ГРАФИТОВЫЙ ПЕЧАТНЫЙ ЭЛЕКТРОД

Графитовый печатный электрод для иммобилизации биоматериала может быть использован как при создании биосенсоров, так и при создании электродов биотопливного элемента - анода и/или катода - с целью генерации электроэнергии.
Аналогом графитового печатного электрода для иммобилизации биоматериала является электрохимическая ячейка [Ramanavicius A., Kausaite A., Ramanaviciene A. Potentiometric study of quinohemoprotein alcohol dehydrogenase immobilized on the carbon rod electrode // Sensors and Actuators B: Chemical. 2006. V. 113. №1. P. 435-444], имеющая в своем составе рабочий электрод в виде графитового стержня, на поверхности которого путем кросс-сшивки глутаровым альдегидом иммобилизована PQQ-зависимая алкогольдегидрогеназа штамма Gluconobacter sp., и электрод сравнения, так же представляющий собой графитовый стержень. К недостаткам аналога можно отнести малый максимальный потенциал, генерируемый иммобилизованной АДГ при незамкнутой цепи: -115 мВ относительно графитового электрода сравнения, и небольшое число органических соединений, которые способны окисляться в этой электрохимической ячейке и генерировать разность потенциалов.
Прототипом графитового печатного электрода для иммобилизации биоматериала является электрод, представленный в патенте РФ на полезную модель [Китова А.Е., Решетилов А.Н., Колесов В.В. Биотопливный элемент на основе терморасширенного графита и мембранных фракций Gluconobacter oxydans // Патент РФ на полезную модель №146588. Зарегистрировано 12.09.2014]. Микробный биотопливный элемент на основе мембранных фракций штамма Gluconobacter oxydans ВКМ В-1280, содержит одну кювету, в которую погружены рабочий электрод на основе прессованного терморасширенного графита и мембранных фракций штамма G. oxydans ВКМ В-1280, иммобилизованных в гель хитозана, электрод сравнения (Ag/AgCl), платиновый электрод, окисляемый субстрат. Для усиления сигнала в кювету добавлен медиатор электронного транспорта. Описанная система не обеспечивала высокой стабильности генерируемой сигнала от образца к образцу в силу варьирования площади электрода. Помимо этого в качестве окисляемого субстрата можно использовать только вещества определенных классов, что обусловлено строением клеточной мембраны клеток G. oxydans ВКМ В-1280 и локализацией в ней ферментов.
Задачей технического решения является понижение селективности биотопливного элемента или биосенсора на основе предложенного графитового печатного электрода для иммобилизации биоматериала.
Графитовый печатный электрод для иммобилизации биоматериала, содержащий электрод сравнения, вспомогательный электрод и рабочий электрод, на котором адсорбирован биоматериал, причем дополнительно введена диэлектрическая полимерная подложка под рабочим, вспомогательным электродами и электродом сравнения, вспомогательный и рабочий электрод изготовлены из графитовой пасты, электрод сравнения изготовлен из хлоридсеребряной пасты, все три электрода нанесены методом трафаретной печати на единую диэлектрическую полимерную подложку, на поверхности рабочего электрода дополнительно размещен диск из прессованного терморасширенного графита, а в качестве биоматериала выступают целые клетки бактерий Gluconobacter oxydans ВКМ В-1280.
На фиг. 1 показан графитовый печатный электрод. Графитовый печатный электрод состоит из следующих компонентов: рабочий 1 и вспомогательный 2 электроды из графитовой пасты, электрод сравнения 3 из хлоридсеребряной пасты, контакты 4 из серебряной пасты нанесенные методом трафаретной печати на единую диэлектрическую полимерную подложку 5, изолятор 6, покрывающий контакты 4, диск 7 из прессованного терморасширенного графита, расположен на рабочем электроде 1, который, в свою очередь, покрыт слоем медиатора электронного транспорта 8 и биоматериалом 9.
Принцип работы графитового печатного электрода для иммобилизации биоматериала заключается в следующем:
При использовании графитового печатного электрода для иммобилизации биоматериала в составе биосенсора, с помощью контактов 4 его подключают к потенциостату и помещают в измерительную кювету. В кювету добавляют 4 мл 30 мМ калий-натрий-фосфатного буферного раствора (рН 6,0), создают разность потенциалов между рабочим электродом 1 и электродом сравнения 3, и регистрируют фоновую силу тока, проходящего через рабочий электрод 1. Затем вводят пробу, содержащую анализируемое вещество (100 мкл). Биоматериал 9 окисляет анализируемое вещество, избыток электронов переносится с помощью медиатора электронного транспорта 8 на диск 7 из прессованного терморасширенного графита, а затем на рабочий электрод 1. Измеряемым параметром является амплитуда изменения силы тока при введении пробы. При использовании графитового печатного электрода для иммобилизации биоматериала в составе биотопливного элемента (БТЭ), его помещают в анодное отделение БТЭ. Измерение его характеристик по стандартной трехэлектродной схеме дает полное представление о его функционировании в составе БТЭ. При этом отпадает необходимость измерять параметры предлагаемого электрода в системе БТЭ, содержащей двухэлектродную ячейку.
Использование графитового печатного электрода для иммобилизации биоматериала позволяет получить коэффициент чувствительности по отношению к глюкозе 0,14 мкА/мМ. Воспроизводимость (коэффициент вариации) результатов анализа при этом составляет 5%. Длительность функционирования графитового печатного электрода для иммобилизации биоматериала без потери стабильности составляет 10 измерений.
Таким образом, графитовый печатный электрод для иммобилизации биоматериала может быть использован в биосенсорах, в биотопливных элементах, представляющих устройства малой энергетики, для создания стационарных источников питания с невысокими уровнями отдаваемой энергии; для выполнения научных исследований; в медицине для оснащения миниатюрных модулей типа насосов для подачи лекарственных соединений.