Сравнение микробных биосенсоров с различным способом регистрации сигнала

ХИМИЧЕСКИЕ НАУКИ

СРАВНЕНИЕ МИКРОБНЫХ БИОСЕНСОРОВ С РАЗЛИЧНЫМ СПОСОБОМ РЕГИСТРАЦИИ СИГНАЛА Кузнецова Е.А. Email: Kuznetsova635@scientifictext.ru

Кузнецова Елизавета Андреевна - бакалавр химических наук, магистрант, кафедра приборостроения, Тульский государственный университет, г. Тула

Аннотация: работа посвящена разработке макетов биосенсоров с различными способами регистрации сигнала. В статье представлены основные метрологические и аналитические характеристики медиаторного биосенсора и биосенсора на основе кислородного электрода с использованием уксуснокислых бактерий Gluconobacter oxydans, капсулированных в диализную мембрану. Произведен сравнительный анализ данных характеристик и на основании этого сделан выбор наилучшего биосенсора для аналитических целей в медицине и в пищевой промышленности. Ключевые слова: медиаторный биосенсор, биосенсор на основе кислородного электрода, бактерии Gluconobacter oxydans.

COMPARISON OF MICROBIAL BIOSENSORS WITH A DIFFERENT WAY OF SIGNAL REGISTRATION

Kuznetsova E.A.

Kuznetsova Elizaveta Andreevna - Bachelor of chemistry, Undergraduate, DEPARTMENT OF INSTRUMENTATION ENGINEERING, TULA STATE UNIVERSITY, TULA

Abstract: the work is dedicated to the development of models of biosensors with different methods of signal registration. The article presents the basic metrological and analytical characteristics of the mediator biosensor and the biosensor based on oxygen electrode using acetic acid bacteria Gluconobacter oxydans, encapsulated in a dialysis membrane. Comparative analysis of these characteristics, and based on it made the choice of the best biosensor for analytical purposes in medicine and in the food industry. Keywords: mediator biosensor, the biosensor based on oxygen electrode, the bacteria Gluconobacter oxydans.

УДК 543.55

Последние десятилетия отмечены интенсивным изучением аналитических возможностей и практическим применением биосенсорных систем. Потребности медицинской диагностики, различных областей биотехнологии, промышленности, экологических служб ставят на практике комплекс задач, связанных с разработкой простых в применении, недорогих, высокочувствительных методов и приборов на их основе для обнаружения заданных веществ в образце.

Принцип детекции, реализованный в биосенсорах, основан на том, что биоматериал (ферменты, клетки и др.), иммобилизованный на физическом датчике, при взаимодействии с определяемым соединением генерирует зависимый от его концентрации сигнал, который регистрируется преобразователем электрохимического или иного типа и после обработки данных представляется в численном виде. Простота устройства, оперативность и низкая стоимость биосенсорного анализа создают развитию этой области аналитической биотехнологии высокую степень приоритета [1].

В настоящее время наиболее часто используются электрохимические микробные сенсоры. Принцип функционирования такого сенсора основан на окислении

органических соединений микроорганизмами. В результате окисления уменьшается концентрация кислорода в анализируемом образце, появляются продукты окисления субстратов. Эти изменения могут непосредственно быть зарегистрированы электрохимическими датчиками, например, кислородным электродом [2].

Другим типом микробных биосенсоров являются амперометрические биосенсоры на основе соединений, способных к переносу электронов от активных центров ферментов на электрод — медиаторов электронного транспорта. В каталитическом цикле медиатор сначала реагирует с восстановленным ферментом и затем диффундирует к поверхности электрода, где подвергается быстрой электрохимической реакции с переносом заряда. Отдавая электроны на электрод, сам медиатор окисляется и вступает в новые циклы переноса электронов. При введении субстрата генерация электронов микроорганизмами приводит к увеличению концентрации восстановленного медиатора.

Одним из наиболее предпочтительных биоматериалов при создании биосенсоров являются бактерии ОЫсопоЪаШт охуйат', поскольку они характеризуются широким спектром окисляемых субстратов, высокой эффективностью и быстротой процессов неполного окисления субстратов, энергетически малоэффективной организацией дыхательной цепи. Кроме того, ферменты этого рода бактерий, содержащие кофактор пирролохинолинхинон (РОО), связаны с периплазматической мембраной, что обеспечивает быстрый ответ микробного биосенсора.

Целью данной работы является сравнение характеристик медиаторного биосенсора и биосенсора на основе кислородного электрода с использованием бактерий ОЫсопоЪаШт охуйат' ^Ъ^'р. тйивМив ВКМ В-1280 капсулированных в диализную мембрану.

Клеточное дыхание, возникающее при окислении субстрата глюкозы, регистрировали с помощью преобразователя - многофункционального анализатора Эксперт-001, используя кислородный электрод Кларка, на поверхности которого расположен рецепторный элемент.

Регистрацию ответов медиаторного биосенсора проводили по двухэлектродной схеме. Рабочим электродом служил угольно-пастовый электрод модифицированный ферроценом и клетками О. охуйат, электродом сравнения - насыщенный хлоридсеребряный. Электрохимические измерения проводили при помощи гальванопотенциостата «1РС2000» при постоянном потенциале 250 мВ.

Определены метрологические и аналитические характеристики макетов биосенсоров на основе бактерий ОЫсопоЪаШт охуйат (таблица 1).

Таблица 1. Сравнительная характеристика биосенсоров

Характеристика Медиаторный биосенсор Биосенсор на основе кислородного электрода

Относительное стандартное отклонение S , % г 2,59 4,75

Коэффициент чувствительности 300±100 3 мкА*дм /(мин*моль) -1 3,1±0,6 с

Рабочий диапазон определения глюкозы, ммоль/дм3 13,27-50 0,25 - 2,5

Кажущаяся константа Михаэлиса 3 К' , ммоль/дм М 50±10 2,5±0,5

Нижняя граница определяемых 3 концентраций глюкозы, ммоль/дм 13,27 0,25

Экспрессность, мин 8-14 5-8

Сравнительная оценка характеристик разработанных биосенсоров показывает, что наибольшей кажущейся константой Михаэлиса (50±10 ммоль/дм3) характеризуется медиаторный биосенсор. Наиболее экспрессным (время единичного измерения 5-8 мин) является биосенсор на основе кислородного электрода. При определении низких концентраций глюкозы целесообразно использовать биосенсор на основе кислородного электрода, а при больших концентрациях глюкозы необходимо использовать медиаторный биосенсор. Биосенсор на основе кислородного электрода может быть использован для определения концентрации глюкозы в крови и для анализа винной продукции.

Список литературы /References

1. Решетилов А.Н. Электрохимические биосенсоры на основе микробных клеток, ферментов и антител: Автореф. Дис. Решетилов А.Н. д-ра хим. наук: 03.00.23. Москва, 1998. 43 с.

2. Эггинс Б. Химические и биологические сенсоры. М.: Техносфера, 2005. 336 с.