Mesoporous carbon-containing voltammetric biosensor for determination of tyramine in food products

A voltammetric biosensor based on tyrosinase (TYR) was developed for determination of tyramine. Carbon material (multi-walled carbon nanotubes or mesoporous carbon CMK-3-type), polycationic polymer—i.e., poly(diallyldimethylammonium chloride) (PDDA), and Nafion were incorporated into titania dioxide sol (TiO(2)) to create an immobilization matrix. The features of the formed matrix were studied by scanning electron microscopy (SEM) and cyclic voltammetry (CV). The analytical performance of the developed biosensor was evaluated with respect to linear range, sensitivity, limit of detection, long-term stability, repeatability, and reproducibility. The biosensor exhibited electrocatalytic activity toward tyramine oxidation within a linear range from 6 to 130 μM, high sensitivity of 486 μA mM(−1) cm(−2), and limit of detection of 1.5 μM. The apparent Michaelis–Menten constant was calculated to be 66.0 μM indicating a high biological affinity of the developed biosensor for tyramine. Furthermore, its usefulness in determination of tyramine in food product samples was also verified. [Figure: see text] ELECTRONIC SUPPLEMENTARY MATERIAL: The online version of this article (doi:10.1007/s00216-016-9612-y) contains supplementary material, which is available to authorized users

New electrochemical sensors based on titanium dioxide sol for the purpose of environmental, pharmaceutical and food analyses

Czujniki (sensory) chemiczne stanowią niezwykle atrakcyjne narzędzie analityczne. Ich zastosowanie umożliwia przeprowadzanie oznaczeń z dużą czułością, dokładnością, precyzją i selektywnością. Ponadto ich wykorzystanie może wiązać się z miniaturyzacją układu, ograniczeniem zużycia odczynników, a także czasu i kosztu przeprowadzanych badań. Z tego względu sensory chemiczne znalazły zastosowanie w różnego typu analizach obejmujących m.in. badania kliniczne, jak również badania z zakresu ochrony środowiska, biochemii czy farmacji. Do najbardziej popularnej grupy sensorów należą czujniki elektrochemiczne. W ramach niniejszej rozprawy doktorskiej przedstawiono opracowane sensory elektrochemiczne bazujące na zolu tlenku tytanu(IV), które zastosowano do celów analizy środowiskowej, farmaceutycznej, jak i analizy żywności. W pierwszej części pracy przedstawiono zasadę działania czujników chemicznych, ich rodzaje i parametry charakterystyczne. Ponadto omówiono znaczenie modyfikacji powierzchni elektrod podczas konstrukcji czujników, opisując sposoby immobilizacji elementów biologicznych, jak również charakteryzując wykorzystywane w tym celu materiały zolowo-żelowe. Nakreślono także rolę popularnych receptorów biologicznych i komponentów wzbogacających skład kompozytów matrycowych takich jak materiały węglowe, nanocząstki metali i ich związków, polimery przewodzące oraz innego typu materiały (jak np. związki typu MOF). Drugą część rozprawy poświęcono opracowaniu nowych czujników elektrochemicznych wykorzystujących zol tlenku tytanu(IV). Pierwszy z sensorów, bazujący na enzymie - tyrozynazie unieruchomionej w matrycy zolu TiO2, wzbogaconej w węgiel mezoporowaty CMK-3, polikationit - PDDA i polimer przewodzący - Nafion®, skonstruowano w celu oznaczania tyraminy. Związek ten należący do amin biogennych popularnie występuje w sfermentowanych produktach spożywczych i napojach. Spożywanie produktów o dużej zawartości tyraminy może powodować m.in. bóle głowy i zwiększenie ciśnienia tętniczego krwi. Kolejny opracowany czujnik bazujący na kompozycie składającym się z zolu TiO2 modyfikowanym węglem mezoporowatym CMK-3, nanocząstkami złota i Nafionem® opracowano w celu oznaczania antybiotyku - amoksycyliny. Ponadto czujnik ten wykorzystano do jednoczesnego oznaczania innego antybiotyku - cyprofloksacyny i popularnego środka przeciwbólowego - paracetamolu. Pozostałości wymienionych preparatów farmaceutycznych mogą znajdować się w środowisku, powodując zaburzenia pracy ekosystemów jak również stanowić zagrożenie dla organizmów mających z nimi kontakt. Ostatnim opracowanym w ramach niniejszej pracy czujnikiem był sensor bazujący na zolu TiO2 wzbogaconym o zredukowany tlenek grafenu i Nafion®. Skonstruowano go w celu oznaczania tryptofanu - aminokwasu będącego prekursorem substancji odpowiadających za dobre samopoczucie, sen i zdrowie psychiczne. Pomiary prowadzono techniką woltamperometrii cyklicznej. Dla każdego ze skonstruowanych sensorów dobrano odpowiednie warunki pomiarowe, uwzględniając m.in. rodzaj zastosowanego elektrolitu podstawowego. Zbadano także elektrochemiczną odpowiedź wymienionych sensorów względem danych analitów oraz określono ich parametry analityczne, takie jak zakres liniowości, czułość, granica wykrywalności, dokładność, precyzja, powtarzalność, odtwarzalność, selektywność i stabilność długoterminowa. Dodatkowo, w przypadku czujnika do oznaczania amoksycyliny sprawdzono możliwość wykorzystania sensora w zestawieniu z układem przepływowym, stosując procedurę jednosegmentowej wstrzykowej analizy sekwencyjnej. Możliwości aplikacyjne sensorów na bazie zolu TiO2 zweryfikowano podczas oznaczeń tyraminy, amoksycyliny, cyprofloksacyny i paracetamolu, a także tryptofanu w próbkach rzeczywistych z wykorzystaniem metody dodatku wzorca.Chemical sensors constitute an extremely interesting analytical tool. Their application makes it possible to carry out determinations with high sensitivity, accuracy, precision and selectivity. In addition, their application is associated with system miniaturization, reduction of reagent consumption, as well as with the cutback in the time and costs of the analyses. For these reasons, chemical sensors are used in various types of analyses, including clinical research as well as research in the field of environmental protection, biochemistry or pharmacy. Electrochemical sensors belong to the most popular group of sensors. The presented doctoral dissertation pertains to sensors developed based on the titanium dioxide sol used for the purposes of environmental, pharmaceutical and food analyses. The first part of the work presents the operation principle of chemical sensors, their types and characteristic parameters. In addition, the importance of electrode surface modification during sensor construction was discussed, describing ways of biological elements immobilization, as well as characterizing the sol-gel materials used for this purpose. The role of popular biological receptors and components enriching the matrix composites such as carbon materials, metal nanoparticles and their compounds, conductive polymers and other types of materials (such as MOF-type compounds) was also outlined. The second part of the dissertation is devoted to the research on the development, characterization and application of new electrochemical sensors based on TiO2 sol. The first sensor, based on tyrosinase (enzyme) immobilized in the matrix of a TiO2 sol, enriched with CMK-3-type mesoporous carbon, PDDA (polycationite) and Nafion® (conductive polymer) was constructed for tyramine determination. This compound, which belongs to biogenic amines, commonly occurs in fermented foods and drinks. Consumption of products with a high tyramine content can cause among others headaches and increased blood pressure. Another sensor based on a composite consisting of a TiO2 sol modified with CMK-3-type mesoporous carbon, gold nanoparticles and Nafion® was developed for the determination of the antibiotic amoxicillin. Sensor based on the same composite was used for simultaneous determination of another antibiotic (ciprofloxacin) and a popular painkiller (paracetamol). The residues of aforementioned pharmaceuticals may be found in the environment, causing ecosystem disorders, as well as pose a threat to organisms getting in contact with them. The last developed sensor was a sensor based on the TiO2 sol enriched with reduced graphene oxide and Nafion®. It was constructed to determine tryptophan - an amino acid being a precursor for substances responsible for well-being, sleep and mental health. The measurements were carried out using the cyclic voltammetry technique. For each sensor measurement conditions were optimized and analytical parameters such as linear range, sensitivity, detection limit, accuracy, precision, repeatability, reproducibility, selectivity and long-term stability were determined. Additionally, in the case of the sensor for amoxicillin determination, the possibility of its application in combination with the flow system was tested in accordance with the procedure of the one-segment injection sequence analysis. The possibilities of application of the developed sensors based on the TiO2 sol were verified in real samples using the standard addition method

Electrochemical Immunosensors for Antibiotic Detection

Antibiotics are an important class of drugs destined for treatment of bacterial diseases. Misuses and overuses of antibiotics observed over the last decade have led to global problems of bacterial resistance against antibiotics (ABR). One of the crucial actions taken towards limiting the spread of antibiotics and controlling this dangerous phenomenon is the sensitive and accurate determination of antibiotics residues in body fluids, food products, and animals, as well as monitoring their presence in the environment. Immunosensors, a group of biosensors, can be considered an attractive tool because of their simplicity, rapid action, low-cost analysis, and especially, the unique selectivity arising from harnessing the antigen–antibody interaction that is the basis of immunosensor functioning. Herein, we present the recent achievements in the field of electrochemical immunosensors designed to determination of antibiotics

Tyrosinase-based biosensor for determination of bisphenol A

Celem pracy było opracowanie biosensora amperometrycznego umożliwiającego oznaczenie bisfenolu A (BPA) z zastosowaniem układu przepływowego i scharakteryzowanie go pod kątem analitycznym. Podstawowy element biosensora stanowił enzym - tyrozynaza, unieruchomiona w matrycy zolu tytanowego, wzbogaconej o wielościenne nanorurki węglowe (MWCNTs), polikationowy polimer (PDDA) i polimer przewodzący - Nafion®. Na podstawie badań wstępnych prowadzonych techniką woltamperometrii cyklicznej dobrano odpowiednie warunki pomiarowe: zakres potencjałów (-500 - 800 mV), pH elektrolitu podstawowego - buforu fosforanowego (pH=6), czas odpowiedzi (3 minuty) oraz materiał węglowy stanowiący element matrycy bioczujnika (MWCNTs). Opracowany biosensor scharakteryzowano pod kątem analitycznym, określając zakres liniowości (0,28 - 45,05 µmol·L-1), czułość (3263 µA·L·mmol-1·cm-2), LOD (0,067 µmol·L-1), powtarzalność, odtwarzalność i stabilność długoterminową. Metodę oznaczania BPA zweryfikowano poprzez analizę próbek syntetycznych w układzie stacjonarnym i przepływowym oraz analizę próbek rzeczywistych w układzie przepływowym. Większą dokładnością i precyzją odznaczały się wyniki pomiarów wykonanych w układzie przepływowym. BPA oznaczano także w ekstraktach z butelek dla dzieci. Uzyskane wyniki były zgodne z wynikami analizy z zastosowaniem techniki LC-MS wykorzystanej jako metoda odniesienia.The aim of this study was to develop an amperometric biosensor proposed for determination of bisphenol A (BPA) in a flow system and its analytical characterization. An essential element of biosensor was enzyme - tyrosinase entrapped in a sol-gel TiO2 matrix enriched with multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs), polycationic polymer (PDDA) and conductive polymer - Nafion®. On the basis of preliminary electrochemical tests experimental conditions were selected: potential range (-500 - 800 mV), pH of supporting electrolyte - phosphate buffer solution (pH=6), biosensor response time (3 minutes) and the carbon component of biosensor matrix (MWCNTs). Measurements were performed using cyclic voltammetry. The analytical characteristics of proposed biosensor was assessed with respect to linear range (0,28 - 45,05 µmol·L-1), sensitivity (3263 µA·L·mmol-1·cm-2), limit of detection (0,067 µmol·L-1), repeatability, reproducibility and long term stability. The proposed method of BPA determination was verified by measurements in synthetic samples in batch and flow system. The results obtained using flow system exhibited better accuracy and precision. The use of biosensor allowed the determination of BPA in extracts of baby bottles in flow system. The results were consistent with the results obtained using liquid chromatography-mass spectrometry as reference method

Electrochemical Immunosensors for Antibiotic Detection

Antibiotics are an important class of drugs destined for treatment of bacterial diseases. Misuses and overuses of antibiotics observed over the last decade have led to global problems of bacterial resistance against antibiotics (ABR). One of the crucial actions taken towards limiting the spread of antibiotics and controlling this dangerous phenomenon is the sensitive and accurate determination of antibiotics residues in body fluids, food products, and animals, as well as monitoring their presence in the environment. Immunosensors, a group of biosensors, can be considered an attractive tool because of their simplicity, rapid action, low-cost analysis, and especially, the unique selectivity arising from harnessing the antigen−antibody interaction that is the basis of immunosensor functioning. Herein, we present the recent achievements in the field of electrochemical immunosensors designed to determination of antibiotics

Recent Advances in Sandwich SERS Immunosensors for Cancer Detection

Cancer has been one of the most prevalent diseases around the world for many years. Its biomarkers are biological molecules found in the blood or other body fluids of people with cancer diseases. These biomarkers play a crucial role not only in the diagnosis of cancer diseases, but also in risk assessment, selection of treatment methods, and tracking its progress. Therefore, highly sensitive and selective detection and determination of cancer biomarkers are essential from the perspective of oncological diagnostics and planning the treatment process. Immunosensors are special types of biosensors that are based on the recognition of an analyte (antigen) by an antibody. Sandwich immunosensors apply two antibodies: a capture antibody and a detection antibody, with the antigen ‘sandwiched’ between them. Immunosensors’ advantages include not only high sensitivity and selectivity, but also flexible application and reusability. Surface-enhanced Raman spectroscopy, known also as the sensitive and selective method, uses the enhancement of light scattering by analyte molecules adsorbed on a nanostructured surface. The combination of immunosensors with the SERS technique further improves their analytical parameters. In this article, we followed the recent achievements in the field of sandwich SERS immunosensors for cancer biomarker detection and/or determination