RU2639494C1 - Method for manufacturing sensors for determination of concentration of sugars and hydroxy acids - Google Patents
Method for manufacturing sensors for determination of concentration of sugars and hydroxy acids Download PDFInfo
- Publication number
- RU2639494C1 RU2639494C1 RU2016147032A RU2016147032A RU2639494C1 RU 2639494 C1 RU2639494 C1 RU 2639494C1 RU 2016147032 A RU2016147032 A RU 2016147032A RU 2016147032 A RU2016147032 A RU 2016147032A RU 2639494 C1 RU2639494 C1 RU 2639494C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- polymer
- sugars
- concentration
- resistance
- aminophenylboronic acid
- Prior art date
Links
- 235000000346 sugar Nutrition 0.000 title claims abstract description 41
- 150000001261 hydroxy acids Chemical class 0.000 title claims abstract description 36
- 150000008163 sugars Chemical class 0.000 title claims abstract description 29
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims description 27
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims description 5
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 claims abstract description 49
- DIRRKLFMHQUJCM-UHFFFAOYSA-N (2-aminophenyl)boronic acid Chemical class NC1=CC=CC=C1B(O)O DIRRKLFMHQUJCM-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 9
- 239000002253 acid Substances 0.000 claims abstract description 9
- 238000000157 electrochemical-induced impedance spectroscopy Methods 0.000 claims abstract description 9
- 238000011088 calibration curve Methods 0.000 claims abstract description 8
- 230000000694 effects Effects 0.000 claims abstract description 6
- 239000012491 analyte Substances 0.000 claims description 23
- ILOJFJBXXANEQW-UHFFFAOYSA-N aminooxy(phenyl)borinic acid Chemical compound NOB(O)C1=CC=CC=C1 ILOJFJBXXANEQW-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 19
- 239000000243 solution Substances 0.000 claims description 18
- 238000001453 impedance spectrum Methods 0.000 claims description 17
- 230000003993 interaction Effects 0.000 claims description 17
- 229920001940 conductive polymer Polymers 0.000 claims description 16
- 239000007853 buffer solution Substances 0.000 claims description 14
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims description 13
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 claims description 12
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 claims description 10
- 230000008859 change Effects 0.000 claims description 9
- JMZFEHDNIAQMNB-UHFFFAOYSA-N m-aminophenylboronic acid Chemical compound NC1=CC=CC(B(O)O)=C1 JMZFEHDNIAQMNB-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 9
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 claims description 8
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 claims description 7
- -1 fluoride ions Chemical class 0.000 claims description 6
- 239000002609 medium Substances 0.000 claims description 6
- 239000012736 aqueous medium Substances 0.000 claims description 5
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 claims description 4
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 claims description 4
- 230000002378 acidificating effect Effects 0.000 claims description 3
- 238000012360 testing method Methods 0.000 claims description 3
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 abstract description 9
- 238000000576 coating method Methods 0.000 abstract description 9
- 238000006116 polymerization reaction Methods 0.000 abstract description 8
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 5
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 abstract description 4
- 235000013305 food Nutrition 0.000 abstract description 4
- 229920000767 polyaniline Polymers 0.000 abstract description 4
- 239000003814 drug Substances 0.000 abstract description 3
- 150000004676 glycans Chemical class 0.000 abstract description 3
- 229920001282 polysaccharide Polymers 0.000 abstract description 3
- 239000005017 polysaccharide Substances 0.000 abstract description 3
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 abstract description 3
- 150000002009 diols Chemical class 0.000 abstract description 2
- 239000012634 fragment Substances 0.000 abstract description 2
- 239000007788 liquid Substances 0.000 abstract description 2
- 150000002772 monosaccharides Chemical class 0.000 abstract description 2
- 229920005862 polyol Polymers 0.000 abstract description 2
- 150000003077 polyols Chemical class 0.000 abstract description 2
- 125000005620 boronic acid group Chemical group 0.000 abstract 1
- 238000002405 diagnostic procedure Methods 0.000 abstract 1
- 125000001424 substituent group Chemical group 0.000 abstract 1
- 210000004027 cell Anatomy 0.000 description 14
- 229920006254 polymer film Polymers 0.000 description 14
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 10
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 8
- 229930091371 Fructose Natural products 0.000 description 6
- 239000005715 Fructose Substances 0.000 description 6
- RFSUNEUAIZKAJO-ARQDHWQXSA-N Fructose Chemical compound OC[C@H]1O[C@](O)(CO)[C@@H](O)[C@@H]1O RFSUNEUAIZKAJO-ARQDHWQXSA-N 0.000 description 5
- 150000007513 acids Chemical class 0.000 description 5
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 5
- 230000008569 process Effects 0.000 description 5
- 230000002441 reversible effect Effects 0.000 description 5
- 108010031480 Artificial Receptors Proteins 0.000 description 4
- 239000000523 sample Substances 0.000 description 4
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 4
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 3
- 229910021397 glassy carbon Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000000463 material Substances 0.000 description 3
- 239000000178 monomer Substances 0.000 description 3
- 239000008055 phosphate buffer solution Substances 0.000 description 3
- 230000004044 response Effects 0.000 description 3
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 3
- WQZGKKKJIJFFOK-GASJEMHNSA-N Glucose Natural products OC[C@H]1OC(O)[C@H](O)[C@@H](O)[C@@H]1O WQZGKKKJIJFFOK-GASJEMHNSA-N 0.000 description 2
- 229910021607 Silver chloride Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 2
- WQZGKKKJIJFFOK-VFUOTHLCSA-N beta-D-glucose Chemical compound OC[C@H]1O[C@@H](O)[C@H](O)[C@@H](O)[C@@H]1O WQZGKKKJIJFFOK-VFUOTHLCSA-N 0.000 description 2
- 150000001720 carbohydrates Chemical class 0.000 description 2
- 239000002322 conducting polymer Substances 0.000 description 2
- 238000002484 cyclic voltammetry Methods 0.000 description 2
- 229940079593 drug Drugs 0.000 description 2
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 description 2
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 2
- 125000000524 functional group Chemical group 0.000 description 2
- 239000008103 glucose Substances 0.000 description 2
- 238000001566 impedance spectroscopy Methods 0.000 description 2
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 2
- 230000007935 neutral effect Effects 0.000 description 2
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000002861 polymer material Substances 0.000 description 2
- PHZLMBHDXVLRIX-UHFFFAOYSA-M potassium lactate Chemical compound [K+].CC(O)C([O-])=O PHZLMBHDXVLRIX-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 2
- 229960001304 potassium lactate Drugs 0.000 description 2
- 235000011085 potassium lactate Nutrition 0.000 description 2
- 239000001521 potassium lactate Substances 0.000 description 2
- 238000004313 potentiometry Methods 0.000 description 2
- HKZLPVFGJNLROG-UHFFFAOYSA-M silver monochloride Chemical group [Cl-].[Ag+] HKZLPVFGJNLROG-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 2
- 229920001059 synthetic polymer Polymers 0.000 description 2
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- KRHYYFGTRYWZRS-UHFFFAOYSA-N Fluorane Chemical class F KRHYYFGTRYWZRS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- KRHYYFGTRYWZRS-UHFFFAOYSA-M Fluoride anion Chemical compound [F-] KRHYYFGTRYWZRS-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- 102000003886 Glycoproteins Human genes 0.000 description 1
- 108090000288 Glycoproteins Proteins 0.000 description 1
- JVTAAEKCZFNVCJ-UHFFFAOYSA-M Lactate Chemical compound CC(O)C([O-])=O JVTAAEKCZFNVCJ-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- 238000005481 NMR spectroscopy Methods 0.000 description 1
- 238000012742 biochemical analysis Methods 0.000 description 1
- 238000002306 biochemical method Methods 0.000 description 1
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 description 1
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000001735 carboxylic acids Chemical class 0.000 description 1
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 1
- 150000001768 cations Chemical class 0.000 description 1
- 210000002421 cell wall Anatomy 0.000 description 1
- 238000006731 degradation reaction Methods 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 230000002542 deteriorative effect Effects 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 238000003745 diagnosis Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000002848 electrochemical method Methods 0.000 description 1
- 238000004070 electrodeposition Methods 0.000 description 1
- 229940021013 electrolyte solution Drugs 0.000 description 1
- 239000008151 electrolyte solution Substances 0.000 description 1
- BJHIKXHVCXFQLS-UYFOZJQFSA-N fructose group Chemical group OCC(=O)[C@@H](O)[C@H](O)[C@H](O)CO BJHIKXHVCXFQLS-UYFOZJQFSA-N 0.000 description 1
- 229920001002 functional polymer Polymers 0.000 description 1
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000010931 gold Substances 0.000 description 1
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010439 graphite Substances 0.000 description 1
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 description 1
- 125000002887 hydroxy group Chemical group [H]O* 0.000 description 1
- 238000002847 impedance measurement Methods 0.000 description 1
- 230000002452 interceptive effect Effects 0.000 description 1
- 229920002521 macromolecule Polymers 0.000 description 1
- 230000004060 metabolic process Effects 0.000 description 1
- 229910021645 metal ion Inorganic materials 0.000 description 1
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical class C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 150000002892 organic cations Chemical class 0.000 description 1
- HXITXNWTGFUOAU-UHFFFAOYSA-N phenylboronic acid Chemical class OB(O)C1=CC=CC=C1 HXITXNWTGFUOAU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000012667 polymer degradation Methods 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 238000003908 quality control method Methods 0.000 description 1
- 238000011002 quantification Methods 0.000 description 1
- 229920013730 reactive polymer Polymers 0.000 description 1
- 238000010405 reoxidation reaction Methods 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 239000012488 sample solution Substances 0.000 description 1
- 238000004611 spectroscopical analysis Methods 0.000 description 1
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 1
- 229920002994 synthetic fiber Polymers 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
- G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
- G01N27/28—Electrolytic cell components
- G01N27/30—Electrodes, e.g. test electrodes; Half-cells
- G01N27/327—Biochemical electrodes, e.g. electrical or mechanical details for in vitro measurements
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- Molecular Biology (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Electric Means (AREA)
Abstract
Description
Область техникиTechnical field
Группа изобретений относится к аналитической химии, электроанализу, биохимии, электрохимическим сенсорам, тест-системам, методам лабораторной медицинской диагностики, методам анализа объектов пищевой промышленности и медицинских препаратов.The group of inventions relates to analytical chemistry, electroanalysis, biochemistry, electrochemical sensors, test systems, methods of laboratory medical diagnostics, methods of analysis of objects of the food industry and medicines.
Уровень техникиState of the art
Сахара и многие органические гидроксикислоты являются широко распространенными соединениями в природе, участниками метаболических процессов в организмах. Такие соединения встречаются в живых системах как в свободном виде, так и в связанном с биомолекулами, в составе клеточных стенок. Мониторинг концентрации этих соединений или их производных в физиологических жидкостях необходим для целей медицинской диагностики и лабораторных исследований. Среди методов определения биологических объектов, а также цельных макромолекул и клеток широко распространены биосенсоры [Карякин А.А., Корякина Е.Е., Проблемы аналитической химии. Т.12: Биохимические методы анализа, «Наука», 2010, с. 93-138]. Сенсоры на основе синтетических рецепторов при достаточно высокой чувствительности обладают некоторыми преимуществами по сравнению с биосенсорами, а именно, они электрохимически и химически стабильны на воздухе при комнатной температуре, методы их получения просты и не затратны, сенсор возможно регенерировать и использовать многократно [Artificial Receptors for Chemical Sensors, edited by V.M. Mirsky and A.K. Yatsimirsky, WILEY-VCH, 2011].Sugars and many organic hydroxy acids are widespread compounds in nature, participants in metabolic processes in organisms. Such compounds are found in living systems, both in free form and in biomolecules associated with cell walls. Monitoring the concentration of these compounds or their derivatives in physiological fluids is necessary for the purposes of medical diagnosis and laboratory research. Among the methods for determining biological objects, as well as whole macromolecules and cells, biosensors are widespread [Karyakin AA, Koryakina EE, Problems of analytical chemistry. T.12: Biochemical methods of analysis, "Science", 2010, p. 93-138]. Sensors based on synthetic receptors with a sufficiently high sensitivity have some advantages over biosensors, namely, they are electrochemically and chemically stable in air at room temperature, methods for their preparation are simple and not expensive, the sensor can be regenerated and reused [Artificial Receptors for Chemical Sensors, edited by VM Mirsky and A.K. Yatsimirsky, WILEY-VCH, 2011].
Фенилборные кислоты, способные селективно и обратимо связываться с сахарами (моно-, о лито- и полисахариды) и гидроксикислотами, а также некоторыми гликопротеинами с образованием устойчивых циклических боронатных эфиров, будучи включенными в структуру проводящих полимеров, например полианилина, служат высокоэффективными синтетическим материалами для создания электрохимических сенсоров для определения концентраций сахаров и оксикислот [Springsteen, G., Wang, B., Tetrahedron, V.58, 26, 2002, pp.5291-5300(10)].Phenylboronic acids capable of selectively and reversibly binding to sugars (mono-, o-litho- and polysaccharides) and hydroxyacids, as well as certain glycoproteins with the formation of stable cyclic boronate esters, when incorporated into the structure of conductive polymers, for example polyaniline, serve as highly effective synthetic materials to create electrochemical sensors for determining the concentrations of sugars and hydroxy acids [Springsteen, G., Wang, B., Tetrahedron, V.58, 26, 2002, pp.5291-5300 (10)].
Электроды, модифицированные проводящими полимерами, находят широкое применение в анализе в качестве сенсоров. Все известные подходы, использующие проводящие свойства полимеров для регистрации аналитического сигнала основаны на снижении проводимости чувствительного полимерного слоя, что не позволяет различать сигнал, обусловленный специфическими взаимодействиями с аналитом на фоне неспецифических процессов, которые также всегда приводят к снижению проводимости. [Santos A., Davis J.J., Bueno P.R., Fundamentals and Applications of Impedimetric and Redox Capacitive Biosensors, J. Analytical & Bioanalytical Techniques, 2015, S7.016; Ma, Y., Yang, X., J, Electroanalytical Chemistry, 2005, V. 580, p.348-352; Plesu, N., Kellenberger, A., Taranu, I., Taranu, В.О., Popa, I., Reactive and Functional Polymers, 2013, 73, 772-778; Liu, S.; Bakovic, L.; Chen, A., J. Electroanalitical Chemistry, 2006, V. 591, p.210-216.]Electrodes modified with conductive polymers are widely used in the analysis as sensors. All known approaches that use the conductive properties of polymers for recording an analytical signal are based on a decrease in the conductivity of a sensitive polymer layer, which does not allow one to distinguish between a signal caused by specific interactions with an analyte against a background of non-specific processes that also always lead to a decrease in conductivity. [Santos A., Davis J.J., Bueno P. R., Fundamentals and Applications of Impedimetric and Redox Capacitive Biosensors, J. Analytical & Bioanalytical Techniques, 2015, S7.016; Ma, Y., Yang, X., J, Electroanalytical Chemistry, 2005, V. 580, p. 348-352; Plesu, N., Kellenberger, A., Taranu, I., Taranu, B.O., Popa, I., Reactive and Functional Polymers, 2013, 73, 772-778; Liu, S .; Bakovic, L .; Chen, A., J. Electroanalitical Chemistry, 2006, V. 591, p. 210-216.]
В ряде исследований описываются различные сенсоры на основе синтетических рецепторов, где аналитический сигнал регистрируют методом спектроскопии электрохимического импеданса в присутствии медиаторов. Как правило, такие системы применяются для биосенсоров, а не химических сенсоров.A number of studies describe various sensors based on synthetic receptors, where the analytical signal is recorded by electrochemical impedance spectroscopy in the presence of mediators. Typically, such systems are used for biosensors, not chemical sensors.
В патенте Вадгама и др. [«Sensor employing impedance measurements», US 6300123 B1] раскрыто использование электродов, модифицированных проводящими полимерами, а аналитическим сигналом служит изменение полного импеданса системы. Однако, невозможно однозначно обуславливать изменение такого параметра системы как полный ее импеданс специфическим взаимодействиями с анализируемыми объектами, т.к. причинами такого изменения могут являться и второстепенные конкурирующие процессы. Указанная разработка относится к сфере биосенсоров, то есть взаимодействие аналита происходит не с самим полимером непосредственно, как синтетическим рецептором, а иммобилизованным биологическим элементом распознавания. Применение биологических элементов распознавания, несмотря на их несомненные достоинства: высокая чувствительность и селективность, ограничено их низкой стабильностью, необходимостью обеспечения определенных условий хранения и эксплуатации во избежание быстрой потери активности, а также слишком высокой аффиностью, приводящей лишь к однократной возможности проведения анализа с помощью отдельного сенсора, что исключает использование таких устройств в целях постоянного мониторинга или анализа в потоке в течение времени.Wadgame et al. [“Sensor employing impedance measurements”, US 6,300,123 B1] disclose the use of electrodes modified with conductive polymers, and the change in the total impedance of the system serves as an analytical signal. However, it is impossible to unambiguously determine the change in such a system parameter as its full impedance by specific interactions with the analyzed objects, because The reasons for this change may be secondary competing processes. This development refers to the field of biosensors, that is, the interaction of the analyte does not occur directly with the polymer itself, as a synthetic receptor, but with an immobilized biological recognition element. The use of biological recognition elements, despite their undoubted advantages: high sensitivity and selectivity, is limited by their low stability, the need to provide certain storage and operating conditions in order to avoid rapid loss of activity, as well as too high affinity, which leads only to a one-time analysis using a separate sensor, which eliminates the use of such devices for continuous monitoring or analysis in the stream over time.
При модификации поверхности электрода проводящими поли(анилинборными кислотами), было показано, что в результате электрохимической полимеризации получается самодопированный полимер, электроактивный в нейтральных средах, как описано в патенте US 20070093644 («Switchable self-doped polyaniline»). Авторами показано изменение степени допирования полимера при связывании с сахарами, что подтверждается данными ИК- и 11В ЯМР-спектроскопии. Однако в указанной работе не проводились исследования непосредственно проводимости полимеров аминофенилборных кислот.When the electrode surface was modified with conductive poly (anilineboric acids), it was shown that electrochemical polymerization results in a self-doped polymer that is electroactive in neutral environments, as described in US 20070093644 (“Switchable self-doped polyaniline”). The authors showed a change in the degree of doping of the polymer upon binding with sugars, which is confirmed by the data of IR and 11 V NMR spectroscopy. However, this study did not directly investigate the conductivity of aminophenylboronic acid polymers.
В патенте Фройнда и др. [«Sensors and sensing methods for detecting analytes based on changes in pKa of a sensing polymer», US 6797152], выбранного в качестве прототипа, описано применение сенсоров на основе поли(3-аминофенилборной кислоты), полученной посредством электрохимической полимеризации, для определения концентрации сахаров потенциометрическим методом. Аналитическим сигналом служит скачок потенциала, объясняемый авторами изменением рКа полимера в результате взаимодействия с аналитом. Чувствительность потенциометрического метода нельзя считать удовлетворительной для проведения анализа реальных объектов, кроме того, описанный способ не позволяет дифференцировать специфические взаимодействия функциональных групп полимера с аналитами от неспецифических, так как изменение рКа полимера может происходить по различным причинам, включая сдвиг рН фонового раствора, что не позволяет говорить о достоверных результатах анализа. В указанном патенте также нет сведений о том, обладает ли полученное сенсорное полимерное покрытие проводимостью. В заявленном изобретении, в отличие от указанного аналога, для определения концентрации аналитов используют высокочувствительный метод спектроскопии импеданса, а аналитический сигнал регистрируют в виде увеличения проводимости проводящего полимера аминофенилборной кислоты, что позволяет, в отличие от аналога, дифференцировать специфические взаимодействия с аналитами на фоне неспецифических.The patent of Freund et al. ["Sensors and sensing methods for detecting analytes based on changes in pKa of a sensing polymer", US 6797152], selected as a prototype, describes the use of sensors based on poly (3-aminophenylboronic acid) obtained by electrochemical polymerization, to determine the concentration of sugars by potentiometric method. An analytical signal is a potential jump due to the authors' change in the pKa of the polymer as a result of interaction with the analyte. The sensitivity of the potentiometric method cannot be considered satisfactory for the analysis of real objects, in addition, the described method does not allow to differentiate specific interactions of functional groups of the polymer with analytes from non-specific ones, since the change in polymer pKa can occur for various reasons, including a shift in the pH of the background solution, which does not allow talk about reliable analysis results. The patent also does not contain information on whether the obtained sensor polymer coating has conductivity. In the claimed invention, in contrast to the specified analogue, a highly sensitive method of impedance spectroscopy is used to determine the analyte concentration, and the analytical signal is recorded as an increase in the conductivity of the conductive polymer of aminophenylboronic acid, which allows, in contrast to the analogue, to differentiate specific interactions with analytes against a non-specific background.
Раскрытие изобретенияDisclosure of invention
Задачей заявляемой группы изобретений является разработка способа получения электрохимического сенсора на основе синтетического полимерного материала и методики для достоверного определения концентрации сахаров и гидроксикислот с высокой точностью с использованием полученного сенсора.The task of the claimed group of inventions is to develop a method for producing an electrochemical sensor based on synthetic polymer material and methods for reliably determining the concentration of sugars and hydroxyacids with high accuracy using the obtained sensor.
Поставленная задача решается способом изготовления сенсора для определения концентрации сахаров и гидроксикислот в водных средах, включающим синтез поли(аминофенилборной кислоты) на поверхности электрода путем электрополимеризации, протекающий с постоянным увеличением скорости окисления аминофенилборной кислоты при фиксированном потенциале, с получением проводящего полимера, характеризующегося свойством уменьшения сопротивления при взаимодействии с сахарами и гидроксикислотами.The problem is solved by a method of manufacturing a sensor for determining the concentration of sugars and hydroxyacids in aqueous media, including the synthesis of poly (aminophenylboronic acid) on the electrode surface by electropolymerization, which proceeds with a constant increase in the oxidation rate of aminophenylboronic acid at a fixed potential, to obtain a conductive polymer characterized by a property of decreasing resistance when interacting with sugars and hydroxy acids.
Предпочтительно в качестве аминофенилборной кислоты использовать 3-аминофенилборную кислоту, при этом синтез проводить в кислой среде в присутствии фторид-ионов.Preferably, 3-aminophenylboronic acid is used as aminophenylboronic acid, and the synthesis is carried out in an acidic medium in the presence of fluoride ions.
Предпочтительно в качестве аминофенилборной кислоты использовать 2-аминофенилборную кислоту, при этом синтез ведут в кислоте, нормальность которой больше 0.1.It is preferable to use 2-aminophenylboronic acid as aminophenylboronic acid, the synthesis being carried out in an acid whose normality is greater than 0.1.
Поставленная задача также решается способом определения концентрации сахаров или гидроксикислот в водных средах с использованием полученного сенсора, путем его погружения в исследуемую среду, регистрацию спектра импеданса методом спектроскопии электрохимического импеданса и определением из него сопротивления R поли(аминофенилборной кислоты), с последующим определением количественного содержания искомого компонента по калибровочной кривой, предварительно полученной для сахара или гидроксикислоты.The problem is also solved by determining the concentration of sugars or hydroxyacids in aqueous media using the obtained sensor, immersing it in the test medium, recording the impedance spectrum by electrochemical impedance spectroscopy and determining the resistance R poly (aminophenylboronic acid) from it, followed by quantitative determination of the desired content component according to a calibration curve previously obtained for sugar or hydroxy acid.
Предпочтительно для получения калибровочной кривой сенсор помещают в буферный раствор, регистрируют методом спектроскопии электрохимического импеданса спектр и определяют из него сопротивление R полимера при введении пробы в буферный раствор, по процентному изменению сопротивления полимера в растворе, содержащем анализируемые соединения, относительно сопротивления в растворе, не содержащем аналитов, строят калибровочную кривую, представляющую собой нелинейную убывающую зависимость относительного сопротивления полимера от концентрации аналита.Preferably, to obtain a calibration curve, the sensor is placed in a buffer solution, the spectrum is recorded by electrochemical impedance spectroscopy and the polymer resistance R is determined from it when a sample is introduced into the buffer solution, by the percentage change in the polymer resistance in a solution containing the analyzed compounds relative to the resistance in a solution that does not contain analytes, build a calibration curve, which is a nonlinear decreasing dependence of the relative resistance of the polymer on the concentration analyte traction.
Техническим результатом данной группы технических решений является то, что аналитический сигнал полученного сенсора направлен в сторону увеличения, а не ухудшения проводимости полимерной пленки, что позволяет наиболее селективно по сравнению с известными способами регистрировать только специфические взаимодействия с аналитами, исключая вклады побочных процессов (деградация полимера) и конкурирующих реакций, которые всегда приводят к потере проводимости. Селективность обеспечивается проводящими свойствами полимеров, синтезированных на поверхности электродов, а именно способностью полученных полимеров к увеличению проводимости в результате взаимодействия функциональных групп полимера с аналитами. Направленность отклика в сторону увеличения проводимости позволяет отличить полезный сигнал от мешающего, дифференцируя специфические взаимодействия на фоне неспецифических. Эффект увеличения проводимости полимерного покрытия в результате взаимодействия с аналитами достигается при электрохимическом синтезе поли(анилинборных кислот) в условиях, способствующих формированию на поверхности электрода проводящего полимерного покрытия полианилиновой структуры, а также при регистрации сопротивления полимера в отсутствии и присутствии аналита высокочувствительным методом спектроскопии электрохимического импеданса.The technical result of this group of technical solutions is that the analytical signal of the obtained sensor is directed towards increasing rather than deteriorating the conductivity of the polymer film, which allows only specific interactions with analytes to be recorded most selectively compared to known methods, excluding the contributions of side processes (polymer degradation) and competing reactions, which always lead to loss of conductivity. Selectivity is ensured by the conductive properties of the polymers synthesized on the surface of the electrodes, namely, the ability of the obtained polymers to increase conductivity as a result of the interaction of the functional groups of the polymer with analytes. The directionality of the response in the direction of increasing conductivity makes it possible to distinguish a useful signal from an interfering one, differentiating specific interactions against a background of non-specific ones. The effect of increasing the conductivity of the polymer coating as a result of interaction with analytes is achieved during the electrochemical synthesis of poly (anilineboric acids) under conditions conducive to the formation of a conductive polymer coating of the polyaniline structure on the electrode surface, as well as when registering the polymer resistance in the absence and presence of analyte by a highly sensitive method of spectroscopy of electrochemical impedance.
Таким образом, с помощью сенсоров на основе проводящих полимеров аминофенилборных кислот возможно проводить селективное количественное определение сахаров или гидроксикислот в анализируемых объектах с высокой точностью. Методом спектроскопии электрохимического импеданса регистрируют обратимое увеличение проводимости полимерного покрытия на поверхности электрода в результате быстрой и обратимой реакции протекающей в нейтральной среде между борными группами полимера, осажденного на электроде, с сахарами и гидроксикислотами, находящимися в растворе. Заявляется способ получения сенсора на основе поли(аминофенилборной кислоты) и способ его использования для определении концентрации аналитов по увеличению проводимости полимерного покрытия, регистрируемого методом спектроскопии электрохимического импеданса.Thus, using sensors based on conducting polymers of aminophenylboronic acids, it is possible to carry out selective quantitative determination of sugars or hydroxyacids in the analyzed objects with high accuracy. By the method of electrochemical impedance spectroscopy, a reversible increase in the conductivity of the polymer coating on the electrode surface is recorded as a result of a fast and reversible reaction occurring in a neutral medium between the boric groups of the polymer deposited on the electrode with sugars and hydroxy acids in solution. A method for producing a sensor based on poly (aminophenylboronic acid) and a method for using it to determine the analyte concentration by increasing the conductivity of a polymer coating recorded by electrochemical impedance spectroscopy are disclosed.
Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings
Изобретение поясняется чертежами.The invention is illustrated by drawings.
На фиг. 1 показаны спектры электрохимического импеданса стеклоуглеродных электродов, модифицированных поли(АФБК): в буферном растворе, не содержащем аналит (
На фиг. 2 представлена эквивалентная электрическая схема с диффузионным импедансом, где Rр - сопротивление фонового раствора, Rп - сопротивление переносу заряда в полимерной пленке (в рассматриваемой системе эквивалентно сопротивлению полимера на поверхности электрода), Сдс - емкость двойного электрического слоя, W0 - диффузионный импеданс в случае отражающих граничных условий.In FIG. Figure 2 shows the equivalent electric circuit with diffusion impedance, where R p is the resistance of the background solution, R p is the charge transfer resistance in the polymer film (in the system under consideration it is equivalent to the polymer resistance on the electrode surface), C ds is the capacity of the double electric layer, W 0 is the diffusion impedance in the case of reflecting boundary conditions.
На фиг. 3 представлены градуировочные зависимости сенсоров на основе поли(АФБК): фруктоза (
Осуществление изобретенияThe implementation of the invention
Сенсоры для определения концентрации сахаров или гидроксикислот изготавливают, модифицируя поверхность электродов проводящими полимерами аминофенилборных кислот. Синтез проводящих полимеров на поверхности электродов проводят в электрохимической ячейке путем погружения рабочего как макро-, так и микроэлектрода любой конструкции: планарные, торцевые, взаимопроникающие и т.д. из различных материалов: золото, стеклоуглерод, графит и т.д. [Electropolymerization: Concepts, Materials and Applications, ed. by S. Cosnier and A. Karyakin, 2010, WILEY-VCH, 280 pp.] в ростовую смесь, находящуюся в ячейке, подключении электродов ячейки к прибору (потенциостат/гальваностат) и запуска выбранного электрохимического режима с заданными параметрами. Оптимальным условиям электрохимического синтеза проводящего полимера из аминофенилборных кислот отвечает полимеризация из раствора мономера в кислой среде в потенциодинамическом, гальваностатическом, потенциостатическом и т.п. режимах [Electrochemical methods. Fundamentals and applications, Bard A. J., Faulkner L.R. 2001, John Wiley & Sons, Inc.] при значениях тока или потенциала, не допускающих переокисление полимера, ведущее к потере проводимости [Electropolymerization: Concepts, Materials and Applications, ed.by S. Cosnier and A. Karyakin, 2010, WILEY-VCH, 280 pp.]. Электрополимеризацию 3-аминофенилборной кислоты (3-АФБК) (0.01-0.1М) проводят в растворе, содержащем 0.01-2.0Н кислоту и пятикратный избыток фторида по отношению к аминофенилборной кислоте. Электрополимеризацию 2-аминофенилборной кислоты (2-АФБК) (0.1-1.0М) проводят в растворе 0.05-1.0 М H2SO4. Во избежание переокисления полимера, ведущего к деградации и потере проводимости, стоит избегать высоких анодных потенциалов. О формировании проводящего покрытия на поверхности электрода судят по росту тока при фиксированном потенциале в анодной области 0.6-1 В, соответствующем процессу окисления молекул мономера.Sensors for determining the concentration of sugars or hydroxyacids are made by modifying the surface of the electrodes with conducting polymers of aminophenylboronic acids. The synthesis of conductive polymers on the surface of the electrodes is carried out in an electrochemical cell by immersing the worker, both macro- and microelectrodes of any design: planar, end, interpenetrating, etc. from various materials: gold, glassy carbon, graphite, etc. [Electropolymerization: Concepts, Materials and Applications, ed. by S. Cosnier and A. Karyakin, 2010, WILEY-VCH, 280 pp.] into the growth mixture in the cell, connecting the electrodes of the cell to the device (potentiostat / galvanostat) and starting the selected electrochemical mode with the given parameters. The optimal conditions for the electrochemical synthesis of a conductive polymer from aminophenylboronic acids correspond to polymerization from a solution of monomer in an acidic medium in potentiodynamic, galvanostatic, potentiostatic, etc. modes [Electrochemical methods. Fundamentals and applications, Bard AJ, Faulkner LR 2001, John Wiley & Sons, Inc.] at current or potential values that prevent polymer reoxidation leading to conductivity loss [Electropolymerization: Concepts, Materials and Applications, ed.by S. Cosnier and A. Karyakin, 2010, WILEY-VCH, 280 pp.]. The electropolymerization of 3-aminophenylboronic acid (3-APBK) (0.01-0.1 M) is carried out in a solution containing 0.01-2.0N acid and a five-fold excess of fluoride with respect to aminophenylboronic acid. The electropolymerization of 2-aminophenylboronic acid (2-APBK) (0.1-1.0 M) is carried out in a solution of 0.05-1.0 M H 2 SO 4 . To avoid polymer oxidation leading to degradation and loss of conductivity, high anode potentials should be avoided. The formation of a conductive coating on the electrode surface is judged by the increase in current at a fixed potential in the anode region of 0.6-1 V, corresponding to the oxidation of monomer molecules.
В качестве источника фторид ионов могут быть использованы соли плавиковой кислоты, растворимые в водной среде, содержащие в качестве катиона, как ион металла, так и органический катион.As a source of fluoride ions, hydrofluoric acid salts soluble in an aqueous medium containing both a metal ion and an organic cation as a cation can be used.
В качестве кислот для осуществления способа могут быть использованы водорастворимые карбоновые кислоты, содержащие гидроксильную группу в α- или β-положении.As acids for implementing the method, water-soluble carboxylic acids containing a hydroxyl group in the α- or β-position can be used.
Проводимость полученных на поверхности электрода полимерных пленок затем исследуют методом спектроскопии электрохимического импеданса в буферных растворах с различными значениями рН (5.0÷8.0). Спектры электрохимического импеданса регистрируют в диапазоне частот от 20 кГц до 1 Гц с амплитудой наложенного напряжения 5 мВ. Диапазон частот можно расширить в зависимости от толщины полимерной пленки на поверхности электрода. Спектры импеданса представляют собой трехмерные графики зависимостей мнимой и действительной частей импеданса от частоты. Для последующего анализа и определения проводимости полимеров аминофенилборных кислот удобно представить выходные данные (спектры) в координатах Найквиста, в виде проекции на плоскость при фиксированных частотах, как на фиг. 1.The conductivity of the polymer films obtained on the surface of the electrode is then investigated by electrochemical impedance spectroscopy in buffer solutions with different pH values (5.0–8.0). The electrochemical impedance spectra are recorded in the frequency range from 20 kHz to 1 Hz with an applied voltage amplitude of 5 mV. The frequency range can be expanded depending on the thickness of the polymer film on the surface of the electrode. The impedance spectra are three-dimensional graphs of the dependence of the imaginary and real parts of the impedance on frequency. For subsequent analysis and determination of the conductivity of aminophenylboronic acid polymers, it is convenient to present the output data (spectra) in Nyquist coordinates, in the form of a projection onto the plane at fixed frequencies, as in FIG. one.
Аппроксимацию полученных спектров импеданса проводят в соответствии с эквивалентной электрической схемой с диффузионным импедансом (фиг. 2), наиболее применимой для описания проводящих полимерных пленок, иммобилизованных на поверхности электродов в фоновом электролите в отсутствии медиатора [Inzelt G.,
Для количественной оценки использовали метод калибровочного графика. Градуировочные кривые представляют собой нелинейные убывающие зависимости относительного изменения сопротивления от концентрации аналита, которые хорошо описываются уравнением формулы (1). Используя калибровочные зависимости, определяют неизвестную концентрацию аналита в образце по увеличению проводимости полимера в растворе образца. Новый подход к проведению аналитического определения концентраций сахаридов и гидроксикислот в жидких средах, основанный на обратимом увеличении проводимости полимерного чувствительного слоя сенсора в результате взаимодействия с определяемыми соединениями, позволяет по направлению отклика сенсора надежно дифференцировать полезный сигнал специфических взаимодействий от фонового, сопровождающегося увеличением сопротивления и обусловленного неспецифическими взаимодействиями.For quantification, the calibration graph method was used. Calibration curves are non-linear decreasing dependences of the relative change in resistance on the analyte concentration, which are well described by the equation of formula (1). Using calibration dependencies, the unknown analyte concentration in the sample is determined by increasing the polymer conductivity in the sample solution. A new approach to the analytical determination of concentrations of saccharides and hydroxyacids in liquid media, based on a reversible increase in the conductivity of the polymer sensitive layer of the sensor as a result of interaction with the compounds to be determined, allows us to reliably differentiate the useful signal of specific interactions from the background signal, accompanied by an increase in resistance and due to non-specific interactions.
На фиг. 3 приведены примеры зависимостей нормированного сопротивления от концентрации сахаров (фруктоза, глюкоза) и соли гидроксикислоты (лактат калия). Калибровочный график представляет собой убывающую функцию: сопротивление падает при увеличении концентрации сахара или гидроксикислоты. Полученные зависимости позволяют определить соответствующие наблюдаемые константы связывания аналитов с борными группами полимера, используя уравнение (1):In FIG. Figure 3 shows examples of the dependences of normalized resistance on the concentration of sugars (fructose, glucose) and hydroxy acid salts (potassium lactate). The calibration graph is a decreasing function: resistance decreases with increasing concentration of sugar or hydroxy acid. The obtained dependences make it possible to determine the corresponding observed constants of binding of analytes to the boric groups of the polymer using equation (1):
где С - концентрация аналита, Rотн - относительное сопротивление полимера, a и b - параметры аппроксимации, k - наблюдаемая константа связывания полимера с аналитом. Сплошной линией на фиг. 3 показан результат аппроксимации экспериментальных данных.where C is the analyte concentration, R rel is the relative resistance of the polymer, a and b are the approximation parameters, k is the observed constant of the binding of the polymer to the analyte. The solid line in FIG. 3 shows the result of approximation of experimental data.
Градуировочные зависимости сенсора на основе поли(анилинборных кислот) представляют собой убывающую функцию относительного сопротивления переноса заряда от концентрации аналита. Таким образом, возможно по увеличению проводимости полимерной пленки на поверхности электрода определить неизвестную концентрацию сахари да или гидроксикислоты в образце.The calibration dependences of the sensor based on poly (anilineboric acids) are a decreasing function of the relative charge transfer resistance on the analyte concentration. Thus, it is possible to determine the unknown concentration of saccharide or hydroxy acid in the sample by increasing the conductivity of the polymer film on the electrode surface.
Сенсором на основе поли(анилинборных кислот), полученным заявляемым способом можно определять любые соединения классов сахара и гидроксикислоты. Более того, были получены данные и при определении веществ и биомолекул, включающих структурные фрагменты, присущие данным классам.A sensor based on poly (anilineboric acids) obtained by the claimed method can determine any compounds of the classes of sugar and hydroxyacids. Moreover, data were obtained in the determination of substances and biomolecules, including structural fragments inherent in these classes.
Пример 1Example 1
Сенсор для определения концентрации сахаров и гидроксикислот на основе проводящего полимера, полученного полимеризацией 3-аминофенилборной кислоты в потенциодинамическом режиме.A sensor for determining the concentration of sugars and hydroxyacids based on a conductive polymer obtained by polymerization of 3-aminophenylboronic acid in the potentiodynamic mode.
Электрополимеризацию 3-аминофенилборной кислоты (3-АФБК) (0.04М) проводили в трехэлектродной электрохимической ячейке с разделенным пространством рабочего электрода, электрода сравнения и вспомогательного электрода в режиме циклической вольтамперометрии из раствора, содержащего 0.04М H2SO4 и 0.2М NaF, на стеклоуглеродном рабочем электроде в диапазоне потенциалов от 0.0 В до 0.9 В относительно хлоридсеребряного электрода сравнения со скоростью развертки 40 мВ/с в течение 10 циклов.The electropolymerization of 3-aminophenylboronic acid (3-APBK) (0.04M) was carried out in a three-electrode electrochemical cell with a separated space of the working electrode, reference electrode, and auxiliary electrode in the mode of cyclic voltammetry from a solution containing 0.04M H 2 SO 4 and 0.2M NaF, on glass-carbon working electrode in the potential range from 0.0 V to 0.9 V relative to the silver chloride reference electrode with a sweep speed of 40 mV / s for 10 cycles.
Для регистрации спектров электрохимического импеданса электродов модифицированных проводящей поли(аминофенилборной кислотой) использовали трехэлектродную ячейку с разделенным пространством рабочего электрода и электрода сравнения. В качестве вспомогательного электрода использовали платиновую сетку цилиндрической формы, коаксиальную рабочему электроду. Спектры электрохимического импеданса электродов модифицированных проводящей поли(аминофенилборной кислотой) регистрировали в до достижения стабильного спектра (импеданс на одной и той же частоте в двух последовательно записанных спектрах совпадает с максимальным отклонением в 2-3%) в 50 мМ фосфатном буферном растворе (KH2PO4, K2HPO4), рН 7.0, содержащем 0.1М KCl, в диапазоне частот от 10 кГц до 1 Гц, амплитуда наложенного напряжения составляла 5 мВ. Конечный (стабильный) спектр импеданса представлен в координатах Найквиста, то есть в виде зависимостей мнимой составляющей импеданса системы от действительной (точки типа треугольник на фиг. 1): Затем в ячейку вводили водный раствор фруктозы (конечная концентрация в ячейке 20 мМ) и снова регистрировали спектры импеданса до достижения стабильного спектра (полного совпадения двух последующих спектров в пределах 2% отклонения). Спектр также представляли в координатах Найквиста (точки типа круг на фиг. 1). Затем, после проведения определения, буферный раствор в ячейке, содержащий фруктозу, заменили на исходный буферный раствор, не содержащий сахара, и снова записывали спектры импеданса. Конечный спектр представлен на фиг. 1 точками типа квадрат. Видно, что спектр импеданса, записанный после проведения определения фруктозы, возвращается к своему первоначальному виду, что говорит об обратимости процесса связывания сахара с полимерной пленкой.To record the electrochemical impedance spectra of electrodes modified with conductive poly (aminophenylboronic acid), a three-electrode cell was used with the separated space of the working electrode and the reference electrode. A cylindrical platinum mesh coaxial to the working electrode was used as an auxiliary electrode. The electrochemical impedance spectra of the electrodes modified with conducting poly (aminophenylboronic acid) were recorded until a stable spectrum was achieved (the impedance at the same frequency in two successively recorded spectra coincides with a maximum deviation of 2-3%) in 50 mM phosphate buffer solution (KH 2 PO 4 , K 2 HPO 4 ), pH 7.0, containing 0.1 M KCl, in the frequency range from 10 kHz to 1 Hz, the amplitude of the applied voltage was 5 mV. The final (stable) impedance spectrum is presented in the Nyquist coordinates, that is, in the form of the dependences of the imaginary component of the system impedance on the real (triangle type points in Fig. 1): Then, an aqueous fructose solution was introduced into the cell (final concentration in the cell is 20 mM) and recorded impedance spectra until a stable spectrum is achieved (complete coincidence of the two subsequent spectra within 2% of the deviation). The spectrum was also represented in the Nyquist coordinates (points of the circle type in Fig. 1). Then, after the determination, the buffer solution in the cell containing fructose was replaced with the initial buffer solution containing no sugar, and the impedance spectra were recorded again. The final spectrum is shown in FIG. 1 dot type square. It can be seen that the impedance spectrum recorded after the determination of fructose is returned to its original form, which indicates the reversibility of the process of binding sugar with a polymer film.
Аппроксимацию полученных спектров импеданса проводили в соответствии с эквивалентной электрической схемой с диффузионным импедансом (фиг. 2). На фиг. 1 точками представлены экспериментальные данные, а прямые - есть результат их аппроксимации по приведенной схеме. Можно заключить, что данный способ обработки экспериментальных данных является наиболее подходящим, так как ошибка аппроксимации чрезвычайно мала (не превышает 4%). Исходя из результатов аппроксимации, для всех полученных спектров были рассчитаны значения элементов приведенной эквивалентной схемы. Практический интерес представляют значения сопротивления переносу заряда в полимерной пленке (Rп на схеме на фиг. 2), соответствующие диаметру высокочастотного полукруга на спектрах импеданса, представленных в координатах Найквиста на фиг. 1. Значения сопротивлений с учетом погрешностей аппроксимации приведены в табл. 1. На рисунке видно, что также подтверждается рассчитанными значениями Rп, что при введении аналита в ячейку, содержащую фосфатный буферный раствор, диаметр высокочастотного полукруга, соответствующий сопротивлению полимера (Rп) уменьшается, что свидетельствует об увеличении проводимости полимерной пленки в результате взаимодействия полимера с аналитом. Возврат спектра (и соответственно значений Rп) к первоначальному виду после проведения анализа говорит о том, что отклик системы, приводящий к увеличению проводимости полимерной пленки, является полностью обратимым.The approximation of the obtained impedance spectra was carried out in accordance with the equivalent electric circuit with diffusion impedance (Fig. 2). In FIG. 1 points represent experimental data, and straight lines are the result of their approximation according to the above scheme. It can be concluded that this method of processing experimental data is the most suitable, since the approximation error is extremely small (does not exceed 4%). Based on the results of approximation, for all the obtained spectra, the values of the elements of the reduced equivalent circuit were calculated. Of practical interest are the values of charge transfer resistance in a polymer film (R p in the diagram in FIG. 2), corresponding to the diameter of the high-frequency semicircle in the impedance spectra shown in Nyquist coordinates in FIG. 1. The values of resistances taking into account approximation errors are given in table. 1. The figure shows that it is also confirmed by the calculated values of R p that when an analyte is introduced into a cell containing a phosphate buffer solution, the diameter of the high-frequency semicircle corresponding to the polymer resistance (R p ) decreases, which indicates an increase in the conductivity of the polymer film as a result of polymer interaction with analyte. The return of the spectrum (and accordingly the values of R p ) to its original form after analysis suggests that the response of the system, leading to an increase in the conductivity of the polymer film, is completely reversible.
Пример 2Example 2
Определение концентрации сахаров и гидроксикислот с помощью сенсора на основе проводящего полимера, полученного полимеризацией 3-аминофенилборной кислоты.Determination of the concentration of sugars and hydroxyacids using a sensor based on a conductive polymer obtained by polymerization of 3-aminophenylboronic acid.
Синтез полимерного покрытия на поверхности электрода и регистрацию спектров импеданса в буферном растворе проводили, как описано в примере 1. После записи спектра импеданса в исходном буферном растворе в ячейке последовательно увеличивали концентрацию сахара. Регистрировали спектры импеданса при каждой концентрации, аппроксимировали и рассчитывали сопротивление полимера, как описано в примере 1. Затем строили концентрационные зависимости относительного сопротивления полимера (отношение сопротивления, рассчитанного при данной концентрации сахара к исходному сопротивлению в буферном растворе в отсутствии сахара). На фиг. 3 обозначенные точками приведены зависимости такого нормированного сопротивления от концентрации сахаров (фруктоза, глюкоза) и соли гидроксикислоты (лактат калия). Калибровочная зависимость представляет собой убывающую функцию: сопротивление падает при увеличении концентрации сахара или гидроксикислоты. Полученные зависимости аппроксимировали в соответствии с приведенным уравнением (1):The synthesis of the polymer coating on the electrode surface and the registration of the impedance spectra in the buffer solution was carried out as described in Example 1. After recording the impedance spectrum in the initial buffer solution, the sugar concentration was successively increased in the cell. The impedance spectra were recorded at each concentration, the polymer resistance was approximated and calculated as described in Example 1. Then, the concentration dependences of the relative resistance of the polymer were constructed (the ratio of the resistance calculated at a given sugar concentration to the initial resistance in a buffer solution in the absence of sugar). In FIG. 3 marked by dots shows the dependence of such normalized resistance on the concentration of sugars (fructose, glucose) and hydroxy acid salts (potassium lactate). The calibration dependence is a decreasing function: resistance decreases with increasing concentration of sugar or hydroxy acid. The obtained dependences were approximated in accordance with the above equation (1):
где С - концентрация аналита, Rотн - относительное сопротивление полимера, a и b - параметры аппроксимации, k - наблюдаемая константа связывания полимера с аналитом.where C is the analyte concentration, R rel is the relative resistance of the polymer, a and b are the approximation parameters, k is the observed constant of the binding of the polymer to the analyte.
Сплошной линией на фиг. 3 показан результат аппроксимации экспериментальных данных. Результат аппроксимации позволяет определить соответствующие наблюдаемые константы связывания сахаров и гидроксикислот с борными группами полимера. Рассчитанные константы приведены в табл. 2.The solid line in FIG. 3 shows the result of approximation of experimental data. The result of the approximation allows one to determine the corresponding observed binding constants of sugars and hydroxyacids with the boric groups of the polymer. The calculated constants are given in table. 2.
Пример 3Example 3
Сенсор для определения концентрации сахаров и гидроксикислот на основе проводящего полимера, полученного полимеризацией 3-аминофенилборной кислоты в гальваностатическом режиме.A sensor for determining the concentration of sugars and hydroxyacids based on a conductive polymer obtained by the polymerization of 3-aminophenylboronic acid in the galvanostatic mode.
Электроосаждение 3-аминофенилбороновой кислоты проводили в ячейке с тремя разделенными пространствами электродов, заполненной раствором фонового электролита: 0.1 М H2SO4, 0.2 М NaF. Пространство рабочего электрода заполняли раствором мономера 3-АФБК (40 мМ) в фоновом электролите. Электрополимеризацию осуществляли в гальваностатическом режиме при плотностях тока 0.1-0.6 мА/см2. Далее, как описано в примере 1 и 2.The electrodeposition of 3-aminophenylboronic acid was carried out in a cell with three separated electrode spaces filled with a background electrolyte solution: 0.1 M H 2 SO 4 , 0.2 M NaF. The working electrode space was filled with a solution of 3-AFBK monomer (40 mM) in the background electrolyte. Electropolymerization was carried out in galvanostatic mode at current densities of 0.1-0.6 mA / cm 2 . Next, as described in examples 1 and 2.
Пример 4Example 4
Сенсор для определения концентрации сахаров и гидроксикислот на основе проводящего полимера, полученного полимеризацией 2-аминофенилборной кислоты в потенциодинамическом режиме.A sensor for determining the concentration of sugars and hydroxyacids based on a conductive polymer obtained by the polymerization of 2-aminophenylboronic acid in the potentiodynamic mode.
Электрополимеризацию 2-аминофенилборной кислоты (2-АФБК) (0.1М) проводили в трехэлектродной электрохимической ячейке в режиме циклической вольтамперометрии из раствора, содержащего 1.0 М H2SO4, на стеклоуглеродном дисковом рабочем электроде в диапазоне потенциалов от 0.0 В до 0.98 В относительно хлоридсеребряного электрода сравнения со скоростью развертки 40 мВ/с в течение 30 циклов. Далее, как описано в примере 1. Концентрационные зависимости получали аналогично описанному в примере 2. Рассчитанные константы связывания представлены в таблице 3.The electropolymerization of 2-aminophenylboronic acid (2-APBK) (0.1 M) was carried out in a three-electrode electrochemical cell in the cyclic voltammetry mode from a solution containing 1.0 M H 2 SO 4 on a glassy carbon working electrode in the potential range from 0.0 V to 0.98 V relative to silver chloride reference electrode with a sweep speed of 40 mV / s for 30 cycles. Further, as described in example 1. Concentration dependences were obtained as described in example 2. The calculated binding constants are presented in table 3.
Аналогичные калибровочные зависимости были получены и определены константы связывания как для упомянутых сахаров и гидроксикислот при других значениях рН в диапазоне от 5.5 до 8.0, так и для других сахаров и гидроксикислот в указанном диапазоне рН. По величине сопротивления поли(аминофенилборной кислоты) в анализируемом растворе сахара или гидроксикислоты определяют неизвестную концентрацию в образце, используя калибровочные зависимости, предварительно полученные для сенсора.Similar calibration dependences were obtained and binding constants were determined both for the mentioned sugars and hydroxyacids at other pH values in the range from 5.5 to 8.0, and for other sugars and hydroxyacids in the indicated pH range. The resistance of poly (aminophenylboronic acid) in the analyzed solution of sugar or hydroxyacid determines the unknown concentration in the sample using the calibration dependences previously obtained for the sensor.
Таким образом, преимуществом заявленного сенсора на основе синтетического полимерного материала является точность и достоверность определения сахаров и гидроксикислот. Регистрируемый методом спектроскопии импеданса эффект увеличения проводимости полимерной пленки на поверхности электрода обусловлен исключительно специфическими взаимодействиями полимера с аналитом. При проведении определения по заявленной методике исключено влияние побочных процессов и конкурирующих реакций, которые всегда приводят к обратному эффекту снижения проводимости полимерной пленки.Thus, the advantage of the claimed sensor based on synthetic polymer material is the accuracy and reliability of the determination of sugars and hydroxyacids. The effect of an increase in the conductivity of a polymer film on the electrode surface, recorded by impedance spectroscopy, is due exclusively to specific interactions of the polymer with the analyte. When determining according to the claimed methodology, the influence of side processes and competing reactions, which always lead to the opposite effect of reducing the conductivity of the polymer film, is excluded.
Сенсоры на основе поли(аминофенилборной кислоты) могут быть востребованы для определения концентрации диолов, полиолов, моно- и полисахаридов, гидроксикислот, гликозилированных биомолекул в различных объектах (модельные растворы, физиологические жидкости, медицинские препараты, пищевые объекты) в целях лабораторной медицинской диагностики, биохимического анализа, контроля качества медицинских препаратов и объектов пищевой промышленности.Sensors based on poly (aminophenylboronic acid) can be used to determine the concentration of diols, polyols, mono- and polysaccharides, hydroxyacids, glycosylated biomolecules in various objects (model solutions, physiological fluids, medical preparations, food objects) for laboratory medical diagnostics, biochemical analysis, quality control of medicines and food industry facilities.
Claims (5)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2016147032A RU2639494C1 (en) | 2016-11-30 | 2016-11-30 | Method for manufacturing sensors for determination of concentration of sugars and hydroxy acids |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2016147032A RU2639494C1 (en) | 2016-11-30 | 2016-11-30 | Method for manufacturing sensors for determination of concentration of sugars and hydroxy acids |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2639494C1 true RU2639494C1 (en) | 2017-12-21 |
Family
ID=63857517
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2016147032A RU2639494C1 (en) | 2016-11-30 | 2016-11-30 | Method for manufacturing sensors for determination of concentration of sugars and hydroxy acids |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2639494C1 (en) |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6300123B1 (en) * | 1996-10-26 | 2001-10-09 | The Victoria University Of Manchester | Sensor employing impedance measurements |
| US20020029979A1 (en) * | 2000-07-31 | 2002-03-14 | Freund Michael S. | Sensors and sensing methods for detecting analytes based on changes in pKa of a sensing polymer |
| RU2186370C1 (en) * | 2000-12-26 | 2002-07-27 | Санкт-Петербургская общественная организация "Невская академия изобретателей" | Method of determining invert sugars |
-
2016
- 2016-11-30 RU RU2016147032A patent/RU2639494C1/en active
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6300123B1 (en) * | 1996-10-26 | 2001-10-09 | The Victoria University Of Manchester | Sensor employing impedance measurements |
| US20020029979A1 (en) * | 2000-07-31 | 2002-03-14 | Freund Michael S. | Sensors and sensing methods for detecting analytes based on changes in pKa of a sensing polymer |
| RU2186370C1 (en) * | 2000-12-26 | 2002-07-27 | Санкт-Петербургская общественная организация "Невская академия изобретателей" | Method of determining invert sugars |
Non-Patent Citations (3)
| Title |
|---|
| БЫЧКОВА А.А. Экстракция моно- и дисахаридов и их определение в пищевых продуктах и напитках, дис. к.х.н., Воронеж 2014, стр. 16-25, найдено 25.07.2017 в Интернете [on-line] на сайте http://www.vsuet.ru/diser/22_BychkovaAA/dis_BychkovaAA.pdf. * |
| БЫЧКОВА А.А. Экстракция моно- и дисахаридов и их определение в пищевых продуктах и напитках, дис. к.х.н., Воронеж 2014, стр. 16-25, найдено 25.07.2017 в Интернете [on-line] на сайте http://www.vsuet.ru/diser/22_BychkovaAA/dis_BychkovaAA.pdf. ГНЕДЕНКОВ С.В. и др. Импедансная спектроскопия в исследовании процессов переноса заряда, Вестник ДВО РАН. 2006, 5, стр. 6-17, найдено 25.07.2017 в Интернете [on-line] на сайте http://eps.dvo.ru/vdv/2006/5/pdf/vdv-006-016.pdf. * |
| ГНЕДЕНКОВ С.В. и др. Импедансная спектроскопия в исследовании процессов переноса заряда, Вестник ДВО РАН. 2006, 5, стр. 6-17, найдено 25.07.2017 в Интернете [on-line] на сайте http://eps.dvo.ru/vdv/2006/5/pdf/vdv-006-016.pdf. * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Vanamo et al. | New signal readout principle for solid-contact ion-selective electrodes | |
| Rezaei et al. | Electrochemical detection techniques in biosensor applications | |
| van de Velde et al. | Solid contact potassium selective electrodes for biomedical applications–a review | |
| Shvarev et al. | Pulsed galvanostatic control of ionophore-based polymeric ion sensors | |
| Zuliani et al. | Opportunities and challenges of using ion-selective electrodes in environmental monitoring and wearable sensors | |
| Bieg et al. | Introduction to polymer-based solid-contact ion-selective electrodes—basic concepts, practical considerations, and current research topics | |
| Guzinski et al. | Equilibration time of solid contact ion-selective electrodes | |
| Ozer et al. | Low-cost Internet of Things (IoT)-enabled a wireless wearable device for detecting potassium ions at the point of care | |
| Tonelli et al. | A novel potentiometric sensor for l-ascorbic acid based on molecularly imprinted polypyrrole | |
| Dias et al. | Electronic tongues and aptasensors | |
| Amemiya et al. | Electrochemical heparin sensing at liquid/liquid interfaces and polymeric membranes | |
| Ozer et al. | Microfluidic-based ion-selective thermoplastic electrode array for point-of-care detection of potassium and sodium ions | |
| Wang et al. | All-solid-state blood calcium sensors based on screen-printed poly (3, 4-ethylenedioxythiophene) as the solid contact | |
| US20120118762A1 (en) | Sensing device and method | |
| Bartoszewicz et al. | Calibration free solid contact electrodes with two PVC based membranes | |
| Bahro et al. | Calibration-free solid-state ion-selective electrode based on a polarized PEDOT/PEDOT-S-doped copolymer as back contact | |
| Jadhav et al. | Selectivity behavior and multianalyte detection capability of voltammetric ionophore-based plasticized polymeric membrane sensors | |
| Crespo et al. | Thin layer coulometry based on ion-exchanger membranes for heparin detection in undiluted human blood | |
| Liu et al. | Graphene oxide–poly (vinyl alcohol) hydrogel-coated solid-contact ion-selective electrodes for wearable sweat potassium ion sensing | |
| Hathoot et al. | Simultaneous determination of ascorbic acid, uric acid and dopamine at modified electrode based on hybrid nickel hexacyanoferrate/poly (1, 5-diaminonaphthalene) | |
| Zavolskova et al. | Constant potential amperometric flow-injection analysis of ions and neutral molecules transduced by electroactive (conductive) polymers | |
| O’Hare | Biosensors and sensor systems | |
| CN103063717A (en) | Application of nickel aluminum layered double metal hydroxide modified electrode to measurement of uric acid | |
| Kamel et al. | Screen‐printed electrochemical sensors for label‐free potentiometric and impedimetric detection of human serum albumin | |
| Bobacka | Perspective on the coulometric transduction principle for ion-selective electrodes |