МОДЕЛЮВАННЯ ВІДГУКУ ФЕРМЕНТНОГО ПОТЕНЦІОМЕТРИЧНОГО БІОСЕНСОРА НА ОСНОВІ pН-ЧУТЛИВИХ ПОЛЬОВИХ ТРАНЗИСТОРІВ ДЛЯ ВИЗНАЧЕННЯ КРЕАТИНІНУ
DOI:
https://doi.org/10.18524/1815-7459.2025.2.333195Ключові слова:
потенціометричний біосенсор, рН-чутливий польовий транзистор, креатинін, фермент креатиніндеіміназа, математична модель відгукуАнотація
В роботі проведено моделювання кінетики відгуків потенціометричного біосенсора на основі диференційного рН-чутливого польового транзистору (рН-ПТ) для визначення креатиніну із використанням біоселективного елементу – ферменту креатиніндеіміназа. При моделюванні враховано такі характеристики рН-ПТ як порогова напруга та крутість перехідної ВАХ транзистора, склад та густина функціональних груп на поверхні двошарового затворного діелектрика оксид-нітрид кремнію. Показано еволюцію зміни величини рН розчину поблизу поверхні транзистора у відповідь на внесення креатиніну та відповідну кінетику відгуку біосенсора. Розглянуто вплив іммобілізації ферменту в фотополімерній матриці PVA-SbQ на концентрацію ферменту в біоселективній мембрані та теоретично досліджено вплив іонної сили буферного розчину на відгук біосенсора.
Проведено порівняння отриманих модельних результатів з експериментальними відгуками рН-ПТ біосенсора для креатиніну в діапазоні концентрацій субстрату 1-10 мМ та показано їх хорошу відповідність. Середня похибка моделювання складала не більше 2% величини відгуку на внесення 1 мМ креатиніну. Показано, що розраховані значення чутливості розглядуваних рН-ПТ знаходяться в діапазоні 35-40 мВ/рН для робочих величин рН розчину, що відповідає реальним зразкам датчиків.
Посилання
Öndeş B., Akpınar F., Uygun M., Muti M., Uygun D. A. High stability potentiometric urea biosensor based on enzyme attached nanoparticles. Microchem. J., 2021, 160, 105667.
Mu J., Lin J., Huang P., Chen X. Development of endogenous enzyme-responsive nanomaterials for theranostics. Chem. Soc. Rev., 2018, 47(15), p. 5554–5573.
Sinha S., Sahu N., Bhardwaj R., Ahuja H., Sharma R., Mukhiya R., Shekhar C. Modeling and simulation of temporal and temperature drift for the development of an accurate ISFET SPICE macromodel. J. Comput. Electron., 2020, 19(1), p. 367–386.
Katz E., Poghossian A., Schöning M. J. Enzyme-based logic gates and circuits – Analytical applications and interfacing with electronics. Anal. Bioanal. Chem, 2017, 409, p. 81–94.
Loew N., Ofuji T., Shitanda I., Hoshi Y., Kitazumi Y., Kano K., Itagaki M. Cyclic voltammetry and electrochemical impedance simulations of the mediator-type enzyme electrode reaction using finite element method. Electrochim. Acta, 2021, 367, 137483.
R. E. G. van Hal, J. C. T. Eijkel, P. Bergveld novel description of ISFET sensitivity with the buffer capacity and double-layer capacitance as key parameters. Sens. Act., B 24-25, 1995, p. 201–205.
Arkhypova V. N., Dzyadevych S. V., Soldatkin A. P., Anna V., Martelet C., Jaffrezic-Renault N. Development and optimisation of biosensors based on pH-sensitive field effect transistors and cholinesterases for sensitive detection of solanaceous glycoalkaloids. Biosens. Bioelect., 2003, 18(8), p. 1047–1053.
Marchenko S. V., Soldatkin O. O., Kasap B. O., Kurc B. A., Soldatkin A. P., Dzyadevych S. V. Creatinine deiminase adsorption onto silicalite-modified pH-FET for creation of new creatinine-sensitive biosensor. Nanoscale Res. Lett. 2016, 11, p. 1–7.
V. M. Arkhypova, I. S. Knyr, V. A. Bakhmat, Y. V. Karpenko, O. O. Soldatkin, S. V. Dzyadevych Comparison of creatinine deiminase immobilization methods for design of potentiometric biosensors for creatinine detection. Sens. elektron. mikrosist. tehnol., 2024, 21(3), p. 4–15.
S. V. Marchenko, O. A. Nazarenko, O. L. Kukla, O. S. Pavluchenko, E. K. Krasjuk, O. P. Soldatkin. Development of creatinine-sensitive biosensor for medical application. Sens. elektron. mikrosist. tehnol., 2009, No. 4, p. 55–62.
Pavluchenko A. S., Kukla A. L., Goltvianskyi Yu. V., Soldatkin O. O., Arkhypova V. M., Dzyadevych S. V., Soldatkin A. P. Investigation of stability of the pH-sensitive field-effect transistor characteristics. Sens. Lett., 2011, 9(6), p. 2392–2396.
O. O. Soldatkin, S. V. Marchenko, A. L. Kukla, A. S. Pavluchenko, S. V. Dzyadevych, A. P. Soldatkin. Multibiosensor system based on pH-sensitive field-effect transistors for simultaneous determination of Glucose, Creatinine and Urea. Sens. elektron. mikrosist. tehnol., 2018, 15(2), p. 54–66.
Won Y. Yang, Jaekwon Kim, Kyung W. Park, Donghyun Baek, Sungjoon Lim, Jin-gon Joung, Suhyun Park, Han L. Lee, Woo June Choi, and Taeho Im. Electronic circuits with MATLAB, PSpice, and Smith Chart. John Wiley & Sons, Inc, 2020, p. 865.
Wrege R., Schneider M. C., Guimarães J. G., Galup-Montoro C. ISFETs: theory, modeling and chip for characterization. IEEE 10th Latin American Symposium on Circuits & Systems (LASCAS), 2019, p. 109–112.
Sinha S., Rathore R., Sinha S.K., Sharma R., Mukhiya R., Khanna V. K. Modeling and simulation of ISFET microsensor for different sensing films. ISSS international conference on smart materials, structures and systems, 2014.
Bard A. J., Faulkner L. R., White H. S. Electrochemical methods: fundamentals and applications. John Wiley & Sons, 2022, p. 580.
Bergveld, P. ISFET, theory and practice. IEEE Sensor Conference, Toronto, 2003, p. 328.
Temple-Boyer P., Le Gal J., Pourciel-Gouzy M. L., Sant W., Martinez A. Modeling of EnFETs for the creatinine detection. Sens. Act. B, 2006, 118 (1-2), p. 47-52.
Baronas R., Ivanauskas F., Kulys J. Mathematical modeling of biosensors. Springer International Publishing, 2021, p. 456.
Marcenyuk, V. P., Sverstyuk, A. S., Andrushchak I. E. Podhod k issledovaniyu global’noy asimptoticheskoy ustoychivosti reshetchatyh differentsial’nykh uravneniy s zapazdyvaniem dlya modelirovaniya immunosensorov. Problemy upravleniya i informatiki, 2019, 1, p. 62-74. [in Russian].
Rambod E., Beizai M., Rosenfeld M. An experimental and numerical study of the flow and mass transfer in a model of the wearable artificial kidney dialyzer. Biomed. Eng. Online, 2010, 9, p. 1–22.
Dzyadevych S. V., Soldatkin O. P. Naukovi ta tekhnolohichni zasady stvorennia miniatiurnykh elektrokhimichnykh biosensoriv. Kyiv: Naukova dumka, 2006. [in Ukrainian].
Arora N. D., Hauser J. R., Roulston D. J. Electron and hole mobilities in silicon as a function of concentration and temperature. IEEE Transactions on electron devices, 1982, 29(2), p. 292-295.
Lozovoy S., Kukla A., Pavluchenko A. Investigation of metrological performance of the ISFET-based pH sensors. Sensors & Transducers, 2014, 27(5), p. 225.
Aouni F., Mlika R., Martelet C., Ouada H. B., Jaffrezic-Renault N., Soldatkin A. P. Modeling of the potentiometric response of ENFETs based on enzymatic multilayer membranes. Electroanalysis, 2004, 16(22), p. 1907–1911.
Niu M. N., Ding X. F., Tong Q. Y. Effect of two types of surface sites on the characteristics of Si3N4-gate pH-ISFETs. Sens. Act. B, 1996, 37(1-2), p. 13–17.
##submission.downloads##
Опубліковано
Як цитувати
Номер
Розділ
Ліцензія
Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License.
Авторське право на публікації переходить Видавцю.
