CC BY
199
УДК 543.9 + 543.38
АМПЕРОМЕТРИЧЕСКИЙ БИОСЕНСОР ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ
ГЛЮКОЗЫ НА ОСНОВЕ ГЛЮКОЗООКСИДАЗЫ, ИММОБИЛИЗОВАННОЙ В ЭЛЕКТРОПРОВОДЯЩИЙ ГЕЛЬ
С. С. Каманин, Л. С. Скворцова, Е. А. Коина, В. А. Арляпов
Проведено закрепление медиатора электронного транспорта - нейтрального красного на печатном электроде путем ковалентного связывания с белковой матрицей с образованием электропроводящего гидрогеля. Установлена возможность сопряжения ферментативной реакции с электрохимическими процессами на электроде с помощью полученного гидрогеля. Проведена модификация графитового печатного электрода смесью глюкозооксидазы и электропроводящего гидрогеля, и определены основные характеристики биосенсора на его основе. Диапазон определяемых концентраций глюкозы для разработанного биосенсора составил 0,6-2,7 мМ, коэффициент чувствительности - 250±10 мкА-М1, что выше, чем у аналогов на основе электропо-лимеризованного нейтрального красного. Апробация разработанного биосенсора на образцах вин показала, что он может использоваться для определения содержания глюкозы в продуктах биотехнологических производств.
Ключевые слова: Биосенсор, печатный электрод, электропроводящий гидрогель, нейтральный красный, иммобилизация медиатора, биотехнологическое производство, бычий сывороточный альбумин.
Введение
В настоящее время биосенсорные технологии являются одним из наиболее быстро развивающихся методов определения содержания органических веществ в смесях [1]. В области биосенсорики в последние десятилетия наблюдается тенденция миниатюризации датчиков, входящих в состав биосенсора, чтоведет к снижению итоговой стоимости и повышению чувствительности аналитического оборудования. Немалый вклад в это внесла технология трафаретной печати [2], адаптация которой к нуждам биосенсорного анализа дала возможность печати биологического материала и вспомогательных компонентов на поверхности электрода прямо в процессе его производства, что позволило создавать недорогие одноразовые датчики для применения в медицинской практике и для контроля состояния окружающей среды.Наиболее простым и эффективным подходом при разработке биосенсоров на основе печатных электродов является применение в качестве распознающих элементов ферментов класса оксидаз. Например, на текущий момент существует множество лабораторных моделей печатных электродов на основе глюкозооксидазы для определения содержания глюкозы в среднем диапазоне 0,01 - 1 мМ [3-6]. Данные модели основаны на различных принципах регистрации аналитического сигнала биосенсора: как через измерение концентрации вспомогательного соединения (например,
пероксида водорода [7]), так и путем переноса электронов с помощью медиатора электронного транспорта [8], либо вообще без посредников [9]. Каждый из перечисленных принципов регистрации имеет свои преимущества и недостатки: прямой перенос электронов не требует участия в процессе дополнительных химических соединений, но накладывает ограничения на выбор биологического материала для создания биосенсора, так же, как и регистрация вспомогательного вещества, концентрация которого, к тому же, зависит не только от протекания целевых процессов на электроде, что вносит в определенных ситуациях ошибку в результаты измерения. Использование медиаторов электронного транспорта - наиболее универсальный принцип регистрации аналитического сигнала, так как он позволяет использовать в качестве биологического материала не только ферменты, но и целые клетки микроорганизмов [10], однако недостатком данного подхода является необходимость физического передвижения заряженной частицы медиатора между электродом и биологическим материалом. Учитывая, что заряженная форма медиатора, как правило, имеет повышенную растворимость в водной среде [11], данное движение приводит к десорбции медиатора с поверхности электрода, и, как следствие, к снижению аналитического сигнала биосенсора. Ограничение подвижности медиатора традиционными способами (электрополимеризация медиатора на поверхности электрода [12], или введение в структуру медиатора гидрофобных заместителей [13]) решает эту проблему, однако параллельно снижается доступность медиатора для активных центров фермента, так как медиатор электронного транспорта сконцентрирован у поверхности электрода. Другим подходом к данной задаче является использование в качестве медиатора электронного транспорта соединений достаточно большой молекулярной массы, чтобы их молекулы одновременно контактировали с поверхностью электрода и биологическим материалом, и таким образом, отпадала необходимость челночного передвижения медиатора в системе. Такие соединения можно получить путем модификации биологических полимеров электропроводящими соединениями [14]. Получаемые модифицированные полимеры могут быть использованы в качестве иммобилизующей матрицы для биологического материала, которая параллельно может выполнять функции медиатора электронного транспорта. В данном приложении представляется перспективным использование белков небольшой молекулярной массы, например, бычьего сывороточного альбумина (БСА), так как он обладают большим набором функциональных групп, по которым можно проводить реакции модификации. Кроме того, получаемый после сшивания молекул БСА глутаровым альдегидом гидрогель обеспечивает хорошую диффузию субстратов и метаболитов и формирует благоприятное для иммобилизованного биологического материала белковое окружение[15].
Поэтому целью даннойработы является получение электропроводящего гидрогеля на основе бычьего сывороточного альбумина, ковалентно связанного с медиатором нейтральным красным, и использование его в качестве иммобилизующей матрицы при модификации графитового печатного электрода.
Материалы и методы
Проведение биосенсорных измерений.
В качестве преобразователя использовали потенциостат EmStat
3
(PalmSens, Нидерланды). Измерения проводились в кювете объемом 4 см в натрий-калиевом фосфатном буферном растворе с рН=6,8 при перемешивании магнитной мешалкой (Экрос, Россия) со скоростью 200 об/мин. Ввод пробы осуществляли автоматическими микропипетками переменного объема (Ленпипет, Россия). Схема лабораторной установки представлена на Рис.1.
Рис.1. Общая схема биосенсорной установки
Выходные данные потенциостата обрабатывались на персональном компьютере с применением программы PSTrace 4.4. Аналитическим сигналом (ответом биосенсора) являлась амплитуда изменения силы тока при добавлении глюкозы в кювету с модифицированным печатным электродом. После каждого измерения осуществляли промывание электрода буферным раствором в течение 1-2 минут.
Модификация графитового печатного электрода.
Для приготовления рецепторного элемента
вмикропробиркесмешивали5 мкл раствора нейтрального красного (НК) (Sigma, США) с концентрацией 0,6 моль/л, 3,5 мг бычьего сывороточного альбумина (Sigma, США), 50мкл натрий-калиевого фосфатного буферного раствора (рН=6,8, 33 ммоль/дм ). К полученному раствору добавляли 5 мклраствораглюкозооксидазы (ГО) (Sigma, США)с концентрацией 100 мг/мл, перемешивали на центрифуге/миксереCM70M (ELMI, Латвия) и добавляли 7,5 мкл 25 %глутарового альдегида (ГА) (Panreac Química
S.L.U.). После повторного перемешивания3 мклполученной смеси быстро переносили на рабочий графитовый электрод диаметром 4 мм, находящийся в составе печатной трехэлектродной схемы (Русенс, Россия). Время полимеризации составляло от 30 до 60 минут. Модифицированный печатный электрод перед использованием трехкратно промывали в буферном растворе.
Определение содержания глюкозы энзиматическим методомсо спектрофотометрическим детектированием.
Рабочий реактив для определения глюкозы энзиматическим методом готовили следующим образом:к 70 мл 0,25 Н ацетатного буферного раствора (рН=4,8) добавили 2 мг глюкозооксидазы (Sigma, США)и 1 мг кристаллической пероксидазы (Sigma, США). Смесь перемешивали, и приливали к ней 1 мл 1 % раствора о-толуидина (Sigma, США), затем доводили объем пробы до 100 мл ацетатным буферным раствором.К пробе, содержащей 1 мл исследуемого образца, приливали 3 мл рабочего реактива для определения глюкозы. Одновременно в аналогичные пробирки, содержавшие по 1 мл раствора глюкозы (с концентрацией 50, 100, 150, 200, 250, 300, 350, 400 мкг/мл), и в контрольную пробирку, содержавшую 1 мл воды, также приливали 3 мл рабочего реактива. Регистрировалиоптическую плотность раствора глюкозы соответствующей концентрации после добавления рабочего реактива на спектрофотометре Эксперт-003 (Эконикс-Эксперт, Россия) при длине волны 670 нм (кювета шириной 10 мм). На основании полученных величин оптической плотности для всех стандартных растворов глюкозы строили градуировочную зависимость, по которой рассчитывали количество глюкозы в исследуемой пробе.
Результаты и обсуждение
Получение электропроводящего полимера.
Образование электропроводящего полимера происходило непосредственно во время модификации печатного электрода. При смешивании растворов бычьего сывороточного альбумина, глутарового альдегида и медиатора нейтрального красного протекает реакция, в ходе которой нейтральный красный ковалентно связывается с молекулой БСА с помощью глутарового альдегида (1).
Однако помимо этого присутствующий в растворе глутаровый альдегид связывается с аминогруппами белковых молекул (как БСА, так и глюкозооксидазы), в результате чего образуется гидрогель, надежно иммобилизующий биологический материал (2).
wvw
о=с п п с=о
I \ / I
НС—(CH2)4-NH2 + yz-(СН2)3-С^ + H?N—(СН2)4—сн
I H H I
N—H м и Н~™~N
-2Н20
*J\АААЛЛАГ
JWWUW чАДАЛЛАДЛ
(2)
о=с с=о
I I
НС—{CH2)4-N^CH— (CH2)3-CH=N—(СН2)4-СН
н—N
N—H
jw\ru\r\j\r
После высыхания полученной структуры на поверхности электрода, его промывали натриево-калиевым фосфатным буферным раствором, для того, чтобы удалить остатки нейтрального красного, не вступившего во взаимодействие с глутаровым альдегидом. Далее электропроводность полученного полимера подтверждали методом циклической вольтамперометрии.
Определение рабочего потенциала.
На рис. 2 приведены циклические вольтамперограммы (условия) для печатного электрода, модифицированного глюкозооксидазой, иммобилизованной в электропроводящий гидрогель БСА, ковалентно связанного с НК.
150
100
// / /
о
< 50
го с;
о
-100
-50
0
с добавлением глюкозы
-150
-0,8 -0,4 0,0 0,4 0,8 Потенциал, В
Рис.2. Циклическая вольтамперограмма (ЦВА) биосенсора на основе электрода, модифицированного ГО в электропроводящем гидрогеле
По сравнению с ЦВА чистого графитового электрода, у электрода, модифицированного ГО в электропроводящем гидрогеле, наблюдается отчетливый пик в анодной области при потенциале -300 мВ, который усиливается при добавлении в кювету с электродом раствора глюкозы. В рамках поиска оптимального рабочего потенциала электрода были получены ответы биосенсора на одну и ту же концентрацию глюкозы в кювете при потенциалах от -300 мВ до -450 мВ. Показано, что наибольший ответ биосенсора наблюдается при потенциале -400 мВ, поэтому дальнейшие измерения проводились при тех же условиях.
Характеристики биосенсора на основе глюкозооксидазы, иммобилизованной в электропроводящий гидрогель.
Для того, чтобы определить, насколько стабилен аналитический сигнал полученного модифицированного электрода, было проведено 10 параллельных измерений ответа биосенсора на добавление 70 мкл 0,1 М раствора глюкозы. Относительное стандартное отклонение при проведении серии из 10 измерений составило 1,6 %. Явного снижения ответа биосенсора в ходе измерений не наблюдалось, поэтому была исследована долговременная стабильность ответов биосенсора на основе модифицированного печатного электрода. Долговременную стабильность определяли путём ежедневного измерения ответа биосенсора на определеннуюконцентрацию глюкозы в кювете.
го ср о
0
1
ф
£ и,ь и
I 0)
ю
0) ш
0,2
н О
0,0
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18
Время функционирования электрода, сутки
Рис. 3. Долговременная стабильность биосенсора на основе электрода, модифицированного ГО в проводящем гидрогеле
На протяжении 12 суток ответ биосенсора сохранялся примерно на одном уровне (0,74 мкА), а на 15 сутки было отмечено падение ответа на 52 % от первоначального, что свидетельствует о невозможности продолжать анализ с использованием данного модифицированного электрода [16]. Таким образом, электрод, модифицированный ГО в проводящем гидрогеле, способен функционировать без потери чувствительности не менее 12 суток, что является хорошим результатом для печатных электродов, которые чаще всего позиционируются, как одноразовые [17].
Способность печатного электрода на основе ГО, иммобилизованной в электропроводящий гидрогель, функционировать длительное время без снижения уровня ответов биосенсора позволяет рассматривать его, как перспективное устройство для определения глюкозы в бродильных средах и пищевых продуктах. Чтобы получить количественную информацию о содержании глюкозы в пробах, необходимо построить градуировочную зависимость аналитического сигнала биосенсора от концентрации глюкозы. Данная зависимость представлена на рис. 4.
О 5 10 15 20 25
Концентрация глюкозы, мМ
Рис.4. Градуировочная зависимость ответа биосенсора на основе модифицированного печатного электрода от концентрации глюкозы
в кювете
Данная градуировочная зависимость имеет вид гиперболыи может быть аппроксимирована с помощью уравнения типа Михаэлиса-Ментен
(3).
к _ ^шах [£]
км +[5] , (3)
где [Б] - концентрация определяемого вещества;
Ктах - максимальныйответ биосенсора, достигается при [8]—>оо;
К^ эффективная константа Михаэлиса численно равна концентрации определяемого вещества, при которой ответ биосенсора достигает половины своего максимального значения (Я = 1/2Ктах).
Уравнение Михаэлиса-Мэнтен описывает полученную зависимость ответа сенсора от концентрации глюкозы с коэффициентом корреляции Я= 0,9908. Эффективная константа Михаэлиса для биосенсора на основе разработанного электрода составила Км=2,7±0,6 мМ, а максимальный ответ биосенсора равен 1,92±0,02 мкА. Для того чтобы определить чувствительность биосенсора на основе модифицированного печатного электрода, необходимо выделить начальный линейный участок градуировочной зависимости (рисунок 4). За его верхнюю границу принимали значение эффективнойконстанты Михаэлиса. Коэффициент чувствительности определяли как тангенс утла наклона линейного участка градуировочной зависимости ответа биосенсора от концентрации глюкозы в кювете. Он составил 250±10 мкА-М" . На основании данных о
коэффициенте чувствительности был проведен расчет предела обнаружения глюкозы и нижней границы определяемых концентраций глюкозы. Они составили, соответственно, 0,2 мМ и 0,6 мМ.
Важно отметить, чторазработанный биосенсор превосходит аналоги на основе электрополимеризованного НК по значению коэффициента чувствительности, что может объясняться большей доступностью медиатора электронного транспорта для биологического материала, так как в случае иммобилизации медиатора ковалентной сшивкой НК равномерно распределен по всему объему модифицирующей смеси, в то время как электрополимеризация НК концентрирует его на поверхности электрода, что не позволяет ему передавать электроны от удаленных молекул фермента [12, 19].
Апробация биосенсора на основе разработанного модифицированного печатного электрода.
Апробацию разработанного биосенсора проводили на образцах вин. В качестве референтного метода определения содержания глюкозы был выбран энзиматический метод со спектрофотометрическим детектированием. Результаты анализа образцов приведены в таблицеОшибка! Источник ссылки не найден..
Определение содержания глюкозы в образцах алкогольной продукции
Метод определения Концентрация глюкозы, мМ
Анализ с использованием разработанного биосенсора Энзиматический метод
Вино п/сладкое «Dellisimo» 120±30 110±30
Вино п/сухое «Miraflora» 94±8 90 ±30
Вино п/сухое «Токай Фурминт» 68±6 77±6
Статистический анализ полученных результатов с использованием модифицированного теста Стьюдента показал, что значения концентраций глюкозы, определяемые с помощью разработанного биосенсора и полученные референтным методом, незначимо различаются между собой.
Выводы
Таким образом, установлена возможность сопряжения ферментативной реакции с электрохимическими процессами на электроде
с помощью гидрогеля бычьего сывороточного альбумина, ковалентно связанного с медиатором - нейтральным красным. Для печатных электродов на основе глюкозооксидазыи проводящего гидрогеля, получены основные характеристики. Коэффициент чувствительности для разработанного биосенсора составил 250±10 мкА-М-1, диапазон определяемых концентраций глюкозы - 0,6-2,7 мМ. Показано увеличение коэффициента чувствительности по сравнению с биосенсорами аналогичной конструкции на основе электрополимеризованного НК. Таким образом, новый способ закрепления медиатора на электроде является более эффективным, чем электрополимеризация, что позволяет расширить область применения водорастворимых медиаторов электронного транспорта при формировании биосенсоров. Апробация биосенсора на основе разработанного модифицированного печатного электрода на образцах вин показала, что значения концентраций глюкозы, полученные с использованием разработанного биосенсора и референтным методом, совпадают с учетом доверительных интервалов.
Работа выполнена при поддержке гранта Президента Российской Федерации для государственной поддержки молодых российских ученых -кандидатов наук, договор № 14^56.16.5425-МК и гранта РФФИ № 16-48710959 р_а.
Список литературы
1. Turner A. P. F. Biosensors: sense and sensibility // Chem. Soc. Rev. 2013. V. 42. I. 8. P. 3184-3196.
2. Domínguez-Renedo O., Alonso-Lomillo M. A., Arcos-Martinez M. J. Recent developments in the field of screen-printed electrodes and their related applications // Talanta. 2007. V. 73. I. 2. P. 202-219.
3. Glucose biosensor based on the highly efficient immobilization of glucose oxidase on layer-by-layer films of silsesquioxane polyelectrolyte/C.G.de Jesus, D.Lima, V.dos Santos et al // Sensors Actuators B Chem. 2013. V. 186. P. 44-51.
4. A paper disk equipped with graphene/polyaniline/Au nanoparticles/glucose oxidase biocomposite modified screen-printed electrode: Toward whole blood glucose determination / F.-Y.Kong, S.-X.Gu, W.-W.Li et al // Biosens. Bioelectron. 2014. V. 56. P. 77-82.
5. A novel glucose biosensor constructed by glucose oxidase immobilized with methylene blue intercalated layered lanthanum niobic acid nanocomposite / X.Zhang, L.Shen, M.Wang et al // Mater. Lett. 2014. V. 135. P. 39-42.
6. Screen-Printed Electrodes Modified with Glucose Oxidase Immobilized in Hybrid Organosilicon Sol-Gel Matrix / S.S.Kamanin,
V.A.Arlyapov, T.V. Rogova et al // Appl. Biochem. Microbiol. 2014. V. 50. I. 9. P. 835-841.
7. Karyakin A. A., Gitelmacher O. V, Karyakina E. E. Prussian Blue-Based First-Generation Biosensor. A Sensitive Amperometric Electrode for Glucose // Anal. Chem. American Chemical Society. 1995. V. 67. I. 14. P. 2419-2423.
8. Amperometric detection of glucose and ethanol in beverages using flow cell and immobilised on screen-printed carbon electrode PQQ-dependent glucose or alcohol dehydrogenases / J.Razumiene, V.Gureviciene, V.Laurinavicius et al // Sensors Actuators B Chem. 2001. V. 78. I. 1-3. P. 243248.
9. Direct electrochemistry of glucose oxidase on screen-printed electrodes through one-step enzyme immobilization process with silica sol-gel/polyvinyl alcohol hybrid film / S.Zuo, Y.Teng, H.Yuan et al // Sensors Actuators B Chem. 2008. V. 133. I. 2. P. 555-560.
10. Interaction of Ferrocene Mediators with Gluconobacter oxydans Immobilized Whole Cells and Membrane Fractions in Oxidation of Ethanol / E.Y.Indzhgiya, O.N.Ponamoreva, V.A.Alferov et al // Electroanalysis. 2012. V. 24. I. 4. P. 924-930.
11. Diggle J. W., Parker A. J. Solvation of ions-XX. The ferrocene-ferricinium couple and its role in the estimation of free energies of transfer of single ions // Electrochim. Acta. 1973. V. 18. I. 12. P. 975-979.
12. Characterisation of poly(neutral red) modified carbon film electrodes; application as a redox mediator for biosensors / R.Pauliukaite, M.Ghica, M.Barsan et al // J. Solid State Electrochem. Springer-Verlag. 2007. V. 11. I. 7. P. 899-908.
13. Efficiency of bioelectrocatalytic oxidation of ethanol by whole cells and membrane fractions of Gluconobacter oxydans bacteria in the presence of mediators of ferrocene series / O.N.Ponamoreva, E.Y.Indzhgiya, V.A.Alferov et al // Russ. J. Electrochem. 2011. V. 46. I. 12. P. 1408-1413.
14. Chitosan-ferrocene film as a platform for flow injection analysis applications of glucose oxidase and Gluconobacter oxydans biosensors / Ö.Yilmaz, D.O.Demirkol, S.Gülcemal et al // Colloids Surfaces B Biointerfaces. 2012. V. 100. P. 62-68.
15. Brena B.M., Batista-Viera F. Immobilization of enzymes // Methods in Biotechnology: Immobilization of Enzymes and Cells. 2nd ed. / ed. M. G.J. Totowa (N.J.): Humana press, 2006. V. XIV. P. 15-30.
16. Electrochemical biosensors: recommended definitions and classification / D.R.Thevenot, K.Toth, R.A.Durst et al // Biosens. Bioelectron. 2001. V. 16. I. 1-2. P. 121-131.
17. Hill B. Accu-Chek® Advantage: Electrochemistry for Diabetes Management // Curr. Sep. 2005. V. 21. I. 2. P. 45-48.
18. Design and application of a flow cell for carbon-film based electrochemical enzyme biosensors / M.M.Barsan, J.Klincar, M.Batic et al // Talanta. 2007. V. 71. I. 5. P. 1893-1900.
19. Ghica M. E., Brett C. M. A. Development of Novel Glucose and Pyruvate Biosensors at Poly(Neutral Red) Modified Carbon Film Electrodes. ApplicationtoNaturalSamples // Electroanalysis. 2006. V. 18. I. 8. P. 748-756.
Каманин Станислав Сергеевич, канд. хим. наук., ассистент, [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Скворцова Любовь Сергеевна, магистрант, lsskvortsova@gmail. com, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Коина Екатерина Андреевна, студент, katrina-nmsk@,list.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Арляпов Вячеслав Алексеевич, канд. хим. наук, доц., [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет
AMPEROMETRIC GLUCOSE BIOSENSOR BASED ON GLUCOSE OXIDASE IMMOBILIZED INTO THE CONDUCTIVE HYDROGEL
S. S. Kamanin, L. S. Skvortsova, E. A. Koina, V. A. Arlyapov
Abstract. Immobilization of electron transport mediator (neutral red) on screen-printed electrode by covalent binding to the protein matrix was carried out to form electrically conductive hydrogel. The possibility of enzymatic reaction conjugation with electrode electrochemical processes using the hydrogel was found. Modification of screen-printed graphite electrode with a mixture of glucose oxidase and an electrically conductive hydrogel was carried out.The main characteristics of the biosensor based on it were obtained. The detection range of glucose was 0,6-2,7 mM, sensitivity coefficient - 250 ± 10 mA M1, which is higher than that of counterparts based on electropolymerized neutral red. Testing of the developed biosensor on wine samples showed that it can be used to determine the glucose content in the products of biotechnological industries.
Keywords: Biosensor,screen-printed electrode, conductive hydrogel, neutral red, mediator immobilization, biotechnological production, bovine serum albumin
Kamanin Stanislav Sergeevich, candidate of chemical sciences, teaching assistant, [email protected], Russia, Tula, Tula State University,
Skvortsova Lyubov Sergeevna, graduate student, lsskvortsova@gmail. com, Russia, Tula, Tula State University,
Koina Ekaterina Andreevna, student, katrina-nmsk@,list.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Arlyapov Vyacheslav Alekseevich, candidate of chemical sciences, assistant professor, [email protected], Russia, Tula, Tula State University
