Potentiality of application of the conductometric L-arginine biosensors for the real sample analysis

Aim. To determine an influence of serum components on the L-arginine biosensor sensitivity and to formulate practical recommendations for its reliable analysis. Methods. The L-arginine biosensor comprised arginase and urease co-immobilized by cross-linking. Results. The biosensor specificity was investigated based on a series of representative studies (namely, through urea determination in the serum; inhibitory effect studies of mercury ions; high temperature treatment of sensors; studying the biosensor sensitivity to the serum treated by enzymes, and selectivity studies). It was found that the response of the biosensor to the serum injections was determined by high sensitivity of the L-arginine biosensor toward not only to L-arginine but also toward two other basic amino acids (L-lysine and L-histidine). Conclusions. A detailed procedure of optimization of the conductometric biosensor for L-arginine determination in blood serum has been proposed. Keywords: L-arginine, conductometric biosensors, serum, optimization procedure.Мета. Визначити вплив компонентів сироватки крові на чутливість біосенсора при виявленні L-аргініну та сформулювати практичні рекомендації для забезпечення її надійного аналізу. Методи. Біосенсор для визначення L-аргініну містить аргіназу і уреазу, коіммобілізовані методом поперечного зшивання. Результати. Специфічність біосенсора вивчали на основі низки показників – вмісту сечовини у сироватці; інгібувального впливу іонів ртуті; високотемпературної обробки біосенсорів; чутливості біосенсора до сироватки крові, обробленої ліофілізованими препаратами ферментів, та селективності біосенсора. Встановлено, що відгук біосенсора на внесення сироватки зумовлений високою чутливістю біосенсора ще до двох, крім L-аргініну, основних амінокислот (L-лізину та L-гістидину). Висновки. Запропоновано детальну процедуру оптимізації кондуктометричного біосенсора для визначення L-аргініну у сироватці крові. Ключові слова: L-аргінін, кондуктометричні біосенсори, сироватка крові, процедура оптимізації.Цель. Определить влияние компонентов сыворотки крови на чувствительность биосенсора для выявления L-аргинина и сформулировать практические рекомендации для обеспечения ее надежного анализа. Методы. Биосенсор для определения L-аргинина содержит аргиназу и уреазу, ко-иммобилизованные методом поперечной сшивки. Результаты. Специфичность биосенсора изучали на основе серии показателей – содержания мочевины в сыворотке; ингибирующего эффекта ионов ртути; высокотемпературной обработки биосенсоров; чувствительности биосенсора к сыворотке крови, обработанной лиофилизованными препаратами ферментов, и селективности биосенсора. Установлено, что отклик биосенсора на внесение сыворотки обусловлен высокой чувствительностью биосенсора еще к двум, кроме L-аргинина, основным аминокислотам (L-лизину и L-гистидину). Выводы. Предложена детальная процедура оптимизации кондуктометрического биосенсора для определения L-аргинина в сыворотке крови. Ключевые слова: L-аргинин, кондуктометрические биосенсоры, сыворотка крови, процедура оптимизации

Amperometric biosensor for lactate analysis in wine and must during fermentation

MADICA 2006 Conference, Fifth Maghreb-Europe Meeting on Materials and their Applicatons for Devices and Physical, Chemical and Biological Sensors, MADICA 2006 Conference, Fifth Maghreb-Europe Meeting on Materials and their Applicatons for Devices and Physical, Chemical and Biological SensorsInternational audienceA lactate oxidase-based amperometric biosensor is designed for lactate determination. Two methods of lactate oxidase immobilization on the surface of commercial SensLab platinum printing electrodes are compared. The sensor with lactate oxidase immobilized by physical adsorption in Resydrol polymer is shown to have both narrower dynamic range (0.004–0.5 mМ lactate) and higher sensitivity (320 nA/mM) as compared with that immobilized in poly(3,4-ethylenedioxythiophene) by electrochemical polymerization (0.05–1.6 mM and 60 nA/mM respectively). The operational stability of the biosensors developed is studied; the immobilization method is shown to be of no influence. The lactate content in wine and in wine material during fermentation is analyzed. The data obtained by amperometric lactate biosensor correlated with those of standard chromatography. The biosensor developed can be used in food industry for control and optimization of process of wine fermentation as well as for control of wine quality

TECHNIQUE FOR IMPROVING THE ANALYTICAL CHARACTERISTICS OF BIOSENSORS BASEDON ENZYMES OF THE OXIDASE SUBCLASS

Aim. In this study, the possibility of improving the analytical performance of a monoenzyme biosensor based on the main oxidase pathway by adding catalase to bioselective membranes was increased. Catalase helps strengthen the acid biomembrane, which facilitates the reaction that catalyzes glucose oxidase (GOD). Methods. A standard glucose oxidase conductometric biosensor for increasing glucose was tested and a new bienzyme biosensor with glucose oxidase and catalase was created. To create bioselective membranes, enzymes were immobilized on the electrode surface for additional covalent formation of molecules in glutaraldehyde vapor. Results. An optimal method for stabilizing enzymes and slowing down the biosensor operation depending on the catalase concentration was proposed. The stability of the biosensor preparation procedures and the recognition of the results were assessed. The presented analytical characteristics of a bienzyme biosensor with a monoenzyme based on GOD showed that the addition of catalase provided high efficiency, output of results and linear dynamism of the secret range operation. Conclusion. The proposed method can be used to improve other oxidase-based biosensors

DEVELOPMENT OF CREATININE-SENSITIVE BIOSENSOR BASED ON IMMOBILIZED CREATININE DEIMINASE

Aim.Thе purpose of the work was to develop a new construction of enzyme biosensor based on creatinine deiminase for highly sensitive creatinine determination. Methods. A new construction of enzyme biosensor based on creatinine deiminase was developed for the creatinine determination. A differential pair of gold interdigitated electrodes deposited onto a ceramic substrate was used as the electrochemical transducer. Creatinine deiminase was immobilized by cross-linking with glutaraldehyde on the surface of electrodes. Results. The biosensor showed high sensitivity towards creatinine, the limit of detection was 5 µM. The biosensor was characterized by wide linear range of creatinine determination, high reproducibility of responses and showed high storage stability – after 50 days storage the biosensor retained 83% of the initial response value. Conclusions. In future the developed biosensor can be used for express evaluation of the creatinine in biological samples

Conductometric Biosensor Based on Urease, Adsorbed on Silicalite for Determination of Urea in Serum Samples

The method of enzyme adsorption on nano- and microsized zeolites, developed by us, is described. It is notable by such advantages as simple and fast performance, the absence of toxic compounds, high reproducibility and repeatability. The biosensor based on the method developed was applied for urea measurement in samples of blood serum. It was shown that the biosensor could surely distinguish healthy people from people with renal dysfunction. Good results reproducibility was proved at urea determination in real samples of blood serum (RSD = 10%). For these reasons, the biosensors based on enzyme adsorption are more suitable for standardization and production than those based on conventional methods of immobilization. When you are citing the document, use the following link http://essuir.sumdu.edu.ua/handle/123456789/3547

Amperometric glucose biosensor with the IrNPs/Ludox – modified enzyme matrix

Aim. To develop an amperometric biosensor based on glucose oxidase (1.1.3.4) from Aspergillus niger immobilized in the IrNPs/Ludox/GOx matrix for glucose detection. Methods. To achieve a highly selective and sensitive glucose detection, the enzymatic membrane was functionalized with Ir nanoparticles (IrNPs) and silica composite Ludox. The enzymatic selective layer was formed on the surface of a platinum disk electrode using immobilization in glutaraldehyde vapor. Results. The voltamperometric characteristics of the transducers with modified IrNPs/Ludox/GOx matrix were studied. Enzyme immobilization on the surface of amperometric transducers was optimized to perform sample analysis. Modified transducers improved biosensor sensitivity. The analytical characteristics of amperometric transducer were determined: detection limit is 0.1 µM (s/n = 3), linear working range is 0.05–3.2 mM, sensitivity is 106 mA×M⁻¹×cm⁻². Conclusions. Application of the matrix modified with Ir nanoparticles and silica composite Ludox was investigated for the amperometric glucose biosensor as the most studied model of biosensors. A significant increase in the biosensor sensitivity was obtained using the new approach of glucose oxidase immobilization; therefore application of the matrix modified with mesoporous silica composite and nanometals opens new possibilities to obtain a bioselective membrane of high sensitivity and stability at the development of new electrochemical biosensors.Мета. Розробити амперометричний біосенсор на основі іммобілізованої глюкозооксидази (1.1.3.4) з Aspergillus niger, іммобілізованій в матриці IrNPs/Ludox/GOx, для виявлення глюкози в реальних рідинах. Методи. Для отримання високоселективного та чутливого визначення концентрації глюкози ферментна мембрана була функціоналізована наночастинками Ir (IrNP) та кремнієвим композитом Ludox. Ферментний селективний шар був утворений на поверхні платинового дискового електроду шляхом іммобілізації в парах глутарового альдегіду. Результати. Вивчено вольтамперометричні характеристики перетворювачів, модифікованих матрицею IrNPs/Ludox/GOx, досліджено їх роботу. Оптимізовано метод іммобілізації ферменту на поверхню амперометричних перетворювачів для можливості проведення аналізів в реальних зразках. При порівнянні роботи немодифікованих та модифікованих перетворювачів, показано поліпшення чутливості біосенсора. Досліджено аналітичні характеристики амперометричних перетворювачів: межа виявлення – 0,1 мкМ (s/n = 3), лінійний робочий діапазон – 0,05–3,2 мМ, чутливість – 106 mA×M⁻¹×cm⁻². Висновки. Розроблений біосенсор продемонстрував високу чутливість та може бути використаний у подальших експериментах з реальними зразками. Застосування матриці, модифікованої кремнієвим композитом та нанометалами, відкриває нові можливості для іммобілізації ферментів при розробці нових електрохімічних біосенсорівЦель. Разработать биосенсор на основе глюкозооксидазы (1.1.3.4) из Aspergillus niger, иммобилизованной в матрице IrNPs/Ludox/GOx, для определения глюкозы в реальных жидкостях. Методы. Для получения высокоселективного и чувствительного определения концентрации глюкозы ферментная мембрана была функционализирована наночастицами Ir (IrNP) и кремниевым композитом Ludox. Ферментный селективный слой был образован на поверхности платинового дискового электрода путем иммобилизации в парах глутарового альдегида. Результаты. Изучены вольамперометрические характеристики преобразователей, модифицированных матрицей IrNPs/Ludox/GOx, исследована их работа. Оптимизирован метод иммобилизации фермента на поверхность амперометрических преобразователей для возможности проведения анализов в реальных образцах. При сравнении работы немодифицированных и модифицированных преобразователей, показано улучшение чувствительности биосенсора. Исслледованы аналитические характеристики амперометрических преобразователей: предел обнаружения - 0,1 мкм (s/n=3), линейный рабочий диапазон – 0,05–3,2 мм, чувствительность –106 mA×M⁻¹×cm⁻². Выводы. Разработанный биосенсор показал высокую чувствительность и может быть использован в дальнейших экспериментах с реальными образцами. Применение матрицы, модифицированной кремниевым композитом и нанометаллами, открывает новые возможности для иммобилизации ферментов при разработке новых электрохимических биосенсоров

Inhibition of immobilized acetylcholinesterase by aflatoxin B1 in a potentiometric biosensor

Aim. To identify a type of inhibition of immobilized acetylcholinesterase by aflatoxin B1. Methods. A bioselective element of the potentiometric biosensor was created using acetylcholinesterase, which was covalently immobilized on the surface of the pH-FET sensor by glutaraldehyde crosslinking with bovine serum albumin. Results. Optimal conditions for the potentiometric biosensor operation such as pH-optimum of the enzyme action and its inhibition were defined. An apparent Michaelis constant, as well as a maximum initial reaction rate of immobilized acetylcholinesterase as a part of the biosensor were determined. The type of reversible inhibition of immobilized acetylcholinesterase by aflatoxin B1 in potentiometric biosensor was identified by using a new graphical “degree of inhibition” method and the obtained result was confirmed with one of the tradi-tional methods, such as the Lineweaver-Burk plot. Conclusions. This study helps to understand the mechanisms of enzyme inhibition in biosensors and brings the biosensor implementation closer.Мета. Визначення типу інгібування іммобілізованої ацетилхолінестерази афлатоксином B1. Методи. Біоселективний елемент потенціометрического біосенсора був створений використовуючи поперечну зшивку ацетилхолінестерази з бичачим сироватковим альбуміном в мембрані за допомогою глутарового альдегіду. Результати. Визначено оптимальні умови роботи потенціометричного біосенсора, такі як рН-оптимум роботи ферменту та його інгібування. Були визначені уявна константа Міхаеліса, а також максимальна початкова швидкість ферментативної реакції іммобілізованої ацетилхолінестерази в складі біосенсора. Тип оборотного інгібування іммобілізованої ацетилхолінестерази афлатоксином В1 в складі потенціометричного біосенсора був ідентифікований з використанням нового графічного методу – методу «ступеня інгібування», отриманий результат був підтверджений за допомогою одного із традиційних методів –Лайнуівера-Берка. Висновки. Це дослідження допомагає зрозуміти механізми інгібування ферменту в складі біосенсора та наближує впровадження біосенсора у виробництво.Цель. Определение типа ингибирования иммобилизованной ацетилхолинэстеразы афлатоксином B1. Методы. Биоселективный элемент потенциометрического биосенсора был создан, используя поперечную сшивку ацетилхолинэстеразы с бычьим сывороточным альбумином в мембране при помощи глутарового альдегида. Результаты. Определены оптимальные условия работы потенциометрического биосенсора, такие как рН-оптимум работы фермента и его ингибирования. Были определены кажущаяся константа Михаэлиса, а также максимальная начальная скорость ферментативной реакции иммобилизованной ацетилхолинэстеразы в составе биосенсора. Тип обратимого ингибирования иммобилизованной ацетилхолинестеразы афлатоксином В1 в составе потенциометрического биосенсора был установлен при помощи нового графического метода – метода «степени ингибирования», полученный результат был подтвержден с помощью одного из традиционных методов – Лайнуивера-Берка. Выводы. Это исследование помогает понять механизмы ингибирования фермента в составе биосенсора и приближает внедрение биосенсора в производство

Elaboration of new method of enzyme adsorption on silicalite and nano beta zeolite for amperometric biosensor creation

Aim. Optimization of a new method of enzyme immobilization for amperometric biosensor creation. Methods. The amperometric biosensor with glucose oxidase immobilized on zeolites as bioselective elements and platinum disk electrode as transducers of biochemical signal into the electric one was used in the work. Results. The biosensors based on glucose oxidase adsorbed on zeolites were characterized by a higher sensitivity to glucose and a better inter-reproducibility. The best analytical characteristics were obtained for the biosensors based on nano beta zeolite. It has been found that an increase in the amount of zeolite on the surface of amperometric transducer may change such biosensor parameters as sensitivity to the substrate and duration of the analysis. Conclusions. The proposed method of enzyme immobilization by adsorption on zeolites is shown to be quite promising in the development of amperometric biosensors and therefore should be further investigated.Мета. Оптимізація нового методу іммобілізації ферментів для розробки амперометричних біосенсорів. Методи. Використано іммобілізовану глюкозооксидазу на цеоліті як біоселективний елемент біосенсора та платиновий дисковий електрод – як амперометричний перетворювач біохімічного сигналу в електричний. Результати. Біосенсор на основі глюкозооксидази, адсорбованої на цеолітах, вирізняється високою чутливістю до глюкози та покращеною інтер-відновлюваністю виготовлення біосенсорів. Найкращі аналітичні характеристики притаманні біосенсору на основі нано-бета цеоліту. Встановлено, що при зміні кількості цеолітів на поверхні амперметричного перетворювача можна варіювати параметри біосенсора, такі як чутливість до субстрату та час аналізу. Висновки. Показано, що запропонований метод іммобілізації, а саме – адсорбція ферментів на цеолітах є дуже перспективним при розробці амперометричних біосенсорів.Цель. Оптимизация нового метода иммобилизации ферментов для разработки амперометрических биосенсоров. Методы. Использовали иммобилизованную глюкозооксидазу на цеолитах как биоселективный элемент биосенсора и платиновый дисковый электрод – как амперометрический преобразователь биохимического сигнала в электрический. Результаты. Биосенсор на основе глюкозооксидазы, адсорбированной на цеолитах, отличается высокой чувствительностью к глюкозе и улучшенной интер-воспроизводимостью приготовления биосенсоров. Наилучшими аналитическими характеристиками обладает биосенсор на основе нано-бета цеолита. Установлено, что при изменении количества цеолитов на поверхности амперометрического преобразователя можно менять параметры биосенсора, такие как чувствительность к субстрату и время анализа. Выводы. Показано, что предложенный метод иммобилизации, а именно – адсорбция ферментов на цеолитах является перспективным при разработке амперометрических биосенсоров

Conductometric biosensor based on whole-cell microalgae for assessment of heavy metals in wastewater

Whole-cell Chlorella vulgaris conductometric biosensors consisting of gold planar interdigitated electrodes and sol-gel algal membranes have been used for assessment of heavy-metal ions in water. These analytes act as algal alkaline phosphatase inhibitors. Enzyme residual activity has been measured in Tris-nitrate buffer in the presence of Mg²⁺ ions as activator. Operating conditions of this biosensor have been optimized and its characteristics are discussed. Detection limits are about 1 ppb for Cd²⁺, Co²⁺, Ni²⁺, Pb²⁺ and 10 ppb for Zn²⁺. The storage stability of the biosensor in buffer solution at 4 oC is more than 40 days. The biosensor has been used to assess wastewater pollution.Описан биосенсор для оценки содержания тяжелых металлов в воде. Для его создания клетки Chlorella vulgaris иммобилизировали на золотых планарных гребенчатых электродах с помощью золь–гель технологии. Тяжелые металлы являются ингибиторами щелочной фосфатазы. Остаточную активность иммобилизованного фермента измеряли в трис-нитратном буферном растворе в присутствии активатора: ионов магния. Оптимизированы рабочие характеристики биосенсора. Нижняя граница определения составляла 1 млрд ⁻¹ для Cd²⁺, Co²⁺, Ni²⁺, Pb²⁺ и 10 млрд ⁻¹ для Zn²⁺. Срок хранения биосенсора в буферном растворе при температуре 4 оC составляет более 40 дней. Биосенсор использован для оценки загрязнения тяжелыми металлами сточных вод.Описано біосенсор для оцінки вмісту важких металів у воді. Для його створення клітини Chlorella vulgaris іммобілізували на золотих планарних гребінчастих електродах за допомогою золь–гель технології. Важкі метали є інгібіторами лужної фосфатази. Залишкову активність іммобілізованого ферменту вимірювали в трис-нітратному буферному розчині за присутності активатора – іонів магнію. Оптимізовано робочі характеристики біосенсора. Нижня межа визначення складала 1 млрд ⁻¹ для Cd²⁺, Co²⁺, Ni²⁺, Pb²⁺ та 10 млрд ⁻¹ для Zn²⁺. Термін зберігання біосенсора у буферному розчині за температури 4 оC був більшим, ніж 40 діб. Біосенсор використано для оцінки забруднення важкими металами стічних вод

Application of silicalite for improvement of enzyme adsorption on the stainless steel electrodes

Aim. Improvement of analytical characteristics of an enzyme biosensor based on new inexpensive perspective stainless steel electrodes using silicalite nanoparticles. Methods. Conductometric enzyme biosensor was used. Results. Three methods of glucose oxidase (GOx) immobilization were studied and compared: GOx adsorption on silicalite modified electrodes (GOx-SME); cross-linking by glutaraldehyde without silicalite (GOx-GA); GOx adsorption on SME along with cross-linking by glutaraldehyde (GOx-SME-GA). The GOx-SME-GA biosensors based on stainless steel electrodes were characterized by 12–25-fold higher sensitivity comparing with other biosensors. The developed GOx-SME-GA biosensors were characterized by good reproducibility of glucose biosensors construction (relative standard deviation (RSD) – 18 %), improved signal reproducibility (RSD of glucose determination was 7 %) and good storage stability (29 % loss of activity after 18 days). Conclusions. The method of enzyme immobilization using silicalite together with GA cross-linking sufficiently enhances the enzyme adsorption on the stainless steel electrodes and improves the analytical parameters of biosensors. This method is found to be promising for further creation of other enzyme biosensors.Мета. Покращення аналітичних характеристик ферментних біосенсорів на основі нових недорогих перспективних електродів з нержавіючої сталі за допомогою наночастинок силікаліту. Методи. Використано кондуктометричний біосенсор з іммобілізованою глюкозооксидазою як біоселективним елементом та сталеві електроди як перетворювачі. Результати. Застосовано і порівняно три методи іммобілізації глюкозооксидази (ГО) на поверхні датчиків: адсорбція ГО на модифікованій частинками силікаліту поверхні електрода; поперечне зшивання ГО з глутаровим альдегідом (ГА) без використання силікаліту; сорбція ГО на модифікованому силікалітом електроді у комбінації з поперечним зшиванням з ГА. Біосенсори з ферментами, іммобілізованими на поверхні сталевого електроду за рахунок сорбції на шарі силікаліту у комбінації з поперечним зшиванням з ГА, мають в 12–25 разів вищу чутливість порівняно з іншими біосенсорами. Ця ж група біосенсорів характеризується високою відтворюваністю сигналів між різними партіями (відносне стандартне відхилення (ВСВ) становить 18 %), а також відтворюваністю в одній партії з ВСВ 7 %. Таким біосенсорам притаманна висока стабільність при зберіганні (втрата лише 29 % від первинного сигналу після 18 днів зберігання). Висновки. Показано, що використання частинок силікаліту поряд з методом поперечного зшивання з ГА значно підвищує сорбцію ферментів на поверхні датчиків з нержавіючої сталі під час іммобілізації, а також покращує аналітичні параметри біосенсорів. Цей метод іммобілізації ферментів може бути застосований для подальшого удосконалення роботи біосенсорів.Цель. Улучшение аналитических характеристик ферментных биосенсоров на основе новых недорогих перспективных электродов с помощью наночастиц силикалита. Методы. Использовали кондуктометрический биосенсор с иммобилизованной глюкозооксидазой в качестве биоселективного элемента и стальные электроды как преобразователь. Результаты. Сопоставлены между собой три метода иммобилизации глюкозооксидазы (ГО) на поверхности преобразователей: адсорбция ГО на поверхности модифицированных силикалитом электродов; поперечная сшивка ГО с глутаровым альдегидом (ГА) без использования силикалита; адсорбция ГО на модифицированном силикалитом преобразователе в комбинации с поперечной сшивкой с ГА. Биосенсоры, созданные вследствие комбинации сорбции ГО на слое силикалита на поверхности стального электрода и сшивки с ГА, имеют чувствительность в 12–25 раз выше, нежели другие биосенсоры. Биосенсоры этой же группы отличаются высокой воспроизводимостью сигналов между разными партиями (относительное стандартное отклонение (ОСО) составляет 18 %), и воспроизводимостью внутри одной партии с ОСО 7 %. Такие биосенсоры обладают высокой стабильностью при хранении (потеря чувствительности в первые 18 дней хранения достигает лишь 29 %). Выводы. Показано, что использование частиц силикалита одновременно с методом поперечной сшивки с ГА в значительной степени повышает сорбцию ферментов на поверхности преобразователей из нержавеющей стали во время иммобилизации, а также улучшает аналитические парметры бисоенсоров. Такой метод иммобилизации ферментов может быть применен для дальнейшего усовершенствования работы биосенсоров