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

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

Highly selective amperometric biosensor for uric acid determination in real samples

Aim. To develop an amperometric biosensor based on immobilized uricase (1.7.3.3) from Arthrobacter Globiformis and a platinum disk electrode for the detection of uric acid in biological fluids. Methods. To obtain a highly selective detection of the uric acid concentration, an additive semi-permeable polymer film was formed on the surface of a platinum disk electrode by electro-polymerisation of m-phenylene diamine. The enzymatic selective layer was formed on the poly-m-phenylene diamine membrane using uricase immobilized in BSA matrix by a non-toxic crosslinking agent – poly(ethylene glycol) diglycidyl ether (PEGDE). Results. An influence of possible interfering substances – ascorbic acid, cysteine, urea, glucose, glutamic acid and lactic acid – was studied. Almost no effect of these electrochemical compounds on the biosensor response was found, indicating that the selectivity of the developed biosensor is very high. The biosensor characteristics were determined: detection limit 0.001 mM (s/n = 3), linear working range 0.008–0.218 mM, sensitivity 165 μA·mM⁻¹ cm⁻². The biosensor stability and reproducibility were studied and shown. Conclusions. The developed biosensor was validated by comparing the results of the urine samples analysis provided with the biosensor and the spectrophotometric method (correlation coefficient r = 0.99).This biosensor is found to be promising method for uric acid detection in the real samples.Мета. Розробити амперометричний біосенсор на основі іммобілізованої урікази (1.7.3.3) з Arthrobacter Globiformis і платинового дискового електрода для визначення сечової кислоти в біологічних рідинах. Методи. Для досягнення високоселективного визначення концентрації сечової кислоти на поверхні платинового дискового електрода сфо-рмована додаткова напівпроникна мембрана шляхом електрополімерізаціі м-фенілендіаміна. Ферментний селективний шар сформований на полі-м-фенілендіаміновій мембрані з використанням урікази, що іммобілізована в матриці БСА, в якості зшиваючого агента використовували нетоксичний поліетиленгліколь дигліцидиловий естер (ПЕГДЕ). Результати. Досліджено вплив інтерферуючих речовин: аскорбінової кислоти, цистеїну, сечовини, глюкози, глутамінової кислоти, молочної кислоти на активність розробленого біосенсору і показана відсутність впливу цих електрохімічно активних речовин на відгук біосенсора, що свідчить про дуже високу селективність розробленого біосенсора. Визначені наступні характеристики біосенсора: мінімальна концентрація, що визначалась 0.001 мM (s/n = 3), робочий лінійний діапазон 0.008–0.218 мM, чутливість 165 мкА∙мМ⁻¹ см⁻². Також досліджені і пока-зані операційна стабільність біосенсора і його стабільність при зберіганні. Висновки. Апробація розробленого біо-сенсора при аналізі реальних зразків сечі показала хорошу кореляцію даних із класичним спектрофотометричним методом (коефіцієнт кореляції r = 0.99). Таким чином, даний біосенсор є перспективним методом і може бути застосований в медичній діагностиці для визначення сечової кислоти в реальних зразках.Цель. Разработать амперометрический биосенсор на основе иммобилизированной уриказы (1.7.3.3) из Arthrobacter Globiformis и платинового дискового электрода для определения мочевой кислоты в биологических жидкостях. Методы. Для достижения высокоселективного определения концентрации мочевой кислоты на поверхности платинового дискового электрода была сформирована дополнительная полупроницаемая мембрана путём электрополимеризации м-фенилендиамина. Ферментный селективный слой сформирован на поли-м-фенилендиаминовой мембране с использованием уриказы, иммобилизированной в матрице БСА, в качестве сшивающего агента использовали нетоксичный диглицидиловый эфир полиэтиленгликоля (ПЭГДЭ). Результаты. Исследовано влияние интерферирующих веществ: аскорбиновой кислоты, цистеина, мочевины, глюкозы, глутаминовой кислоты, мо-лочной кислоты на активность разработанного биосенсора и показано отсутствие влияния этих электрохимически активных веществ на отклик биосенсора, что свидетельствует об очень высокой селективности разработанного биосенсора. Определены следующие характеристики биосенсора: граничная определяемая концентрация 0.001 мM (s/n = 3), рабочий линейный диапазон 0.008–0.218 мM, чувствительность 165 мкА•мМ⁻¹ см⁻². Также исследованы и продемонстрированы операционная стабильность биосенсора и его стабильность при хранении. Выводы. Апробация разработанного биосенсора при анализе реальных образцов мочи показала хорошую корреляцию данных с классическим спектрофотометрическим методом (коэффициент корреляции r = 0.99). Таким образом, данный биосенсор является перспективным методом и может быть использован в медицинской диагностике для определения мочевой кислоты в реальных образцах

Biosensors. A quarter of a century of R&D experience

The paper is a review of the researches of Biomolecular Electronics Laboratory concerning the development of biosensors based on electrochemical transducers (amperometric and conductometric electrodes, potentiometric pH-sensitive field effect transistors) and different biorecognition molecules (enzymes, cells, antibodies), biomimics (molecularly imprinted polymers), as sensitive elements for direct analysis of substrates or inhibitory analysis of toxicants. Highly specific, sensitive, simple, fast and cheap detection of different substances renders them as promising tools for needs of health care, environmental control, biotechnology, agriculture and food industries. Diverse biosensor formats for direct determination of different analytes and inhibitory enzyme analysis of a number of toxins have been designed and developed. Improvement of their analytical characteristics may be achieved by using differential mode of measurement, negatively or positively charged additional semipermeable membranes, nanomaterials of different origin, genetically modified enzymes. These approaches have been aimed at increasing the sensitivity, selectivity and stability of the biosensors and extending their dynamic ranges. During the last 25 years more than 50 laboratory prototypes of biosensor systems based on mono- and multibiosensors for direct determination of a variety of metabolites and inhibitory analysis of different toxic substances were created. Some of them were tested in real samples analysis. The advantages and disadvantages of the biosensors developed are discussed. The possibility of their practical application is considered.Представлено огляд виконаних у лабораторії біомолекулярної электроніки досліджень в області розробки біосенсорів на основі електрохімічних перетворювачів (амперо- і кондуктометричні електроди, потеціометричні рН-чутливі польові транзистори) і різних біорозпізнавальних молекул (ферменти, клітини, антитіла), біоміміків або синтетичних мембран, включаючи матричні полімери, як чутливих елементів для прямого аналізу субстратів або інгібіторного аналізу токсинів. Завдяки високій специфічності і чутливості, простоті та низькій вартості визначення різних речовин біосенсори є перспективними приладами для потреб охорони здоров’я, контролю довкілля, біотехнології, сільського господарства і харчової промисловості. Розроблено й досліджено біосенсори для прямого визначення низки аналітів та інгібіторного аналізу різних токсичних речовин. Поліпшення їхніх аналітичних характеристик можна досягти за рахунок застосування диференційного режиму вимірювань, негативно або позитивно заряджених допоміжних напівпроникних мембран, наноматеріалів різного походження, генетично модифікованих ферментів тощо. Використання цих підходів зробить можливим підвищити чутливість, селективність і стабільність біосенсорів, а також розширити динамічний діапазон вимірювань. Упродовж останніх 25 років виготовлено більш як 50 лабораторних прототипів біосенсорних систем на основі моно- і мультибіосенсорів для прямого визначення різноманітних метаболітів та інгібіторного аналізу токсикантів. Деякі з них випробувано за умов аналізу реальних зразків. В огляді обговорено переваги і недоліки розроблених біосенсорів та розглянуто можливості їхнього практичного застосування.Представлен обзор выполненных в лаборатории биомолекулярной электроники исследований в области разработки биосенсоров на основе электрохимических преобразователей (амперо- и кондуктометрические электроды, потециометрические рН-чувствительные полевые транзисторы) и различных биораспознающих молекул (ферменты, клетки, антитела), биомимиков или синтетических мембран, в том числе матричных полимеров, в качестве чувствительных элементов для прямого анализа субстратов или ингибиторного анализа токсинов. Благодаря высокой специфичности и чувствительности, простоте и дешевизне оп- ределения различных веществ биосенсоры представляют собой перспективный инструментарий для потребностей здравоохранения, контроля окружающей среды, биотехнологии, сельского хозяйства и пищевой промышленности. Разработаны и исследованы биосенсоры для прямого определения ряда аналитов и ингибиторного ферментного анализа различных токсичных веществ. Улучшения их аналитических характеристик можно достичь за счет применения дифференциального режима измерений, негативно или позитивно заряженных дополнительных полупроницаемых мембран, наноматериалов разного происхождения, генетически модифицированных ферментов и др. Эти подходы дают возможность повысить чувствительность, селективность и стабильность биосенсоров, расширить их динамический диапазон измерений. В течение последних 25 лет изготовлено более 50 лабораторных прототипов биосенсорных систем на основе моно- и мультибиосенсоров для прямого определения разнообразных ме- таболитов и ингибиторного анализа различных токсикантов. Некоторые из них исследованы в условиях анализа реальных об- разцов. В обзоре обсуждаются достоинства и недостатки разра- ботанных биосенсоров. Рассматривается возможность их прак- тического использования

Highly selective amperometric biosensor for uric acid determination in real samples

Aim. To develop an amperometric biosensor based on immobilized uricase (1.7.3.3) from Arthrobacter Globiformis and a platinum disk electrode for the detection of uric acid in biological fluids. Methods. To obtain a highly selective detection of the uric acid concentration, an additive semi-permeable polymer film was formed on the surface of a platinum disk electrode by electro-polymerisation of m-phenylene diamine. The enzymatic selective layer was formed on the poly-m-phenylene diamine membrane using uricase immobilized in BSA matrix by a non-toxic crosslinking agent – poly(ethylene glycol) diglycidyl ether (PEGDE). Results. An influence of possible interfering substances – ascorbic acid, cysteine, urea, glucose, glutamic acid and lactic acid – was studied. Almost no effect of these electrochemical compounds on the biosensor response was found, indicating that the selectivity of the developed biosensor is very high. The biosensor characteristics were determined: detection limit 0.001 mM (s/n = 3), linear working range 0.008–0.218 mM, sensitivity 165 μA·mM⁻¹ cm⁻². The biosensor stability and reproducibility were studied and shown. Conclusions. The developed biosensor was validated by comparing the results of the urine samples analysis provided with the biosensor and the spectrophotometric method (correlation coefficient r = 0.99).This biosensor is found to be promising method for uric acid detection in the real samples.Мета. Розробити амперометричний біосенсор на основі іммобілізованої урікази (1.7.3.3) з Arthrobacter Globiformis і платинового дискового електрода для визначення сечової кислоти в біологічних рідинах. Методи. Для досягнення високоселективного визначення концентрації сечової кислоти на поверхні платинового дискового електрода сфо-рмована додаткова напівпроникна мембрана шляхом електрополімерізаціі м-фенілендіаміна. Ферментний селективний шар сформований на полі-м-фенілендіаміновій мембрані з використанням урікази, що іммобілізована в матриці БСА, в якості зшиваючого агента використовували нетоксичний поліетиленгліколь дигліцидиловий естер (ПЕГДЕ). Результати. Досліджено вплив інтерферуючих речовин: аскорбінової кислоти, цистеїну, сечовини, глюкози, глутамінової кислоти, молочної кислоти на активність розробленого біосенсору і показана відсутність впливу цих електрохімічно активних речовин на відгук біосенсора, що свідчить про дуже високу селективність розробленого біосенсора. Визначені наступні характеристики біосенсора: мінімальна концентрація, що визначалась 0.001 мM (s/n = 3), робочий лінійний діапазон 0.008–0.218 мM, чутливість 165 мкА∙мМ⁻¹ см⁻². Також досліджені і пока-зані операційна стабільність біосенсора і його стабільність при зберіганні. Висновки. Апробація розробленого біо-сенсора при аналізі реальних зразків сечі показала хорошу кореляцію даних із класичним спектрофотометричним методом (коефіцієнт кореляції r = 0.99). Таким чином, даний біосенсор є перспективним методом і може бути застосований в медичній діагностиці для визначення сечової кислоти в реальних зразках.Цель. Разработать амперометрический биосенсор на основе иммобилизированной уриказы (1.7.3.3) из Arthrobacter Globiformis и платинового дискового электрода для определения мочевой кислоты в биологических жидкостях. Методы. Для достижения высокоселективного определения концентрации мочевой кислоты на поверхности платинового дискового электрода была сформирована дополнительная полупроницаемая мембрана путём электрополимеризации м-фенилендиамина. Ферментный селективный слой сформирован на поли-м-фенилендиаминовой мембране с использованием уриказы, иммобилизированной в матрице БСА, в качестве сшивающего агента использовали нетоксичный диглицидиловый эфир полиэтиленгликоля (ПЭГДЭ). Результаты. Исследовано влияние интерферирующих веществ: аскорбиновой кислоты, цистеина, мочевины, глюкозы, глутаминовой кислоты, мо-лочной кислоты на активность разработанного биосенсора и показано отсутствие влияния этих электрохимически активных веществ на отклик биосенсора, что свидетельствует об очень высокой селективности разработанного биосенсора. Определены следующие характеристики биосенсора: граничная определяемая концентрация 0.001 мM (s/n = 3), рабочий линейный диапазон 0.008–0.218 мM, чувствительность 165 мкА•мМ⁻¹ см⁻². Также исследованы и продемонстрированы операционная стабильность биосенсора и его стабильность при хранении. Выводы. Апробация разработанного биосенсора при анализе реальных образцов мочи показала хорошую корреляцию данных с классическим спектрофотометрическим методом (коэффициент корреляции r = 0.99). Таким образом, данный биосенсор является перспективным методом и может быть использован в медицинской диагностике для определения мочевой кислоты в реальных образцах

Biosensors. A quarter of a century of R&D experience

The paper is a review of the researches of Biomolecular Electronics Laboratory concerning the development of biosensors based on electrochemical transducers (amperometric and conductometric electrodes, potentiometric pH-sensitive field effect transistors) and different biorecognition molecules (enzymes, cells, antibodies), biomimics (molecularly imprinted polymers), as sensitive elements for direct analysis of substrates or inhibitory analysis of toxicants. Highly specific, sensitive, simple, fast and cheap detection of different substances renders them as promising tools for needs of health care, environmental control, biotechnology, agriculture and food industries. Diverse biosensor formats for direct determination of different analytes and inhibitory enzyme analysis of a number of toxins have been designed and developed. Improvement of their analytical characteristics may be achieved by using differential mode of measurement, negatively or positively charged additional semipermeable membranes, nanomaterials of different origin, genetically modified enzymes. These approaches have been aimed at increasing the sensitivity, selectivity and stability of the biosensors and extending their dynamic ranges. During the last 25 years more than 50 laboratory prototypes of biosensor systems based on mono- and multibiosensors for direct determination of a variety of metabolites and inhibitory analysis of different toxic substances were created. Some of them were tested in real samples analysis. The advantages and disadvantages of the biosensors developed are discussed. The possibility of their practical application is considered.Представлено огляд виконаних у лабораторії біомолекулярної электроніки досліджень в області розробки біосенсорів на основі електрохімічних перетворювачів (амперо- і кондуктометричні електроди, потеціометричні рН-чутливі польові транзистори) і різних біорозпізнавальних молекул (ферменти, клітини, антитіла), біоміміків або синтетичних мембран, включаючи матричні полімери, як чутливих елементів для прямого аналізу субстратів або інгібіторного аналізу токсинів. Завдяки високій специфічності і чутливості, простоті та низькій вартості визначення різних речовин біосенсори є перспективними приладами для потреб охорони здоров’я, контролю довкілля, біотехнології, сільського господарства і харчової промисловості. Розроблено й досліджено біосенсори для прямого визначення низки аналітів та інгібіторного аналізу різних токсичних речовин. Поліпшення їхніх аналітичних характеристик можна досягти за рахунок застосування диференційного режиму вимірювань, негативно або позитивно заряджених допоміжних напівпроникних мембран, наноматеріалів різного походження, генетично модифікованих ферментів тощо. Використання цих підходів зробить можливим підвищити чутливість, селективність і стабільність біосенсорів, а також розширити динамічний діапазон вимірювань. Упродовж останніх 25 років виготовлено більш як 50 лабораторних прототипів біосенсорних систем на основі моно- і мультибіосенсорів для прямого визначення різноманітних метаболітів та інгібіторного аналізу токсикантів. Деякі з них випробувано за умов аналізу реальних зразків. В огляді обговорено переваги і недоліки розроблених біосенсорів та розглянуто можливості їхнього практичного застосування.Представлен обзор выполненных в лаборатории биомолекулярной электроники исследований в области разработки биосенсоров на основе электрохимических преобразователей (амперо- и кондуктометрические электроды, потециометрические рН-чувствительные полевые транзисторы) и различных биораспознающих молекул (ферменты, клетки, антитела), биомимиков или синтетических мембран, в том числе матричных полимеров, в качестве чувствительных элементов для прямого анализа субстратов или ингибиторного анализа токсинов. Благодаря высокой специфичности и чувствительности, простоте и дешевизне оп- ределения различных веществ биосенсоры представляют собой перспективный инструментарий для потребностей здравоохранения, контроля окружающей среды, биотехнологии, сельского хозяйства и пищевой промышленности. Разработаны и исследованы биосенсоры для прямого определения ряда аналитов и ингибиторного ферментного анализа различных токсичных веществ. Улучшения их аналитических характеристик можно достичь за счет применения дифференциального режима измерений, негативно или позитивно заряженных дополнительных полупроницаемых мембран, наноматериалов разного происхождения, генетически модифицированных ферментов и др. Эти подходы дают возможность повысить чувствительность, селективность и стабильность биосенсоров, расширить их динамический диапазон измерений. В течение последних 25 лет изготовлено более 50 лабораторных прототипов биосенсорных систем на основе моно- и мультибиосенсоров для прямого определения разнообразных ме- таболитов и ингибиторного анализа различных токсикантов. Некоторые из них исследованы в условиях анализа реальных об- разцов. В обзоре обсуждаются достоинства и недостатки разра- ботанных биосенсоров. Рассматривается возможность их прак- тического использования