Особенности фотостимулированной адсорбции ферментов на полупроводниковую подложку

Обложка

Цитировать

Полный текст

Аннотация

Особенности фотостимулированной адсорбции ферментов на полупроводниковую подложку, приводящие к различному изменению чувствительности к глюкозе и перекиси водорода, были изучены на примере ферментов глюкозооксидаза и пероксидаза хрена. Анализ результатов адсорбции ферментов проводился с учетом фотоэлектронных процессов в полупроводниковых подложках n-Si и p-Si. Увеличение чувствительности к аналиту от применения фотостимулированной адсорбции обнаружено для структур, полученных на основе n-Si независимо от вида иммобилизованного фермента Показано, что для молекул глюкозооксидазы эффект фотостимуляции достигает 200%, а для молекул пероксидазы хрена не превышает 30%. Эффект от применения фотостимулированной адсорбции объяснен перезарядкой поверхностных электронных состояний на границе Si/SiO2 при освещении и формированием наведенных диполей, объединяющих заряд молекулы фермента и противоположный заряд границы раздела в Si/SiO2 после выключения освещения. Проведенные исследования могут быть применены при разработке емкостного биосенсора, работающего на полевом эффекте, поскольку учет изменения зарядового состояния иммобилизуемого фермента и поверхности полупроводникового преобразователя сигнала позволяет в ряде случаев существенно повысить чувствительность биосенсора.

Об авторах

Александр Валерьевич Козловский

Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н. Г. Чернышевского

410012, Россия, г. Саратов, ул. Астраханская, 83

Светлана Викторовна Стецюра

Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н. Г. Чернышевского

410012, Россия, г. Саратов, ул. Астраханская, 83

Список литературы

  1. Malyar I. V., Gorin D. A., Santer S., Stetsyura S. V. Photocontrolled Adsorption of Polyelectrolyte Molecules on a Silicon Substrate // Langmuir. 2013. Vol. 29, iss. 52. P. 16058–16065. https://doi.org/10.1021/la403838n
  2. Маляр И. В., Santer S., Стецюра С. В. Влияние освещения на параметры полимерного покрытия, осаждаемого из раствора на полупроводниковую подложку // Письма в ЖТФ. 2013. Т. 39, вып. 14. С. 69–76. https://journals.ioffe.ru/articles/viewPDF/14567
  3. Стецюра С. В., Козловский А. В., Маляр И. В. Влияние типа проводимости кремниевой подложки на эффективность метода фотостимулированной адсорбции полиэлектролитов // Письма в ЖТФ. 2017. Т. 43, вып. 8. С. 26–33. https://doi.org/10.21883/PJTF.2017.08.44531.16545
  4. Козловский A. В., Стецюра С. В. Особенности формирования органического полиэлектролитного слоя на освещаемой полупроводниковой подложке // Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия : Физика. 2022. Т. 22, вып. 3. С. 254–265. https://doi.org/10.18500/1817-3020-2022-22-3-254-265
  5. Dobrynin A. V., Deshkovski A., Rubinstein M. Adsorption of Polyelectrolytes at an Oppositely Charged Surface // Phys. Rev. Lett. 2000. Vol. 84, iss. 14. P. 3101–3104. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.84.3101
  6. Dobrynin A. V., Rubinstein M. Theory of polyelectrolytes in solutions and at surfaces // Prog. Polym. Sci. 2005. Vol. 30, iss. 11. P. 1049–1118. https://doi.org/10.1016/j.progpolymsci.2005.07.006
  7. Стецюра С. В., Козловский А. В. Влияние фотоэлектронных процессов в полупроводниковой подложке на адсорбцию поликатионных и полианионных молекул // Письма в ЖТФ. 2017. Т. 43, вып. 6. С. 15–22. https://doi.org/10.21883/PJTF.2017.06.44399.16510
  8. Kozlowski A. V., Stetsyura S. V. Kinetics of photostimulated adsorption of enzyme molecules onto nand p-type silicon // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2019. Vol. 699. Article number 012022 (4 p.). https://doi.org/10.1088/1757-899X/699/1/012022
  9. Григоренко В. Г., Андреева И. П., Рубцова М. Ю., Егоров А. М. Рекомбинантная пероксидаза хрена: получение и использование в аналитических целях // Биохимия. 2015. Т. 80, № 4. С. 480–488.
  10. Portaccio M., Lepore M. Determination of Different Saccharides Concentration by Means of a Multienzymes Amperometric Biosensor // Journal of Sensors. 2017. Vol. 2017. Article number 7498945 (8 p.). https://doi.org/10.1155/2017/7498945
  11. Кайгородов К. Л., Смирнова М. А, Тарабанько В. Е. Синтез диванилина в присутствии водной вытяжки и сока корня хрена // Журн. Сиб. федер. университета. Химия. 2020. Т. 13, № 4. С. 525–533. https://doi.org/10.17516/1998-2836-0195
  12. Harris J. M., Reyes C., Lopez G. P. Common Causes of Glucose Oxidase Instability in Vivo Biosensing: A Brief Review // Journal of Diabetes Science and Technology. 2013. Vol. 7, № 4. Article number 1030 (8 р.). https://doi.org/10.1177/193229681300700428
  13. Hecht H. J., Kalisz H. M., Hendle J., Schmid R. D., Schomburg D. Crystal structure of glucose oxidase from Aspergillus niger refined at 2.3 A resolution // J. Mol. Biol. 1993. Vol. 229, iss. 1. P. 153–172. https://doi.org/10.1006/jmbi.1993.1015
  14. Xie Y., Li Z., Zhou J. Hamiltonian replica exchange simulations of glucose oxidase adsorption on charged surfaces // Physical Chemistry Chemical Physics. 2018. Vol. 20, iss. 21. P. 14587–14596. https://doi.org/C8CP00530C
  15. Maslennikova A. A., Kozlowski A. V., Santer S., Stetsyura S. V. The influence of illumination and ionic strength of a solution on the formation of biosensor structure based on a silicon substrate and glucose oxidase molecules // Journal of Physics: Conference Series. 2019. Vol. 1400. Article number 077052 (6 p.) https://doi.org/10.1088/1742-6596/1400/7/077052
  16. Tan S., Gu D., Liu H., Liu Q. Detection of a single enzyme molecule based on a solid-state nanopore sensor // Nanotechnology. 2016. Vol. 27. № 15. Article number 1555021 (11 р.). https://doi.org/10.1088/0957-4484/27/15/155502
  17. Ahirwal G. K., Mitra C. K. Direct Electrochemistry of Horseradish Peroxidase-Gold Nanoparticles Conjugate // Sensors. 2009. Vol. 9, iss. 2. P. 881–894. https://doi.org/10.3390/s90200881
  18. Nandini S., Nalini S., Manjunatha R., Shanmugam S., Melo J. S., Suresh G. S. Electrochemical biosensor for the selective determination of hydrogen peroxide based on the co-deposition of palladium, horseradish peroxidase on functionalized-graphene modified graphite electrode as composite // Journal of Electroanalytical Chemistry. 2013. Vol. 689. P. 233–242. https://doi.org/10.1016/j.jelechem.2012.11.004
  19. Krainer F. W., Glieder A. An updated view on horseradish peroxidases: Recombinant production and biotechnological applications // Applied Microbiology and Biotechnology. 2015. Vol. 99. P. 1611–1625. https://doi.org/10.1007/s00253-014-6346-7
  20. Ferapontova E., Domínguez E. Adsorption of differently charged forms of horseradish peroxidase on metal electrodes of different nature: Effect of surface charges // Bioelectrochemistry. 2002. Vol. 55, iss. 1–2. P. 127–130. https://doi.org/10.1016/S1567-5394(01)00155-4
  21. Rennke H. G., Venkatachalam M. A. Chemical modification of horseradish peroxidase. Preparation and characterization of tracer enzymes with different isoelectric points // Journal of Histochemistry & Cytochemistry. 1979. Vol. 27, iss. 10. P. 1352–1353. https://doi.org/10.1177/27.10.41873
  22. Cloarec J. P., Chevalier C., Genest J., Beauvais J., Chamas H., Chevolot Y., Baron T., Souifi A. pH driven addressing of silicon nanowires onto Si3N4/SiO2 micropatterned surfaces // Nanotechnology. 2016. Vol. 27. Article number 295602 (10 р.). https://doi.org/10.1088/0957-4484/27/29/295602
  23. Movillia J., Huskens J. Functionalized Polyelectrolytes for Bioengineered Interfaces and Biosensing Applications // Organic Materials. 2020. Vol. 2, iss. 2. P. 78–107. https://doi.org/10.1055/s-0040-1708494
  24. Poghossian A., Abouzar M. H., Amberger F., Mayer D., Han Y., Ingebrandt S., Offenhausser A., Schoning M. J. Field-effect sensors with charged macromolecules: Characterisation by // Biosensors and Bioelectronics. 2007. Vol. 22, iss. 9–10. P. 2100–2107. https://doi.org/10.1016/j.bios.2006.09.014
  25. Garyfallou G. Z., de Smet L. C. P. M., Sudhölter E. J. R. The effect of the Type of doping on the electrical characteristics of electrolyte–oxide–silicon sensors: pH sensing and polyelectrolyte adsorption // Sensors and Actuators B: Chemical. 2012. Vol. 168. P. 207–213. https://doi.org/10.1016/j.snb.2012.04.010
  26. Aué J., de Hosson J. T. Influence of atomic force microscope tip-sample interaction on the study of scaling behavior // Appl. Phys. Lett. 1997. Vol. 71, iss. 10. P. 1347–1349. https://doi.org/10.1063/1.120415
  27. Makky A., Viel P., Chen S. W., Berthelot T., Pellequer J., Polesel-Maris J. Piezoelectric tuning fork probe for atomic force microscopy imaging and specific recognition force spectroscopy of an enzyme and its ligand // J. Mol. Recognit. 2013. Vol. 26, iss. 11. P. 521–531. https://doi.org/10.1002/jmr.2294

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».