CC BY
93
УДК 577.61.66
РАЗРАБОТКИ И ХАРАКТЕРИСТИКИ БИФЕРМЕНТНЫХ
АМПЕРОМЕТРИЧЕСКИХ БИОСЕНСОРОВ ГЛЮКОЗЫ.
МИНИ-ОБЗОР
Е.А. Ягольник, Н.О. Аппазов, С.Ж. Ибадуллаева, Ю.А. Ким
Основным диагностическим критерием диабета является концентрация глюкозы в крови, для контроля которого разработан целый ряд методов и инструментальных приборов, в числе которых биосенсоры занимают весьма важное место для применения в медицине. Повышение эффективности биосенсоров с момента его первой разработки тесно связано с задачами увеличения чувствительности, селективности и расширения диапазона анализируемых веществ, одним из решений которого является введение в биодатчик несколько ферментов. В представленном мини-обзоре приведены работы по разработкам биосенсоров глюкозы и их характеристики с двумя ферментами за последние 5 лет.
Ключевые слова: биосенсор, бифермент, пероксидаза (HRP), глюкозооксидаза (GOD), наночастицы
Для постоянного контроля показателей глюкозы в крови человека, что обусловленно большим количеством больных сахарным диабетом, разработан целый ряд методов и приборов, среди которых технология биосенсоров и биосенсоры глюкозы на основе глюкозооксидазы занимает весьма важное место. С момента демонстрации первого ферментного биосенсора для определения глюкозы [1] разработки устройств и исследования значительно расширились, и последующие усилия были направлены на увеличение их эффективности и широкого применения в диагностических целях.
Первым коммерчески успешным биосенсором глюкозы, использовавшим технологию Кларка, был анализатор Yellow Springs Instrument Company analyzer (Model 23A ysianalyzer) для прямого измерения глюкозы, основанный на амперометрическом обнаружении перекиси водорода. Однако он использовался исключительно в клинических лабораториях из-за его высокой цены. В простейших амперометрических биосенсорах используется кислородный электрод Кларка, в котором для измерения глюкозы фермент глюкозооксидаза (GOD) наслаивается непосредственно на поверхность платинового электрода. Впоследствии электрохимический анализ глюкозы значительно упростили, иммобилизуя GOD на кислородном электроде [2], что явилось и является ключевым фактором для разработки стабильных биосенсоров с длительным сроком эксплуатации.
Термин «иммобилизованные ферменты» определяется как «ферменты, которые физически прикреплены к конкретным твердым носителям и, таким образом, они могут использоваться многократно и
непрерывно при сохранении их каталитической активности» [3]. В последние десятилетия активно проводятся биохимические и биофизические исследования с целью повышения стабильности и активности ферментов путем иммобилизации ферментов [4]. Иммобилизация фермента сокращает время ферментативного ответа, дает возможность разового использования устройства ииспользования их в стационарных или проточных системах.
Каждый метод иммобилизации имеет свои преимущества и недостатки [5]. Выбор метода зависит от таких факторов, как природа биологического элемента, тип датчика, физико-химические свойства аналита и условия работы биосенсора [6]. Наиболее часто используемые методы иммобилизации включают адсорбцию, физический захват, микроинкапсулирование, ковалентное связывание и сшивание (рис. 1).
Фермент \
Адсорбция
Ковалентная
связь
Ковалентное связывание
ИММОБИЛИЗАЦИЯ ФЕРМЕНТОВ
Улавливание
Сшивание ,
4s:*-
■ЙГ
-й-
Гелевая матрица
Сшивающий реагент Инкапсулирование
Рис. 1. Методы иммобилизации ферментов (заимствовано с изменением из [7])
Измерения глюкозы основаны на взаимодействиях с одним из трех ферментов: глюкозооксидазой (GOD), гексокиназой и глюкозо-1-дегидрогеназой (GDH) [8, 9]. GOD является стандартным ферментом для биосенсоров, имеет относительно высокую селективность по глюкозе, его легко получить, он дешевый и может выдерживать более высокие значения pH, ионной силы и температуры, чем многие другие ферменты [10, 11]. Подавляющее число работ, посвященных созданию биосенсоров, посвящено электрохимическим методам регистрации сигнала, в частности, это - потенциометрия и амперометрия. Они просты в конструкции, обладают возможностью миниатюризации, надежны в измерении, характеризуются низкими пределами обнаружения и малыми
операционными обьемами, что особенно важно при анализе биологических проб [12, 13]. Кроме того, большое внимание уделено разработкам ферментных биосенсоров, так как они удобны для использования в сенсорах как специфичные и чувствительные биорецепторы в определении концентрации широкого круга субстратов. Краткая история биосенсоров, основные принципы работы, требования к аналитическим характеристикам и нынешний статус биосенсоров глюкозы, а также оценка их надежности тестирования в клинической практике рассматривается в статье [14].
Различают три типа амперометрического биосенсора (рис. 2), использующего продукт, медиатор или органические проводники, и представляют три поколения в развитии биосенсора. Первое поколение основано на измерении образования пероксида, которое требует кислород, второе использует дополнительный медиатор, транспортирующий электроны от активного сайта фермента к электроду, и третье основано на прямом переносе электронов между GOD и электродом [15]. Три поколения электрохимических сенсоров на глюкозу:
Электрод
Электрод
Электрод
А B C
Рис. 2. А - измерение сигнала убыли кислорода или прибыли пероксида
водорода, В - измерение сигнала искусственного редокс медиатора, С - измерение прямого переноса электрона между активным центром глюкозооксидазы и электродом. S - субстрат, Р - продукт, Medox-не редоксмедиатор, Medred-редоксмедиатор (заимствовано с изменениями из [16])
Повышение эффективности биосенсоров тесно связано с задачами увеличения чувствительности, селективности и расширения диапазона анализируемых веществ, одним из способов которого является введение несколько ферментов в эти устройства. В этом мини-обзоре мы приводим примеры разработок и характеристики биосенсоров глюкозы с системой,
использующей одновременно два фермента - глюкозооксидазу и пероксидазу, иммобилизованных на подложках из различных материалов.
Биферментные биосенсоры глюкозы
Ферментные биосенсоры глюкозы в основном основаны на использовании одного фермента - глюкозооксидазы (GOD), однако в конструкциях биосенсора с двумя ферментами пероксидаза / оксидаза [1720] аналитические показатели были значительно лучше [20-22], чем в моноферментных. Такой результат объяснялся уменьшением в системе H2O2 на пероксидазе хрена (HRP), которая электрически связана с поверхностью электрода при низких потенциалах [23].
Из результатов работ [24, 25] следовало, что пероксидаза хрена (HRP) может катализировать окисление H2O2 в O2 в реакции диспропорционирования, поэтому HRP и GOD могут быть встроены в биферментный электрод для создания электрохимических биосенсоров глюкозы. Когда глюкоза окисляется GOD, непропорциональная реакция H2O2, катализируемая HRP, может производить O2 и одновременно удалить H2O2, и при этом защитить активность фермента. В результате глюкоза может быть детектирована на основе биоферментных сенсоров. Схема реакции для определения глюкозы представлена в виде уравнений [26-28]:
glucose+ GOD (FAD) —gluconolactone + GOD (FADH2) (1)
GOD (FADH2) + O2—* GOD (FAD) + H2O2 (2)
H2O2 — H2O + 1/2 O2 (3)
glucose+ O2—gluconolactone + H2O2 (4)
glucose + 1/2 O2— gluconolactone + H2O (5),
где FAD - флавинадениндинуклеотид, FADH2 - восстановленная форма FAD.
В работе [20] биферментный датчик для определения уровня глюкозы был изготовлен без помощи медиатора, путем сшивания глутаральдегидом и бычьим сывороточным альбумином пероксидазы хрена (HRP) и глюкозооксидазы (GOD) на стеклоуглеродном электроде, модифицированном многостенными углеродными нанотрубками (MWNT) (рис. 3).
Глюкозу определяли амперометрическим восстановлением фермен-тативно генерируемой H2O2 при напряжении -50 мВ. Биосенсор характеризовался быстрым и линейным ответом на глюкозу в диапазоне концентраций от 0,4 до 15 мМ, с пределом обнаружения 0,4 мМ.
В системе GOD-HRP в биосенсорах с двумя ферментами каскадная схема усиливает электрохимические ответы, повышается чувствительность биосенсора вследствие того, что H2O2 легко диффундирует в соседнюю
HRP, вступая с ним в реакцию, а удаление H2O2 с помощью HRP уменьшает деградацию GOD перекисью [29].
Gluconic acid Glucose
Рис. 3. Схема реакции для определения глюкозы на MWNTs-модифицированном биферментном электроде.
MWNT- многостенные углеродные нанотрубки, GCE - стеклоулеродный электрод (заимствовано с изменением из [20])
Сравнение характеристик моноферментного и биферментного биосенсора глюкозы [30] показало, что чувствительность биосенсора с двумя ферментами была примерно в 2,4 раза выше. Для изготовления моноферментного GOD и биферментного GOD-HRP биосенсоров была использована сеть силикагель-гель на модифицированном наночастицами золота электроде, модифицированном оксидом индия и олова. Оба глюкозных биосенсора показали быструю реакцию, высокую селективность и стабильность. Линейные диапазоны определения глюкозы составляли от 0,05-4,0 ммоль / л до 0,02-3,2 ммоль / л соответственно.
Эффективность работы сенсоров во многом определяется электрохимическими процессами на поверхности электродов, в качестве которых в зависимости от конструкции сенсора, способа получения аналитического сигнала и задачи метода модификации используются наноматериалы (углеродные материалы, благородные металлы, проводящие оксиды и т. д.), которые не только увеличивают стабильность и количество иммобилизованного фермента, но и улучшают каталитическую активность белка и ответ сенсора [31]. Для увеличения площади поверхности, на которую иммобилизуются ферменты, используются металлические наночастицы, добавление которых в рабочий электрод увеличивает чувствительность и время отклика токового сигнала электрохимического биосенсора. Например, в работе [32] были применены
углеродные нанотрубки для кристаллизации белков и создания биореакторов и биосенсоров.
Применение наночастиц в электрохимических сенсорах - наиболее быстро развивающаяся область электроаналитической химии, о чем говорит значительное число обзоров, посвященных теме [33 - 37] по иммобилизации ферментов на различных типах наночастиц (металлические наночастицы, наночастицы оксида металла, магнитные наночастицы, пористые и полимерные наночастицы).
В ранних работах [38 - 41] показаны возможности использования двух ферментов (пероксидаза и оксидаза) в биосенсорах для обнаружения глюкозы с улучшенными параметрами, в которых ферменты иммобилизованы на различных наноматериалах.
На основе 4-аминотиофенола / Auнаночастиц / (GOD) -пероксидазы (HRP) / 6-меркапто-1-гексанол-11-меркаптоунддекановой кислоты / Au был разработан биосенсор глюкозы [42], модифицированный электрод которого был использован для обнаружения глюкозы на основе полимеризации анилина, индуцированной HRP и H2O2. Биосенсор демонстрировал широкий линейный диапазон - от 16,5 мкМ до 10,0 мМ, высокую чувствительность - 41,78 мкА мМ-1 см-2 и хорошую селективность. По сравнению с традиционными электродами GOD обладал преимуществами с точки зрения приложенного потенциала, близкого к нулю, а из-за его хорошего электрокаталитического отклика для H2O2 электрод был использован и в качестве датчика H2O2.
Введение наноматериалов становится все более популярным из-за хорошей их проводимости, специальной структуры, высокой каталитической активности, их часто используют для иммобилизации GOD на поверхности электрода в биосенсорах глюкозы. В частности, углеродные нанотрубки (CNTs) широко используются в качестве модифицирующего материала в конструкциях биосенсоров из-за их уникальных структур [43, 44], высокой удельной поверхности, эффекта быстрого переноса электронов и химической стабильности [45 - 48].
На углеродные нанотрубки в модифицированном стеклоуглеродном электроде (GCE) были иммобилизованы два фермента GOD и HRP [49], электрокаталитические характеристики и перенос электронов которого в системе GCE / CNTs / GOD-HRP были исследованы циклической вольтамперометрией. УФ абсорбционная спектроскопия показала, что HRP и GOD сформировали белковый комплекс с сохранением их структуры. Результаты показали, что CNT усиливают иммобилизацию GOD-HRP и способствуют переносу электронов. Электрод GCE / CNTs / GOD-HRP использовали для создания электрохимического датчика глюкозы, показавший удовлетворительные результаты в широком линейном диапазоне от 0,022 до 7,0 мМ, высокую чувствительность - 5,14 мкА мМ-1 см-2 и низкий предел обнаружения - 7 мкМ. Было установлено, что
отношение GOD к HRP оказывает существенное влияние на электрохимические реакции GCE / CNTs / GOD-HRP, а биологическая активность GOD была в значительной степени сохранена из-за биосовместимой микросреды, генерируемой HRP. Результаты показали, что CNTs могут быть использованы для эффективной загрузки большого количества GOD-HRP и могут дать новое понимание для изучения переноса электронов в многоферментной системе и разработки новых биоинтерфазных биосенсоров.
В материалах конференции авторы доклада [50] сообщали о создании сшитой сети GOD-пероксидаза хрена / оксид олова (GOD-HRP / SnO2), иммобилизованной на стеклоуглеродном электроде (GCE), и ее использовании в качестве датчика для определения глюкозы. Трехмерная сеть, созданная с использованием GOD-HRP / SnO2, обладала высокой чувствительностью и стабильностью, выполняя электрокаталитические функции при обнаружении глюкозы. SnO2-GOD-HRP / GCE электрод был использован для обнаружения широкого спектра глюкозы методом амперометрии, результаты которого показали низкие пределы ее обнаружения.
Первый пример кинетического легирования для получения биосенсора, загруженного более чем одним ферментом представлено в исследованиях [51], в которых GOD загружалась как по отдельности, так и вместе с пероксидазой хрена HRP, что оказалось более эффективным при обнаружении глюкозы в растворе. Благодаря высокой загрузке, обеспечиваемой кинетическим процессом легирования в мягких условиях, тонкие пленки способны загружать оба фермента одновременно в количестве, достаточном для функционирования в качестве эффективного биосенсора. Наиболее выгодными аспектами этого процесса была простота его производства, включающая всего несколько этапов получения высоконагруженных тонких пленок, которые не требуют дополнительной обработки, что устраняет многие типичные ограничения на иммобилизацию белка.
О разработке электрохимического биосенсора с двойным ферментом на основе электродов с золотой полоской сообщается в работе [52]. Микроструктурный электрод представлял собой кремниевый высокопроизводительный микрополосный матричный электрод, состоящий из трех полос на решетке с шириной полосы 40 мкм и длиной полосы 2000 мкм, модифицированный трехмерной золотой пеной путем контролируемого электроосаждения. Полученные наноструктурированные осаждения из пены Au служили в качестве высокопористой трехмерной матрицы для электроосаждения нанокомпозитной пленки, состоящей из многостенных углеродных нанотрубок (MWCNT), встроенных в матрицу хитозана (CS: MWCNT). Смесь двойных ферментов GOD и HRP хрена иммобилизовали на поверхности нанокомпозитной пленки CS:MWCNT.
Разработанная сенсорная платформа демонстрировала хорошие аналитические характеристики с точки зрения обнаружения глюкозы с чувствительностью 261,8 мкА мМ-1 см-2 и стандартным отклонением воспроизводимости 3,30 %. Кроме того, электроды демонстрировали практически неизменный ответ на обнаружение глюкозы примерно через 45 дней. Приведенный здесь пример обнаружения глюкозы иллюстрировал тот факт, что комбинация используемых наноструктурированных материалов представляет собой гибкую платформу для присоединения ферментов или любого другого биологически активного агента и, как таковая, может служить основой для изготовления широкого спектра биосенсоров. Наконец, поскольку используемая платформа основана на литографически осажденных золотых электродах на кремнии, она также подходит для дальнейшей миниатюризации, массового производства и упаковки, что снизит производственные затраты.
В недавно опубликованной работе [53] продемонстрирована совместная иммобилизация GOD и HRP в качестве ферментной системы на металлоорганических каркасах (MOF), UiO-66 и UiO-66-NH2. Исследования иммобилизации ферментов и выщелачивания показали, что HRP / GOD @ UiO-66-NH2 иммобилизовался на 6 % больше, чем HRP / GOD @ UiO-66, и выщелачивал только 36 % иммобилизованных ферментов в течение трех дней в растворе. Композиты фермент / MOF также показали повышенную активность фермента по сравнению со свободной системой ферментов: композит HRP / GOD @ UiO-66-NH2 показал активность 189 Ед / мг, а HRP / GOD @ UiO-66 показал 143 Ед / мг, тогда как свободный фермент показал активность фермента 100 Ед / мг.
HRP / GOD @ UiO-66-NH2 также показал длительную стабильность в твердом состоянии в течение более месяца при комнатной температуре.
Для систем, которые включают каскадные реакции, совместная иммобилизация имеет кинетическое преимущество, когда первый продукт находится в непосредственной близости от второго фермента, что позволяет активировать его при высоких концентрациях от первого продукта [54]. Кроме того, предотвращаются высокие концентрации промежуточных продуктов или продуктов реакции для ингибирования ферментов путем ограничения локальной концентрации на совместно иммобилизованных связанных ферментах [55] и имеют лучшую производительность, чем системы с одним ферментом [56].
Однако в мультиферментных системах имеются и недостатки, такие как случайность концентрации фермента, невозможность использовать крупные мультидоменные ферменты, а подложки могут стать диффузионным барьером [55, 56]. Аксиомой для правильной работы ферментов является иммобилизация их на твердой подложке, подробно обсуждаемой в работах [56 - 58]. В заключение следует отметить еще, что
в амперометрических биосенсорах обязательно присутствие фермента, активность которого, следовательно и работа датчика зависит от различных параметров, таких как рабочий pH и температура. Такие недостатки, как химическая и термическая нестабильность и высокая стоимость, могут ограничивать их использование. Тем не менее на рынке биосенсоров ферментные биосенсоры преобладают, и продолжаются исследования в области модификации электродов, мембран, стратегии иммобилизации и использования новых материалов. Улучшение электрического контакта между окислительно-восстановительным центром GOD и поверхностями электродов, улучшенный "генно-инженерный" GOD, современные биосовместимые мембранные материалы, новые подходы для неинвазивного мониторинга и миниатюрные долгосрочные имплантаты - это короткий перечень задач, которые еще ждут решения. Потенциал электрохимических датчиков весьма высок в развитии тестирования в месте оказания медицинской помощи и мониторинга заболевания, и в этом отношении они считаются лучшим кандидатом.
Работа выполнена при финансовой поддержке Комитета науки Министерства образования и науки Республики Казахстан (проект AP05134201).
Список литературы
1. Clark L. C., Lyons C. Eledrode Systems for Continuous Monitoring Cardiovas^lar Surgery // Annals of the New York Academy of Sde^es. 1962. V. 102. P. 29-45.
2. ^dike S.J., Hteks G.P. The enzyme eledrode // Nature. 1967. V. 214. P. 986-988.
3. Katehalski-Katzir E. Immobilized Enzymes: Learning from Past Su^esses and Failures // Trends in Biote^nology. 1993. V. 11. P. 471-478.
4. Zhang Y., Ge J., Liu Z. Enha^ed Adivity of Immobilized or Chem^ally Modified Enzymes // ACS Catal. 2015. V. 5. P. 4503-4513.
5. Nguyen Hoang Hiep, Kim Moonil.An Overview of Techniques in Enzyme Immobilization // Applied Sde^e and Converge^e Technology 2017. V. 26(6). P. 157-163.
6. Sassolas A., Blum L.J., Leca-Bouvier B.D. Immobilization strategies to deve^ enzymat^ biosensors // Biotechnol Adv. 2012. V. 30. P. 489-511.
7. Chakraborty M., Hashmi M. An Overview of Biosensors and Dev^es // Refere^e Module in Materials Sde^e and Materials Engineering. 2017. Elsevier, (2017) V. 3. P. 72-83.
8. Pr^e C.P. Point-of-care testing in diabetes mellitus // Clin. Chem. Lab. Med. 2003. V. 41. P. 1213-1219.
9. D'Costa E.J., Higgins I.J., Turner A.P. Quinoprotein glucose dehydrogenase and its application in an amperometric glucose sensor // Biosensors. 1986. V. 2. P. 71-87.
10. Heller A., Feldman B. Electrochemical glucose sensors and their applications in diabetes management // Chem. Rev. 2008. V. 108. P. 2482-2505.
11. Ananthanarayan L. Glucose oxidase--an overview / S.B. Bankar, M.V. Bule, R.S. Singhal [et al]. // Biotechnol. Adv. 2009. V. 27. P. 489-501.
12. Tian K., Prestgard M., Tiwari A. A Review of Recent Advances in Nonenzymatic Glucose Sensors // Mater SciEng C Mater Biol Appl. 2014. V. 41, P. 100-118.
13. Ahmed M. Uddin, Hossain M. Mosharraf, Tamiya E. Electrochemical Biosensors for Medical and Food Applications // Electroanalysis, 2008. V. 20 (6). P 616-626.
14. Yoo E.-H., Lee S.-Y., Glucose Biosensors: An Overview of Use in Clinical Practice . Sensors (Basel, Switzerland). 2010. V. 10. P. 4558-4576.
15. Wang Joseph. Electrochemical Glucose Biosensors // Chemical Reviews (Washington, DC, United States). 2008. V. 108(2). P. 814-825.
16. Ozkan-Sibel A., Kauffmann Jean-Michel, Zuman Petr // Electrochemical Biosensors for Drug Analysis. // In: Electroanalysis in Biomedical and Pharmaceutical Sciences. Monographsin Electrochemistry. (2015). Springer, Berlin, Heidelberg.
17. Hervagault J.F., Joly G., Thomas D. Kinetic studies dealing with an immobilized bienzyme system // Eur J Biochem. 1975. V. 51. P. 19-23.
18. Unusual response in mediated biosensors with an oxidase/peroxidase bienzyme system / R. Matsumoto, M. Mochizuki, K. Kano, [et al] // Anal Chem. 2002. V. 74. P. 3297-3303.
19. An implantable biofuel cell for a live insect / M. Rasmussen, R.E. Ritzmann, I. Lee [et al]. // J Am Chem Soc. 2012. V. 134. P. 1458-1460.
20. Mediator lessam perometricbienzyme glucose biosensor based on horseradish peroxidase and glucose oxidase cross-linked to multiwall carbon nanotubes / S. Xu, H. Qi, S. Zhou [et al]. // Microchim. Acta. 2014. V. 181. P. 535-541.
21. Khan M., Park S.-Y. Glucose biosensor based on GOx/HRP bienzyme at liquidcrystal/aqueous interface // J. Colloid Interface Sci. 2015. V. 457. P. 281-288.
22. Electroactive multilayer assemblies of bilirubin oxidase and human cytochrome c mutants: insight in formation and kinetic behavior / F. Wegerich, P. Turano, M Allegrozzi [et al]. // Langmuir. 2011. V. 27. P. 4202-4211.
23. DelvauxM.,Walcarius A., Demoustier-Champagne S. Bienzyme HRP-GOx-modified gold nanoelectrodes for the sensitive amperometric detection of glucose at low overpotentials // Biosens. Bioelectron. 2005. V. 20. P. 1587-1594.
24. Selective determination of phenols and aromatic amines based on horseradich peroxidase - nanoporous gold co-catalytic strategy / C. Wu, Z. Liu, H. Sun [et al]. // Biosens. Bioelectron. 2016. V. 79. P. 843-849.
25. Santos S.R., Maia G. Direct charge transfer to horseradish peroxidase revisited using a glassy carbon electrode // Electrochim. Acta 2012 V 71. P. 116 - 122.
26. A bienzyme channeling glucose sensor with a wide concentration range based on co-entrapment of enzymes in SBA-15 mesopores / Z. Dai, J. Bao, X. Yang [et al]. // Biosens. Bioelectron. 2008 V. 23. P. 1070 -1076.
27. Yang C., Xu C., Wang X. ZnO/Cu nanocomposite: a platform for direct electrochemistry of enzymes and biosensing applications // Langmuir. 2012. V. 28. P. 4580 - 4589.
28. Singh S., McShane M. Role of porosity in tuning yhe response range of microsphere-based glucose biosensors // Biosens. Bioelectron. 2011. V. 26. P. 2478-2483
29. A glucose biosensor based on cytochrome c and glucose oxidase co-entrapped in chitosan-gold nanoparticles modified electrode / Y. Song, H. Liu, Y. Wang [et al]. // Anal. Methods. 2013. V. 5. P. 4165-4171.
30. Fabrication of reagentless glucose biosensors: A comparison of mono-enzyme GOD and bienzyme GOD-HRP systems / GuMing, WangJianwen, TuYifeng [et al]. // Sensors and Actuators B Chemical. 2010. V. 148(2). P. 486-491.
31. Zhi-Gang X., Jian-Ping L. A novel electrochemiluminescence biosensor based on glucose oxidase immobilized on magnetic nanoparticles // Chinese Journal of Analytical Chemistry. 2010. V. 38(6). P. 800-804.
32. Attaching proteins to carbon nanotubes via diimideactivatedamidation / W. Huang, S. Taylor, K. Fu [et al]. // Nano Lett. 2000. V. 2. P. 311-314.
33. Nanomaterials as matrices for enzyme immobilization / M.N. Gupta, M. Kaloti, M. Kapoor [et al]. // Artif Cells Blood SubstitImmobilBiotechnol. 2011. V. 39. P. 98-109.
34. Ansari S.A., Husain Q. Potential applications of enzymes immobilized on/in nano materials: A review // Biotechnol Adv. 2012. V. 30. P. 512-523.
35. Current status and trends in enzymatic nanoimmobilization. / E.P Cipolatti, M.J. Silva, M. Klein [et al]. // J MolCatal B: Enzym. 2014. V. 99. P. 56-67.
36. Min K., Yoo Y.J. Recent progress in nanobiocatalysis for enzyme immobilization and its application. // Biotechnology and Bioprocess Engineering. 2014. V. 19. P. 553-567.
37. Ahmad R., Sardar M. Enzyme Immobilization: An Overview on Nanoparticles as Immobilization Matrix // Biochem Anal Biochem. 2015. V. 4. P. 178 - 185.
38. Bienzyme biosensors for glucose, ethanol and putrescine built on oxidase and sweet potato peroxidase / J. Castillo, S. Gaspar, I. Sakharov [et al]. // BiosensBioelectron. 2003. V. 18. P. 705-714.
39. Sheng Q.L., Zheng J.B. Bienzyme system for the biocatalyzed deposition of polyanilinetemplated by multiwalled carbon nanotubes: a biosensor design // BiosensBioelectron. 2009. V. 24. P. 1621-1628.
40. Jeykumari D.R.S., Narayanan S.S. Fabrication of bienzymenanobiocomposite electrode using functionalized carbon nanotubes for biosensing applications // BiosensBioelectron. 2008. V. 23. P. 1686-1693.
41. Designing electrochemical interfaces with functionalized magnetic nanoparticles and wrapped carbon nanotubes as platforms for the construction of high-performance bienzyme biosensors / M. Eguilaz, R. Villalonga, P. Yanez-Sedeno [et al]. // Chem 2011. V. 83. P. 7807-7814.
42. A glucose biosensor based on the polymerization of aniline induced by a bio-interphase of glucose oxidase and horseradish peroxidase / C. Gong, J. Chen, Y. Song [et al]. // Anal. Methods.2016. V. 8. P. 1513-1519.
43. Iijima S. Helical microtubules of graphitic carbon // Nature. 1991. V. 354. P. 56-58.
44. New materials for electrochemical sensing VI: carbon nanotubes TrAC / A. Merkoci, M. Pumera, X. Liopis [et al]. // Trends Anal Chem. 2005. V. 24. P. 826-838.
45. Huang C. W., Mohamed M. G. Functional Supramolecular Polypeptides Involving n-n Stacking and Multiple Hydrogen Bonding Interactions: A Conformation Study toward Carbon Nanotubes (CNTs) Dispersion // Macromolecules 2016. V. 49. P. 5374 - 5385.
46. Recent developments in carbon nanomaterial sensors / F. R. Baptista, S. Belhout, S. Giordani, [et al]. // Chem. Soc. Rev. 2015. V. 44. P. 4433 - 4453.
47. Recent trends in carbon nanomaterial-based electrochemical sensors for biomolecules: A review / C. Yang, M.E. Denno, P. Pyakurel [et al]. // Anal. Chim. Acta 2015. V. 887. P. 17 - 37
48. Influence of surface adsorption on the interfacial electron transfer of flavin adenine dinucleotide and glucose oxidase at carbon nanotube and nitrogen-doped carbon nanotube electrodes / J. M. Goran, S. M. Mantilla, K.J. Stevenson [et al]. // Anal. Chem. 2013. V. 85. P. 1571- 1581
49. A Glucose Biosensor based on Horseradish Peroxidase and Glucose Oxidase Co-entrapped in Carbon Nanotubes Modified Electrode / Yang Han, Gong Coucong, Miao Longfei [et al]. // Int. J. Electrochem. Sci.. 2017. V. 12, P. 4958 - 4969.
50. Improved glucose biosensor based on glucose oxidase-horseradish peroxidase/multiporous tin oxide modified-electrode. / A. K. M. Kafi, S. Alim, R. Jose [et al]. // In: 4th International Conference Of Chemical Engineering And Industrial Biotechnology (ICCEIB 2018), 1-2 August 2018, P. 115-116.
51. Matthew S. Crosley, WaiTak Yip. Multienzyme. Multistep Biosensor Prodded through Kinetic Doping //J. Phys. Chem. B.2019. V. 123(18). P. 3962-3967.
52. Vuslat B. Juska and Martyn E. Pemble. A dual-enzyme, micro-band array biosensor based on the electrodeposition of carbon nanotubes embedded in chitosan and nanostructured Au-foams on microfabricated gold band electrodes// Analyst. 2020. V. 145. P.402-414.
53. Co-immobilization of an Enzyme System on a Metal-Organie Framework to Prod^e a More Effective Bioeatalyst / R. Ahmad, J. Shanahan, S. Rizaldo [et al]. // Catalysts. 2020. V 10(5). P.499 - 512.
54. Potential of Different Enzyme Immobilization Strategies to Improve Enzyme Perfo^a^e / C Garcia-Galan., A. Berenguer-Murcia, R. Fernandez-Lafuente [et al]. // Adv. Synth. Catal. 2011. V. 353. P. 2885-2904.
55. Beta^or L.,Luckarift H.R. Co-immobilized coupled enzyme systems in biotechnology // Bioteehnol. Genet. Eng. Rev. 2013. V 27. P. 95-114.
56. Ren S., Li C., Recent progress in multienzymes eo-immobilization and multienzyme system applications // Chem. Eng. J. 2019, 373, 1254-1278.
57. Ki-Hyun Kim A.D. Recent advanees in enzyme immobilization techniques: Metal-organie frameworks as novel substrates // Elev. Coord. Chem. Rev. 2016. V. 322. P. 30-40.
58. Pitzalis F.,Monduzzi M.,Salis A. A bienzymatic b^ata^t eonstituted by glueose oxidase and Horseradish peroxidase immobilized on ordered mesoporous siliea// Mieroporous Mesoporous Mater. 2017. V. 241. P. 145-154.
Ягольник Елена Андреевна, канд. биол. наук, доц., [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Аппазов Нурбол Орынбасарулы, канд. хим. наук, проф., руководитель лаборатории, nurasar. 82'a,mail. ru, Казахстан, Кызылорда, Кызылординский государственный университет им. Коркыт-Ата,
Ибадуллаева Салтанат Жарылкасыновна, д-р биол. наук, проф., [email protected], Казахстан, Кызылорда, Кызылординский государственный университет им. Коркыт-Ата,
Ким Юрий Александрович, д-р физ.-мат. наук, ведущ. науч. сотр., проф., [email protected], Россия, Пущино, Институт биофизики клетки Российской академии наук Федерального государственного бюджетного учреждения науки «Федеральный исследовательский центр «Пущинский научный центр биологических исследований Российской академии наук»
DEVELOPMENTS AND CHARACTERISTICS OF BIENZYME AMPEROMETRIC GLUCOSE BIOSENSORS: A MINI REVIEW
E.A. Yagolnik, N.O. Appazov, S.Zh. Ibadullayeva, Yu.A. Kim
The main diagnostic criterion for diabetes is the concentration of glucose in the blood, for the control of which a number of methods and instrumental instruments have been developed, among which biosensors occupy a very important place for medical applications. Increasing the efficiency of biosensors since its first development is closely related to the tasks of increasing the sensitivity, selectivity and expanding the range of analytes, one of the solutions of which is to introduce several enzymes into the biosensor. The presented minireview presents the work on the development of glucose biosensors and their characteristics with two enzymes over the past 5 years.
Key words: biosensor,bienzyme, peroxidase (HRP),glucose oxidase (GOD), nano-
particles
Yagolnik Elena Andreevna, candidate of biological sciences, yea_88@mail. ru, Russia, Tula, Tula state University,
Appazov Nurbol Orynbasaruly, candidate of chemical Sciences, professor., head of the laboratory, nurasar. 82/a mail. ru, Kazakhstan, Kyzylorda, Kyzylorda state University. Korky-Ata,
Ibadullayeva Saltanat Zharylkasynovna, doctor of biology, professor., salt_i@,mail.ru, Kazakhstan, Kyzylorda, Kyzylorda state University Korky-Ata,
Kim Yuri Alexandrovich, doctor of physical and mathematical sciences, leading researcher, professor, yuk0iatirambler.ru, Russia, Pushchino, Moscow region Institute of cell Biophysics of the Russian Academy of Sciences Federal state budgetary institution of science "Federal research center "Pushchino scientific center for biological research of the Russian Academy of Sciences»
