RU167241U1

RU167241U1 - GRAPHITE PRINTED ELECTRODE

Info

Publication number: RU167241U1
Application number: RU2016114854/10U
Authority: RU
Inventors: Валерий Анатольевич Алферов; Сергей Валерьевич Алферов; Вячеслав Алексеевич Арляпов; Станислав Сергеевич Каманин; Анна Евгеньевна Китова; Владимир Владимирович Колесов; Анатолий Николаевич Решетилов
Priority date: 2016-04-18
Filing date: 2016-04-18
Publication date: 2016-12-27

Abstract

Графитовый печатный электрод для иммобилизации биоматериала, содержащий электрод сравнения, вспомогательный электрод и рабочий электрод, на котором адсорбирован биоматериал, отличающийся тем, что дополнительно введена диэлектрическая полимерная подложка под рабочим, вспомогательным электродами и электродом сравнения, вспомогательный и рабочий электроды изготовлены из графитовой пасты, электрод сравнения изготовлен из хлоридсеребряной пасты, все три электрода нанесены методом трафаретной печати на единую диэлектрическую полимерную подложку, на поверхности рабочего электрода дополнительно размещен диск из прессованного терморасширенного графита, а в качестве биоматериала выступают целые клетки бактерий Gluconobacter oxydans ВКМ В-1280.A graphite printing electrode for immobilizing biomaterial containing a reference electrode, an auxiliary electrode and a working electrode on which biomaterial is adsorbed, characterized in that an additional dielectric polymer substrate is introduced under the working, auxiliary and reference electrodes, the auxiliary and working electrodes are made of graphite paste, the electrode comparison made of silver chloride paste, all three electrodes are applied by screen printing on a single dielectric polymer substrate, an extruded thermally expanded graphite disk is additionally placed on the surface of the working electrode, and whole cells of Gluconobacter oxydans VKM B-1280 bacteria act as biomaterial.

Description

Графитовый печатный электрод для иммобилизации биоматериала может быть использован как при создании биосенсоров, так и при создании электродов биотопливного элемента - анода и/или катода - с целью генерации электроэнергии.A graphite printing electrode for immobilizing biomaterial can be used both for creating biosensors and for creating electrodes of a biofuel cell — anode and / or cathode — for the purpose of generating electricity.

Аналогом графитового печатного электрода для иммобилизации биоматериала является электрохимическая ячейка [Ramanavicius A., Kausaite A., Ramanaviciene A. Potentiometric study of quinohemoprotein alcohol dehydrogenase immobilized on the carbon rod electrode // Sensors and Actuators B: Chemical. 2006. V. 113. №1. P. 435-444], имеющая в своем составе рабочий электрод в виде графитового стержня, на поверхности которого путем кросс-сшивки глутаровым альдегидом иммобилизована PQQ-зависимая алкогольдегидрогеназа штамма Gluconobacter sp., и электрод сравнения, так же представляющий собой графитовый стержень. К недостаткам аналога можно отнести малый максимальный потенциал, генерируемый иммобилизованной АДГ при незамкнутой цепи: -115 мВ относительно графитового электрода сравнения, и небольшое число органических соединений, которые способны окисляться в этой электрохимической ячейке и генерировать разность потенциалов.An analogue of a graphite printing electrode for immobilizing a biomaterial is an electrochemical cell [Ramanavicius A., Kausaite A., Ramanaviciene A. Potentiometric study of quinohemoprotein alcohol dehydrogenase immobilized on the carbon rod electrode // Sensors and Actuators B: Chemical. 2006. V. 113. No. 1. P. 435-444], which has a working electrode in the form of a graphite rod, on the surface of which a PQQ-dependent alcohol dehydrogenase of the strain Gluconobacter sp. Is immobilized by cross-linking with glutaraldehyde, and a reference electrode, which is also a graphite rod. The disadvantages of the analogue include the small maximum potential generated by immobilized ADH with an open circuit: -115 mV relative to the graphite reference electrode, and a small number of organic compounds that are able to oxidize in this electrochemical cell and generate a potential difference.

Прототипом графитового печатного электрода для иммобилизации биоматериала является электрод, представленный в патенте РФ на полезную модель [Китова А.Е., Решетилов А.Н., Колесов В.В. Биотопливный элемент на основе терморасширенного графита и мембранных фракций Gluconobacter oxydans // Патент РФ на полезную модель №146588. Зарегистрировано 12.09.2014]. Микробный биотопливный элемент на основе мембранных фракций штамма Gluconobacter oxydans ВКМ В-1280, содержит одну кювету, в которую погружены рабочий электрод на основе прессованного терморасширенного графита и мембранных фракций штамма G. oxydans ВКМ В-1280, иммобилизованных в гель хитозана, электрод сравнения (Ag/AgCl), платиновый электрод, окисляемый субстрат. Для усиления сигнала в кювету добавлен медиатор электронного транспорта. Описанная система не обеспечивала высокой стабильности генерируемой сигнала от образца к образцу в силу варьирования площади электрода. Помимо этого в качестве окисляемого субстрата можно использовать только вещества определенных классов, что обусловлено строением клеточной мембраны клеток G. oxydans ВКМ В-1280 и локализацией в ней ферментов.The prototype of a graphite printed electrode for immobilization of biomaterial is the electrode presented in the patent of the Russian Federation for a utility model [Kitova A.E., Reshetilov A.N., Kolesov V.V. Biofuel element based on thermally expanded graphite and membrane fractions of Gluconobacter oxydans // RF patent for utility model No. 146588. Registered September 12, 2014]. A microbial biofuel element based on membrane fractions of the Gluconobacter oxydans VKM B-1280 strain contains one cuvette in which a working electrode is immersed based on pressed thermally expanded graphite and membrane fractions of the G. oxydans VKM B-1280 strain immobilized in chitosan gel, a reference electrode (Ag / AgCl), platinum electrode, oxidizable substrate. To amplify the signal, a mediator of electronic transport was added to the cell. The described system did not provide high stability of the generated signal from sample to sample due to the variation of the electrode area. In addition, only certain classes of substances can be used as an oxidizable substrate, which is due to the structure of the cell membrane of G. oxydans VKM B-1280 cells and the localization of enzymes in it.

Задачей технического решения является понижение селективности биотопливного элемента или биосенсора на основе предложенного графитового печатного электрода для иммобилизации биоматериала.The objective of the technical solution is to reduce the selectivity of the biofuel element or biosensor based on the proposed graphite printing electrode for immobilization of the biomaterial.

Графитовый печатный электрод для иммобилизации биоматериала, содержащий электрод сравнения, вспомогательный электрод и рабочий электрод, на котором адсорбирован биоматериал, причем дополнительно введена диэлектрическая полимерная подложка под рабочим, вспомогательным электродами и электродом сравнения, вспомогательный и рабочий электрод изготовлены из графитовой пасты, электрод сравнения изготовлен из хлоридсеребряной пасты, все три электрода нанесены методом трафаретной печати на единую диэлектрическую полимерную подложку, на поверхности рабочего электрода дополнительно размещен диск из прессованного терморасширенного графита, а в качестве биоматериала выступают целые клетки бактерий Gluconobacter oxydans ВКМ В-1280.A graphite printing electrode for immobilizing the biomaterial, containing a reference electrode, an auxiliary electrode and a working electrode on which the biomaterial is adsorbed, an additional dielectric polymer substrate is introduced under the working, auxiliary and reference electrodes, the auxiliary and working electrodes are made of graphite paste, the comparison electrode is made of silver chloride paste, all three electrodes are applied by screen printing on a single dielectric polymer substrate, on overhnosti working electrode is further disposed a pressed disc from expanded graphite, and act as a biomaterial whole cells of bacteria Gluconobacter oxydans VKM B-1280.

На фиг. 1 показан графитовый печатный электрод. Графитовый печатный электрод состоит из следующих компонентов: рабочий 1 и вспомогательный 2 электроды из графитовой пасты, электрод сравнения 3 из хлоридсеребряной пасты, контакты 4 из серебряной пасты нанесенные методом трафаретной печати на единую диэлектрическую полимерную подложку 5, изолятор 6, покрывающий контакты 4, диск 7 из прессованного терморасширенного графита, расположен на рабочем электроде 1, который, в свою очередь, покрыт слоем медиатора электронного транспорта 8 и биоматериалом 9.In FIG. 1 shows a graphite printing electrode. A graphite printing electrode consists of the following components: working 1 and auxiliary 2 electrodes made of graphite paste, reference electrode 3 made of silver chloride paste, contacts 4 of silver paste deposited by screen printing onto a single dielectric polymer substrate 5, insulator 6, covering contacts 4, disk 7 of pressed thermally expanded graphite, is located on the working electrode 1, which, in turn, is covered with a layer of a mediator of electronic transport 8 and biomaterial 9.

Принцип работы графитового печатного электрода для иммобилизации биоматериала заключается в следующем:The principle of operation of a graphite printed electrode for immobilization of biomaterial is as follows:

При использовании графитового печатного электрода для иммобилизации биоматериала в составе биосенсора, с помощью контактов 4 его подключают к потенциостату и помещают в измерительную кювету. В кювету добавляют 4 мл 30 мМ калий-натрий-фосфатного буферного раствора (рН 6,0), создают разность потенциалов между рабочим электродом 1 и электродом сравнения 3, и регистрируют фоновую силу тока, проходящего через рабочий электрод 1. Затем вводят пробу, содержащую анализируемое вещество (100 мкл). Биоматериал 9 окисляет анализируемое вещество, избыток электронов переносится с помощью медиатора электронного транспорта 8 на диск 7 из прессованного терморасширенного графита, а затем на рабочий электрод 1. Измеряемым параметром является амплитуда изменения силы тока при введении пробы. При использовании графитового печатного электрода для иммобилизации биоматериала в составе биотопливного элемента (БТЭ), его помещают в анодное отделение БТЭ. Измерение его характеристик по стандартной трехэлектродной схеме дает полное представление о его функционировании в составе БТЭ. При этом отпадает необходимость измерять параметры предлагаемого электрода в системе БТЭ, содержащей двухэлектродную ячейку.When using a graphite printing electrode to immobilize the biomaterial in the biosensor, using contacts 4 it is connected to a potentiostat and placed in a measuring cell. Add 4 ml of a 30 mM potassium sodium phosphate buffer solution (pH 6.0) to the cuvette, create a potential difference between the working electrode 1 and the reference electrode 3, and record the background current passing through the working electrode 1. Then, a sample containing analyte (100 μl). The biomaterial 9 oxidizes the analyte, the excess of electrons is transferred using the electron transport mediator 8 to the disk 7 from pressed thermally expanded graphite, and then to the working electrode 1. The measured parameter is the amplitude of the change in current strength when the sample is introduced. When using a graphite printing electrode to immobilize biomaterial as part of a biofuel cell (BFC), it is placed in the anode compartment of the BFC. Measurement of its characteristics using a standard three-electrode circuit gives a complete picture of its functioning as part of the BFC. In this case, there is no need to measure the parameters of the proposed electrode in a BFC system containing a two-electrode cell.

Использование графитового печатного электрода для иммобилизации биоматериала позволяет получить коэффициент чувствительности по отношению к глюкозе 0,14 мкА/мМ. Воспроизводимость (коэффициент вариации) результатов анализа при этом составляет 5%. Длительность функционирования графитового печатного электрода для иммобилизации биоматериала без потери стабильности составляет 10 измерений.The use of a graphite printing electrode for immobilization of the biomaterial allows one to obtain a sensitivity coefficient with respect to glucose of 0.14 μA / mm. The reproducibility (coefficient of variation) of the analysis results in this case is 5%. The duration of operation of a graphite printing electrode for immobilizing biomaterial without loss of stability is 10 measurements.

Таким образом, графитовый печатный электрод для иммобилизации биоматериала может быть использован в биосенсорах, в биотопливных элементах, представляющих устройства малой энергетики, для создания стационарных источников питания с невысокими уровнями отдаваемой энергии; для выполнения научных исследований; в медицине для оснащения миниатюрных модулей типа насосов для подачи лекарственных соединений.Thus, a graphite printing electrode for immobilizing biomaterial can be used in biosensors, in biofuel elements representing low-energy devices, to create stationary power sources with low levels of energy supplied; to carry out scientific research; in medicine for equipping miniature modules such as pumps for delivering medicinal compounds.

Claims

A graphite printing electrode for immobilizing biomaterial containing a reference electrode, an auxiliary electrode and a working electrode on which biomaterial is adsorbed, characterized in that an additional dielectric polymer substrate is introduced under the working, auxiliary and reference electrodes, the auxiliary and working electrodes are made of graphite paste, the electrode comparison made of silver chloride paste, all three electrodes are applied by screen printing on a single dielectric polymer substrate, an extruded thermally expanded graphite disk is additionally placed on the surface of the working electrode, and whole cells of Gluconobacter oxydans VKM B-1280 bacteria act as biomaterial.