Устройство для количественной оценки содержания глюкозы в физиологических жидкостях Российский патент 2024 года по МПК G01N1/02 G01N31/22 G01N27/07 G01N27/327 C12M1/42 

[01] Область техники

[02] Изобретение относится к области медицины, а именно к биосенсорным аналитическим устройствам и может быть использовано для количественной оценки содержания глюкозы в крови, плазме и сыворотке крови.

[03] Уровень техники

[04] Известно устройство для количественной оценки содержания глюкозы, которое представляет собой функционализированный графен на электроде с трафаретной печатью, покрытый золотым напылением и ферментом глюкозоосидазой [Akhtar М. А. et al. Functionalized graphene oxide bridging between enzyme and Au-sputtered screen-printed interface for glucose detection // ACS Applied Nano Materials. - 2019. - T. 2. - №. 3. - C. 1589-1596]. Характерной особенностью рассматриваемого устройства, общей с заявленным изобретением, является амперометрический способ измерения уровня глюкозы с использованием фермента глюкозооксидазы на печатном электроде. Существенным недостатком данного устройства является низкая чувствительность, которая составляет 3,1732 μА⋅дм³/ммоль⋅см².

[05] Наиболее близким аналогом заявленного изобретения является устройство для количественной оценки содержания глюкозы в жидкостях, описанное в патенте РФ на полезную модель RU 218094, 11.05.2023. Устройство содержит графитовый печатный электрод, модифицированный гибридным композитным материалом. В качестве биораспознающего элемента использован фермент глюкозооксидаза. В качестве гибридного композитного материала используется проводящий полимер на основе терморасширенного графита и электрополимеризованного медиатора нейтрального красного. Устройство позволяет проводить количественную оценку содержания глюкозы в диапазоне от 0,006 до 0,5 мМ (ммоль/дм³) глюкозы, что в ряде случаев является недостаточным.

[06] Таким образом, технической проблемой, на решение которой направлено заявленное изобретение является недостаточная чувствительность устройств для оценки содержания глюкозы.

[07] Раскрытие сущности изобретения

[08] Техническим результатом изобретения является увеличение верхней границы определяемых концентраций глюкозы в физиологических жидкостях до 1,4 ммоль/дм³.

[09] Указанный технический результат достигается в устройстве для количественной оценки содержания глюкозы в физиологических жидкостях за счет того, что оно содержит графитовый печатный электрод, поверхность которого модифицирована гибридным композитным материалом, имеющим включения биораспознающего элемента в виде глюкозооксидазы. Гибридный композитный материал содержит кремнийорганическую матрицу, включающую (3-аминопропил)триэтоксисилан и тетраэтоксисилан в объемных соотношениях 20:80, и ковалентно связанную с медиатором в виде нильского синего, а также размещенные в матрице включения из поливинилового спирта и углеродных нанотрубок.

[010] В частном случае реализации изобретения гибридный композитный материал получен путем смешивания (3-аминопропил)триэтоксисилана, тетраэтоксисилана, глюкозооксидазы, катализатора NaF, раствора поливинилового спирта и суспензии углеродных нанотрубок, нанесения на поверхность графитового печатного электрода полученной смеси, насыщенного раствора нильского синего и водного раствора глутарового альдегида, и последующей сушки.

[011] Кремнийорганическая основа (матрица), состоящая из (3-аминопро-пил)триэтоксисилана и тетраэтоксисилана, применяемая для иммобилизации фермента глюкозооксидазы создает устойчивое биосовместимое окружение, поддерживающее окислительную активность фермента на высоком уровне, а также предотвращает его вымывание с поверхности электрода, что позволяет увеличить продолжительность работы биосенсора без замены чувствительного элемента. Феназиновый медиатор нильский синий, ковалентно-сшитый с матрицей по аминогруппе (3-аминопропил)триэтоксисилана, являясь эффективным переносчиком электронов, позволяет преобразовать непроводящую кремнийорганическую матрицу в проводящий полимер. Включения поливинилового спирта выполняют роль структуроуправляющего агента. Многостенные углеродные нанотрубки благодаря высокой площади поверхности значительно увеличивают электропроводность кремнийорганической матрицы и служат «проводящим мостом» между молекулами фермента и медиатором нильским синим в возможных местах пространственной отдаленности молекул друг от друга.

[012] Краткое описание чертежей

[013] Изобретение поясняется фигурами, где:

На фигуре 1 схематично показано заявленное устройство,

На фигуре 2 показан разрез устройства,

На фигуре 3 показан регистрируемый сигнал от устройства в виде зависимость силы тока (нА) от времени (с)

На фигуре 4 показана градуировочная зависимость устройства,

На фигуре 5 показан линейный участок градировочной зависимости.

[014] Элементы обозначены на фигурах следующими позициями:

1 - графитовый печатный электрод,

2 - гибридный композитный материал,

3 - матрица композитного материала,

4 - включения биораспознающего элемента,

5 - включения углеродных нанотрубок.

6 - включения поливинилового спирта.

[015] Осуществление изобретения

[016] Заявленное устройство включает графитовый печатный электрод (1), рабочая поверхность которого модифицирована (покрыта) гибридным композитным материалом (2). Гибридный композитный материал (2) содержит кремнийорганическую матрицу (3) и размещенные в матрице включения биораспознающего элемента (4) в виде фермента глюкозооксидазы, включения многостенных углеродных нанотрубок (5), и включения поливинилового спирта (6).

[017] Кремнийорганическая матрица (3) представляет собой полимер, состоящий из (3-аминопропил) триэтоксисилана и тетраэтоксисилана в объемных соотношениях 20:80, ковалентно сшитых с медиатором - нильским синим. Сшивка полимера с медиатором происходит по аминогруппе (3-аминопропил)триэтоксисилана.

[018] Включения поливинилового спирта (6) выполняют роль структуроуправляющего агента за счет того, что поливиниловый спирт связан с кремнийорганической матрицей водородными связями.

[019] Для получения заявленного устройства в пробирке типа Эппендорф смешивают 20 мкл (3-аминопропил)триэтоксисилана, 80 мкл тетраэтоксисилана, 50 мкл фермента глюкозооксидазы (титр 25 мг/мл, активность 100 Е/мг), 5 мкл катализатора NaF (5% водный раствор), 20 мкл 20%-го раствора поливинилового спирта, 10 мкл 1%-ной суспензии многостенных углеродных нанотрубок, перемешивают в течение 5 минут. На рабочую поверхность графитового печатного электрода (1) наносят 3 мкл полученной смеси, 2,4 мкл насыщенного раствора нильского синего, 0,5 мкл 25%-ного водного раствора глутарового альдегида, и оставляют до полного высыхания.

[020] Принцип работы устройства для определения содержания глюкозы в физиологических жидкостях заключается в следующем.

[021] Для измерений используют потенциостат, ячейку объемом 5 мл, магнитную мешалку и портативный компьютер. Устройство помещают в ячейку, добавляют в нее 5 мл натрий-калий фосфатного буферного раствора (рН 7,4), включают магнитную мешалку и регистрируют фоновый ток в измерительной ячейке. Для регистрации ответа биосенсора можно использовать потенциостат CS150 (Contest, Китай), подключаемый к графитовым печатным электродам и персональному компьютеру. Затем вводят анализируемую пробу физиологической жидкости. Измерения проводят при комнатной температуре и рабочем потенциале -500 мВ, что связано с окислительно-восстановительными свойствами гибридного материала. Между измерениями кювету промывают 5 мл натрий-калий фосфатного буферного раствора (рН 7,4). Сигналом графитового печатного электрода (1) является зависимость силы тока (нА) от времени (с) (см. фиг. 3).

[022] Далее рассчитывают амплитуду изменения силы тока после введения пробы в измерительную кювету (ответ биосенсора, ΔI, нА). Содержание глюкозы в пробе определяют с использованием предварительно построенной градуировочной зависимости, показанной на фиг. 4. Содержание глюкозы в ячейке определяют с использованием уравнения, описывающего линейный участок градуировочной зависимости, показанный на фиг. 5:

[023] у=115⋅х+23,

[024] где х - концентрация глюкозы в ячейке, ммоль/дм³,

[025] у ответ биосенсора, нА.

[026] Затем определяют содержание глюкозы непосредственно в пробе с учетом разбавления. Пример расчетов приведен в таблице 1.

[027] Таблица 1. Результаты расчета концентрации глюкозы в крови с помощью устройства для количественной оценки содержания глюкозы в физиологических жидкостях.

[028] После каждого измерения промывают измерительную кювету фосфатным буферным раствором (рН 7,4) в объеме 5 мл. Основные характеристики заявленного устройства для анализа глюкозы в физиологических жидкостях и устройства согласно ближайшему аналогу показаны в таблице 2.

[029] Таблица 2. Сравнительные характеристики устройств для количественной оценки содержания глюкозы в физиологических жидкостях

[030] Таким образом, заявляемое устройство для количественной оценки содержания глюкозы в физиологических жидкостях позволяет увеличить диапазон определяемых концентраций глюкозы в разбавленной крови, плазме или сыворотке до 1,4 мМ.

Изобретение относится к области биотехнологии, а именно к биосенсорным аналитическим устройствам, и может быть использовано для количественной оценки содержания глюкозы в физиологических жидкостях, в частности в крови, плазме и сыворотке крови. Устройство содержит графитовый печатный электрод, поверхность которого модифицирована гибридным композитным материалом, имеющим включения фермента глюкозооксидазы. При этом гибридный композитный материал содержит кремнийорганическую матрицу, включающую (3-аминопропил)триэтоксисилан и тетраэтоксисилан в объемных соотношениях 20:80 и ковалентно связанную с медиатором в виде нильского синего, а также размещенные в матрице включения из поливинилового спирта и углеродных нанотрубок. Изобретение позволяет увеличить верхнюю границу определяемых концентраций глюкозы в физиологических жидкостях до 1,4 ммоль/дм³. 5 ил., 2 табл.

Устройство для количественной оценки содержания глюкозы в физиологических жидкостях, содержащее графитовый печатный электрод, поверхность которого модифицирована гибридным композитным материалом, имеющим включения биораспознающего элемента в виде глюкозооксидазы, отличающееся тем, что гибридный композитный материал содержит кремнийорганическую матрицу, включающую (3-аминопропил)триэтоксисилан и тетраэтоксисилан в объемных соотношениях 20:80 и ковалентно связанную с медиатором в виде нильского синего, а также размещенные в матрице включения из поливинилового спирта и углеродных нанотрубок.