НОВИЙ КОНДУКТОМЕТРИЧНИЙ БІОСЕНСОР НА ОСНОВІ АДСОРБОВАНОЇ НА СИЛІКАЛІТІ РЕКОМБІНАНТНОЇ УРЕАЗИ
DOI:
https://doi.org/10.18524/1815-7459.2025.4.347720Ключові слова:
сечовина, рекомбінантна уреаза, ниркова недостатність, медична діагностика, кондуктометрія, біосенсор, силікаліт, цеолітиАнотація
Дана експериментальна робота присвячена розробленню нового кондуктометричного біосенсора з покращеними аналітичними характеристиками для кількісної детекції сечовини. Біоселективний елемент біосенсора було виготовлено шляхом адсорбції рекомбінантної уреази на кондуктометричному перетворювачі, модифікованому тонким шаром нанопористих частинок силікаліту (d = 250 нм). Під час розробки біосенсора було вивчено вплив параметрів розчину на його функціонування. Досліджено величину відгуків біосенсора на основі рекомбінантної уреази в залежності від концентрації білку в аналізованому розчині. Перевірено, як змінюються відгуки запропонованого біосенсора при різній іоній силі та буферній ємності аналізованого розчину. Розроблений біосенсор мав ряд важливих переваг, таких як швидкість відгуку, простота використання, відсутність потреби у застосуванні токсичних агентів при виготовленні, висока відтворюваність сигналів при безперервній роботі (RSD = 5%), розширений лінійний діапазон знаходився в межах 0,02–9 мМ, висока операційна стабільність протягом щонайменше 19 днів зберігання. Відповідно, враховуючи високі аналітичні параметри розробки, було доведено перспективність застосування біосенсора на основі рекомбінантної уреази, адсорбованої на силікаліті, для медичної діагностики концентрації сечовини в складних багатокомпонентних біологічних рідинах.
Посилання
Dhawan G., Sumana G., Malhotra B. D. Recent developments in urea biosensors. Biochem. Eng. J.. 2009. Vol. 44, iss. 1. P. 42–52. https://doi.org/10.1016/j.bej.2008.07.004
Nktel A.-S. F., Nadhim M. H., Nawar H. Y. Serological, culture and urea breath test for detection of H. pylori in gastric ulcers patients. Indian J Forensic Med Toxicol. 2020. Vol. 14, iss. 4. P. 1317–1322. https://doi.org/10.37506/ijfmt.v14i4.11781
Wu E., Wei G.-F., Li Y., Du M.-K., Ni J.-T. Serum urea concentration and risk of 16 site-specific cancers, overall cancer, and cancer mortality in individuals with metabolic syndrome: a cohort study. BMC Medicine. 2024. Vol. 22, iss. 1. Article 536. https://doi.org/10.1186/s12916-024-03758-5
Adeyomoye O. I., Akintayo C. O., Omotuyi K. P., Adewumi A. N. The biological roles of urea: a review of preclinical studies. Indian J. Nephrol. 2022. Vol. 32, iss. 6. P. 539–545. https://doi.org/10.4103/ijn.ijn_88_21
Mehta A. R. Why does the plasma urea concentration increase in acute dehydration? Adv. Physiol. Educ. 2008. Vol. 32, iss. 4. Article 336. https://doi.org/10.1152/advan.90185.2008
Witting M. D., Magder L., Heins A. E., Mattu A., Granja C. A., Baumgarten M. ED predictors of upper gastrointestinal tract bleeding in patients without hematemesis. Am. J. Emerg. Med. 2006. Vol. 24, iss. 3. P. 280–285. https://doi.org/10.1016/j.ajem.2005.11.005
Vanholder R., Gryp T., Glorieux G. Urea and chronic kidney disease: the comeback of the century? (in uraemia research). Nephrol. Dial. Transplant. 2018. Vol. 33, iss. 1. P. 4–12. https://doi.org/10.1093/ndt/gfx039
Koncki R. Recent developments in potentiometric biosensors for biomedical analysis. Anal. Chim. Acta. 2007. Vol. 599, iss. 1. P. 7–15. https://doi.org/10.1016/j.aca.2007.08.003
Chirizzi D., Malitesta C. Potentiometric urea biosensor based on urease immobilized by an electrosynthesized poly (ophenylenediamine) film with buffering capability. Sens. Actuators B. 2011. Vol. 157, iss. 1. P. 211–215. https://doi.org/10.1016/j.snb.2011.03.051
Fink D., Hernandez G. M., Alfonta L. Ion track-based urea sensing. Sens. Actuators, B. 2011. Vol. 156, iss. 1. P. 467–470. https://doi.org/10.1016/j.snb.2011.04.054
Santos Neto J. H., dos Santos L. O., dos Santos A. M. P., Novaes C. G., Costa Ferreira S. L. A new and accessible instrumentation to determine urea in UHT milk using digital image analysis. Food Chem. 2022. Vol. 381. Article 132221. https://doi.org/10.1016/j.foodchem.2022.132221
Shalileh F., Sabahi H., Dadmehr M., Hosseini M. Sensing approaches toward detection of urea adulteration in milk. Microchem. J. 2023. Vol. 193. Article 108990. https://doi.org/10.1016/j.microc.2023.108990
Scherger L. E., Zanello V., Lexow C. Impact of urea and ammoniacal nitrogen wastewaters on soil: field study in a fertilizer industry (Bahía Blanca, Argentina). Bulletin of Environmental Contamination and Toxicology. 2021. Vol. 107. P. 565–573. https://doi.org/10.1007/s00128-021-03280-x
Gobler C. J., Burson A., Koch F., Tang Y., Mulholland M. R. The role of nitrogenous nutrients in the occurrence of harmful algal blooms caused by Cochlodinium polykrikoides in New York estuaries (USA). Harmful Algae. 2012. Vol. 17. P. 64–74. https://doi.org/10.1016/j.hal.2012.03.001
Lu K., Liu Z., Dai R., Gardner W. S. Urea dynamics during Lake Taihu cyanobacterial blooms in China. Harmful Algae. 2019. Vol. 84, P. 233–243. https://doi.org/10.1016/j.hal.2019.03.010
Curtin D., Peterson M. E., Qiu W., Fraser P. M. Predicting soil pH changes in response to application of urea and sheep urine. J. Environ. Qual. 2020. Vol. 49, iss. 5. P. 1445–1452. https://doi.org/10.1002/jeq2.20130
Tserng K. Y., Kalhan S. C. Gas chromatography/mass spectrometric determination of [15N]urea in plasma and application to urea metabolism study. Anal. Chem. 1982. Vol. 54, iss. 3. P. 489–491. https://doi.org/10.1021/ac00240a031
Patton C. J., Crouch S. R. Spectrophotometric and kinetics investigation of the Berthelot reaction for the determination of ammonia. Anal. Chem. 1977. Vol. 49, iss. 3. P. 464–469. https://doi.org/10.1021/ac50011a034
Gaddes D. E., Demirel M. C., Reeves W. B., Tadigadapa S. Remote calorimetric detection of urea via flow injection analysis. Analyst. 2015. Vol. 140, iss. 23. P. 8033–8040.
Abdel-Latif M. S., Guilbault G. G. Fluorometric determination of urea by flow injection analysis. J. Biotechnol. 1990. Vol. 14, iss. 1. P. 53–61. https://doi.org/10.1016/0168-1656(90)90017-6
Liu D., Meyerhoff M. E., Goldberg H. D., Brown R. B. Potentiometric ion- and bioselective electrodes based on asymmetric polyurethane membranes. Anal. Chim. Acta. 1993. Vol. 274, iss. 1. P. 37–46. https://doi.org/10.1016/0003-2670(93)80602-H
Adeloju S. B., Shaw S. J., Wallace G. G. Polypyrrole-based potentiometric biosensor for urea. Part 2. Analytical optimization. Anal. Chim. Acta 1993. Vol. 281, iss. 3. P. 621–627. https://doi.org/10.1016/0003-2670(93)85023-D
Lakard B., Herlem G., Lakard S., Antoniou A., Fahys B. Urea potentiometric biosensor based on modified electrodes with urease immobilized on polyethylenimine films. Biosens. Bioelectron. 2004. Vol. 19, iss. 12. P. 1641–1647. https://doi.org/10.1016/j.bios.2003.12.035
Chen K., Liu D., Nie L., Yao S. Determination of urea in urine using a conductivity cell with surface acoustic wave resonator-based measurement circuit. Talanta. 1994. Vol. 41, iss. 12. P. 2195–2200. https://doi.org/10.1016/0039-9140(94)00197-9
Sangodkar H., Sukeerthi S., Srinivasa R. S., Lal R., Contractor Q. A biosensor array based on polyaniline. Anal. Chem. 1996. Vol. 68, iss. 5. P. 779–783. https://doi.org/10.1021/ac950655w
Jdanova A. S., Poyard S., Soldatkin A. P., Jaffrezic-Renault N., Martelet C. Conductometric urea sensor. Use of additional membranes for the improvement of its analytical characteristics. Anal. Chim. Acta. Vol. 321, iss. 1. P. 35–40. https://doi.org/10.1016/0003-2670(95)00548-X
Adeloju S. B., Shaw S. J., Wallace G. G. Polypyrrole-based amperometric flow injection biosensor for urea. Anal. Chim. Acta. 1996. Vol. 323, iss. 1–3. P. 107–113. https://doi.org/10.1016/0003-2670(95)00562-5
Adeloju S. B., Shaw S. J., Wallace G. G. Pulsed-amperometric detection of urea in blood samples on a conducting polypyrrole-urease biosensor. Anal. Chim. Acta. 1997. Vol. 341, iss. 2–3. P. 155–160. https://doi.org/10.1016/S0003-2670(96)00502-8
Rajesh, V. Bisht, W. Takashima, K. Kaneto. An amperometric urea biosensor based on covalent immobilization of urease onto an electrochemically prepared copolymer poly (N-3-aminopropyl pyrrole-co-pyrrole) film. Biomaterials. 2005. Vol. 26, iss. 17. P. 3683–3690. https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2004.09.024
Yoneyama K., Fujino Y., Osaka T., Satoh I Amperometric sensing system for the detection of urea by a combination of the pH-stat method and flow injection analysis. Sens. Actuators B Chem. 2001. Vol. 76, iss. 1–3. P. 152–157. https://doi.org/10.1016/S0925-4005(01)00613-X
Kanungo M., Kumar A., Contractor A. Q. Studies on electropolymerization of aniline in the presence of sodium dodecyl sulfate and its application in sensing urea. J. Electroanal. Chem. 2002. Vol. 528, iss. 1–2. P. 46–56. https://doi.org/10.1016/S0022-0728(02)00770-2
Jiménez C., Bartrol J., De Rooij N. F., Koudelka-Hep M. Use of photopolymerizable membranes based on polyacrylamide hydrogels for enzymatic microsensor construction. Anal. Chim. Acta. 1997. Vol. 351, iss. 1–3. P. 169–176. https://doi.org/10.1016/S0003-2670(97)00332-2
Komaba S., Seyama M., Momma T., Osaka T. Potentiometric biosensor for urea based on electropolymerized electroinactive polypyrrole. Electrochim. Acta. 1997. Vol. 42, iss. 3. P. 383–388. https://doi.org/10.1016/S0013-4686(96)00226-5
Tinkilic N., Cubuk O., Isildak I. Glucose and urea biosensors based on all solidstate PVC–NH 2 membrane electrodes. Anal. Chim. Acta. 2002. Vol. 452, iss. 1. P. 29–34. https://doi.org/10.1016/S0003-2670(01)01441-6
Hamlaoui M. L., Reybier K., Marrakchi M., Jaffrezic-Renault N., Martelet C., Kherrat R., Walcarius A. Development of a urea biosensor based on a polymeric membrane including zeolite. Anal. Chim. Acta. 2002. Vol. 466, iss. 1. P. 39–45. https://doi.org/10.1016/S0003-2670(02)00548-2
Wu J., Li X., Yan Y., Hu Y., Zhang Y., Tang Y. Protein adsorption onto nanozeolite: effect of micropore openings. J. Coll. Interface Sci. 2013. Vol. 406. P. 130–138. https://doi.org/10.1016/j.jcis.2013.05.073
Kaur B., Srivastava R. Synthesis of ionic liquids coated nanocrystalline zeolite materials and their application in the simultaneous determination of adenine, cytosine, guanine, and thymine. Electrochim. Acta. 2014. Vol. 133. P. 428–439. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2014.04.019
Liu B., Hu R., Deng J. Characterization of immobilization of an enzyme in a modified Y zeolite matrix and its application to an amperometric glucose biosensor. Anal. Chem. 1997. Vol. 69, iss. 13. P. 2343–2348. https://doi.org/10.1021/ac960930u
Liu B., Liu Z., Chen D., Kong J., Deng J. An amperometric biosensor based on the coimmobilization of horseradish peroxidase and methylene blue on a beta-type zeolite modified electrode. Fresenius. J. Anal. Chem. 2000. Vol. 367, iss. 6. P. 539–544. https://doi.org/10.1007/s002160000373
Soldatkin O. O., Kucherenko I. S., Marchenko S. V., Ozansoy Kasap B., Akata B., Soldatkin A. P., Dzyadevych S. V. Application of enzyme/zeolite sensor for urea analysis in serum. Mater. Sci. Eng. C. 2014. Vol. 42. P. 155–160. https://doi.org/10.1016/j.msec.2014.05.028
Soldatkin O. O., Kucherenko I. S., Pyeshkova V. M., Kukla A. L., Jaffrezic-Renault N., El’skaya A. V., Dzyadevych S. V., Soldatkin A. P. Novel conductometric biosensor based on three-enzyme system for selective determination of heavy metal ions. Bioelectrochemistry. 2012. Vol. 83, iss. 1. P. 25–30. https://doi.org/10.1016/j.bioelechem.2011.08.001
Kucherenko I. S., Soldatkin O. O., Kasap B. O., Öztürk S., Akata B., Soldatkin A. P., Dzyadevych S. V. Elaboration of urease adsorption on silicalite for biosensor creation. Electroanalysis. 2012. Vol. 24, iss. 6. P. 1380–1385. https://doi.org/10.1002/elan.201200056
Jaffrezic-Renault N., Dzyadevych S. V. Conductometric microbiosensors for environmental monitoring. Sensors. 2008. Vol. 8, iss. 4. P. 2569–2588. https://doi.org/10.3390/s8042569
##submission.downloads##
Опубліковано
Як цитувати
Номер
Розділ
Ліцензія
Авторське право (c) 2025 Сенсорна електроніка і мікросистемні технології
Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License.
Авторське право на публікації переходить Видавцю.
