ЭЛЕКТРОДНАЯ СИСТЕМА ДЛЯ УСТРОЙСТВА ДЛЯ КОЛИЧЕСТВЕННОГО АНАЛИЗА СОДЕРЖАНИЯ ГЛЮКОЗЫ В КРОВИ Российский патент 2025 года по МПК G01N27/327 

[01] Область техники

[02] Изобретение относится к области медицины, а именно к биосенсорным аналитическим устройствам (биосенсорам), и может быть использовано для непрерывного малоинвазивного определения содержания глюкозы в крови.

[03] Уровень техники

[04] Известна модель устройства для количественной оценки содержания глюкозы в крови, которая представляет собой углеродный электрод с трафаретной печатью с иммобилизованным ферментом глюкозооксидазой [Khumngern, S., Jirakunakorn, R., Thavarungkul, P., Kanatharana, P., & Numnuam, A. A highly sensitive flow injection amperometric glucose biosensor using a gold nanoparticles/polytyramine/Prussian blue modified screen-printed carbon electrode. Bioelectrochemistry. 2021, 138, 107718]. Устройство основано на хемосорбции высокоактивной глюкозооксидазы на наночастицах золота, которые были адсорбированы на слое политирамина. Для изготовления биосенсора нанесли покрытие на модифицированный берлинской лазурью углеродный электрод с трафаретной печатью. Характерным признаком рассматриваемого устройства является амперометрический способ измерения уровня глюкозы в крови с использованием фермента глюкозооксидазы на печатном электроде. Основным недостатком данного биосенсора для количественной оценки содержания глюкозы является рабочий диапазон определяемых концентрация глюкозы от 0,001 до 1 мМ, что позволяет проводить анализ только методом разбавления.

[05] Наиболее близким аналогом заявленного изобретения является электродная система для устройства для количественной оценки содержания глюкозы в крови, описанная в патенте РФ на полезную модель RU228729, 09.09.2024. Устройство содержит электродную систему, содержащую электрод сравнения, вспомогательный электрод и рабочий электрод, поверхность которого модифицирована композитным материалом. В качестве биораспознающего компонента использован фермент глюкозооксидаза. Композитный материал состоит из тетраэтоксисилана и содержит хитозан, ковалентно связанный с медиатором нейтральным красным. Данное устройство позволяет проводить количественную оценку содержания глюкозы в крови в диапазоне от 0,01 до 0,92 мМ, что также позволяет проводить анализ только методом разбавления.

[06] Таким образом, технической проблемой, на решение которой направлено заявленное изобретение, являются низкие значения диапазона определяемых концентраций глюкозы с помощью известных электродных систем для устройств указанного назначения.

[07] Раскрытие сущности изобретения

[08] Техническим результатом изобретения является обеспечение возможности малоинвазивного непрерывного определения концентраций глюкозы в крови в диапазоне от 1,5 до 48 мМ.

[09] Указанный технический результат достигается в электродной системе для устройства для количественного анализа содержания глюкозы в крови за счет того, что она содержит электрод сравнения, вспомогательный электрод и рабочий электрод, поверхность которого модифицирована композитным материалом, содержащим матрицу с хитозаном, ковалентно связанным с медиатором электронного транспорта, и включения фермента глюкозооксидазы, размещенные в указанной матрице, при этом матрица композитного материала выполнена на основе хитозана, поверхность рабочего электрода с композитным материалом покрыта защитной диффузной мембраной, а электродная система выполнена с возможностью подкожного размещения.

[010] В частном случае реализации изобретения:

[011] в качестве медиатора электронного транспорта использован нейтральный красный или нильский синий,

[012] защитная диффузная мембрана содержит короткоцепочечный полимер перфторсульфоновой кислоты,

[013] - поверхности электрода сравнения и вспомогательного электрода электродной системы покрыты защитной диффузной мембраной.

[014] Заявленная электродная система, по сравнению с электродной системой, используемой в устройстве в соответствии с ближайшим аналогом, обеспечивает более высокие проводящие свойства за счет уменьшения площади рабочего электрода, поскольку выполнена с возможностью подкожного размещения, и обеспечивает таким образом применение в малоинвазивных устройствах непрерывного мониторинга глюкозы в крови.

[015] Феназиновые медиаторы нильский синий или нейтральный красный, используемые в составе композитного покрытия рабочего электрода заявленной электродной системы, ковалентно сшитые с хитозаном, являются эффективными медиаторами электронного транспорта, позволяющие преобразовать непроводящий полимер хитозан в проводящий редокс-активный полимер и обеспечивают увеличение чувствительности биосенсора, а указанное покрытие, выполненное на основе поперечно-сшитого полимера хитозана, является биосовместимым и служит для иммобилизации фермента и медиатора на поверхности электрода.

[016] Покрытие электродов, входящих в состав электродной системы, защитной диффузной мембраной служит для предотвращения вымывания компонентов композитного материала с поверхности рабочего электрода в подкожный слой, контроля транспорта целевого компонента аналита в ферментную мембрану, повышения селективности относительно высокомолекулярных соединений.

[017] Краткое описание чертежей

[018] Изобретение поясняется фигурами, где:

На фигуре 1 схематично показан вид сзади устройства для количественного анализа содержания глюкозы в крови с заявленной электродной системой,

На фигуре 2 схематично показан вид спереди устройства для количественного анализа содержания глюкозы в крови с заявленной электродной системой,

На фигуре 3 показана часть устройства для количественного анализа содержания глюкозы в крови с заявленной электродной системой в разрезе,

На фигуре 4 показан регистрируемый сигнал от устройства, включающего заявленную электродную систему, в виде зависимости силы тока (нА) от времени (с),

На фигуре 5 показана градуировочная зависимость устройства, включающего заявленную электродную систему,

На фигуре 6 показан линейный участок градуировочной зависимости.

[019] Элементы обозначены на фигурах следующими позициями:

1 - рабочий электрод электродной системы,

2 - матрица композитного материала, содержащая хитозан, ковалентно связанный с медиатором электронного транспорта,

3 - включения фермента глюкозооксидазы,

4 - защитная диффузная мембрана,

5 - вспомогательный электрод электродной системы,

6 - электрод сравнения электродной системы.

[020] Осуществление изобретения

[021] Заявленная электродная система для устройства для количественного анализа содержания глюкозы в крови содержит рабочий электрод (1), электрод сравнения (6) и вспомогательный электрод (5), при этом указанная электродная система выполнена с возможностью подкожного размещения. Электродная система может быть нанесена с двух сторон на подложку устройства для количественного анализа содержания глюкозы в крови методом трафаретной печати. На передней стороне устройства могут быть расположены рабочий электрод (1) и электрод сравнения (6), на оборотной стороне - вспомогательный электрод (5) (фиг. 1, фиг. 2).

[022] Основными материалами указанных электродов (1, 5, 6) электродной системы могут выступать биосовместимые материалы, содержащие в себе электропроводящие частицы углерода, серебра, золота или платины.

[023] Поверхность рабочего электрода (1) заявленной электродной системы модифицирована (покрыта) композитным материалом. Композитный материал содержит матрицу (2), включающую редокс-активный полимер хитозан, ковалентно связанный с медиатором электронного транспорта, в качестве которого могут выступать медиаторы нейтральный красный или нильский синий, и размещенные в матрице (2) включения биораспознающего компонента в виде фермента глюкозооксидазы (3) (фиг. 3). Поверхность электродной системы, включающая электрод сравнения (6), вспомогательный электрод (5) и рабочий электрод (1) с нанесенным на него композитным материалом покрыта защитной диффузной мембраной (4). В качестве защитной диффузной мембраны (4) могут выступать полимеры перфторсульфоновой кислоты, а также силиконовые эластомеры или полиуретаны.

[024] Ниже представлен пример получения заявленной электродной системы.

[025] Готовят смесь, состоящую из 50 мкл 1% раствора хитозана в 1% уксусной кислоте, 7,5 мкл 25% водного раствора глутарового альдегида, 25 мкл раствора фермента глюкозооксидазы (активность 50 Е/мг, титр 0,2 г/мл), перемешивают. Затем формируют каплю объемом от 5 до 20 мкл на предметном стекле и наносят полученную смесь на поверхность рабочего электрода (1) пятикратным кунанием до формирования капли, оставляют до полного высыхания, затем поверх наносят 2 мкл раствора защитной диффузной мембраны и высушивают. Состав раствора защитной диффузной мембраны может представлять собой коллоидный мелкодисперсный раствор короткоцепочечного полимера перфторсульфоновой кислоты в спиртово-водном растворе и содержанием полимера 2 мас. %. После высыхания графитовый микроэлектрод погружают пятикратно в раствор защитной диффузной мембраны таким образом, чтобы были покрыты рабочий (1), вспомогательный (5) и электрод сравнения (6) электродной системы.

[026] Принцип работы заявленной электродной системы для устройства для количественного анализа содержания глюкозы в крови заключается в следующем.

[027] Для регистрации ответа биосенсора можно использовать микропотен-циостат, подключаемый к электродной системе, поверхность рабочего электрода (1) которой модифицирована композитным материалом, содержащим матрицу (2) с хитозаном, ковалентно связанным с медиатором электронного транспорта, фермент глюкозо-оксидазу (3), размещенные в указанной матрице (2) и покрыта защитной диффузной мембраной (4), а также портативный компьютер или смартфон для подключения микропо-тенциостата.

[028] В качестве сигнала микроэлектрода принимается изменение силы тока (нА) во времени (с) при протекании через ячейку пробы крови или раствора, содержащего глюкозу (см. фиг. 4). Измерения проводят при комнатной температуре, при рабочем потенциале 0 В.

[029] Содержание глюкозы в пробе определяют с использованием предварительно построенной градуировочной зависимости, изображенной на фиг. 5. Расчет проводят следующим образом: содержание глюкозы в ячейке определяют с использованием уравнения, описывающего линейный участок градуировочной зависимости, показанной на фиг. 6:

[030] y=30х+530,

[031] где х - концентрация глюкозы, ммоль/дм³,

[032] у ответ биосенсора, нА.

[033] Затем определяют содержание глюкозы в пробе. Пример расчетов приведен в таблице 1.

[035] Основные характеристики устройства для количественной оценки содержания глюкозы в крови, включающего заявленную электродную систему, и устройства согласно ближайшему аналогу показаны в таблице 2.

[037] Таким образом, устройство для количественной оценки содержания глюкозы в крови, содержащее заявленную электродную систему, позволяет обеспечить непрерывное малоинвазивное определение содержания глюкозы в крови с концентрацией в диапазоне 1,5-48 мМ с сохранением длительности единичного измерения в количестве не более 2-х минут.

Изобретение относится к области медицины, а именно к биосенсорным аналитическим устройствам, и может быть использовано для непрерывного малоинвазивного определения содержания глюкозы в крови. Электродная система для устройства для количественного анализа содержания глюкозы в крови содержит электрод сравнения, вспомогательный электрод и рабочий электрод, поверхность которого модифицирована композитным материалом, содержащим матрицу с хитозаном, ковалентно связанным с медиатором электронного транспорта, и включения фермента глюкозооксидазы, размещенные в указанной матрице. Матрица композитного материала выполнена на основе хитозана. Поверхность рабочего электрода с композитным материалом покрыта защитной диффузной мембраной. Электродная система выполнена с возможностью подкожного размещения. Техническим результатом является обеспечение возможности малоинвазивного непрерывного определения концентраций глюкозы в крови в диапазоне от 1,5 до 48 мМ. 3 з.п. ф-лы, 6 ил., 2 табл.

1. Электродная система для устройства для количественного анализа содержания глюкозы в крови, содержащая электрод сравнения (6), вспомогательный электрод (5) и рабочий электрод (1), поверхность которого модифицирована композитным материалом, содержащим матрицу (2) с хитозаном, ковалентно связанным с медиатором электронного транспорта, и включения фермента глюкозооксидазы (3), размещенные в указанной матрице (2), отличающаяся тем, что

матрица (2) композитного материала выполнена на основе хитозана,

поверхность рабочего электрода (1) с композитным материалом покрыта защитной диффузной мембраной (4),

при этом электродная система выполнена с возможностью подкожного размещения.

2. Электродная система для устройства для количественного анализа содержания глюкозы в крови по п. 1, отличающаяся тем, что в качестве медиатора электронного транспорта использован нейтральный красный или нильский синий.

3. Электродная система для устройства для количественного анализа содержания глюкозы в крови по п. 1, отличающаяся тем, что защитная диффузная мембрана (4) содержит короткоцепочечный полимер перфторсульфоновой кислоты.

4. Электродная система для устройства для количественного анализа содержания глюкозы в крови по п. 1, отличающаяся тем, что поверхности электрода сравнения (6) и вспомогательного электрода (5) электродной системы покрыты защитной диффузной мембраной (4).