Биосенсоры на основе модифицированных печатных электродов для контроля биотехнологических процессов и экологического мониторинга

• Автор: Каманин, Станислав Сергеевич
• Шифр специальности: 03.01.06
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2015
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 120 с. : ил.

Содержание
Биосенсоры на основе модифицированных печатных электродов для контроля биотехнологических процессов и экологического мониторинга
Содержание

Список сокращений

Введение
Цель работы

Научная новизна

Практическая значимость

Апробация работы и публикации

1 Литературный обзор

1.1 Медиаторные биосенсоры. Медиаторы электронного транспорта

1.1.1 Свойства Берлинской лазури. Биосенсоры на основе Берлинской лазури
1.1.2 Химические, физические и электрохимические свойства ферроцена и его производных
1.1.3 Использование медиаторов фенотиазинового ряда в биосенсорах
1.1.4 Нейтральный красный как медиатор электронного транспорта в биосенсорике
1.1.5 Иммобилизация биологического компонента биосснсора в массу носителя
1.2 Использование печатных электродов в биосенсорах
1.2.1 Конфигурация печатных электродов, используемых в биосенсорике.
1.2.2 Определение глюкозы с помощью печатных биосенсоров
1.2.3 Анализ этанола с помощью ферментных биосенсоров на основе печатных электродов
1.2.4 Использование биосенсоров на основе печатных электродов для определения содержания лактата
1.2.5 Биосенсоры на основе печатных электродов для определения
содержания крахмала

1.3 Использование микроорганизмов в конструкции биосенсоров
1.3.1 Бактерии Gluconobacter oxydans
1.4 Заключение
2 Экспериментальная часть
2.1 Проведение биосенсорпых измерений с использованием печатных
электродов
2.2 Биосенсорные измерения с использованием кислородных электродов
2.3 Ферментные препараты
2.4 Иммобилизация фермента с использованием полимерной мембраны
Nafïon-
2.5 Иммобилизация фермента с использованием поливинилового спирта
(ПВС), модифицированного N-винилпирролидоном
2.6 Иммобилизация фермента включением в агаровый гель
2.7 Иммобилизация фермента в гибридную композицию кремнийорганический золъ-гелъ/ПВС
2.8 Иммобилизация фермента в золь-гель матрицу ТЭОС и
метилтриэтоксисилана (МТЭОС)
2.9 Иммобилизация ферментов в гель поперечно-сшитого бычьего
сывороточного альбумина
2.10 Культивирование клеток Gluconobacter oxydans
2.11 Модификация печатных электродов бактериями G. oxydans
2.12 Формирование рецепторного элемента биосенсора на основе кислородного
электрода
2.13 Сканирующая электронная микроскопия (СЭМ)
2.14 Определение содержания глюкозы и крахмала методом
высокоэффективной жидкостной хроматографии
2.15 Определение содержания этанола методом газовой хроматографии
2.16 Определение содержания лактата методом капиллярного
электрофореза
2.17 Определение БПК5 стандартным методом разбавления

2.18 Модельный процесс брожения и получение сброженной массы
2.19 Модификация белка ферроценальдегидом
3 Обсуждение результатов
3.1 Выбор способа обработки аналитического сигнала
3.2 Выбор методов иммобилизации биологического материала
3.3 Биосенсоры на основе печатных электродов, содержащих БЛ и
модифицированных ферментами
3.3.1 Выбор значения pH буферного раствора для проведения измерений с использованием биосенсоров на основе ферментных печатных электродов..
3.3.2 Градуировочные зависимости биосенсоров на основе печатных
электродов, содержащих БЛ и модифицированных ферментами
3.3.3 Чувствительность и нижняя граница определяемых концентраций
3.3.4 Стабильность разработанных ферментных электродов
3.3.5 Основные характеристики биосенсоров на основе печатных
электродов, содержащих БЛ и модифицированных ферментами
3.3.6 Апробация ферментных печатных электродов
3.4 Выбор микроорганизмов для использования в качестве рецепторных
элементов биосенсоров, способных к определению уровня БПК
3.5 Биосенсоры на основе печатных электродов, модифицированных целыми
клетками бактерий Gluconobacter oxydans
3.5.1 Выбор медиатора электронного транспорта
3.5.2 Операционная стабильность печатных электродов, модифицированных
бактериями G. oxydans
3.5.3 Селективность биосенсора на основе печатных электродов,
модифицированных клетками G. oxydans
3.5.4 Градуировочная зависимость и основные характеристики печатных электродов на основе бактерий G. oxydans
3.5.5 Определение уровня БПК с помощью печатного электрода,
модифицированного бактериями G. oxydans и ферроценом
3.5.6 Оценка воспроизводимости метода

Представляют интерес работы, посвященные созданию многоканальных биосенсоров для комплексного мониторинга изучаемых сред. Данный подход позволяет получить информацию о содержании нескольких компонентов в результате одного измерения. Например, в работе [121] описан биосенсор на основе печатного электрода с несколькими по-разному модифицированными рабочими электродами. Данный электрод позволяет проводить мониторинг внутриклеточного метаболизма в реальном времени и одновременно определять содержание лактата, глюкозы, кислорода и pH среды. Схожая стратегия использовалась и в работе [101], однако описанный в ней электрод представляет собой скорее три отдельных электрода, объединенных между собой общим приэлектродным пространством для добавления пробы. Данный электрод был напечатан на бумажной подложке с предварительно сформированными на ней микроканалами.
Таким образом, практически все представленные в литературе биосенсоры для определения лактата разрабатывались с целью применения в области здравоохранения, а потому их отличительной особенностью является высокая чувствительность, низкий предел обнаружения и узкий диапазон определяемых концентраций. В связи с этим представляется актуальной разработка лактатного биосенсора для использования его при контроле бродильных процессов. Концентрация лактата в бродильной массе значительно выше, чем в биологических жидкостях и срезах тканей, поэтому одной из главных задач является расширение диапазона определяемых концентраций и повышение верхней границы линейного участка градуировочной зависимости.
1.2.5 Биосенсоры на основе печатных электродов для определения содержания крахмала
у-Амилаза (глюкоамилаза, К.Ф.3.2.1.3) - экзо-фермент, катализирующий отщепление Р-глюкозы от передуцирующего конца амилозы и амилопектина. у-амилаза расщепляет а-1,4, а-1,6 и а-1,3-гликозидные связи, с наибольшей скоростью — а-1,4. Механизм гидролиза - множественная атака, то есть последовательный гидролиз нескольких гликозидных связей в одной молекуле субстрата. Возможен и одноцепочечный механизм, когда фермент расщепляет все связи в одной молекуле (14).