CS274231B1 - Regenerable enzyme sensor with exchangeable membrane system - Google Patents

Regenerable enzyme sensor with exchangeable membrane system Download PDF

Info

Publication number
CS274231B1
CS274231B1 CS799288A CS799288A CS274231B1 CS 274231 B1 CS274231 B1 CS 274231B1 CS 799288 A CS799288 A CS 799288A CS 799288 A CS799288 A CS 799288A CS 274231 B1 CS274231 B1 CS 274231B1
Authority
CS
Czechoslovakia
Prior art keywords
electrode
symmetrical
measuring
platinum
membrane
Prior art date
Application number
CS799288A
Other languages
English (en)
Other versions
CS799288A1 (en
Inventor
Jan Rndr Krejci
Lumir Doc Rndr Csc Macholan
Original Assignee
Jan Rndr Krejci
Lumir Doc Rndr Csc Macholan
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Jan Rndr Krejci, Lumir Doc Rndr Csc Macholan filed Critical Jan Rndr Krejci
Priority to CS799288A priority Critical patent/CS274231B1/cs
Priority to CA 2002170 priority patent/CA2002170A1/en
Priority to JP1313565A priority patent/JPH02264855A/ja
Priority to EP19890312678 priority patent/EP0372911A3/en
Publication of CS799288A1 publication Critical patent/CS799288A1/cs
Publication of CS274231B1 publication Critical patent/CS274231B1/cs

Links

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C12BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12QMEASURING OR TESTING PROCESSES INVOLVING ENZYMES, NUCLEIC ACIDS OR MICROORGANISMS; COMPOSITIONS OR TEST PAPERS THEREFOR; PROCESSES OF PREPARING SUCH COMPOSITIONS; CONDITION-RESPONSIVE CONTROL IN MICROBIOLOGICAL OR ENZYMOLOGICAL PROCESSES
    • C12Q1/00Measuring or testing processes involving enzymes, nucleic acids or microorganisms; Compositions therefor; Processes of preparing such compositions
    • C12Q1/001Enzyme electrodes

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Zoology (AREA)
  • Wood Science & Technology (AREA)
  • Proteomics, Peptides & Aminoacids (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Microbiology (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Biotechnology (AREA)
  • Biophysics (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Bioinformatics & Cheminformatics (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Genetics & Genomics (AREA)
  • Measurement Of The Respiration, Hearing Ability, Form, And Blood Characteristics Of Living Organisms (AREA)
  • Measuring Or Testing Involving Enzymes Or Micro-Organisms (AREA)
  • Apparatus Associated With Microorganisms And Enzymes (AREA)

Description

Vynález se týká regenerovatelnébo enzymového senzoru s vyměnitelným membránovým systémem .
Účelem vynálezu je nalézt taková konstrukční uspořádání enzymového senzoru, která by umožňovala záměnou enzymu reakční membráně membránového systému detekci glukózy, laktátu i dalších látek, přičemž by bylo dlouhhdotě použitelné, nebo snadno regenerovatelné nebo snadno výměnné.
Enzymový senzor je složen ze dvou základních částí:
1) Membránového systému
2) Elektrodového systému.
Jednotlivé části lze definovat:
Elektrodový systém -soubor alespoň dvou elektrod sestavený do jediného funkčního celku a opatřený spojovacími vodiči, výstupním kabelem a výstupním konektorem pro připojení k vyhodnocovací jednotce.
Elektroda - je část elektrodového systému, skládající se z vodiče s elektronovou vodivostí a (roztoku, nebo/a taveniny nebo/a pevného) elektrolytu.
Membránový systém - je jedna nebo soubor alespoň dvou na sebe přiléhajících membrán, které se liší svými charakteristikami a svým chemickým složením a které řídí přístup měřené látky k elektrodovému systému a v nichž popřípadě probíhají selektivní biochemické reakce, které umožňují detekci sledované látky.
Příklady uspořádání elektrodových systémů užívaných v elektrochemii a analytické chemii jsou uvedeny (například Linek V., Vacek, V., Sinkule, J. Dissolved Oxigen probes). 'Elektrodové systémy jsou také připravovány mikroelektronickými technologiemi. Vlastnosti elektrod a elektrodových systémů jsou detailně teoreticky rozpracovány (například Linek,V., Vacek, V., Sinkule, J.: Dissolved Oxigen probes in W.C.Robinson (editor) Comprehensive Biotechnology vol. 3 kap. 22, Pergamon Press, Oxford 1984:
J. Koryta - K.Stulík: Iontově selektivní elektrody, Academia, Praha 1984; J.Veselý, D. Weiss,
K. Stulík: Analýza iontově selektivními elektrodami, SNTL Praha 1979; J. Dvořák, J. Koryta: Elektrochemie, Academia Praha 1983; P. H. Rieger: Electrochemistry, Prentice-Hall, lne. Englewood Cliffs 1987).
Membránové systémy jsou teoreticky dobře popsány, avšak mnohé membránové systémy pro detekci některých látek jsou nestabilní nebo málo selektivní. U některých činí problém imobilizace enzymu. Příkladem může být membránový systém analyzátoru glukózy firmy Yellow Springs Instrument, který se skládá z polykarbonátové membrány, imobilizovaného enzymu a celulózové membrány o průměru pórů 8 nm. Jiným příkladem je membránový systém senzoru glukózy firmy Ames Miles, který se skládá ze dvou membrán z nichž jedna má průměr pórů 0,6 nm a druhá 30 nm, přičemž mezi nimi je imobilizován enzym.
Hlavní funkce membránového systému (Baum G. and Weetall Η. H.; Electrochemical Applications of Oxireductatases. Methods in Enzymology, LVI part 6, 1979)
1) Difuzně limituje biochemicko-elektrochemický děj v elektrodovém systému
2) Snižuje efekty spojené s mícháním
3) Zabezpečuje, že reakční oblast má pevně a dobře definované geometrické uspořádání
4) Selektivně zabezpečuje definovaný tok látek do elektrodového systému
5) Ovlivňuje rychlost odezvy a linearitu senzoru
6) Umožňuje zachycení enzymu. Je vhodným nosičem imobilizovaných enzymů.
7) Zabezpečuje vysokou aktivitu enzymu v dobře definované ohlasti.
8) Zabraňuje přístupu nežádoucích látek do elektrodového systému.
Konstrukce elektrodového systému je objasněna na příkladu konstrukce elektrodového systému pro detekci 0£ (Clarkův článek).
Materiál katody: nejlepším materiálem katody je stříbro. Má však podstatnou nevýhodu, že jej nelze zatavit do skla, což je obyčejně nutné, aby byl zabezpečen dostatečně vysoký izolační odpor. Další materiály, které se používají na výrobu katody jsou zlato, platina a
CS 274 231 Bl uhlík. Elektrody z uhlíku, který je speciálně tavení potenciálu obou platinových měřicích elektrod v důsledku konečné vodivosti elektrolytu stejně nebo se málo liší.
Elektroda obsahuje potenciostat, který je realizován pomocnou elektrodou, který zabezpečuje, že referenční elektroda není proudově zatížena.
Elektroda obsahuje dostatečně velký zásobník elektrolytu, takže změny jeho složení pH jsou malé a zároveň obě měřicí elektrody jsou na čelní ploše ve styku s elektrolytem stejného složení. Elektroda je vytvořena jako masivní celek z křemenného skla, ve kterém nikde nejsou použity látky, které by mohly způsobit nežádoucí svody mezi jednotlivými elektrodami (měřicí, referenční a pomocnou).
Čelní plocha je leštěna, takže díky dobrému spojení platiny, zlata a skla probíhá elektrochemická reakce pouze na čelní ploše elektrody.
Výhodné je i to, že membránový systém není integrován v elektrodě, ale naopak je k ní volně přiložitelný, čímž je zabezpečena univerzálnost měření. Enzymovou membránu lze připravit podle potřeby vždy pro určitý druh měření, například pro měření fenolu ve vodě apod.
Další výhodou symetrické elektrody je, že omezuje některé nelinearity, a to tím způsobem, že děje způsobující nelinearity současně na obou elektrodách se projeví méně významně v rozdílu výstupních signálů měřicích elektrod (například vliv nečistot). Podobně symetrická elektroda podle vynálezu zlepšuje krátkodobou i dlouhodobou stabilitu, a to tim způsobem, že některé příčiny krátkodobé i dlouhodobé nestability se kompenzují symetrickým uspořádáním měřicích elektrod (například pohyb vrstvy elektrolytu, změna pH elektrolytu apod.). Další výhodou uspořádání podle vynálezu je kompenzace zbytkového proudu, která je dosahována stejnou velikostí plochy měřicích elektrod, a tím, že v průběhu výroby jsou elektrody vyráběny a opracovávány společně. Dále je výhodou uspořádání elektrody také to, že částečně omezuje některé negativní vlivy působící hysterezi elektrody a ovlivňují dynamickou charakteristiku elektrody. Zejména to jsou vlivy geometrického uspořádání membránového systému, tvaru zásobníku elektrolytu a velikosti filmu elektrolytu.
Další výhodou symetrické elektrody je, že částečně omezuje vlivy teploty a tlaku, a to tím, že rozdíl mezi výstupními signály měřicích elektrod je méně závislý na teplotě a tlaku, než výstup jednoduché kyslíkové elektrody doplněné enzymovou membránou. Další výhody uspořádání symetrické elektrody pro enzymová měření vyplývají z její konstrukce a funkce.
Na připojených výkresech je znázorněna symetrická elektroda, kde na obr. 1 je schematicky znázorněna jedna z variant její konstrukce v řezu, na obr. 2 je schematicky znázorněn jeden z možných příkladů uspořádání membránového systému s přiloženými enzymovými a řídicími membránami a na obr. 3 je znázorněn jeden z možných příkladů uspořádání s nanesenou enzymovou membránou.
Symetrická elektroda pro enzymová měření je tvořena tělem £ symetrické elektrody, ve kterém jsou uspořádány první měřicí platinová nebo zlatá elektroda £ a druhá měřicí platinová nebo zlatá elektroda £, které jsou propojeny s přívodními drátky 12, například vyrobené z platiny, které jsou také uspořádány v těle £ symetrické elektrody. Přitom v těle £ symetrické elektrody je dále vytvořen zásobník 14 elektrolytu _5. V jeho ose 15 je symetricky vůči první platinové nebo zlaté měřicí elektrodě £ i druhé platinové nebo zlaté měřicí elektrodě £ umístěna referenční argentchloridová elektroda £, okolo níž je uspořádána skleněná trubička £3, která je integrální součástí těla £ symetrické elektrody, a na které je navinuta pomocná elektroda £ vyrobená ze stříbra. Přívodní drátky 12 těchto referenční argentchloridové elektrody £ a pomocné elektrody £ jsou také uspořádány v těle £ symetrické elektrody.
Přes leštěnou čelní plochu £ těla £ symetrické elektrody, jejiž drsnost je od 0,1 do 5 je převlečena krycí membrána £0, která je upevněna přídržným kroužkem 11 k tělu £ symetrické elektrody. Přitom tělo£ symetrické elektrody je upevněno v držáku £, z plastické hmoty například silonu, ve kterém je uspořádán přívodní kabel £ propojený s přívodním drátkem 12 první měřicí platinové nebo zlaté elektrody £, s přívodním drátkem 12 druhé měřicí platinové nebo zlaté elektrody £, dále s přívodním drátkem 12 referenční argentchloridová elektroCS 274 231 Bl dy 6 a s přívodním drátkem 12 pomocné elektrody Ί_.
Funkce symetrické elektrody podle vynálezu je následující:
Hlavní funkcí symetrické elektrody je současné měření hladiny kyslíku a jeho úbytku v důsledku enzymové reakce v měřeném roztoku, a to takovým způsobem, že v nepřítomnosti detekované látky je rozdíl proudů tekoucích první platinovou nebo zlatou měřicí elektrodou 2 a druhou platinovou nebo zlatou elektrodou 3. dlouhodobě roven nule. Funkce je zabezpečena tak, že na symetricky uspořádanou první měřicí platinovou nebo zlatou elektrodu 2 je nanesena nebo upevněna enzymová membrána 16 například glukozooxidáza imobilizovaná v glutardehydu a na druhou měřicí platinovou nebo zlatou elektrodu 2 js nanesena nebo upevněna referenční membrána 17, která je vyrobena stejnou technologií jako enzymová membrána 16, avšak neobsahuje enzym (například glutardehydová membrána, byla-li enzymová membrána 16 vytvořena imobilizací v glutardehydu), a které jsou překryty řídicí membránou 18. K první měřicí platinové nebo zlaté elektrodě 2 i druhé měřicí platinové nebo zlaté elektrodě 2 přichází z objemu vzorku stejný tok kyslíku a stejný tok substrátu, který má být detekován. Výsledný tok kyslíku, který je detekován je pro první měřicí platinovou nebo zlatou elektrodu 2 i druhou měřicí platinovou nebo zlatou elektrodu 2 určen vlastnostmi krycí membrány 10., kinetikou elektrochemické reakce, vlastnostmi první měřicí platinové nebo zlaté elektrody 2 i druhé měřicí platinové nebo zlaté elektrody 3_. Tyto vlivy jsou stejné jak pro první měřicí platinovou nebo zlatou elektrodu 2, tak i pro druhou měřicí platinovou nebo zlatou elektrodu 2 a proto se neuplatní v rozdílu proudu mezi těmito elektrodami. Rozdíl proudu mezi první měřicí platinovou nebo zlatou elektrodou 2 a druhou měřicí platinovou nebo zlatou elektrodou 2, který je úměrný rozdílu toků kyslíku membránovým systémem s enzymem a bez enzymu bude závislý pouze na množství kyslíku spotřebovaného v enzymové reakci. Množství kyslíku spotřebované v enzymové reakci je úměrné toku substrátu k enzymové membráně 16, který je úměrný koncentraci substrátu v objemu vzorku. Měřením symetrickou enzymovou elektrodou podle vynálezu se budou kompenzovat vlivy teploty, nehomogenity difuzivity krycí membrány 10 a další vlivy vzhledem k toku kyslíku. (V reálném případě tyto vlivy nebudou kompenzovány úplně.) Výstupní signál symetrické elektrody bude tedy hlavní měrou určen chemickou reakcí mezi substrátem a enzymem a difuzními vlastnostmi membránového systému pro substrát.
Toto diferenciální uspořádání tedy omezí:
Nelinearity způsobené postupnou adsorbcí kyslíku nebo fyzikální nebo chemickou adsorbci dalších látek na povrchu katody, a to tím způsobem, že adsrobce probíhá ve stejných podmínkách jak pro první měřicí platinovou nebo zlatou elektrodu 2, tak i pro druhou měřicí platinovou nebo zlatou elektrodu 2 a proto se kompenzuje. Změní se pouze cejchovní charakteristika elektrody.
Nelinearity způsobené změnami stavu referenční argentchloridové elektrody 6. (anoda) , a to tím způsobem, že referenční argentchloridová elektroda 6 (anoda) je umístěna symetricky a proto jsou první měřicí platinová nebo zlatá elektroda 2 i druhá měřicí platinová nebo zlatá elektroda 2 ovlivňovány stejně a proto bude tento typ nelinearity zmenšen. Symetrickým uspořádáním první měřicí platinové nebo zlaté elektrody 2_ i druhé měřicí platinové nebo zlaté elektrody 2 jsou zmenšeny vlivy krátkodobé i dlouhodbé nestability, protože její zdroje působí stejně na obě tyto měřicí elektrody. Podobně jsou i zmenšeny vlivy zbytkového proudu opět v důsledku symetrie první měřicí platinové nebo zlaté elektrody 2 i druhé měřicí platinové nebo zlaté elektrody 2· Symetrické uspořádání dále zmenšuje vlivy teploty a tlaku na činnost symetrické elektrody a zlepšuje dynamickou charakteristiku elektrody.
Použití symetrické elektrody je široké. Je ji možno použít v biochemických analýzách při výrobě očkovacích látek a sér, v chemické a biochemické technologii v mikrobiologii, humánním i veterinárním lékařství, v řízení biotransformací a fermentačních procesů.

Claims (5)

  1. PŘEDMĚT VYNÁLEZU
    1. Symetrická elektroda určená pro enzymatická měření, vyznačující se tím, že je tvořena skleněným tělem (4) symetrické elektrody, ve kterém jsou uspořádány jednak první měřicí kovová elektroda (2) a jednak druhá měřicí kovová elektroda (3) z nichž každá jo spojena s přívodním drátkem (12), přitom v těle (4) symetrické elektrody je vytvořen zásobník (14) elektrolytu (5), v jehož ose (15) je symetricky vůči první měřicí elektrodě (2) i druhé měřicí elektrodě (3) umístěna refetenční argentchloridová elektroda (6), okolo které je uspořádána skleněná trubička (13), která je integrální součástí těla (4) elektrody, a na které je upevněna pomocná elektroda (7), přičemž přes leštěnou čelní plochu (1) těla (4) symetrické elektrody je převlečena krycí membrána (10), která je upevněna přídržným kroužkem (11), zatímco tělo (4) symetrické elektrody je upevněno v držáku (8), ve kterém je uspořádán kabel (9), který je propojen s přívodními drátky (12) jednotlivých elektrod.
  2. 2. Symetrická elektroda podle bodu 1, vyznačující se tím, že první měřicí kovová elektroda (2) i druhá měřicí kovová elektroda (3) je tvořena ušlechtilým kovem platinou nebo zlatém.
  3. 3. Symetrická elektroda podle bodu 1, vyznačující se tím, že pomocná elektroda (7) je tvořena kovem, stříbrem nebo paladiem a nebo platinou.
  4. 4. Symetrická elektroda, podle bodu 1, vyznačující se tím, že leštěná čelní plocha (1) těla (4) symetrické elektrody má drsnost od 0,1 do 5 yum.
  5. 5. Symetrická elektroda, podle bodu 1, vyznačující se tím, že tělo (4) symetrické elektrody je tvořeno křemenným sklem, jehož koeficient délkové roztažnosti je stejný jako koeficient délkové roztažnosti materiálu první měřicí elektrody (2) a druhé měřicí elektrody (3).
CS799288A 1988-12-05 1988-12-05 Regenerable enzyme sensor with exchangeable membrane system CS274231B1 (en)

Priority Applications (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CS799288A CS274231B1 (en) 1988-12-05 1988-12-05 Regenerable enzyme sensor with exchangeable membrane system
CA 2002170 CA2002170A1 (en) 1988-12-05 1989-11-03 Recoverable enzyme sensor with replaceable membrane system
JP1313565A JPH02264855A (ja) 1988-12-05 1989-12-04 酵素センサー
EP19890312678 EP0372911A3 (en) 1988-12-05 1989-12-05 Recoverable enzyme sensor with replacement membrane system

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CS799288A CS274231B1 (en) 1988-12-05 1988-12-05 Regenerable enzyme sensor with exchangeable membrane system

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CS799288A1 CS799288A1 (en) 1990-09-12
CS274231B1 true CS274231B1 (en) 1991-04-11

Family

ID=5429947

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CS799288A CS274231B1 (en) 1988-12-05 1988-12-05 Regenerable enzyme sensor with exchangeable membrane system

Country Status (4)

Country Link
EP (1) EP0372911A3 (cs)
JP (1) JPH02264855A (cs)
CA (1) CA2002170A1 (cs)
CS (1) CS274231B1 (cs)

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6048692A (en) * 1997-10-07 2000-04-11 Motorola, Inc. Sensors for electrically sensing binding events for supported molecular receptors
CA2393733A1 (en) * 1999-12-09 2001-06-14 Motorola, Inc. Methods and compositions relating to electrical detection of nucleic acid reactions
US6518024B2 (en) 1999-12-13 2003-02-11 Motorola, Inc. Electrochemical detection of single base extension
US6824669B1 (en) 2000-02-17 2004-11-30 Motorola, Inc. Protein and peptide sensors using electrical detection methods

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2391467A1 (fr) * 1977-05-20 1978-12-15 Anvar Cellule de mesure pour microdosages, comprenant des electrodes a membranes enzymatiques
FR2615862B1 (fr) * 1987-05-29 1990-07-06 Armines Procede de fabrication de supports enzymatiques utilisables dans des capteurs a enzymes et capteurs a enzymes equipes de tels supports

Also Published As

Publication number Publication date
CA2002170A1 (en) 1990-06-05
JPH02264855A (ja) 1990-10-29
EP0372911A3 (en) 1991-01-02
CS799288A1 (en) 1990-09-12
EP0372911A2 (en) 1990-06-13

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US4517291A (en) Biological detection process using polymer-coated electrodes
US3542662A (en) Enzyme electrode
Urban et al. Miniaturized multi-enzyme biosensors integrated with pH sensors on flexible polymer carriers for in vivo applications
EP0255291B1 (en) Method and apparatus for electrochemical measurements
CN1175268C (zh) 电化学分析元件
US3902970A (en) Flow-through amperometric measuring system and method
US4225410A (en) Integrated array of electrochemical sensors
US4230537A (en) Discrete biochemical electrode system
EP0048090A2 (en) Substrate specific galactose oxidase enzyme electrodes
JP2755889B2 (ja) 少なくとも1個の電極およびまたはセンサを形成するための物体
JPH09127042A (ja) バイオセンサー
Opdycke et al. Polymer-membrane pH electrodes as internal elements for potentiometric gas-sensing systems
CA2266930C (en) Device for optical and electrochemical measurements in microliter size samples
US5269903A (en) Microbioelectrode and method of fabricating the same
US5256271A (en) Method of immobilizing biofunctional material, and element prepared thereby, and measurement by using the same element
WO1998013675A9 (en) Device for optical and electrochemical measurements in microliter size samples
US4604182A (en) Perfluorosulfonic acid polymer-coated indicator electrodes
CA2250469C (en) A polarographic sensor
Yu et al. An independently addressable microbiosensor array: What are the limits of sensing element density?
CS274231B1 (en) Regenerable enzyme sensor with exchangeable membrane system
JPH04279854A (ja) 白金被覆カーボンファイバー電極およびこれを用いた            酵素膜センサ
Russell et al. The commercialisation of sensor technology in clinical chemistry: an outline of the potential difficulties
GB2089997A (en) Replaceable junctions for reference electrodes
EP0380804A1 (en) Symmetrical probe for enzymatic measurements
JPH0862172A (ja) イオン濃度測定システム