[go: up one dir, main page]

RS20201065A1 - Planar electrode for biosensors realized using repetitive fractal geometry - Google Patents

Planar electrode for biosensors realized using repetitive fractal geometry

Info

Publication number
RS20201065A1
RS20201065A1 RS20201065A RSP20201065A RS20201065A1 RS 20201065 A1 RS20201065 A1 RS 20201065A1 RS 20201065 A RS20201065 A RS 20201065A RS P20201065 A RSP20201065 A RS P20201065A RS 20201065 A1 RS20201065 A1 RS 20201065A1
Authority
RS
Serbia
Prior art keywords
electrode
geometry
fractal
electrodes
biosensor
Prior art date
Application number
RS20201065A
Other languages
Serbian (sr)
Inventor
Vasa Dr Radonić
Jasmina Dr Vidić
Marko Dr Radović
Ivana Dr Gađanski
Original Assignee
Inst Biosens Istrazivacko Razvojni Inst Za Informacione Tehnologije Biosistema
Institut National De Recherche Pour Lagriculture Lalimentation Et Lenvironnement
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 Inst Biosens Istrazivacko Razvojni Inst Za Informacione Tehnologije Biosistema, Institut National De Recherche Pour Lagriculture Lalimentation Et Lenvironnement filed Critical Inst Biosens Istrazivacko Razvojni Inst Za Informacione Tehnologije Biosistema
Priority to RS20201065A priority Critical patent/RS20201065A1/en
Priority to PCT/RS2021/000011 priority patent/WO2022050860A1/en
Priority to EP21806053.1A priority patent/EP4213929A1/en
Publication of RS20201065A1 publication Critical patent/RS20201065A1/en

Links

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/28Electrolytic cell components
    • G01N27/30Electrodes, e.g. test electrodes; Half-cells
    • G01N27/327Biochemical electrodes, e.g. electrical or mechanical details for in vitro measurements
    • G01N27/3271Amperometric enzyme electrodes for analytes in body fluids, e.g. glucose in blood
    • G01N27/3272Test elements therefor, i.e. disposable laminated substrates with electrodes, reagent and channels
    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61NELECTROTHERAPY; MAGNETOTHERAPY; RADIATION THERAPY; ULTRASOUND THERAPY
    • A61N1/00Electrotherapy; Circuits therefor
    • A61N1/02Details
    • A61N1/04Electrodes
    • A61N1/05Electrodes for implantation or insertion into the body, e.g. heart electrode
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/28Electrolytic cell components
    • G01N27/30Electrodes, e.g. test electrodes; Half-cells
    • G01N27/327Biochemical electrodes, e.g. electrical or mechanical details for in vitro measurements
    • G01N27/3275Sensing specific biomolecules, e.g. nucleic acid strands, based on an electrode surface reaction
    • G01N27/3277Sensing specific biomolecules, e.g. nucleic acid strands, based on an electrode surface reaction being a redox reaction, e.g. detection by cyclic voltammetry
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/48Biological material, e.g. blood, urine; Haemocytometers
    • G01N33/50Chemical analysis of biological material, e.g. blood, urine; Testing involving biospecific ligand binding methods; Immunological testing
    • G01N33/53Immunoassay; Biospecific binding assay; Materials therefor
    • G01N33/543Immunoassay; Biospecific binding assay; Materials therefor with an insoluble carrier for immobilising immunochemicals
    • G01N33/54366Apparatus specially adapted for solid-phase testing
    • G01N33/54373Apparatus specially adapted for solid-phase testing involving physiochemical end-point determination, e.g. wave-guides, FETS, gratings
    • G01N33/5438Electrodes
    • 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
    • C12Q1/68Measuring or testing processes involving enzymes, nucleic acids or microorganisms; Compositions therefor; Processes of preparing such compositions involving nucleic acids
    • C12Q1/6813Hybridisation assays
    • C12Q1/6816Hybridisation assays characterised by the detection means
    • C12Q1/6825Nucleic acid detection involving sensors
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/416Systems
    • G01N27/48Systems using polarography, i.e. measuring changes in current under a slowly-varying voltage

Landscapes

  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Hematology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • Urology & Nephrology (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Microbiology (AREA)
  • Cardiology (AREA)
  • Food Science & Technology (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Cell Biology (AREA)
  • Biotechnology (AREA)
  • Biophysics (AREA)
  • Medicinal Chemistry (AREA)
  • Heart & Thoracic Surgery (AREA)
  • Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
  • Radiology & Medical Imaging (AREA)
  • Animal Behavior & Ethology (AREA)
  • Public Health (AREA)
  • Veterinary Medicine (AREA)
  • Apparatus Associated With Microorganisms And Enzymes (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Electric Means (AREA)

Abstract

The planar electrode for biosensors realized by applying repetitive fractal geometry has for a novelty the way of constructing a system of three biosensor electrodes using the repeating fractal geometry until the level of third order. The realization of the invention includes repetitive geometry of the 1st order of the Sierpine fractal, but the invention also relates to the repetitive geometry of the Koch curve, Pean curve and Hilbert curve, and of the geometric shapes includes the three most common shapes square, circle and triangle. Repetitive geometry is the basis of the innovation of the invention, because the change in the design of the planar electrode with its parameters, which will be discussed in the detailed description, as well as the order of fractals, significantly contributes to the increased sensitivity of biosensors. The biosensor of the invention is realized by LTCC technology and screen printing, i.e. for the substrate from which the biosensor electrode was made, ceramic is used on which gold is applied by screen printing, although the invention includes silver, platinum and carbon pastes, but also other manufacturing technologies as well as substrate materials and further functionalization of electrode surfaces. On non-sintered ceramic strips cut by laser using the screen printing process, through specifically designed masks using a photo procedure, a conductive paste is applied in an innovative fractal shape. The non-sintered strips are then laminated for mechanical strength and baked for the sintering process of the paste and the substrate itself. The electrodes can then be functionalized with appropriate bioreceptors, which do not affect the sensitivity itself, but the specificity of analyte recognition.

Description

Планарна електрода за биосензоре реализована применом понављајуће фракталне геометрије Planar electrode for biosensors realized by applying repeating fractal geometry

Област технике Field of technology

Проналазак уопштено посматрано, обухвата област електрохемије са посебним акцентом на специфичну реализацију електроде биосензора. Сам биосензор реализован као такав има примену у детекцији нуклеинских киселина и протеина у узорку, а пре свега из патогених микроорганизама у контаминираној храни и води. The invention generally encompasses the field of electrochemistry with a special emphasis on the specific implementation of the biosensor electrode. The biosensor itself, implemented as such, has applications in the detection of nucleic acids and proteins in a sample, primarily from pathogenic microorganisms in contaminated food and water.

Област класификације је широка и покрива следеће класе: C12Q1, G01N27, А61В5/0408, Н05К1/0283, A61N1/05 и H01L23. The scope of the classification is broad and covers the following classes: C12Q1, G01N27, A61B5/0408, H05K1/0283, A61N1/05 and H01L23.

Технички проблем Technical problem

Проналазак говори о новој конструкцији електрохемијског планарног биосензора чије су електроде реализоване путем понављајуће фракталне геометрије. Проналазак решава проблем недовољне осетљивости електрохемијских сензора која је посебно значајна у реализацији биосензора намењених детекцији биолошких маркера или патогена присутних у траговима у контаминираном узорку на начин да новом конструкцијом понављајуће геометрије (конкретно фракталне) повећава осетљивост сензора због повећања ефективне површине између електрода. The invention concerns a new construction of an electrochemical planar biosensor whose electrodes are realized through a repeating fractal geometry. The invention solves the problem of insufficient sensitivity of electrochemical sensors, which is particularly important in the realization of biosensors intended for the detection of biological markers or pathogens present in traces in a contaminated sample, in such a way that the new construction of a repeating geometry (specifically fractal) increases the sensitivity of the sensor due to the increase in the effective area between the electrodes.

Повећана осетљивост је демонстрирана на примерима детекције ДНК патогене бактерије Campylobacter jejuni и детекције модела протеина (глутатион-с-трансферазе, ГСТ) у млеку, мада се проналазак генерално односи на детекцију биолошких молекула, као што су нуклеинске киселине или протеини, присутних у анализираном узорку у траговима. Електрода у оквиру проналаска функционише на исти начин у оба примера, тј. без обзира да ли се ради о детекцији нуклеинске киселине или протеина (аналита), једино се разликује тип примењеног биорецептора (молекула који препознаје аналит) за функционализацију електроде. Овај податак је наведен илустративно и није ограничавајући за проналазак. The increased sensitivity is demonstrated in the examples of detection of DNA of the pathogenic bacterium Campylobacter jejuni and detection of a model protein (glutathione-s-transferase, GST) in milk, although the invention generally relates to the detection of biological molecules, such as nucleic acids or proteins, present in the analyzed sample in trace amounts. The electrode within the scope of the invention functions in the same way in both examples, i.e. regardless of whether it is a nucleic acid or protein (analyte) detection, the only difference is the type of bioreceptor (molecule that recognizes the analyte) used to functionalize the electrode. This information is provided for illustrative purposes and is not limiting of the invention.

Досадашња конструкција електрода је углавном укључивала реализацију електрода применом кружне геометрије што је резултовало у слабој осетљивости сензора и захтевало додатну функционализацију (или модификацију) површина електрода у циљу повећања селективности и осетљивости. Previous electrode designs have mainly involved the implementation of electrodes using circular geometry, which resulted in poor sensor sensitivity and required additional functionalization (or modification) of electrode surfaces in order to increase selectivity and sensitivity.

Проналазак доприноси повећању осетљивости, јер омогућава промену дизајна електроде биосензора, а не додатну модификацију материјала од којег су електроде израђене. The invention contributes to increasing sensitivity, as it allows for changing the design of the biosensor electrode, rather than additional modification of the material from which the electrodes are made.

У постојеће стање технике улазе следећи радови и заштићена решења: The existing state of the art includes the following works and protected solutions:

Патентна пријава US20060068381 под насловом “Methods for identifying а peptide that binds a geometrical shape" објављена 30. марта 2006. представља нову технику за имобилизацију антитела, ензима или аптамера за површину електрода сензора, али се по начину конструкције електроде суштински разликује у односу на особине проналаска. Patent application US20060068381 entitled “Methods for identifying a peptide that binds a geometrical shape" published on March 30, 2006, presents a new technique for immobilizing antibodies, enzymes, or aptamers to the surface of sensor electrodes, but differs substantially from the features of the invention in terms of the method of electrode construction.

Патентна пријава KR20190104041A под насловом "Electrophoresis chip for electrophoretic applications" објављена 5. септембра 2019. генерално говори о скупу штампаних електрода са симетричном геометријом који користи електрохемијски метод детекције за примену у електрофорези, али се као и претходно решење разликује по начину конструкције електроде. Patent application KR20190104041A entitled "Electrophoresis chip for electrophoretic applications" published on September 5, 2019, generally discusses a set of printed electrodes with symmetrical geometry that uses an electrochemical detection method for use in electrophoresis, but, like the previous solution, differs in the method of electrode construction.

Такође у постојеће стање технике улази и патент ЕР1931248В1 под насловом "Biologically integrated electrode devices" објављен 18. јуна 2008. као и пријава US20190030318A под насловом "Fractal geometry microelectrodes and uses thereof' објављена 31. јануара 2019. Поменути патент је фокусиран на примену електроактивних тј. проводних полимера у оквиру самог сензора, при чему се не разматрају специфичне геометрије у конструкцији електрода. Поменута пријава се односи на имплантабилне пулсне генераторе за стимулацију нервног система и не подразумева коришћење биорецептора. Also included in the existing state of the art is patent EP1931248V1 entitled "Biologically integrated electrode devices" published on June 18, 2008, as well as application US20190030318A entitled "Fractal geometry microelectrodes and uses thereof" published on January 31, 2019. The aforementioned patent focuses on the use of electroactive, i.e. conductive polymers within the sensor itself, and does not consider specific geometries in the electrode construction. The aforementioned application relates to implantable pulse generators for stimulation of the nervous system and does not involve the use of bioreceptors.

Поред ових решења такође у постојеће стање технике улази и патентна пријава US20150380355A1 под насловом "Self-similar and fractal design for stretchable electronics" објављена 31. децембра 2015. која представља примену фрактала у реализацији електронских веза у флексибилној и савитљивој електроници, али се не спомиње примена у реализацији електрохемијских сензора или биосензора. In addition to these solutions, the existing state of the art also includes patent application US20150380355A1 entitled "Self-similar and fractal design for stretchable electronics" published on December 31, 2015, which presents the application of fractals in the implementation of electronic connections in flexible and bendable electronics, but does not mention the application in the implementation of electrochemical sensors or biosensors.

Такође и рад под насловом "Study of fractal electrode designs for buckypaper-based microsupercapacitors" спомиње фрактале, али за примену у суперкондензаторима, док рад под насловом "Resistance-Capacitance Gas Sensor Based on Fractal Geometry" објашњава примену фрактала за реализацију резистивно-капацитивног гасног сензора, без коришћења биорецептора. Also, the paper titled "Study of fractal electrode designs for buckypaper-based microsupercapacitors" mentions fractals, but for application in supercapacitors, while the paper titled "Resistance-Capacitance Gas Sensor Based on Fractal Geometry" explains the application of fractals for the realization of a resistive-capacitive gas sensor, without the use of bioreceptors.

Патент US8009053B2 под насловом “Rain sensor with fractal capacitor(s)" објављен 10. септембра 2009. објашњава реализацију капацитивног сензора применом фракталне геометрије, али не у складу са описом проналаска. Patent US8009053B2 entitled “Rain sensor with fractal capacitor(s)" published on September 10, 2009 explains the implementation of a capacitive sensor using fractal geometry, but not in accordance with the description of the invention.

Такође патентна пријава ЈР2016520986А под насловом "Self-similar fractal design for stretchable electronics" објављена 14. јула 2016. припада стању технике, али не спомиње да је фрактална геометрија примењена код планарне електроде биосензора. Also, patent application JR2016520986A entitled "Self-similar fractal design for stretchable electronics" published on July 14, 2016, belongs to the state of the art, but does not mention that fractal geometry was applied to a planar biosensor electrode.

Патент ES2517919T3 под насловом Nanostructure microeectro es an io etection devices that incorporate them" објављен 4. новембра 2014. говори o реализацији наноструктурираних електрода у облику жица за биосензорске апликације које се могу израдити и у облику тродимензионалних фракталних структура, али структура реализована на начин на који предвиђа проналазак није споменута. Patent ES2517919T3 entitled "Nanostructure microelectrodes and detection devices that incorporate them" published on November 4, 2014, talks about the realization of nanostructured electrodes in the form of wires for biosensor applications that can also be made in the form of three-dimensional fractal structures, but the structure realized in the manner envisaged by the invention is not mentioned.

Сличан опис је и са пријавом ЕР3369828 под насловом “Bioprobes and methods of use thereof' која je објављена 5.септембра 2018., наведена је генерална примена фрактала, али се разликује реализација структуре проналаска. A similar description is given in the application EP3369828 entitled "Bioprobes and methods of use thereof", published on September 5, 2018, which states the general application of fractals, but the implementation of the structure of the invention differs.

Излагање суштине проналаска Exposition of the essence of the invention

Биосензори данас представљају једно од најчешће примењиваних технолошких решења у различитим областима брзе дијагностике, попут медицине, пољопривреде, прехрамбене индустрије, заштите животне средине и сл. За разлику од класичних метода микробиолошке анализе које су споре (више сати до једне недеље да дају резултат), скупе (заснивају се на више етапа, коришћењу веће количине хемикалија и посуђа) и захтевају високо-обучене истраживаче да их примењују и тумаче резултате, биосензори омогућавају брзу и једноставну, а специфичну анализу по малој цени. Ипак, главни услов да дође до комерцијализације биосензора је довољно осетљива детекција да би могли да се директно примењују за анализу контаминираних узорака (храна, крв и крвна плазма, вода, биљни материјал). Biosensors today represent one of the most commonly used technological solutions in various areas of rapid diagnostics, such as medicine, agriculture, the food industry, environmental protection, etc. Unlike classical methods of microbiological analysis, which are slow (several hours to one week to produce a result), expensive (based on multiple stages, using a large amount of chemicals and utensils) and require highly trained researchers to apply them and interpret the results, biosensors enable fast and simple, yet specific analysis at a low cost. However, the main condition for the commercialization of biosensors is sufficiently sensitive detection so that they can be directly applied to the analysis of contaminated samples (food, blood and blood plasma, water, plant material).

Постоји неколико принципа рада биосензора који се заснивају, између осталог и на оптичким, акустичким и флуоресцентним методама, али се електрохемијска детекција са свим својим параметрима показала као најпоузданија, брза, економски исплатива и, генерално посматрано, најпримењивија техника. Физичка величина, геометрија, број електрода и конструкција електрохемијског сензора обично зависе од намене за коју је предвиђен. Због тога се могу очекивати различите карактеристике ових сензора, у погледу осетљивости, селективности, времена одзива и радног века. Функционализација електрода сензора различитим материјалима (наноматеријалима, графеном, дендримерима и сл.) или коришћење селективних мембрана додатно повећава осетљивост сензора. Типични планарни електрохемијски сензори се састоје од радне електроде, помоћне електроде и референтне електроде, међусобно повезане танким слојем електролита који садржи аналит (циљ детекције). Због специфичности примене, данас су познати различити типови реализације електрода електрохемијских биосензора у погледу материјала од којих су начињене, али се углавном користи кружна геометрија радне електроде, што повлачи низ ограничења у погледу детекције и осетљивости. Осетљивост биосензора у великој мери зависи од материјала од кога се праве електроде, подлоге и од геометријских параметара електроде. За израду електрода најчешће су коришћени племенити метали (злато, сребро, платина), керамика и порцелан из разлога сто се ови материјали релативно лако функционализују биолошким молекулима (ДНК пробе, антитела, ензими, аптамери, липозоми, итд). There are several principles of biosensor operation based on, among others, optical, acoustic and fluorescent methods, but electrochemical detection with all its parameters has proven to be the most reliable, fast, economically viable and, generally speaking, the most applicable technique. The physical size, geometry, number of electrodes and construction of an electrochemical sensor usually depend on the intended purpose. Therefore, different characteristics of these sensors can be expected, in terms of sensitivity, selectivity, response time and operating life. Functionalization of sensor electrodes with different materials (nanomaterials, graphene, dendrimers, etc.) or the use of selective membranes further increases the sensitivity of the sensor. Typical planar electrochemical sensors consist of a working electrode, an auxiliary electrode and a reference electrode, interconnected by a thin layer of electrolyte containing the analyte (detection target). Due to the specific nature of the application, various types of implementation of electrochemical biosensor electrodes are known today in terms of the materials they are made of, but the circular geometry of the working electrode is generally used, which entails a number of limitations in terms of detection and sensitivity. The sensitivity of a biosensor largely depends on the material from which the electrodes are made, the substrate, and the geometric parameters of the electrode. Noble metals (gold, silver, platinum), ceramics, and porcelain are most often used for the manufacture of electrodes because these materials are relatively easily functionalized with biological molecules (DNA probes, antibodies, enzymes, aptamers, liposomes, etc.).

Проналазак се базиран на идеји да се сензорске карактеристике биосензора, у смислу осетљивости, могу значајно повећати изменама геометрије електрода, без измена самог материјала од којег се електроде израђују или њиховом додатном функционализацијом. The invention is based on the idea that the sensing characteristics of a biosensor, in terms of sensitivity, can be significantly increased by changing the geometry of the electrodes, without changing the material from which the electrodes are made or their additional functionalization.

Проналазак говори о реализацији наведене електроде биосензора, односно њеној новој геометријској конструкцији. У питању је систем од три електроде који се састоји од радне, референтне и помоћне електроде које су конструкцијски реализоване употребом понављајуће фракталне геометрије првог реда, мада проналазак предвиђа распон до трећег реда понављајуће геометрије. Сама реализација проналаска укључује понављајућу геометрију 1. реда Сијерпински фрактала, али проналазак се односи и на понављајућу геометрију Кохове криве, Пеанове криве и Хилбертове криве, а од геометријских облика укључује три највише заступљена облика - квадрат, круг и троугао. Примена понављајуће геометрије фракталних крива у реализацији биосензора, представља основну иновативност проналаска, јер директно повећава осетљивост електрохемијских биосензора. The invention relates to the implementation of the aforementioned biosensor electrode, or rather its new geometric construction. It is a three-electrode system consisting of a working, reference and auxiliary electrode, which are structurally implemented using the first-order repeating fractal geometry, although the invention envisages a range up to the third order of repeating geometry. The implementation of the invention itself includes the repeating geometry of the 1st order of the Sierpinski fractal, but the invention also relates to the repeating geometry of the Koch curve, the Pean curve and the Hilbert curve, and of the geometric shapes it includes the three most common shapes - a square, a circle and a triangle. The application of the repeating geometry of fractal curves in the implementation of the biosensor is the basic innovation of the invention, as it directly increases the sensitivity of electrochemical biosensors.

Планарна електрода је реализована технологијом нискотемпературне заједнопечене керамике (енгл. Low Temperature Cofired Ceramic, LTCC), при чему је подлога на коме је реализована електрода керамика. На несинтеровану керамичку подлогу се сито штампом, преко претходно припремљене маске, наноси златна паста у геометријском облику фракталне криве. Проналазак укључује и пасту од платине, карбонске пасте и сребрне пасте. Керамичке несинтероване траке дебљине 300μm се првобитно секу и обликују ласером, а после штампе се ламинирају и пеку на 865°С, због синтеровања саме керамичке подлоге и због синтеровања проводне пасте у електроде високе електричне проводности. Процес ламинирања више керамичких трака дебљине 1- 3 mm се одвија у изотермалној преси на температури од 75°С. The planar electrode is realized using the Low Temperature Cofired Ceramic (LTCC) technology, where the substrate on which the electrode is realized is ceramic. A gold paste in the geometric shape of a fractal curve is applied to the unsintered ceramic substrate by screen printing, through a previously prepared mask. The invention also includes platinum paste, carbon paste and silver paste. Ceramic unsintered strips with a thickness of 300μm are initially cut and shaped by a laser, and after printing they are laminated and baked at 865°C, for the purpose of sintering the ceramic substrate itself and for the purpose of sintering the conductive paste into electrodes with high electrical conductivity. The process of laminating multiple ceramic strips with a thickness of 1-3 mm takes place in an isothermal press at a temperature of 75°C.

Сама електрода проналаска није ограничена технологијом израде електрода и укључује и израду електрода применом инкџет штампе, или применом других танкослојних или дебелослојних технологија фабрикације, као и израду на другим подлогама као што су папир, стакло, органски и неоргански полимери. The electrode of the invention itself is not limited to the electrode manufacturing technology and includes the manufacturing of electrodes using inkjet printing, or using other thin-film or thick-film fabrication technologies, as well as manufacturing on other substrates such as paper, glass, organic and inorganic polymers.

Планарна електрода се може функционализовати различитим биорецепторима, као што су једноланчани фрагменти тј. оликонуклеотиди нуклеинских киселина (ДНК и РНК пробе), антитела, аптамери, лектини и ензими. Биорецептори се бирају тако да буду специфични и селективни за тражени аналит. Ако се функционализација врши антителима тј. имуноглобулинима, добијени биосензор је тзв. имуносензор. Функционализацијом путем ДНК проба добија се геносензор. The planar electrode can be functionalized with various bioreceptors, such as single-stranded fragments, i.e. oligonucleotides of nucleic acids (DNA and RNA probes), antibodies, aptamers, lectins and enzymes. Bioreceptors are chosen to be specific and selective for the desired analyte. If functionalization is performed with antibodies, i.e. immunoglobulins, the resulting biosensor is a so-called immunosensor. Functionalization with DNA probes results in a genosensor.

Кратак опис слика нацрта Brief description of the draft images

Слика 1 приказује поступак израде иновативне електроде биосензора Figure 1 shows the process of making an innovative biosensor electrode

Слика 2 приказује иновативну геометријску реализацију електроде биосензора у складу са описом проналаска Figure 2 shows an innovative geometric implementation of a biosensor electrode according to the description of the invention

Слика 3 приказује иновативну електроду - после израде: а) изглед фабриковане електроде, б) измерене димензије електроде, в) СЕМ (скенирајућа електронска микроскопија) приказ површине златне електроде увеличан 2000 пута. Figure 3 shows the innovative electrode - after fabrication: a) appearance of the fabricated electrode, b) measured dimensions of the electrode, c) SEM (scanning electron microscopy) view of the gold electrode surface magnified 2000 times.

Слика 4 приказује струјно-напонску карактеристику реализованог биосензора где су на Слици 4а и 4б приказани стандардни тестови са раствором 0.1М фероцен-метилалкохола у 0.9М фосфатном пуферу и 1mM фероцен-метилалкохола у 0.05М сумпорне киселине, респективно, при односу скенирања од 50mV/s. На слици в) приказана је струјно-напонска карактеристика за 1mM фероцен-метилалкохола у 0.05М сумпорне киселине при различитим вредностима односа скенирања, док је на слици д) приказана поновљивост резултата мерења на различитим електродама. Figure 4 shows the current-voltage characteristic of the implemented biosensor, where Figure 4a and 4b show standard tests with a solution of 0.1M ferrocene-methyl alcohol in 0.9M phosphate buffer and 1mM ferrocene-methyl alcohol in 0.05M sulfuric acid, respectively, at a scan rate of 50mV/s. Figure c) shows the current-voltage characteristic for 1mM ferrocene-methyl alcohol in 0.05M sulfuric acid at different scan rate values, while Figure d) shows the repeatability of measurement results on different electrodes.

Слика 5 приказује геносензор, односно биосензор функционализован помоћу специфичних ДНК проба и његово тестирање за детекцију различитих концентрација ДНК молекула изолованих из Campylobacter jejuni, где се сигнал генерише када се ДНК секвенце изоловане из бактерије везују тј. хибридизују на специфичну ДНК пробу на површини електроде проналаска. Figure 5 shows a genosensor, or biosensor functionalized with specific DNA probes, and its testing for the detection of different concentrations of DNA molecules isolated from Campylobacter jejuni, where a signal is generated when DNA sequences isolated from the bacterium bind, i.e. hybridize, to a specific DNA probe on the surface of the electrode of the invention.

Слика б приказује имуносензор, односно тестирање имуносензора за различите концентрације протеина. Наиме, ради се о процедури реализације електроде биосензора при чему се површина електроде функционализује наношењем имуноглобулина тј. антитела специфичних за протеин (антиген) који треба детектовати - у овом случају је антиген ГСТ протеин, а нанесено је анти-ГСТ антитело. Сигнал се генерише када се ГСТ протеин веже за анти-ГСТ антитело нанесено на електроду, чиме се остварује електрохемијска детекција присуства ГСТ протеина у узорку, помоћу фероцена - редокс индикатора, који се налази у раствору. Figure b shows an immunosensor, or rather, testing an immunosensor for different protein concentrations. Namely, it is a procedure for realizing a biosensor electrode, whereby the electrode surface is functionalized by applying immunoglobulins, i.e. antibodies specific for the protein (antigen) to be detected - in this case, the antigen is the GST protein, and an anti-GST antibody is applied. A signal is generated when the GST protein binds to the anti-GST antibody applied to the electrode, thereby achieving electrochemical detection of the presence of the GST protein in the sample, using ferrocene - a redox indicator, which is present in the solution.

Слика 7 приказује поређење осетљивости реализованих геносензора и имуносензора за детекцију Campylobacter jejuni и ГСТ протеина у млеку, респективно, као пример рада проналаска и поређење са комерцијалним сензорима који користе кружну геометрију функционализованих применом исте процедуре имобилизације електрода. Figure 7 shows a comparison of the sensitivity of the implemented genosensors and immunosensors for the detection of Campylobacter jejuni and GST proteins in milk, respectively, as an example of the work of the invention and a comparison with commercial sensors using circular geometry functionalized using the same electrode immobilization procedure.

лика представља пример понављау е геометрие за дати проналазак када е у питању сукцесивно понављање кружне геометрије. The figure represents an example of repeating geometry for a given invention when it comes to successive repetition of circular geometry.

Детаљан опис проналаска Detailed description of the invention

Пре излагања детаља проналаска, важно је разумети и наглашава се да предметни проналазак није ограничен детаљима конструкције, као што су димензије, облик и ред фрактала, као ни материјалима за израду електрода, подлоге, технологијом израде, нити типом биорецептора примењеног за функционализацију електроде, који су илустровани и описани у наставку. Употребљени термини у опису проналаска служе за разумевање проналаска, а не за његова ограничења. Before presenting the details of the invention, it is important to understand and emphasize that the present invention is not limited to the details of construction, such as the dimensions, shape and order of the fractals, nor to the materials for making the electrodes, the substrate, the manufacturing technology, nor to the type of bioreceptor used for functionalizing the electrode, which are illustrated and described below. The terms used in the description of the invention serve to understand the invention, and not to limit it.

Иновативна електрода биосензора састоји се од три електроде чија се основна особина иновативности огледа у новој геометријској конструкцији радне електроде у облику фракталне криве. Наиме, ради се о конструкцији понављајуће геометрије фракталног облика да би се побољшала осетљивост самог сензора, док остале електроде прате геометрију радне електроде. На овај начин се повећава ефективна површина између радне и помоћних електрода. Проналазак полази од хипотезе да се осетљивост биосензора може значајно повећати изменом геометрије електрода без измена самог материјала од којег се електроде израђују. Сама реализација проналаска укључује понављајућу геометрију 1. реда Сијерпински фрактала, са димензијама приказаним на Слици 2, али проналазак се односи и на понављајућу геометрију Кохове криве, Пеанове криве и Хилбертове криве, а од геометријских облика укључује три највише заступљена облика - квадрат, круг и троугао. Примена понављајуће геометрије фракталних крива у реализацији биосензора представља основну иновативност проналаска, јер директно повећава осетљивост електрохемијских биосензора. The innovative biosensor electrode consists of three electrodes, the main feature of which is reflected in the new geometric construction of the working electrode in the form of a fractal curve. Namely, it is a construction of a repeating geometry of a fractal shape in order to improve the sensitivity of the sensor itself, while the other electrodes follow the geometry of the working electrode. In this way, the effective area between the working and auxiliary electrodes is increased. The invention is based on the hypothesis that the sensitivity of the biosensor can be significantly increased by changing the geometry of the electrodes without changing the material from which the electrodes are made. The implementation of the invention itself includes the repeating geometry of the 1st order Sierpinski fractal, with the dimensions shown in Figure 2, but the invention also relates to the repeating geometry of the Koch curve, the Pean curve and the Hilbert curve, and of the geometric shapes it includes the three most common shapes - a square, a circle and a triangle. The application of the repeating geometry of fractal curves in the realization of biosensors represents the fundamental innovation of the invention, as it directly increases the sensitivity of electrochemical biosensors.

На Слици 1 је приказан процес израде сензора који почиње фазом 101 где се одвија одабир фракталне геометрије, реда фрактала и димензија електрода, после чега следи фаза 102 израде маски за сито штампу које се реализују помоћу фото-осетљиве фолије. Планарна електрода је реализована технологијом нискотемпературне заједнопечене керамике (енгл. Low Temperature Cofired Ceramic LTCC), при чему je подлога на коме је реализована електрода керамика. У фази 100 се прво керамичке несинтероване траке дебљине 300μm секу и обликују ласером. На тако исечену несинтеровану керамичку подлогу се у фази 103 сито штампом, преко претходно припремљене маске, наноси златна паста произвођача Heraeus ТС7102 у геометријском облику фракталне криве. Проналазак укључује и пасту од платине, карбонску и сребрну пасту. Ради обезбеђивања механичке чврстоће електроде у фази 104 се врши процес ламинирања више несинтерованих керамичких трака од 3-7 слојева како би се остварила коначна дебљина електрода од 1-2 mm. Ламинација се врши у изотермалној преси на температури од 75°С у трајању од 3 минута. Послe ламинације следи фаза 105, печења на температури од 865°С у трајању од 10h, због синтеровања саме керамичке подлоге и синтеровања проводне пасте у електроде високе проводности. Figure 1 shows the sensor manufacturing process, which begins with phase 101, where the fractal geometry, fractal order, and electrode dimensions are selected, followed by phase 102, which involves the manufacture of screen printing masks, which are implemented using a photosensitive film. The planar electrode is implemented using Low Temperature Cofired Ceramic LTCC technology, with the substrate on which the electrode is implemented being ceramic. In phase 100, first, 300μm thick ceramic unsintered strips are cut and shaped with a laser. In phase 103, a gold paste manufactured by Heraeus TS7102 in the geometric shape of a fractal curve is applied to the cut unsintered ceramic substrate by screen printing, over a previously prepared mask. The invention also includes platinum paste, carbon paste, and silver paste. To ensure the mechanical strength of the electrode, in phase 104, a process of laminating several unsintered ceramic strips of 3-7 layers is performed in order to achieve a final electrode thickness of 1-2 mm. Lamination is performed in an isothermal press at a temperature of 75°C for 3 minutes. After lamination, phase 105 follows, firing at a temperature of 865°C for 10 hours, for sintering the ceramic substrate itself and sintering the conductive paste into high-conductivity electrodes.

Понављајућа геометрија је реализована преко фракталних кривих чија је основна карактеристика да на високоефикасан начин испуњавају додељен простор, односно како расте ред фракталне криве се тако мења да се њена димензија повећава на ограниченој површини. Због тога се, одабиром овакве конструкције, ефективна површина између радне и помоћне електроде повећава 2.4 пута. The repeating geometry is implemented through fractal curves, the main characteristic of which is that they fill the allocated space in a highly efficient manner, i.e. as the order of the fractal curve increases, its dimension increases on a limited surface. Therefore, by choosing this construction, the effective surface area between the working and auxiliary electrodes increases by 2.4 times.

Систем од три електроде, који је и основа проналаска биосензора, реализован је тако да радна електрода обезбеђује варијацију потенцијала, помоћна (бројач) електрода балансира струју радне електроде, а код референтне је познат потенцијал тако да је принцип рада система такав да се контролише потенцијал, напон у контакту са аналитичком супстанцом, док се мери промена струја. Референтна електрода је половина ћелије са познатим редукционим потенцијалом. Њена једина улога је да делује као референца у мерењу и контроли потенцијала радне електроде. The three-electrode system, which is the basis for the invention of the biosensor, is implemented in such a way that the working electrode provides a variation in potential, the auxiliary (counter) electrode balances the current of the working electrode, and the reference electrode has a known potential, so that the principle of operation of the system is such that the potential, the voltage in contact with the analytical substance, is controlled, while the change in current is measured. The reference electrode is a half-cell with a known reduction potential. Its only role is to act as a reference in measuring and controlling the potential of the working electrode.

Фракталне криве које проналазак укључује су: Кохова крива, Сијерпински фрактални троугао и тепих, Пеанова и Хилбертова крива. Такође проналазак као полазну основу за формирање фракталне геометрије електроде биосензора користи и квадрат, троугао и круг, чије се скалиране копије периодично понављају, где се дефинише сет параметара попут иницијалних димензија, фактора скалирања, реда фрактала тј. броја понављања скалираних копија, итд. На примеру круга се најбоље објашњава значај понављајуће геометрије у примени код биосензора. The fractal curves included in the invention are: Koch curve, Sierpinski fractal triangle and carpet, Peano and Hilbert curves. The invention also uses a square, triangle and circle as a starting point for forming the fractal geometry of the biosensor electrode, the scaled copies of which are periodically repeated, where a set of parameters is defined such as the initial dimensions, scaling factor, fractal order, i.e. the number of repetitions of scaled copies, etc. The importance of repeating geometry in biosensor applications is best explained using the example of a circle.

На Слици 8 је представљена понављајућа геометрија круга, где се већ код друге итерације сугерише низ параметара: број понављања круга, удаљеност малих и великих кругова и фактор скалирања, односно однос пречника малог и великог круга. На крају, са великим бројем итерација видимо да се линија која описује целу структуру повећава, што је значајно за биосензор у смислу повећања осетљивости. Figure 8 shows the repeating geometry of the circle, where a series of parameters are suggested already in the second iteration: the number of circle repetitions, the distance between small and large circles, and the scaling factor, i.e. the ratio of the diameters of the small and large circles. Finally, with a large number of iterations, we see that the line describing the entire structure increases, which is significant for the biosensor in terms of increasing sensitivity.

На Слици 2 је дат биосензор који се састоји од иновативне конструкције електроде која се састоји из радне, помоћне и референтне електроде са одговарајућим димензијама. Проналазак не лимитира димензије електроде, али се примарно ставља акценат на доле наведене димензије и опсег димензија. На Слици 2 дат је изглед електрода, као и иницијалне димензије сензора. Figure 2 shows a biosensor consisting of an innovative electrode design consisting of a working, auxiliary and reference electrode with appropriate dimensions. The invention does not limit the dimensions of the electrode, but primarily emphasizes the dimensions and range of dimensions listed below. Figure 2 shows the layout of the electrodes, as well as the initial dimensions of the sensor.

Слика 3 приказује реализовану иновативну електроду, увеличан приказ површине реализоване електроде, као и измерене димензије појединих делова реализоване електроде. Figure 3 shows the implemented innovative electrode, an enlarged view of the surface of the implemented electrode, as well as the measured dimensions of individual parts of the implemented electrode.

цикличне волтметрије. На Слици 4а и 46 приказани су стандардни тестови са раствором 0.1М фероцен-метилалкохола у 0.9М фосфатног пуфера и 1 mM фероцен-метилалкохола у 0.05М сумпорне киселине, респективно при брзини скенирања од 50 mV/s. На Слици 4в приказана је струјно-напонска карактеристика и за 1 mM фероцен-метилалкохола у 0.05М сумпорне киселине при различитим вредностима односа скенирања, док је на Слици 4д приказана поновљивост резултата мерења на различитим електродама. Cyclic voltammetry. Figures 4a and 46 show standard tests with a solution of 0.1M ferrocene-methyl alcohol in 0.9M phosphate buffer and 1 mM ferrocene-methyl alcohol in 0.05M sulfuric acid, respectively, at a scan rate of 50 mV/s. Figure 4c shows the current-voltage characteristic for 1 mM ferrocene-methyl alcohol in 0.05M sulfuric acid at different scan ratio values, while Figure 4d shows the repeatability of measurement results on different electrodes.

Као што је наведено у опису суштине проналаска, планарна фрактална електрода се може функционализовати различитим биорецепторима, као што су антитела или једноланчане ДНК пробе тј. олигонуклеотиди дезоксирибонуклеинске киселине. Биорецептори се бирају тако да буду специфични и селективни за тражени аналит. Ако се функционализација врши антителима тј. имуноглобулинима, добијени биосензор је тзв. имуносензор. Функционализацијом путем ДНК проба добија се геносензор. Потенцијал развијених планарних електрода за практичне примене је тестиран у два типа биосензорских апликација, геносензорима и имуносензорима. As stated in the description of the essence of the invention, the planar fractal electrode can be functionalized with various bioreceptors, such as antibodies or single-stranded DNA probes, i.e. deoxyribonucleic acid oligonucleotides. The bioreceptors are chosen to be specific and selective for the desired analyte. If the functionalization is performed with antibodies, i.e. immunoglobulins, the resulting biosensor is the so-called immunosensor. Functionalization with DNA probes results in a genosensor. The potential of the developed planar electrodes for practical applications has been tested in two types of biosensor applications, genosensors and immunosensors.

За геносензор, чиста површина планарне електроде се инкубира 1h на 37°С са раствором у ком се, у концентрацији од 10ng/μl, налазе молекули специфичне једноланчане ДНК пробе тј. олигонуклеотиди са секвенцом која је комплементарна са секвенцом нуклеотида које треба детектовати у узорку. ДНК биорецептор је произведен са тиол групом на 5'- крају јер је коришћено злато као материјал за израду електрода. V конкретном примеру, ради се о молекулима ДНК специфичним за Campylobacter jejuni. Затим се електрода испира три пута фосфатним пуфером да би се уклонили сви они ДНК нуклеотиди који се нису ковалентно везали за површину електроде. Ковалентна веза се прави између златне електроде и -SH групе (тиол) који је додат ДНК биорецептору на 5' крају. Потом се електрода инкубира са раствором метилен-плавог у фосфатном пуферу током 1h, што је припрема за тестирање ефикасности имобилизације ДНК пробе на површину електроде, као и ефикасности хибридизације имобилисане ДНК пробе са комплементарним нуклеотидима у узорку. Метилен-плаво је често коришћени редокс индикатор за електрохемијска мерења са геносензорима, за детекцију ДНК хибридизације, јер има различит електрохемијски одговор на једноланчану и на дволанчану ДНК тј. ДНК структуру добијену хибридизацијом једноланчане ДНК пробе и нуклеотида из узорка. Ова разлика настаје као последица интеракције метилен-плавог и гуанидинске базе у једноланчаним ДНК. Сам тест ефикасности се спроводи путем цикличне волтаметрије (ЦВ), мерењем у опсегу од -0.3 V до 0.6 V, уз коришћење референтне електроде од сребра/среброхлорида (Ag/AgCI) на 100 mV/s, у фосфатном пуферу, рН 7.2, на собној температури. За евалуацију хибридизације се пореде ЦВ вредности добијене при додатим комплементарним односно не-комплементарним ДНК пропорцијално комплементарним нуклеотидима из узорка тј. аналита. For the genosensor, the clean surface of the planar electrode is incubated for 1 h at 37°C with a solution containing, at a concentration of 10 ng/μl, molecules of a specific single-stranded DNA probe, i.e. oligonucleotides with a sequence complementary to the nucleotide sequence to be detected in the sample. The DNA bioreceptor is manufactured with a thiol group at the 5'-end because gold was used as the material for making the electrodes. In the specific example, these are DNA molecules specific for Campylobacter jejuni. The electrode is then washed three times with phosphate buffer to remove all DNA nucleotides that have not covalently bound to the electrode surface. A covalent bond is formed between the gold electrode and the -SH group (thiol) added to the DNA bioreceptor at the 5'-end. The electrode is then incubated with a solution of methylene blue in phosphate buffer for 1 h, which is a preparation for testing the efficiency of immobilization of the DNA probe on the electrode surface, as well as the efficiency of hybridization of the immobilized DNA probe with complementary nucleotides in the sample. Methylene blue is a frequently used redox indicator for electrochemical measurements with genosensors, for the detection of DNA hybridization, because it has a different electrochemical response to single-stranded and double-stranded DNA, i.e. the DNA structure obtained by hybridization of a single-stranded DNA probe and nucleotides from the sample. This difference arises as a consequence of the interaction of methylene blue and the guanidine base in single-stranded DNA. The efficiency test itself is performed by cyclic voltammetry (CV), measuring in the range from -0.3 V to 0.6 V, using a silver/silver chloride (Ag/AgCI) reference electrode at 100 mV/s, in phosphate buffer, pH 7.2, at room temperature. To evaluate hybridization, the CV values obtained with the addition of complementary or non-complementary DNA proportionally complementary nucleotides from the sample, i.e. analyte, are compared.

Слика 5а приказује процедуру везивања ДНК секвенце кампилобактерије Campylobacter jejuni на електроду проналаска. На Слици 5б и 5в су приказани резултати тестирања на различите концентрације позитивне и негативне тест пробе, док је на Слици 5r приказана микроструктура електроде добијена СЕМ снимањем имобилизоване електроде са ДНК. Figure 5a shows the procedure for binding the DNA sequence of Campylobacter jejuni to the electrode of the invention. Figures 5b and 5c show the results of testing at different concentrations of the positive and negative test sample, while Figure 5r shows the electrode microstructure obtained by SEM imaging of the immobilized electrode with DNA.

За имуносензор, чиста површина планарне електроде се прво третира раствором меркаптоундеканоичне киселине (МУК) у етанолу, затим се испира и излаже активационом реагенсу који активира нанесени МУК слој. Активациони реагенс се састоји од смеше азотхидроксисукцинимида (енгл. N-hydroxysuccinimide i.e. NHS) и азот-(3- диметиламинопропил)-азот-етил-карбодиимидхидрохлорид (енгл.N-(3- dimethylaminopropyle)-N-ethylecarbodiimidehydrochloride i.e. EDC) у натријум-ацетатном пуферу, рН5. Овај третман омогућује имобилизацију протеина који граде амино везе са активираном површином МУК-а. Потом се раствор моноклоналног антитела у фосфатном пуферу наноси на површину електроде са МУК слојем и инкубира се 1h на собној температури да би се омогућило формирање аминске везе између нанесеног антитела и МУК слоја. Функционализована имуносензорска електрода се затим испира фосфатним пуфером, рН 7.2, и до коришћења се одлаже на 4°С у навлаженом стању (помоћу фосфатног пуфера), да би се избегла денатурација нанесених антитела. Затим се електрода инкубира са етаноламином у фосфатном пуферу, у трајању од 30 минута, а потом испира фосфатним пуфером. На тај начин се неутралишу преостала везивна места за која се претходно нису везала антитела на функционализованој електроди и спречава се неспецифично препознавање аналита. Само електрохемијско мерење се изводи у раствору 0.1М фероценметилалкохола у 0.9М фосфатном пуферу, будући да је фероцен редокс индикатор тј. генерише електрохемијски сигнал. При везивању антигена за антитело на електроди, електохемијски сигнал фероцена се мења што се детектује помоћу цикличне волтаметрије. For the immunosensor, the clean surface of the planar electrode is first treated with a solution of mercaptoundecanoic acid (MUK) in ethanol, then washed and exposed to an activation reagent that activates the applied MUK layer. The activation reagent consists of a mixture of N-hydroxysuccinimide (i.e. NHS) and N-(3-dimethylaminopropyl)-N-ethylecarbodiimidehydrochloride (i.e. EDC) in sodium acetate buffer, pH5. This treatment allows the immobilization of proteins that form amino bonds with the activated MUK surface. Then, a solution of monoclonal antibody in phosphate buffer is applied to the surface of the electrode with the MUK layer and incubated for 1 h at room temperature to allow the formation of an amine bond between the applied antibody and the MUK layer. The functionalized immunosensor electrode is then washed with phosphate buffer, pH 7.2, and stored at 4°C in a humidified state (using phosphate buffer) until use, to avoid denaturation of the applied antibodies. The electrode is then incubated with ethanolamine in phosphate buffer for 30 minutes, and then washed with phosphate buffer. In this way, the remaining binding sites to which antibodies have not previously bound on the functionalized electrode are neutralized and non-specific recognition of the analyte is prevented. The electrochemical measurement itself is performed in a solution of 0.1M ferrocene methyl alcohol in 0.9M phosphate buffer, since ferrocene is a redox indicator, i.e. it generates an electrochemical signal. When antigen binds to the antibody on the electrode, the electrochemical signal of ferrocene changes, which is detected by cyclic voltammetry.

Слика 6 приказује процедуру реализације електроде биосензора као имуносензора, где је електрода функционализована специфичним антителом, у конкретном случају је то мониклонално анти-ГСТ антитело. Слика 6а шематски приказује процес имобилизације антитела на површину електроде, док је на Слици 6б приказано тестирање за различите концентрације ГСТ протеина, а на Слици 6в је приказано тестирање на реалним узорцима у млеку. На Слици 6г приказан је увеличани СЕМ снимак површине електроде са ГСТ протеинима из млека, везаним за антитела на површини електроде. ГСТ је коришћен као модел протеина да се провери ефикасност рада сензора. Мерења су вршена у воденом раствору (фосфатни пуфер) и у млеку да би се демонстрирало да електрода може директно да се користи за анализу контаминиране хране (млека). У оба случаја се у раствор тј. узорак додаје и фероцен као редокс индикатор. Figure 6 shows the procedure for implementing a biosensor electrode as an immunosensor, where the electrode is functionalized with a specific antibody, in this case a monoclonal anti-GST antibody. Figure 6a schematically shows the process of immobilizing the antibody on the electrode surface, while Figure 6b shows testing for different concentrations of GST proteins, and Figure 6c shows testing on real samples in milk. Figure 6g shows an enlarged SEM image of the electrode surface with GST proteins from milk bound to antibodies on the electrode surface. GST was used as a model protein to check the efficiency of the sensor. Measurements were performed in an aqueous solution (phosphate buffer) and in milk to demonstrate that the electrode can be directly used for the analysis of contaminated food (milk). In both cases, ferrocene is added to the solution, i.e. the sample, as a redox indicator.

Слика 7 приказује осетљивост реализованих иновативних сензора и поређење карактеристика са резултатима тестирања на кружној електроди реализованој на истој површини. Поређење је извршено за оба типа сензора тј. и за геносензор и за имуносензор. Може се приметити да је осетљивост повећана више од 5 пута у односу на кружну геометрију. Figure 7 shows the sensitivity of the implemented innovative sensors and a comparison of the characteristics with the test results on a circular electrode implemented on the same surface. The comparison was performed for both types of sensors, i.e. for both the genosensor and the immunosensor. It can be seen that the sensitivity is increased by more than 5 times compared to the circular geometry.

Начин индустријске или друге примене проналаска Method of industrial or other application of the invention

Биосензори се примењују на различитим пољима где се захтева брза дијагностика, и примена на терену, у процесима производње и чувања хране и другим аспектима прехрамбене технологије, као и у биомедицини и код мониторинга параметара животне средине итд. Комерцијализација зависи од осетљивости, будући да узорци за анализу најчешће садрже мале концентрације аналита (биомаркера). Biosensors are applied in various fields where rapid diagnostics are required, and field applications, in food production and storage processes and other aspects of food technology, as well as in biomedicine and in monitoring environmental parameters, etc. Commercialization depends on sensitivity, since samples for analysis most often contain low concentrations of analytes (biomarkers).

Claims (7)

Патентни захтеви:Patent claims: 1. Планарна електрода за биосензоре реализована применом понављајуће фракталне геометрије која се састоји од радне електроде 201, помоћне електроде 202 и референтне електроде 200 које су међусобно повезане танким слојем електролита који садржи аналитичку супстанцу при чему су наведене електроде 200, 201, 202 реализоване поступком који се састоји од фазе 100 где се подлога за електроде 200, 201, 202, сече ласером у несинтероване траке дебљине 300μm, затим се у фази 101 одабира геометрија електрода, па се у фази 102 одвија израда маски, после чега се у фази 103 сито штампом преко наведене маске наноси златна паста, после чега се у фази 104 траке ламинирају на температури 75°С и на крају се у фази 105 одвија печење на температури од 865°С да би се постигло синтеровање наведене подлоге и пасте у електроде 200, 201, 202 назначена тиме да су наведене електроде (200, 201, 202) конструкцијски реализоване понављајућом фракталном геометријом која се одабира у фази (101) да би се повећала ефективна површина између радне електроде (201) са једне стране и помоћне (202) и референтне електроде (200) електроде са друге стране после чега се у фази (102) одвија израда маски, за наведену фракталну геометрију, за сито штампу помоћу фотоосетљиве фолије.1. A planar electrode for biosensors implemented using a repeating fractal geometry consisting of a working electrode 201, an auxiliary electrode 202 and a reference electrode 200 which are interconnected by a thin layer of electrolyte containing an analytical substance, wherein said electrodes 200, 201, 202 are implemented by a process consisting of a phase 100 where the substrate for the electrodes 200, 201, 202 is cut by laser into unsintered strips with a thickness of 300μm, then in phase 101 the geometry of the electrodes is selected, and in phase 102 the masks are made, after which in phase 103 a gold paste is applied by screen printing over said mask, after which in phase 104 the strips are laminated at a temperature of 75°C and finally in phase 105 baking is performed at a temperature of 865°C to achieve sintering of said substrate and paste into electrodes 200, 201, 202, characterized in that said electrodes (200, 201, 202) are structurally implemented with a repeating fractal geometry that is selected in phase (101) in order to increase the effective surface area between the working electrode (201) on the one hand and the auxiliary (202) and reference electrodes (200) on the other hand, after which in phase (102) masks are made for said fractal geometry for screen printing using a photosensitive film. 2. Планарна електрода за биосензоре у складу са захтевом 1, назначена тиме да је наведена подлога у фази (100) од керамике, злата, сребра, платине, карбона и порцелана и да зависи од функционализације биосензора.2. A planar electrode for biosensors according to claim 1, characterized in that said substrate is in the (100) phase of ceramic, gold, silver, platinum, carbon and porcelain and that it depends on the functionalization of the biosensor. 3. Планарна електрода за биосензоре у складу са захтевом 1, назначена тиме да се у фази (104) ламинира 3-7 керамичких трака дебљине 1-3 mm.3. A planar electrode for biosensors according to claim 1, characterized in that in step (104) 3-7 ceramic strips with a thickness of 1-3 mm are laminated. 4. Планарна електрода за биосензоре у складу са захтевом 1, назначена тиме да је наведени биосензор геносензор уколико детектује ДНК.4. A planar electrode for biosensors according to claim 1, characterized in that said biosensor is a genosensor if it detects DNA. 5. Планарна електрода за биосензоре у складу са захтевом 1, назначена тиме да је наведени биосензор имуносензор уколико детектује антитела.5. A planar electrode for biosensors according to claim 1, characterized in that said biosensor is an immunosensor if it detects antibodies. 6. Планарна електрода за биосензоре у складу са захтевом 1, назначена тиме да наведену понављајућу фракталну геометрију конструкције електрода (200, 201, 202) чини: Кохова крива, Пеанова крива, Сиерпински фрактални троугао и тепих и Хилбертова крива, а од геометријских облика понављајућу геометрију чини: квадрат, круг и троугао при чему се унапред дефинише сет параметара: иницијалне димензије, фактор скалирања и ред фрактала.6. A planar electrode for biosensors according to claim 1, characterized in that said repeating fractal geometry of the electrode structure (200, 201, 202) consists of: Koch curve, Peano curve, Sierpinski fractal triangle and carpet and Hilbert curve, and of the geometric shapes the repeating geometry consists of: square, circle and triangle, whereby a set of parameters is defined in advance: initial dimensions, scaling factor and fractal order. 7. Планарна електрода за биосензоре у складу са захтевом 1, назначена тиме да понављајућу геометрију чини Сијерпински фрактал првог реда.7. A planar electrode for biosensors according to claim 1, characterized in that the repeating geometry is a first-order Sierpinski fractal. понављајућа геометрија реализује до трећег реда.repeating geometry is realized up to the third order.
RS20201065A 2020-09-04 2020-09-04 Planar electrode for biosensors realized using repetitive fractal geometry RS20201065A1 (en)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RS20201065A RS20201065A1 (en) 2020-09-04 2020-09-04 Planar electrode for biosensors realized using repetitive fractal geometry
PCT/RS2021/000011 WO2022050860A1 (en) 2020-09-04 2021-08-30 Planar electrode for biosensors realized using repetitive fractal geometry
EP21806053.1A EP4213929A1 (en) 2020-09-04 2021-08-30 Planar electrode for biosensors realized using repetitive fractal geometry

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RS20201065A RS20201065A1 (en) 2020-09-04 2020-09-04 Planar electrode for biosensors realized using repetitive fractal geometry

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RS20201065A1 true RS20201065A1 (en) 2022-03-31

Family

ID=78592902

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RS20201065A RS20201065A1 (en) 2020-09-04 2020-09-04 Planar electrode for biosensors realized using repetitive fractal geometry

Country Status (3)

Country Link
EP (1) EP4213929A1 (en)
RS (1) RS20201065A1 (en)
WO (1) WO2022050860A1 (en)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20250076242A1 (en) * 2023-07-11 2025-03-06 King Faisal University Ultrasensitive and selective sensors for glucose detection based on thiol-functionalized heterogenous gold/graphene/copper film

Family Cites Families (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20050147964A1 (en) 2003-12-30 2005-07-07 Intel Corporation Methods for identifying a peptide that binds a geometrical shape
US8005526B2 (en) 2005-08-31 2011-08-23 The Regents Of The University Of Michigan Biologically integrated electrode devices
US7551094B2 (en) 2006-01-10 2009-06-23 Guardian Industries Corp. Rain sensor with fractal capacitor(s)
EP2803988B1 (en) 2008-09-02 2017-04-12 The Governing Council Of The University Of Toronto Nanostructured microelectrodes and biosensing devices incorporating the same
EP2673381A4 (en) 2011-02-07 2014-10-15 Univ Toronto BIOSONS AND METHODS OF USE THEREOF
US9613911B2 (en) 2013-02-06 2017-04-04 The Board Of Trustees Of The University Of Illinois Self-similar and fractal design for stretchable electronics
JP2016520986A (en) 2013-02-06 2016-07-14 ザ ボード オブ トラスティーズ オブ ザ ユニヴァーシティー オブ イリノイ Self-similar fractal design for stretchable electronics
AU2014292984A1 (en) * 2013-07-24 2015-11-19 California Institute Of Technology Design and fabrication of implantable fully integrated electrochemical sensors
CA2948010A1 (en) * 2014-04-15 2015-10-22 Medella Health Inc. Functional contact lens and related systems and methods
US20160235347A1 (en) * 2015-02-13 2016-08-18 Maarij Baig Artificial sensors and methods of manufacture thereof
EP3562929B1 (en) 2016-12-29 2024-05-01 Ador Diagnostics S.r.l. An electrophoretic chip for electrophoretic applications
US20190030318A1 (en) 2017-07-27 2019-01-31 Purdue Research Foundation Fractal geometry microelectrodes and uses thereof

Also Published As

Publication number Publication date
WO2022050860A1 (en) 2022-03-10
EP4213929A1 (en) 2023-07-26

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN102460139B (en) An electrochemical method and apparatus of identifying the presence of a target
US20100006451A1 (en) Biosensing device and method for detecting target biomolecules in a solution
Bigdeli et al. Electrochemical impedance spectroscopy (EIS) for biosensing
Lakey et al. Impedimetric array in polymer microfluidic cartridge for low cost point-of-care diagnostics
Laschi et al. Planar electrochemical sensors for biomedical applications
Manring et al. Recent advances in electrochemical tools for virus detection
WO2010003212A1 (en) Biosensing device and method for detecting target biomolecules in a solution
US6063259A (en) Microfabricated thick-film electrochemical sensor for nucleic acid determination
KR101991563B1 (en) Sensor for detecting dopamine and method of manufacturing the sensor
Ma et al. A highly efficient preconcentration route for rapid and sensitive detection of endotoxin based on an electrochemical biosensor
Harshavardhan et al. Electrochemical Immunosensors: Working principle, types, scope, applications, and future prospects
Shi et al. Immunoassays based on microelectrodes arrayed on a silicon chip for high throughput screening of liver fibrosis markers in human serum
Assaifan et al. Roles of Interdigitated Electrode Geometry in Non-Faradaic Impedimetric Biosensors
Chuang et al. Label-free impedance biosensors for Point-of-Care diagnostics
RS20201065A1 (en) Planar electrode for biosensors realized using repetitive fractal geometry
JP2018031740A (en) Electrodes and biosensors
CN114088793A (en) An organic electrochemical transistor sensor and its preparation method and application
Liu et al. A paper-based all-in-one origami nanobiosensor for point-of-care diagnosis of cardiovascular diseases
Zhai et al. One-step detection of alpha fetal protein based on gold microelectrode through square wave voltammetry
Hosseinzadeh et al. A flexible paper-based electrochemical immunosensor towards detection of carbohydrate antigen 15-3
KR20220002937A (en) Electrode surface modification method for construction of electrochemical biosensor
Ferrario et al. Development of a disposable gold electrodes-based sensor for electrochemical measurements of cDNA hybridization
Priyadarshini et al. Disease related detection with electrochemical biosensors
Das et al. Optimized electrode geometry for an improved impedance based macroporous silicon bacteria detector
Lakhera et al. Nanomaterial-mediated biosensors: concept and biological applications