A Novel Conductometric Urea Biosensor with Improved Analytical Characteristic Based on Recombinant Urease Adsorbed on Nanoparticle of Silicalite

Development of a conductometric biosensor for the urea detection has been reported. It was created using a non-typical method of the recombinant urease immobilization via adsorption on nanoporous particles of silicalite. It should be noted that this biosensor has a number of advantages, such as simple and fast performance, the absence of toxic compounds during biosensor preparation, and high reproducibility (RSD = 5.1 %). The linear range of urea determination by using the biosensor was 0.05–15 mM, and a lower limit of urea detection was 20 μM. The bioselective element was found to be stable for 19 days. The characteristics of recombinant urease-based biomembranes, such as dependence of responses on the protein and ion concentrations, were investigated. It is shown that the developed biosensor can be successfully used for the urea analysis during renal dialysis

РОЗРОБКА МАТЕМАТИЧНОЇ МОДЕЛІ ПОТЕНЦІОМЕТРИЧНОГО БІОСЕНСОРУ НА ОСНОВІ ЗВОРОТНОГО ІНГІБУВАННЯ АЦЕТИЛХОЛІНЕСТЕРАЗИ ДЛЯ ВИЗНАЧЕННЯ АФЛАТОКСИНУ В1

This work presents a mathematical model of a potentiometric biosensor based on the reversible acetylcholinesterase inhibition for aflatoxin B1 determination. An actual potentiometric biosensor based on immobilized acetylcholinesterase was used in this work for comparison with a mathematical model and validation. The mathematical model is described by a system of rate equations, presenting the dynamics of biochemical reactions in the biosensor. Each equation describes concentrations of the enzyme, substrate, inhibitor, product, or concentrations of enzyme-substrate, enzyme- inhibitor, enzyme-substrate- inhibitor complexes as a function of time. The system is solved numerically using Wolfram Mathematica software. Initial concentration of the enzyme, substrate and inhibitor act as boundary conditions for the system of rate equations. The concentrations have been calculated from the experimental conditions: 2 × 10-5 M acetylcholinesterase, 4 × 10-3 M acetylcholine chloride, and 0.2 mg / ml of aflatoxin B1 for the enzyme, substrate, and inhibitor respectively). The rate constants have been chosen to fit the experimental response. It is shown that the kinetic model developed allows to reproduce the performance of a real potentiometric biosensorВ данной роботе разработана математическая модель потенциометрического биосенсора на основе обратимого ингибирования ацетилхолинэстеразы для определения афлатоксина В1. Для валидации модели и сравнения использовано существующий биосенсор на основе иммобилизованной ацетилхолинэстеразы. Математическая модель представлена системой дифференциальных уравнений, которые описывают динамику биохимических реакций, на которых основывается работа биосенсора. Каждое уравнение описывает концентрации фермента, субстрата, ингибитора, продукта или концентрации фермент-субстратного, фермент- ингибиторного, фермент-субстрат-ингибиторного комплексов в зависимости от времени. Система решена численно при помощи программного обеспечения Wolfram Mathematica Входные параметры системы являются начальные концентрации фермента, субстрата и ингибитора. Они рассчитаны экспериментально и составляют 2×10-5 М ацетилхолинэстеразы, 4×10-3 М ацетилхолин хлорида и 0,2 мкг/мл афлатоксину В1 соответственно. Константы скоростей ферментативных реакций подобраны таким образом, чтобы моделирование отклика биосенсора соответствовало эксперименту. Показано, что разработанная кинетическая модель позволяет адекватно описать работу реального потенциометрического биосенсора.В даній роботі розроблено математичну модель потенціометричного біосенсору на основі зворотного інгібування ацетилхолінестерази для визначення афлатоксину В1. Для валідації моделі та порівняння використано існуючий потенціометричний біосенсор на основі іммобілізованої ацетилхолінестерази. Математична модель представлена системою диференційних рівнянь, які описують динаміку біохімічних реакцій, на яких ґрунтується робота біосенсору. Кожне рівняння описує концентрації ферменту, субстрату, інгібітору, продукту або концентрації фермент-субстратного, фермент-інгібіторного, фермент-субстрат-інгібіторного комплексів в залежності від часу. Система розв’язана чисельно за допомогою програмного забезпечення Wolfram Mathematica. Вхідними параметрами системи є початкові концентрації ферменту, субстрату та інгібітору (2×10-5 М ацетилхолінестерази, 4×10-3 М ацетилхолін хлориду та 0,2 мкг/мл афлатоксину В1 відповідно), які є експериментально розрахованими. Константи швидкостей ферментативних реакцій підібрані так, щоб моделювання відгуку біосенсору відповідало експерименту. Показано, що розроблена кінетична модель дозволяє адекватно описати роботу реального потенціометричного біосенсору

ФЕРМЕНТНІ БІОСЕНСОРИ ДЛЯ КІЛЬКІСНОГО АНАЛІЗУ КОМПОНЕНТІВ ВИНА

Characteristics of enzymatic amperometric biosensors for quantitative analysis of wine’s components created during last years were presented and their main advantages and disadvantages were described.В обзоре приведена характеристика ферментных биосенсоров для количественного анализа компонентов вина, которые были созданы на протяжении последних лет, и проанализированы их основные преимущества и недостатки.В огляді наведено характеристику ферментних біосенсорів для кількісного визначення компонентів вина, які були створені протягом останніх років, та проаналізовано їхні основні переваги та недоліки

Whole-cell conductometric biosensor for determination of toxicity of heavy metals in water

internationa

РОЗРОБКА АМПЕРОМЕТРИЧНОЇ БІОСЕНСОРНОЇ СИСТЕМИ ДЛЯ ОДНОЧАСНОГО ВИМІРЮВАННЯ ПІРУВАТУ І ЛАКТАТУ

This article describes the development of a biosensor system consisting of two monobiosensors based on pyruvate and lactate oxidases for determination pyruvate and lactate, respectively. For the enzymes immobilization in the bioselective membrane, the method of capturing into PVA-SbQ polymer on the surface of amperometric transducer was used. Platinum disk electrodes served as the transducers. The processes of production of both monobiosensors as well as the conditions of their operation were identical, which makes their integration into a single system possible. The conditions of enzymes immobilization and parameters of buffer solution (pH, buffer capacity, ionic strength) were optimized and universalized for simultaneous operation of biosensors. The cross influence of substrates and cofactors on enzymes was examined. The biosensor system is characterized by high degree of operational stability and reproducibility to responses to pyruvate and lactate. The obtained analytical characteristics of the biosensor system testify to the possibility of efficient usage for lactate and pyruvate analyses in real biological fluids. В работе описана разработка биосенсорной системы, состоящая из двух монобиосенсоров на основе пируватоксидазы и лактатоксидазы для определения пирувата и лактата, соответственно. Для иммобилизации ферментов в биоселективную мембрану был использован метод захвата ферментов в полимер PVA-SbQ на поверхности амперометрического преобразователя. В качестве преобразователей выступали платиновые дисковые электроды. В работе подобраны единые условия изготовления и функционирования монобиосенсоров для объединения в единую биосенсорную систему. Были подобраны оптимальные условия иммобилизации ферментов, параметры буферного раствора, такие как рН, буферная емкость и ионная сила, для одновременной работы биосенсоров. Также было проверено перекрестное влияние субстратов и кофакторов на ферменты. Биосенсорная система характеризировалась хорошей операционной стабильностью и воспроизводимостью откликов на лактат и пируват. Полученные аналитические характеристики биосенсорной системы свидетельствуют о возможности ее успешного использования для анализа лактата и пирувата в реальных биологических образцах. В роботі описано розробку біосенсорної системи, що складається з двох монобіосенсорів на основі піруватоксидази та лактатоксидази для визначення пірувату та лактату, відповідно. Для іммобілізації ензимів у складі біоселективної мембрани було використано метод захоплення в полімер PVA-SbQ на поверхні амперометричного перетворювача. Як перетворювачі виступали платинові дискові електроди. В роботі було підібрано єдині умови виготовлення та функціонування монобіосенсорів для поєднання їх у біосенсорну систему. Було досліджено оптимальні умови іммобілізації ензимів та параметри буферного розчину для одночасної роботи біосенсорів, зокрема рН, буферну ємність та іонну силу. Перевірено перехресний вплив субстратів та кофакторів на роботу ензимів. Біосенсорна система характеризувалась гарною операційною стабільністю та відтворюваністю відгуків на піруват та лактат. Отримані аналітичні характеристики біосенсорної системи свідчать про можливість її використання для аналізу лактату та пірувату в реальних біологічних рідинах.

ДОСЛІДЖЕННЯ НАПІВПРОВІДНИКОВИХ СТРУКТУР ДЛЯ РОЗРОБКИ рН-ЧУТЛИВИХ ПОЛЬОВИХ ТРАНЗИСТОРІВ

PH-sensitivity, stability and drift of semiconductors structures with various quality and type of surface dielectric layer have been investigated. Their parameters for creation of pH-sensitive field effect transistors were optimised. The best results were obtained for two-layer structure of dielectric that consists of SiO2 and Si3 N4 . These structures were proposed for development of pHsensitive field effect transistors. The best characteristics were shown by transducers created at R&D Institute “Microdevice” (Kiev, Ukraine).В работе исследованы рН-чуствительность и дрейф полупроводниковых структур з различным количеством и типом поверхностного диэлектрика и оптимизированы их параметры для создания рН-чуствительных полевых транзисторов. Лучшие результаты были получены для двухслойного диэлектрика, который состоял из SiO2 и Si3 N4 , который и предложено для разработки рН-чуствительных полевых транзисторов. Лучшие характеристки продемонстрировали преобразователи, изготовленные в НИИ “Микроприбор” (Киев, Украина).В роботі досліджено рН-чутливість, стабільність та дрейф напівпровідникових структур з різною кількістю та типом поверхневого діелектрика та оптимізовано їх параметри для створення рН-чутливих польових транзисторів. Кращі результати були отримані для двошарового діелектрика, що складається з SiO2 і Si3 N4 , який і запропоновано для розробки рН-чутливих польових транзисторів. Кращі характеристики демонстрували перетворювачі, виготовлені в НДІ “Мікроприлад” (Київ, Україна)

ВИВЧЕННЯ МОЖЛИВОСТЕЙ ПРАКТИЧНОГО ЗАСТОСУВАННЯ ПОТЕНЦІОМЕТРИЧНИХ БІОСЕНСОРІВ ДЛЯ АНАЛІЗУ ГЛЮКОЗИ В КРОВІ ЛЮДИНИ

The possibilities of practical application of biosensors based on pH-sensitive field-effect transistors and glucose oxidase for qualitative analysis of glucose in real blood samples have been studies. The main analytical characteristics of biosensors developed were optimized, and the optimal conditions of measurements in real samples were determined. It was shown that biosensor developed could be used for glucose analysis in human blood.Изучены возможности практического применения биосенсоров на основе рН-чувствительных полевых транзисторов и глюкозооксидазы для количественного анализа содержания глюкозы в реальных образцах крови человека. Оптимизированы основные аналитические характеристики разработанных биосенсоров, определены оптимальные условия для проведения измерений в реальных образцах. Показано, что разработанный биосенсор можно с успехом использовать для анализа глюкозы в крови человека.Вивчено можливості практичного застосування біосенсорів на основі рН-чутливих польових транзисторів та глюкозооксидази для кількісного аналізу концентрації глюкози в зразках крові людини. Оптимізовано основні аналітичні характеристики розроблених біосенсоров, визначено оптимальні умови для проведення вимірювань з реальниими зразками крові. Показано, що розроблений біосенсор можна з успіхом використовувати для аналізу глюкози в крові людин