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 (биосенсорам) и может быть использовано для количественной оценки содержания глюкозы в физиологических жидкостях, а именно 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 RU218094, 11.05.2023. Устройство содержит графитовый печатный электрод, модифицированный гибридным композитным материалом. В качестве биораспознающего компонента 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 и функционирует без замены гибридного композитного материала до 30-ти суток.

[06] Таким образом, технической проблемой, на решение которой направлено заявленное изобретение является недостаточная продолжительность работы известных устройств для количественной оценки содержания глюкозы в физиологических жидкостях без замены гибридного композитного материала.

[07] Раскрытие сущности изобретения

[08] Техническим результатом изобретения является увеличение продолжительности работы устройства для количественной оценки содержания глюкозы в физиологических жидкостях без замены гибридного композитного материала с сохранением высоких показателей чувствительности по отношению к содержанию глюкозы в физиологических жидкостях.

[09] Под показателями чувствительности устройства следует понимать коэффициент чувствительности, а также диапазон определяемых концентраций глюкозы.

[01] 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 фермента глюкозоокси-дазы. Гибридный композитный материал содержит кремнийорганическую матрицу из тетраэтоксисилана и размещенные в указанной матрице включения одностенных углеродных нанотрубок, включения редокс-активного полимера на основе хитозана, ковалентно связанного с медиатором нильским синим.

[02] В частном случае реализации изобретения:

[03] - гибридный композитный материал получен путем смешивания тетраэтоксисилана, фермента глюкозооксидазы, катализатора в виде фторида натрия (NaF), раствора хитозана в уксусной кислоте, суспензии одностенных углеродных нанотрубок, насыщенного раствора медиатора нильского синего и раствора глутарового альдегида, нанесения полученной смеси на поверхность графитового печатного электрода и последующей сушки.

[04] Кремнийорганическая матрица из тетраэтоксисилана, содержащая включения одностенных углеродных нанотрубок и включения редокс-активного полимера на основе хитозана, ковалентно связанного с медиатором нильским синим, применяемая для иммобилизации фермента глюкозооксидазы, создает устойчивое биосовместимое окружение, поддерживающее окислительную активность указанного фермента на высоком уровне. Тетраэтоксисилан, используемый для образования кремнийсодержащей матрицы, обладает химической инертностью, что обеспечивает прочную пористую жесткую структуру, препятствующую вымыванию биораспознающего компонента в виде фермента глюкозооксидазы с поверхности электрода, что позволяет увеличить продолжительность работы устройства без замены гибридного композитного материала.

[05] Медиатор нильский синий, ковалентно-сшитый с хитозаном, являясь эффективным переносчиком электронов, позволяет преобразовать непроводящую матрицу в проводящий редокс-активный полимер и обеспечивает увеличение чувствительности устройства.

[06] Включения одностенных углеродных нанотрубкок значительно увеличивают электропроводность кремнийорганической матрицы из тетраэтоксисилана благодаря высокой площади поверхности и служат «проводящим мостом» между молекулами фермента глюкозооксидазы и медиатором нильским синим в возможных местах пространственной отдаленности молекул друг от друга, что также способствует повышению чувствительности по отношению к содержанию глюкозы.

[07] Краткое описание чертежей

[08] Изобретение поясняется фигурами, где:

На фигуре 1 схематично показан общий вид заявленного устройства,

На фигуре 2 показан общий вид устройства в разрезе,

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

На фигуре 4 показана градуировочная зависимость заявленного устройства,

На фигуре 5 показан линейный участок градировочной зависимости.

[09] Элементы обозначены на фигурах следующими позициями:

1 - графитовый печатный электрод,

2 - гибридный композитный материал,

3 - кремнийорганическая матрица,

4 - включения фермента глюкозооксидазы,

5 - включения одностенных углеродных нанотрубок,

6 - включения редокс-активного полимера на основе хитозана, ковалентно связанного с медиатором нильским синим.

[010] Осуществление изобретения

[011] Заявленное устройство включает графитовый печатный электрод (1), рабочая поверхность которого модифицирована (покрыта) гибридным композитным материалом (2). Гибридный композитный материал (2) содержит кремнийорганическую матрицу (3), выполненную из тетраэтоксисилана, и размещенные в указанной матрице (3) включения биораспознающего компонента в виде фермента глюкозооксидазы (4), включения одностенных углеродных нанотрубок (5) и включения редокс-активного полимера (6) на основе хитозана, ковалентно связанного с медиатором нильским синим.

[012] Ниже представлен пример получения заявленного устройства.

[013] В пробирке типа Эппендорф смешивают 50 мкл тетраэтоксисилана, 25 мкл фермента глюкозооксидазы (Т=25 мг/мл, активность 100 Е/мг), 2,5 мкл 1,2М раствора катализатора в виде фторида натрия (NaF). Полученную смесь перемешивают в течение 5 минут, затем добавляют 10 мкл 1% раствора хитозана в 1% уксусной кислоте, 10 мкл 1%-ной суспензии одностенных углеродных нанотрубок, 5 мкл насыщенного раствора медиатора нильского синего, 7,5 мкл 25% раствора глутарового альдегида, перемешивают. Далее 3 мкл полученной смеси наносят на рабочую поверхность графитового печатного электрода (1) и оставляют до полного высыхания.

[014] Принцип работы заявленного устройства для количественной оценки содержания глюкозы в физиологических жидкостях заключается в следующем.

[015] 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 результатов измерения 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. После каждого измерения промывают измерительную кювету фосфатным буферным раствором (рН 7,4) в объеме 5 мл.

[016] Сигналом графитового печатного электрода (1) является зависимость силы тока (нА) от времени (с) (см. фиг. 3). 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:

[017] у=694х-27,

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

[019] у ответ биосенсора, нА.

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

[022] Основные характеристики заявленного устройства для количественной оценки содержания глюкозы в физиологических жидкостях и устройства согласно ближайшему аналогу показаны в таблице 2.

[024] Таким образом, заявляемое устройство для количественной оценки содержания глюкозы в физиологических жидкостях позволяет увеличить продолжительность работы устройства без замены гибридного композитного материала до 50 суток, при этом обладает высоким коэффициентом чувствительности, а также широким диапазоном определяемых концентраций глюкозы.

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 из тетраэтоксисилана и размещенные в указанной матрице включения одностенных углеродных нанотрубок, включения редоксактивного полимера на основе хитозана, ковалентно связанного с медиатором нильским синим. Изобретение позволяет увеличить продолжительности работы устройства для количественной оценки содержания глюкозы в физиологических жидкостях без замены гибридного композитного материала с сохранением высоких показателей чувствительности по отношению к содержанию глюкозы в физиологических жидкостях. 5 ил., 2 табл.

Устройство для количественной оценки содержания глюкозы в физиологических жидкостях, содержащее графитовый печатный электрод (1), поверхность которого модифицирована гибридным композитным материалом (2), имеющим включения фермента глюкозооксидазы (4), отличающееся тем, что гибридный композитный материал (2) содержит кремнийорганическую матрицу (3) из тетраэтоксисилана и размещенные в указанной матрице (3) включения одностенных углеродных нанотрубок (5), включения редокс-активного полимера (6) на основе хитозана, ковалентно связанного с медиатором нильским синим.