Тезисы
апрель 2017

Розвиток і сучасний стан технології виготовлення біосенсорів сечовини


Третяк Д. В. , Дудко В. О. , Каздобін К. О. , Ходикіна М. О.
Химия и современные технологии
Abstract / Full Text

Сечовина широко поширена в природі і її аналіз часто застосовується в клінічній і сільськогосподарській хімії. Відомо, що вона є маркером для оцінки рівня уремічних токсинів. Нормальний рівень сечовини в сироватці крові становить від 15 до 40 мг/дл (2,5-7,5 ммоль/л). У хворих, які страждають на ниркову недостатність, концентрації сечовини в сироватці крові варіюються від 180 до 480 мг/дл і при зростанні рівня вище 180 мг/дл хворим потрібно проводити гемодіаліз. Крім клінічних застосувань, існує попит, що невпинно зростає на надійні і перевірені прилади для оцінки сечовини в інших областях (наприклад, харчовій технології і моніторинг навколишнього середовища).

Ферментні біосенсори у своїй роботі використовують біоселективну ферментну реакцію. При виготовленні біосенсора сечовини, найбільш часто використовується уреаза в якості біочутливого елемента. Аналізована речовина (сечовина) і фермент (уреаза) взаємодіють з утворенням продукту (іона амонію), який можна виявити кількісно за допомогою датчика (амперометричного, потенціометричного, оптичного, теплового чи п'єзоелектричного). Ферментативну реакцію сечовини з уреазою показано в наступному рівнянні:

Багато матриць (наприклад, полімери, золь-гелі, провідні полімери, плівки Ленгмюра-Блоджетт, наноматеріали і самоорганізовані моношари) були використані для підтримання і надання стабільності біомолекулам до впливу змін температури, рН та іонної сили, збільшення терміну придатності при зберіганні і зменшення вартості виготовлення біосенсора сечовини. Для оптимальної біостійкості і полегшення проходження реакції, кращою є та матриця, яка ізолює необхідні біомолекули, захищаючи їх від агрегації і мікробної атаки, забезпечуючи місцеве водне мікросередовище, таке ж як в біологічних середовищах [1].

Гілболт і Монтальво були першими, хто виготовив потенціометричний уреаза-ферментний електрод для оцінки вмісту сечовини через ферментативний гідроліз. Аналітичний сигнал цього біосенсора являв собою потенціал катіон-селективного скляного електрода для вимірювання активності іонів амонію, що утворилися шляхом уреаза-каталізованого гідролізу [2].

Великі зусилля були зроблені для виготовлення карбамідних біосенсорів з використанням різних полімерних матриць, таких як поліефір фосфін оксид, полігалактуронат, поліуретанакрилат, акрилонітрил, гідроксиапатит, альгінат, бичачий сироватковий альбумін, полівініл-ферроцен, поліетиленімін, синтетичний латекс, активований полівініловий спирт (ПВС), полівінілхлорид (ПВХ) і хітозан. Ці матеріали забезпечують механічну міцність і довгострокову стабільність у ролі матриці для іммобілізації ферментів. Існують різні методи, за допомогою яких ферменти можуть бути іммобілізовані, починаючи від ковалентного хімічного зв'язку до фізичного накопичення.

Технологія Ленгмюра-Блоджетт розглядається як зручний інструмент для проектування штучних систем з біологічними функціями (наприклад, біосенсори), де ультра-тонкі плівки, які містять біомолекули, що зберігають високу ферментативну активність. Високостабільні моношари уреази були іммобілізовані на гідрофобній поверхні модифікованої октадецилсиланової SiO2/Si підкладки з використанням методу осадження Ленгмюра-Блоджетт. Було з’ясовано, що чутливість виявлення сечовини в цій системі фермент/діелектрик/напівпровідник досягає 22 мВ/ммоль.

Золоті наночастинки були вивчені для виготовлення біосенсора, оскільки біологічні молекули можуть зберігати свою активність при адсорбції на них. На наночастинках золота ферменти можуть бути іммобілізовані шляхом хімічної адсорбції. Було розроблено сенсор, на основі самоорганізованих наночастинок золота на етилендиамін-полівінілхлориді (PVC-NH2) з мембранним рН-електродом. Перевага використання самоорганізованих наночасток золота полягає в тому, що неактивні шари денатурованого ферменту можуть бути змиті за допомогою сольового розчину з використанням кислотного і лужного промивання послідовно [3].

Отже, пошук нових перспективних матеріалів є важливою областю сучасних досліджень. Електрохімічні нанобіосенсори без сумніву, є важливим кроком до розвитку селективних, чутливих пристроїв діагностування. Очікується, що такі пристрої будуть розвиватися у вигляді надійного методу діагностики, для виготовлення біосенсорів і для визначення сечовини in vivo , а також як сенсори багатокомпонентних аналітів з підвищеною економічною ефективністю.

References
  1. Taylor, A. J., and P. Vadgama. "Analytical reviews in clinical biochemistry: the estimation of urea." Annals of clinical biochemistry 29.3 (1992): 245-264
  2. Guilbault, George G., and Joe G. Montalvo Jr. "An improved urea specific enzyme electrode." Analytical Letters 2.5 (1969): 283-293
  3. Dhawan, Gunjan, Gajjala Sumana, and B. D. Malhotra. "Recent developments in urea biosensors." Biochemical Engineering Journal 44.1 (2009): 42-52