CC BY
24
УДК: 543.55 + 543.554
АЛКОГОЛЬОКСИДАЗНЫЙ БИОСЕНСОР НА ОСНОВЕ ПЕЧАТНОГО ЭЛЕКТРОДА, МОДИФИЦИРОВАННОГО ТЕРМОРАСШИРЕННЫМ ГРАФИТОМ
А.Е. Китова, Ю.В. Плеханова, В.В. Колесов, А.Н. Решетилов
Алкогольоксидазу иммобилизовали на модифицированных терморасширенным графитом (ТРГ) и берлинской лазурью печатных электродах. Модификация печатных электродов ТРГ позволяет повысить амплитуду сигнала биосенсора. Так, чувствительность в области линейного диапазона АО-ТРГ-биосенсоров в 2,5 раз превосходила чувствительность АО-биосенсоров без нанесения ТРГ и составляла 2,72 мкА/мМ и 1,13 мкА/мМ соответственно. Стабильность ТРГ-АО-биосенсора в течение 10 дней измерений снижалась на 35-40 %.
Ключевые слова: алкогольоксидаза, терморасширенный графит, печатные электроды, берлинская лазурь, хитозан.
Введение
Концентрацию спиртов необходимо определять в ферментационных процессах, в контроле качества спиртных напитков и клинико-токсикологических исследованиях. Биосенсорный анализ является альтернативным подходом к решению данной проблемы. Биосенсоры соответствуют таким качествам анализа, как быстрота, надежность и высокая чувствительность. Для оптимизации параметров биосенсоров часто используют различные наноматериалы [1]. Модификация наноматериалами позволяет улучшить характеристики биосенсоров: увеличить эффективную площадь поверхности, повысить чувствительность электродов, а также кинетику электронного транспорта. Ферментные биосенсоры для детекции этанола могут быть основаны на алкогольоксидазе (АО) или алкогольдегидрогеназе (АДГ). Так, например, биосенсор на основе АО и АДГ, модифицированный многостенными углеродными нанотрубками (МУНТ) и наночастицами золота, представлен в работе [2]. В качестве медиатора на электрод наносили поли(нейтральный красный). Чувствительность, диапазон детекции и нижний предел детекции составляли для АО-биосенсора 0,509 мкАмМ-1, 335,9-1000 мкМ и 100,8 мкМ соответственно.
Модификация электродов берлинской лазурью часто используется при создании глюкозооксидазных электродов, что позволяет детектировать пероксид водорода, образующийся в реакции окисления глюкозы глюкозооксидазой, при низком прикладываемом потенциале, с высокой чувствительностью и селективностью [3]. Авторы работы [4] предложили использование берлинской лазури в наносимых на кожу тату-сенсорах на основе АО для детекции этилового спирта в поту. Чувствительность такого
сенсора составляла 0,36 мкЛ-мМ-1, линейный диапазон детекции находился в пределах от 3 до 36 мМ.
Ранее было показано, что модификация терморасширенным графитом (ТРГ) печатных электродов на основе бактерий Gluconobacter oxydans или глюкозооксидазы позволяет существенно улучшить их характеристики, такие? как амплитуда сигнала и чувствительность сенсора к глюкозе и этиловому спирту [5, 6]. В данной работе исследована возможность модификации с помощью ТРГ печатных электродов, содержащих иммобилизованную в геле хитозана АО, и изучены параметры биосенсоров.
Материалы и методы
В работе использовали алкогольоксидазу (Sigma, США). Эксперименты выполняли на печатных электродах ООО «КолорЭлектроникс» (Россия). Печатный электрод представлял собой композицию вспомогательного и рабочего/измерительного электродов, выполненных из графитовой пасты Electrodag 6017SS (Henkel, Германия), и электрода сравнения (Ag/AgCl). Диаметр рабочего электрода составлял 3 мм. Нанесение берлинской лазури на электроды выполняли в соответствии с методикой [7].
На рабочем электроде печатного электрода прессованием закрепляли пластинку из ТРГ диаметром 3 мм и толщиной 0,05 мм. АО иммобилизовали на поверхности электрода в геле низкомолекулярного хитозана (Sigma-Aldrich, США). Смешивали в соотношении 1:1 раствор фермента и 2%-й раствор хитозана в 1%-й уксусной кислоте [8]. 5 мкл смеси наносили на рабочий электрод. Содержание фермента на электроде составляло 0,018 мг/мм2.
Измерения проводили в кювете объемом 2 мл. В качестве базового раствора использовали 25 мМ калий-фосфатный буфер, рН 7,5, содержащий 10 мМ хлорида натрия. Объем вносимой пробы (этиловый спирт) составлял 20 мкл. Для регистрации сигналов электрода использовали гальванопотенциостат IPCmicro (OOO "Кронас", Россия). Измерения проводили по трехэлектродной схеме.
Хроноамперометрические зависимости регистрировали при потенциале 0 мВ. Циклические вольт-амперные характеристики регистрировали при скорости сканирования потенциала 3 мВ/с в диапазоне от 500 до - 500 мВ.
Результаты
Циклическая вольт-амперная характеристика (ЦВА) для АО-биосенсора, модифицированного ТРГ и берлинской лазурью приведена на рис. 1. ЦВА АО-биосенсора, модифицированного ТРГ (кривая 2), имела
выраженные области окисления и восстановления медиатора при внесении этилового спирта, в отличие от немодифицированного ТРГ (контрольного) биосенсора (кривая 1). Пики окисления-восстановления для модифицированного электрода превышали таковые для немодифицированного в 4,5 раза. Такое превышение свидетельствует об облегчении электронного переноса в системе при модификации графита рабочего электрода ТРГ.
и, мВ
Рис. 1. ЦВА АО-биосенсора без нанесения ТРГ (кривая 1) и модифицированного ТРГ (кривая 2)
На рис. 2 приведены калибровочные зависимости АО-биосенсоров при различных условиях измерения. Для АО-биосенсора, модифицированного ТРГ (кривые 1 и 2) линейный диапазон детекции составлял 0,1 - 2,0 мМ при рН 7,5 и рН 6,0. Чувствительность в области линейного диапазона составляла 2,72 мкА/мМ при рН 7,5 (кривая 1) и 1,09 мкА/мМ при рН 6,0 (кривая 2). Нижний предел детекции был равен 0,1 мМ. Для АО-биосенсора без нанесения ТРГ (кривая 3) линейный диапазон детекции находился в пределах от 0,05 до 0,50 мМ. Чувствительность в области линейного диапазона составляла 1,13 мкА/мМ, нижний предел детекции - 0,05 мМ. Таким образом, чувствительность в области линейного диапазона модифицированного ТРГ АО-биосенсора в 2,4 раза превышала чувствительность аналогичного немодифицированного ТРГ АО-биосенсора. Линейный диапазон детекции модифицированного электрода также превосходил линейный диапазон немодифицированного электрода.
10
< и
л
к
8 -
6 -
^ 4
<
2 -
0 1 2 3 4 5 6
Этанол, мМ
Рис. 2. Калибровочные зависимости АО-биосенсоров, модифицированных берлинской лазурью для детекции этилового спирта при нанесении ТРГ (кривая 1 -рН 7,5, кривая 2 -рН 6,0), и без нанесения ТРГ (кривая 3 - рН 6,0)
Стабильность в течение 10 дней измерений представлена на рис. 3. Амплитуда сигнала снижалась на 35-40 % к концу периода измерений.
0
<с
и
3 -
Л
ч
«
ч а
2 -
0 2 4 6 8 10 12
Время, сут
Рис. 3. Стабильность АО-биосенсора в течение 10 дней измерений. Концентрация этилового спирта составляла 1 мМ
4
1
0
Выводы
В заключение следует отметить, что модификация печатных электродов ТРГ приводит к росту значений регистрируемых токов, а также позволяет существенно повысить чувствительность биосенсора и увеличить линейный диапазон детекции. Иммобилизация фермента в геле
хитозана на подложке из ТРГ позволяет сохранять стабильность биосенсора в течение 10 дней измерений. Таким образом, предложенный простой способ модификации графитовых печатных электродов терморасширенным графитом в сочетании с методом иммобилизации в геле хитозана позволяет получить биосенсоры, обладающие достаточно высокой чувствительностью и стабильностью.
Исследование было частично поддержано грантом РНФ №18-4908005
Список литературы
1. Electrochemical biosensors based on nanomodified screen-printed electrodes: Recent applications in clinical analysis / F. Arduini, L. Micheli, D. Moscone [et al.] // Trends in Analytical Chemistry. 2016. V. 79. P. 114-126.
2. Bilgi M., Ayranci E. Development of amperometric biosensors using screen-printed carbon electrodes modified with conducting polymer and nanomaterials for the analysis of ethanol, methanol and their mixtures // Journal of Electroanalytical Chemistry. 2018. V. 823. P. 588-592.
3. Paper-based synthesis of Prussian Blue Nanoparticles for the development of whole blood glucose electrochemical biosensor / S. Cinti, R. Cusenza, D. Moscone [et al.] // Talanta. 2018. V. 187. P. 59-64.
4. Noninvasive alcohol monitoring using a wearable tattoo-based iontophoretic-biosensing system / J. Kim, I. Jeerapan, S. Imani [et al.] // ACS Sens. 2016. V. 1. P. 1011-1019.
5. Биосенсор на основе клеток Gluconobacter и терморасширенного графита / А.Н. Решетилов, А.Е. Китова, А.В. Мачулин [и др.] // Сенсорные системы. 2016. Т. 30. № 4. С. 351-354.
6. Глюкозооксидазный биосенсор на основе печатного электрода, модифицированного терморасширенным графитом / А.Е. Китова., Ю.В. Плеханова, В.В. Колесов [и др.] // Известия Тульского государственного университета. Естественные науки. 2018. №. 2. С. 34-40.
7. Karyakin A.A., Gitelmacher O.V., Karyakina E.E. A high-sensitive glucose amperometric biosensor based on Prussian Blue modified electrodes // Anal. Lett. 1994. T. 27, № 15. C. 2861-2869.
8. A glucose biosensor based on Prussian blue/chitosan hybrid film / X. Wang, H. Gu, F. Yin [et al.] // Biosensors and Bioelectronics. 2009. V. 24. № 5. P. 1527-1530.
Китова Анна Евгеньевна, канд. биол. наук, научный сотрудник, [email protected], Россия, Пущино, ФИЦ ПНЦБИ РАН, Институт биохимии и физиологии микроорганизмов им. Г.К. Скрябина РАН,
Плеханова Юлия Викторовна, канд. биол. наук, научный сотрудник, [email protected], Россия, Пущино, ФИЦ ПНЦБИ РАН, Институт биохимии и физиологии микроорганизмов им. Г. К. Скрябина РАН,
Колесов Владимир Владимирович канд. физ.-мат. наук, зав. лабораторией, [email protected], Россия, Москва, Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН,
Решетилов Анатолий Николаевич, д-р хим. наук, проф., зав. лабораторией, [email protected], Россия, Пущино, ФИЦ ПНЦБИ РАН, Институт биохимии и физиологии микроорганизмов им. Г.К. Скрябина РАН
SCREEN-PRINTED ALCOHOL OXIDASE ELECTRODE MODIFIED BY THERMALLY EXPANDED GRAPHITE
A.E. Kitova, Y. V. Plekhanova V.V. Kolesov, A.N. Reshetilov
Alcohol oxidase was immobilized on the screen-printed electrodes modified hy thermally expanded graphite (TRG) and Pmssian BlHe. Modification of screen-printed electrodes hy TRG allows to increase the amplitHde of the biosensor signal. ThHs, the sensitivity in the linear range of AO-TRG-hiosensors was 2,5 times higher than the sensitivity of AO -biosensors withoHt applying TRG and was 2,72 /A/mM and 1,13 /A/mM, respectively. The stability of the TRG-AO-biosensor within 10 days of measurements decreased by 35-40%.
Key words: alcohol oxidase, thermally expanded graphite, printed electrodes, Pmssian hlHe, chitosan.
Kitova Anna Evgen 'evna, candidate of hiological sciences, researcher, kitova@,ihpm.pHshchino. rH, Rrnsia, Prnhchino, PSCBR RAS G.K. Skryahin InstitHte of Biochemistry and Physiology of Microorganisms, Rrnsian Academy of Sciences,
Plekhanova YHlia Viktorovna, candidate of hiological sciences, researcher, plekhanova@,ihpm.pHshchino.rH, Rrnsia, Prnhchino, PSCBR RAS G.K. Skryahin InstitHte of Biochemistry and Physiology of Microorganisms, Rnssian Academy of Sciences,
Kolesov Vladimir Vladimirovich, candidate of of physical and mathematical sciences, manager of lahoratory, [email protected],RHssia, Moscow, V.A. Kotelnikov InstitHte of Radio Engineering and Electronics, Rrnsian Academy of Sciences,
Reshetilov Anatoly Nikolaevich, doctor of chemical sciences, professor, manager of lahoratory, anatol@,ihpm.pHshchino. rH, Rrnsia, Prnhchino, PSCBR RAS G.K. Skryahin InstitHte of Biochemistry and Physiology of Microorganisms, Rrnsian Academy of Sciences
