Use of Magnetic Carbon Nanocomposites in the Formation of a Recognition Layer of a Piezoelectric Immunosensor for the Determination of Penicillin G

E. V. Bizina; Бизина Е. В.; O. V. Farafonova; Фарафонова О. В.; N. I. Zolotareva; Золотарева Н. И.; S. S. Grazhulene; Гражулене С. С.; T. N. Ermolaeva; Ермолаева Т. Н.

doi:10.31857/S0044450223040060

Применение магнитных углеродных нанокомпозитов при формировании распознающего слоя пьезоэлектрического иммуносенсора для определения пенициллина G

Авторы: Бизина Е.В.¹, Фарафонова О.В.¹, Золотарева Н.И.², Гражулене С.С.², Ермолаева Т.Н.¹
Учреждения:
1. Липецкий государственный технический университет
2. Институт проблем технологии микроэлектроники и особо чистых материалов Российской академии наук
Выпуск: Том 78, № 4 (2023)
Страницы: 354-364
Раздел: ОРИГИНАЛЬНЫЕ СТАТЬИ
Статья получена: 31.01.2025
URL: https://vestnik.nvsu.ru/0044-4502/article/view/650155
DOI: https://doi.org/10.31857/S0044450223040060
EDN: https://elibrary.ru/KZKTKE
ID: 650155

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ
Доступ закрыт

Доступ предоставлен
Доступ закрыт

Только для подписчиков

Аннотация

Изучены условия формирования распознающего слоя пьезоэлектрического иммуносенсора на основе магнитных углеродных нанокомпозитов (МУНК) под действием внешнего магнитного поля. Установлено влияние размера и количества магнитных наночастиц (МНЧ) в композите на аналитические характеристики гравиметрического иммуносенсора. Методом сканирующей электронной микроскопии определены средние размеры магнитных наночастиц Fe₃O₄, синтезированных методом соосаждения. Отмечено, что минимальная масса и стабильность распознающего слоя наблюдаются для нанокомпозита, полученного при соотношении углеродных нанотрубк и МНЧ со средним диаметром 22 нм, равном 3 : 1. Методом ИК-спектрометрии установлено образование пептидных связей между МУНК и конъюгатом пенициллина G. Показано, что применение магнитных углеродных нанокомпозитов при формировании распознающего слоя позволяет существенно упростить процедуру подготовки пьезоэлектрического сенсора к анализу и сократить ее продолжительность с 24 до 1.5 ч. Диапазон определяемых концентраций антибиотика составляет 1–450 нг/мл, предел обнаружения равен 0.5 нг/мл.

Ключевые слова

пьезоэлектрический иммуносенсор, магнитные углеродные нанокомпозиты, распознающий слой, магнитные наночастицы, многостенные углеродные нанотрубки, пенициллин G.

Список литературы

Gupta B.K., Yadav A., Koch P., Mishra P. Piezoelectric biosensors: Principle, techniques, and their application in food analysis / Biosensors in Food Safety and Quality / Eds. Mishra P., Sahu P.P. CRC Press, 2022. P. 37.
Zhang J., Zhang X., Wei X., Xue Y., Wan H., Wang P. Recent advances in acoustic wave biosensors for the detection of disease-related biomarkers: A review // Anal. Chim. Acta. 2021. V. 1164. Article 338321.
Гулий О.И., Зайцев Б.Д., Алсовэйди А.К.М., Караваева О.А., Ловцова Л.Г., Бородина И.А. Биосенсорные системы для определения антибиотиков // Биофизика. 2021. Т. 66. № 4. С. 657. (Guliy O.I., Karavaeva O.A., Lovtsova L.G., Zaitsev B.D., Borodina I.A., Alsowaidi A.K.M. Biosensor systems for antibiotic detection // Biophysics. 2021. V. 66. № 4. С. 555.)
Алсовэйди А.К.М., Караваева О.А., Гулий О.И. Методы и подходы для определения антибиотиков // Антибиотики и химиотерапия. 2022. Т. 67. № 1–2. С. 53.
Ермолаева Т.Н., Калмыкова Е.Н., Шашканова О.Ю. Пьезоэлектрические биосенсоры для анализа объектов окружающей среды, пищевых продуктов и клинической диагностики // Рос. хим. журн. 2008. Т. 52. № 2. С. 17. (Ermolaeva T.N., Kalmykova E.N., Shashkanova O.Y. Piezoquartz biosensors for the analysis of environmental objects, foodstuff and for clinical diagnostic // Russ. J. Gen. Chem. 2008. V. 78. № 12. P. 2430.)
Tripathi A., Melo J.S. Immobilization Strategies. Biomedical, Bioengineering and Environmental Applications. Springer, 2021. P. 666.
Karaseva N.A., Ermolaeva T.N. Piezoelectric immunosensors for the detection of individual antibiotics and the total content of penicillin antibioticsin foodstuffs // Talanta. 2014. V. 120. P. 312.
Pohanka M. Overview of piezoelectric biosensors, immunosensors and DNA sensors and their applications // Materials. 2018. V. 11 № 3. P. 448.
Шукшина Е.И., Фарафонова О.В., Шанин И.А., Гражулене С.С., Еремин С.А., Ермолаева Т.Н. Аффинные взаимодействия на поверхности пьезоэлектрического сенсора, модифицированного углеродными нанотрубками, при определении фторхинолонов // Сорбционные и хроматографические процессы. 2018. Т. 18. № 3. С. 394.
Tajyani S., Babaei A. A new sensing platform based on magnetic Fe3O4@NiO core/shell nanoparticles modified carbon paste electrode for simultaneous voltammetric determination of Quercetin and Tryptophan // J. Electroanal. Chem. 2018. V. 808. P. 50.
Santos A.M., Wong A., Prado T.M., Fava E.L., Fatibello-Filho O., Sotomayor M.D.P.T., Moraes F.C. Voltammetric determination of ethinylestradiol using screen-printed electrode modified with functionalized graphene, graphene quantum dots and magnetic nanoparticles coated with molecularly imprinted polymers // Talanta. 2021. V. 224. Article 121804.
Sohouli E., Khosrowshahi E.M., Radi P., Naghian E., Rahimi-Nasrabadi M., Ahmadi F. Electrochemical sensor based on modified methylcellulose by graphene oxide and Fe3O4 nanoparticles: Application in the analysis of uric acid content in urine // J. Electroanal. Chem. 2020. V. 877. Article 114503.
Reddy K.R., Reddy P.A., Reddy C.V., Shetti N.P., Babu B., Ravindranadh K., Shankar M.V., Reddy M.C., Soni S., Naveen S. Functionalized magnetic nanoparticles/biopolymer hybrids: Synthesis methods, properties and biomedical applications // Methods Microbiol. 2019. V. 46. P. 227.
Kouhpanji M.R.Z., Stadler B.J.H. A guideline for effectively synthesizing and characterizing magnetic nanoparticles for advancing nanobiotechnology: A Review // Sensors. 2020. V. 20. № 9. P. 2554.
Bayramoglu G., Ozalp V.C., Oztekin M., Arica M.Y. Rapid and label-free detection of Brucella melitensis in milk and milk products using an aptasensor // Talanta. 2019. V. 200. P. 263.
Pohanka M. QCM immunosensor for the determination of Staphylococcus aureus antigen // Chem. Pap. 2020. V. 74. P. 451.
Wan Y., Zhang D., Hou B. Determination of sulphate-reducing bacteria based on vancomycin-functionalised magnetic nanoparticles using a modification-free quartz crystal microbalance // Biosens. Bioelectron. 2010. V. 25. P. 1847.
Бизина Е.В., Фарафонова О.В., Золотарева Н.И., Гражулене С.С., Ермолаева Т.Н. Пьезоэлектрический иммуносенсор на основе магнитных углеродных нанокомпозитов для определения ципрофлоксацина // Журн. аналит. химии. 2022. Т. 77. № 4. С. 375. (Bizina E.V., Farafonova O.V., Zolotareva N.I., Grazhulene S.S., Ermolaeva T.N. A piezoelectric immunosensor based on magnetic carbon na-nocomposites for the determination of ciprofloxacin // J. Anal. Chem. 2022. V. 77. № 4. P. 375.)
Гражулене С.С., Золотарева Н.И., Редькин А.Н., Шилкина Н.Н., Митина А.А., Ходос И.И. Сорбционные свойства магнитного композита на основе модифицированных углеродных нанотрубок в зависимости от условий синтеза // Журн. прикл. химии. 2020. Т. 93. № 1. С. 66. (Grazhulenea S.S., Zolotareva N.I., Red’kin A.N., Shilkina N.N., Mitina A.A., Khodos I.I. sorption properties of a magnetic composite based on modifi ed carbon nanotubes: Influence of the synthesis conditions // Russ. J. Appl. Chem. 2020. V. 93. № 1. P. 57.)
Sauerbrey G. Verwendung von Schwingquarzen zur Wigung dunner Schichten und zur Mikrowigung // Zeitschrift für Physik. 1959. V. 55. P. 206.
Гражулене С.С., Золотарева Н.И., Редькин А.Н., Шилкина Н.Н., Митина А.А., Колесникова А.М. Магнитный сорбент на основе магнетита и модифицированных углеродных нанотрубок для извлечения некоторых токсичных элементов // Журн. прикл. химии. 2018. Т. 91. № 11. С. 1642. (Grazhulene S.S., Zolotareva N.I., Red’kin A.N., Shilkina N.N., Mitina A.A., Kolesnikova A.M. Magnetic sorbent based on magnetite and modified carbon nanotubes for extraction of some toxic elements // Russ. J. Appl. Chem. 2018. V. 91. № 11. P. 1849.)
Wang J., Zheng S., Shao Y., Liu J., Xu Z., Zhu D. Amino-functionalized Fe3O4@SiO2 core–shell magnetic nanomaterial as a novel adsorbent for aqueous heavy metals removal // J. Colloid Interface Sci. 2010. V. 349. P. 293.
Singh S., Barick K.C., Bahadur D. Surface engineered magnetic nanoparticles for removal of toxic metal ions and bacterial pathogens // J. Hazard. Mater. 2011. V. 192. P. 1539.
Eguílaz M., Villalonga R., Yanez–Sedeno P., Pingarron J.M. Designing electrochemical interfaces with functionalized magnetic nanoparticles and wrapped carbon nanotubes as platforms for the construction of high-performance bienzyme biosensors // Anal. Chem. 2011. V. 83. P. 7807.
Mikhaylova M., Kim D.K., Berry C.C., Zagorodni A., Toprak M., Curtis A.S.G., Muhammed M. BSA immobilization on amine-functionalized superparamagnetic iron oxide nanoparticles // Chem. Mater. 2004. V. 16. № 12. P. 2344.
Netto C.G.C.M., Toma H.E, Andrade L.H. Superparamagnetic nanoparticles as versatile carriers and supporting materials for enzymes // J. Mol. Catal. B: Enzym. 2013. V. 85. P. 71.
Нартова Ю.В., Еремин С.А., Ермолаева Т.Н. Массочувствительные иммуносенсоры для определения хлорацетанилидных гербицидов // Журн. аналит. химии. 2008. Т. 63. № 12. С. 1302. (Nartova Yu.V., Ermolaeva T.N., Eremin S.A. Mass-sensitive immunosensors for determining chloroacetanilide herbicides // J. Anal. Chem. 2008. V. 63. № 12. P. 1191.)
Гражулене С.С., Золотарева Н.И., Редькин А.Н., Шилкина Н.Н., Митина А.А., Ходос И.И. Сорбционные свойства магнитного композита на основе модифицированных углеродных нанотрубок в зависимости от условий синтеза // Журн. прикл. химии. 2020. Т. 93. № 1. С. 66. (Grazhulene S.S., Zolotareva N.I., Red’kin A.N., Shilkina N.N., Mitina A.A., Khodos I.I. Sorption properties of a magnetic composite based on modified carbon nanotubes: Influence of the synthesis conditions // Russ. J. Appl. Chem. 2020. V. 93. № 1. P. 57.)