РОЗРОБКА МАТЕМАТИЧНОЇ МОДЕЛІ ПОТЕНЦІОМЕТРИЧНОГО БІОСЕНСОРУ НА ОСНОВІ ЗВОРОТНОГО ІНГІБУВАННЯ АЦЕТИЛХОЛІНЕСТЕРАЗИ ДЛЯ ВИЗНАЧЕННЯ АФЛАТОКСИНУ В1

K. Stepurska, S. Dzyadevych

Анотація


В даній роботі розроблено математичну модель потенціометричного біосенсору на основі зворотного інгібування ацетилхолінестерази для визначення афлатоксину В1. Для валідації моделі та порівняння використано існуючий потенціометричний біосенсор на основі іммобілізованої ацетилхолінестерази. Математична модель представлена системою диференційних рівнянь, які описують динаміку біохімічних реакцій, на яких ґрунтується робота біосенсору. Кожне рівняння описує концентрації ферменту, субстрату, інгібітору, продукту або концентрації фермент-субстратного, фермент-інгібіторного, фермент-субстрат-інгібіторного комплексів в залежності від часу. Система розв’язана чисельно за допомогою програмного забезпечення Wolfram Mathematica. Вхідними параметрами системи є початкові концентрації ферменту, субстрату та інгібітору (2×10-5 М ацетилхолінестерази, 4×10-3 М ацетилхолін хлориду та 0,2 мкг/мл афлатоксину В1 відповідно), які є експериментально розрахованими. Константи швидкостей ферментативних реакцій підібрані так, щоб моделювання відгуку біосенсору відповідало експерименту. Показано, що розроблена кінетична модель дозволяє адекватно описати роботу реального потенціометричного біосенсору.

Ключові слова


математична модель; біосенсор; ацетилхолінестераза; інгібіторний аналіз; ферментативна кінетика; афлатоксин В1

Посилання


L. D. Mell and J. T. Maloy, A model for the amperometric enzyme electrode obtained through digital simulation and applied to the immobilized glucose oxidase system // Anal. Chem., vol. 47, no. 2, pp. 299–307, 1975.

N. Gajovic, A. Warsinke, T. Huang, T. Schulmeister, and F. W. Scheller, Characterization and Mathematical Modeling of a Bienzyme Electrode for l-Malate with Cofactor Recycling // Anal.Chem., vol. 71, no. 20, pp. 4657-4662, 1999.

M. R. Romero, A. M. Baruzzi, and F. Garay, Mathematical modeling and experimental results of a sandwich-type amperometric biosensor // Sensors Actuators, B Chem., vol. 162, no. 1, pp. 284-291, 2012.

S. Loghambal and L. Rajendran, Mathematical modeling of diffusion and kinetics in amperometric immobilized enzyme electrodes // Electrochim. Acta, vol. 55, no. 18, pp. 5230–5238, 2010.

S. Loghambal and L. Rajendran, Mathematical modeling in amperometric oxidase enzyme-membrane electrodes // J. Memb. Sci., vol. 373, no. 1–2, pp. 20–28, 2011.

A. Meena and L. Rajendran, Mathematical modeling of amperometric and potentiometric biosensors and system of non-linear equations - Homotopy perturbation approach // J. Electroanal. Chem., vol. 644, no. 1, pp. 50–59, 2010.

V. Ašeris, E. Gaidamauskaitė, J. Kulys, and R. Baronas, Modelling glucose dehydrogenase-based amperometric biosensor utilizing synergistic substrates conversion // Electrochim. Acta, vol. 146, pp. 752–758, 2014.

V. Ašeris, R. Baronas, and J. Kulys, Modelling the biosensor utilising parallel substrates conversion // J. Electroanal. Chem., vol. 685, pp. 63–71, 2012.

F. Arduini and A. Amine, Biosensors Based on Enzyme Inhibition // Adv. Biochem. Eng. Biotechnol., vol. 140, pp. 299–326, 2014.

L. S. B. Upadhyay and N. Verma, Enzyme Inhibition Based Biosensors: A Review // Anal. Lett., vol. 46, no. June 2014, pp. 225–241, 2012.

K. V. Stepurska, О. О. Soldatkin, I. S. Kucherenko, V. M. Arkhypova, S. V. Dzyadevych, and A. P. Soldatkin, Feasibility of application of conductometric biosensor based on acetylcholinesterase for the inhibitory analysis of toxic compounds of different nature // Anal. Chim. Acta, vol. 854, pp. 161–168, 2015.

V. Dhull, A. Gahlaut, N. Dilbaghi, and V. Hooda, Acetylcholinesterase biosensors for electrochemical detection of organophosphorus compounds: A review // Biochem. Res. Int., vol. 2013, pp. 1–18, 2013.

F. Achi, S. Bourouina-Bacha, M. Bourouina, and a. Amine, Mathematical model and numerical simulation of inhibition based biosensor for the detection of Hg(II) // Sensors Actuators B Chem., vol. 207, pp. 413-423, 2015.

K. V. Stepurska, O. O. Soldatkin, V. M. Arkhypova, a. P. Soldatkin, F. Lagarde, N. Jaffrezic-Renault, and S. V. Dzyadevych, Development of novel enzyme potentiometric biosensor based on pH-sensitive field-effect transistors for aflatoxin B1 analysis in real samples // Talanta, vol. 144, pp. 1079–1084, 2015.

M. Pohanka, Spectrophotomeric Assay of Aflatoxin B1 Using Acetylcholinesterase Immobilized on Standard Microplates // Anal. Lett., vol. 46, no. 8, pp. 1306–1315, 2013.




DOI: https://doi.org/10.18524/1815-7459.2016.1.70328

Посилання

  • Поки немає зовнішніх посилань.


Copyright (c) 2016 Сенсорна електроніка і мікросистемні технології

ISSN 1815-7459 (Print), 2415-3508 (Online)