемі і
присвячена дана робота, в якій представлено підхід
для покращання чутливості уреазного потенціо
метричного біосенсора до іонів важких металів.
Матеріали і методи. В роботі використано
уреазу (EC 3.5.1.5) з активністю 31 од. мг 1 та
25 %-й розчин глутарового альдегіду, отримані з
фірми «Fluka» (Швейцарія), бичачий сироватковий
альбумін (БСА) та трис з фірми «Мегск» (Німеч
чина), полі (4-вінілпіридинкостирен) (продукт №
19.207-4) та Nafion (продукт № 27.470-4) були
поставлені фірмою «Aldrich» (США). Всі інші солі
та реагенти були аналітичної чистоти.
Іммобілізація ферменту. Мембрану, що місти
ла іммобілізований фермент, та референтну фор-
© О. П. С О Л Д А Т К І Н . 1997
мували наступним методом. Краплю розчину, який
вміщував 5 % уреазу, 5 % БСА та 10 % гліцерин
у 5 мМ трис-НСІ-буфері (рН 7,4), було нанесено
на чутливу область одного з двох іонселективних
польових транзисторів (ІСПТ) диференційної пари.
На інший ІСПТ цієї ж пари (контрольний) наноси
ли краплю суміші, яка містила 10 % БСА і 10 %
гліцерин у тому ж самому буфері. Після цього
сенсорний чип поміщали на ЗО хв в насичені пари
глутарового альдегіду, а потім просушували при
кімнатній температурі протягом 15—20 хв. Для
формування додаткових мембран 1 мкл 0,5 %-го
розчину полімеру (ПВП чи Nafion) в етанолі нано
сили поверх ферментної та референтної мембран і
просушували на повітрі при кімнатній температурі
протягом 5—10 хв.
Методика вимірювання концентрації інгібі
тора. Оригінальний прилад, виготовлений в нашій
лабораторії, схема якого представлена на рис. 1,
використано для вимірів змін поверхневого по
тенціалу на ІСПТ, викликаних локальною зміною
рН у біомембрані. Диференційний сигнал знімали
з робочого (покритого ферментною мембраною) та
референтного ІСПТ і підсилювали. Локальні зміни
рН на робочому транзисторі були спричинені фер
ментативним гідролізом сечовини. Пригнічення
уреази іонами важких металів призводило до змен
шення сенсорного відгуку і служило мірою їх кон
центрації в аналізованому розчині.
377
С О Л Д А Т КІН О. N.
Рис. 1. Блок-схема установки для потенціометричних вимі
рювань за допомогою іонселективних польових транзисторів
По-перше, в оптимальних умовах [5 ] визнача
ли відгук біосенсора на 10 мМ сечовину (концент
рація, що забезпечує максимальну величину сигна
лу біосенсора). Потім сенсор відмивали від субстра
ту і занурювали на певний час в аналізований
модельний розчин, який містив іони міді. Після
відмивки біосенсора буферним розчином знову тес
тували відгук сенсора на 10 мМ сечовину. Різниця
сигналів до і після інгібування ферменту була
пропорційною концентрації інгібітора та часу пре-
інкубації сенсора в розчині з інгібітором.
Виміри проводили при кімнатній температурі в
скляній комірці (1,5 мл), заповненій робочим бу
фером (5 мМ трис-НСІ, рН 7,4), при інтенсивному
перемішуванні.
Результати та обговорення. Раніше було пока
зано, що уреаза в вільному та іммобілізованому
стані може пригнічуватися іонами важких металів
[З, 4]. Але чутливість вільного та іммобілізованого
ферменту до інгібування була різною. В даній
роботі біосенсори модифікували за допомогою на
несення додаткових заряджених полімерів поверх
ферментної та референтної мембран і вивчали чут
ливість таких сенсорів до концентрації іонів важ
ких металів на прикладі іонів міді. Максимальний
відгук біосенсора на 10 мМ концентрацію сечовини
вимірювали в 5 мМ трис-НСІ-буфері (рН 7,4)
(стаціонарний режим вимірювань при концентрації
субстрату, що відповідає насиченню) до і після
інкубації біосенсора в модельному водному розчині
СиС12.
Результати пригнічення відгуку сенсора іонами
міді, отримані для ензимного польового транзисто
ра (ЕНПТ) з уреазою, іммобілізованою в БСА-
мембрані, з модифікацією додатковими шарами
заряджених полімерів (ПВП та Nafion) і без неї,
представлені на рис. 2. Полімери ПВП та Nafion
було використано для модифікації уреазного ЕНПТ
як додаткові заряджені (позитивно та негативно)
шари, щоб перевірити їх вплив на чутливість
сенсора до іонів важких металів. Раніше було
показано в [6], що позитивно заряджена ПВП
додаткова мембрана захищає біомембрану від
впливу позитивно заряджених іонів (включаючи
катіони металів). Тому було зроблено припущення
стосовно того, що негативно заряджена мембрана
(наприклад, Nafion) може викликати зворотний
ефект, акумулюючи катіони в ферментній мемб
рані та підвищуючи таким чином чутливість сенсо
ра до іонів важких металів. Отримані експеримен
тальні результати підтвердили таке припущення.
Так, в ряду чутливості до іонів важких металів
біосенсор, модифікований негативно зарядженою
додатковою мембраною з Nafion-полімеру, харак
теризувався максимальною чутливістю, сенсор без
додаткових мембран — середньою, а ЕНПТ, мо
дифікований позитивно зарядженою ПВП-мембра-
ною, відзначався найнижчою чутливістю.
У наступних експериментах було показано, що
пригнічення уреази іонами міді було умовно незво-
ротним. Так, відмивання біосенсора від інгібітора
дистильованою водою чи робочим буфером не при
зводило до відновлення активності сенсора. Однак
короткочасне вимочування (близько 10 хв) уреаз
ного біосенсора в розчині з 10 мМ ЕДТА спричи
нювало повне відновлення величини відгуку біо
сенсора, що давало можливість повторного викори
стання сенсора щонайменше 10 разів з хорошою
відтворюваністю вимірів (похибка не перевищувала
10 % ) . Між вимірами сенсори зберігали в сухому
стані в холодильнику при температурі 4—6 °С і
0,0-
10 100
Концентрація СиСІ2, мкМ
1000
Рис. 2. Залежність відгуку уреазного біосенсора від концентрації
СиСЬ. Сенсори з Nafion ( / ) чи ПВП (J) додатковими полі
мерними шарами; 2 — сенсор, не модифікований додатковими
мембранами. Час преінкубації з інгібітором 5 хв
378
останні демонстрували хорошу стабільність протя
гом одного місяця.
Заключения. На основі уреази та іоноселек-
тивних польових транзисторів було розроблено біо
сенсор багаторазового використання для визначен
ня іонів важких металів як інгібіторів ферменту.
Показано принципову можливість впливу на його
чутливість до інгібітора (як у бік підвищення, так
і зниження) через використання заряджених полі
мерних матеріалів як додаткових шарів, нанесених
поверх ферментної та референтної мембран. Біо
сенсор, модифікований негативно зарядженою мем
браною з Nafion, характеризувався максимальною
чутливістю до іонів міді.
Частину цієї роботи було виконано завдяки
фінансовій підтримці Міністерства в справах науки
та технологій (проект № 5,4/74 Державного фонду
фундаментальних досліджень).
А. П. Солдаткин
Биосенсор на основе уреазы с улучшенной чувствительностью
для анализа ионов тяжелых металлов
Резюме
Потенціюметрический биосенсор, состоящий из двух ионселек-
тивных полевых транзисторов (ИСПТ) и иммобилизирован-
ного фермента уреазы, может быть использован для количе
ственного определения концентраций ионов тяжелых метал
лов. После преинкубации сенсора в модельном растворе инги
битора (СиС12) отклик сенсора после ингибирования и соот
ветственно остаточную ферментативную активность изме
ряли в трис-НСl-буфере, рН 7/4. Показано, что чувствитель
ность биосенсора к концентрациям ингибитора сильно зави
сит от метода иммобилизации уреазы Максимальной чувст
вительностью при определении концентраций СиС[2 характе
ризовался биосенсор, в котором уреаза была иммобилизована
под пленкой отрицательно заряженого полимера Nafion.
Б І О С Е Н С О Р НА О С Н О В І У Р Е А З И З П О К Р А Ш Е Н О Ю Ч У Т Л И В І С Т Ю
A. P. Soldatkin
Urease-based biosensor with improved, sensitivity for heavy metal
ions analysis
Summary
Potentiometric biosensors which consist of two ISFET structures
covered with Immobilized enzyme (urease) can be used for Quanti
tative estimation of water pollution with heavy metal ions. The
measurements of the residual enzyme activity have been carried out
in Tris-HCl buffer (pll 7,4) after preincubation in model CuCi2
solution. It was shown that sensor sensitivity to inhibitor con
centration depends strongly on enzyme immobilization method. The
lowest detection limit has been obtained for urease biosensor
modified by negatively charged additional Nafion membrane.
СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ
1. Tranh-Minh С. Immobilized enzyme probes for determining
inhibitors / / Ion-Select ive Electrode Rev. — 1 9 8 5 — 7 . —
P. 4 1 — 7 5 .
2. Gaye J., Haouz A., Gehso-Meycr A,, Burstein C. Detection of
heavy metal salts with biosensor built with an oxygen electrode
coupled to various immobilized oxidases and dehydrogenases
/ / Biosensors and Bioeleetronics.—І 9 9 3 . — 8 . — P . 177—183.
3. Krajewska B. Urease immobilized on chitosan membrane.
Inactivation by heavy metal ions / / J. Chem. Tech. Biotech-
no l .—1991 .—52 .—P. 1 5 7 — 1 6 2 .
4. Zhylyak G. A., Dzyadevich S. K, Korpan Y. I. et al.
Application of urease conductometric biosensor for heavy metal
ion determination / / Sensors and Actuators В . — І 9 9 5 . — 2 4 —
2 5 . — P . 145—148.
5. Солдаткин А. П., Бубряк О. А., Стародуб Я. Ф. и др.
Уреазный биосенсор на полевом транзисторе. Особенности
конструкции и характеристики работы в модельных ус
ловиях / / Журн. аналит. х и м и и . — 1 9 9 3 . — 2 9 , № 3 . —
С. 3 1 5 - 3 1 9 .
6. Volotovsky К, Soldatkin A. P., Snul'ga A.A. et al. Glucose-
sensitive ISFET-based biosensor with additional positively
membrane / / Anal. Chim. Acta. — 1 9 9 6 . — 3 2 2 . — P . 7 7 — 8 1 .
УДК 577.15; 573.6
Надійшла до редакції 21.10.97
379
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-155642 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0233-7657 |
| language | Ukrainian |
| last_indexed | 2025-12-07T18:17:04Z |
| publishDate | 1997 |
| publisher | Інститут молекулярної біології і генетики НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Солдаткін, О.П. 2019-06-17T09:28:59Z 2019-06-17T09:28:59Z 1997 Біосенсор на основі уреази з покращеною чутливістю для аналізу іонів важких металів / О.П. Солдаткін // Биополимеры и клетка. — 1997. — Т. 13, № 5. — С. 377-379. — Бібліогр.: 6 назв. — укр. 0233-7657 DOI: http://dx.doi.org/10.7124/bc.000499 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/155642 577.15; 573.6 Потенціометричний біосенсор, який складається з двох іонселективних польових транзисторів (ІСПТ) та іммобілізованого ферменту уреази, може бути використаний для кількісного визначен¬ня концентрації іонів важких металів. Після преінкубації сенсора в модельному розчині інгібітора (CuCl₂) відгук сенсора після пригнічення і відповідно залишкову ферментативну активність вимірювали з трис-НСl-буфері, рН 7,4. Було показано, що чутливість біосенсора до концентрації інгібітора сильно залежить від методу іммобілізації уреази. Максимальною чутливістю при визначенні концентрацій CuCl₂ відзначався біосенсор, у якому ферментна та референтна мембрани були покриті плівкою із негативно зарядженого полімеру Nafion. Потенциометрический биосенсор, состоящий из двух ионселективных полевых транзисторов (ИСПТ) и иммобилизированного фермента уреазы, может быть использован для количественного определения концентраций ионов тяжелых металлов. После преинкубации сенсора в модельном растворе ингибитора (CuCl₂) отклик сенсора после ингибирования и соответственно остаточную ферментативную активность измеряли в трис-НСl-буфере, рН 7,4. Показано, что чувствительность биосенсора к концентрациям ингибитора сильно зависит от метода иммобилизации уреазы Максимальной чувствительностью при определении концентраций CuCl₂ характеризовался биосенсор, в котором уреаза была иммобилизована под пленкой отрицательно заряженого полимера Nafion. Potcntiometric biosensors which consist of two ISFET structures covered with immobilized enzyme (urease) can be used for quantitative estimation, of water pollution with heavy metal ions. The measurements of the residual enzyme activity have been carried out in Tris-HCl buffer (pH 7,4) after preincubation in model CuCl₂ solution. It was shown that sensor sensitivity to inhibitor concentration depends strongly on enzyme immobilization method. The lowest detection limit has been obtained for urease biosensor modified by negatively charged additional Nafion membrane. Частину цієї роботи було виконано завдяки фінансовій підтримці Міністерства в справах науки та технологій (проект № 5,4/74 Державного фонду фундаментальних досліджень). uk Інститут молекулярної біології і генетики НАН України Биополимеры и клетка Структура и функции биополимеров Біосенсор на основі уреази з покращеною чутливістю для аналізу іонів важких металів Биосенсор на основе уреазы с улучшенной чувствительностью для анализа ионов тяжелых металлов Urease-based biosensor with improved sensitivity for heavy metal ions analysis Article published earlier |
| spellingShingle | Біосенсор на основі уреази з покращеною чутливістю для аналізу іонів важких металів Солдаткін, О.П. Структура и функции биополимеров |
| title | Біосенсор на основі уреази з покращеною чутливістю для аналізу іонів важких металів |
| title_alt | Биосенсор на основе уреазы с улучшенной чувствительностью для анализа ионов тяжелых металлов Urease-based biosensor with improved sensitivity for heavy metal ions analysis |
| title_full | Біосенсор на основі уреази з покращеною чутливістю для аналізу іонів важких металів |
| title_fullStr | Біосенсор на основі уреази з покращеною чутливістю для аналізу іонів важких металів |
| title_full_unstemmed | Біосенсор на основі уреази з покращеною чутливістю для аналізу іонів важких металів |
| title_short | Біосенсор на основі уреази з покращеною чутливістю для аналізу іонів важких металів |
| title_sort | біосенсор на основі уреази з покращеною чутливістю для аналізу іонів важких металів |
| topic | Структура и функции биополимеров |
| topic_facet | Структура и функции биополимеров |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/155642 |
| work_keys_str_mv | AT soldatkínop bíosensornaosnovíureazizpokraŝenoûčutlivístûdlâanalízuíonívvažkihmetalív AT soldatkínop biosensornaosnoveureazysulučšennoičuvstvitelʹnostʹûdlâanalizaionovtâželyhmetallov AT soldatkínop ureasebasedbiosensorwithimprovedsensitivityforheavymetalionsanalysis |