Estudios experimentales y modelado de sistemas enzimáticos autoensamblados para generación electroquímica de señal de biosensor

• Autores: Flexer, Victoria
• Año de publicación: 2007
• Idioma: español castellano
• Tipo de recurso: tesis doctoral
• Colaborador/a o director/a de tesis: Calvo, Ernesto Julio
• Materia: BIOSENSOR INTEGRADO; BIOSENSOR AMPEROMETRICO; BIOSENSOR ENZIMATICO; MODELOS PARA SENSORES AMPEROMETRICOS; CINETICA DE ENZIMAS REDOX; ACOPLAMIENTO DE CINETICA Y DIFUSION; INMOVILIZACION DE ENZIMAS; AUTOENSAMBLADO ELECTROSTATICO; GLUCOSA OXIDASA; COMPLEJOS DE OS; INTEGRATED BIOSENSOR; AMPEROMETRIC BIOSENSOR; ENZYME BIOSENSOR; MODELS FOR AMPEROMETRIC SENSORS; REDOX ENZYME KINETICS; COUPLING OF KINETICS AND DIFFUSION; ENZYME IMMOBILIZATION; ELECTROSTATIC SELF-ASSEMBLED; GLUCOSE OXIDASE; OS COMPLEXES
• Institución: Universidad Nacional de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales

Se comparan datos experimentales de respuesta amperométrica para biosensores enzimáticos con modelos que acoplan procesos de difusión-reacción. Se trabajó con Glucosa Oxidasa (GOx, E.C. 1.1.3.4) y mediadores redox artificiales: el complejo [Os(bpy)2ClpyCOOH]+ en el caso homogéneo; y un análogo del mismo unido covalentemente a polialilamina (PAH-Os), que se autoensambla electrostáticamente capa-por-capa junto a GOx dando lugar a un biosensor totalmente integrado. Se ajustaron datos experimentales para el sistema homogéneo a las fórmulas analíticas aproximadas del modelo de Albery (JEC, 323, (1992), 97). A baja concentración de glucosa se observaron voltagramas cíclicos no estacionarios, con desarrollo de un pico de corriente y marcada histéresis, contrariamente a lo predicho por el modelo. Se compararon voltagramas experimentales y simulados numéricamente, en el marco de un modelo más completo que considera el desarrollo de perfiles de concentración. Se reporta además inactivación de la enzima presente en solución de glucosa. Se analizaron cambios en la estructura y la electrocatálisis de películas al variar la densidad de carga lineal de PAH-Os modificando el pH de las soluciones de autoensamblado. La respuesta del sistema inmovilizado se analizó según el modelo de Pratt-Bartlett (JEC, 397, (1995), 61) con el objeto de validar el mismo. Se trabajó con películas de espesor variable y un amplio intervalo de concentraciones de glucosa. Los datos experimentales arrojaron un buen ajuste a las fórmulas aproximadas. También se ajustaron usando una rutina Simplex combinada con la resolución numérica de las ecuaciones diferenciales sin emplear simplificaciones. Los parámetros de ajuste fueron acotados alrededor de los valores hallados con las fórmulas aproximadas. El análisis combinado mediante fórmulas analíticas aproximadas y simulaciones numéricas resultó útil para la extracción de parámetros desconocidos y comprender mejor los factores que afectan la respuesta amperométrica.
Experimental data of amperometric response for enzyme biosensors is compared with models that couple diffusion-reaction processes. We have worked with Glucose Oxidase (GOx, E.C. 1.1.3.4) and artificial redox mediators: the complex [Os(bpy)2ClpyCOOH]+ for the homogeneous system, and a similar complex covalently attached to poly(allylamine), PAH-Os, which is electrostatically self-assembled layer-by-layer together with GOx to build up an integrated biosensor. Experimental data for the homogeneous system was fitted to the approximate analytical equations given by Albery’s model (JEC, 323, (1992), 97). At low glucose concentration non-steady state cyclic voltammograms with peak maximum and evident hysteresis were observed, contrary to the model’s predictions. Cyclic voltammograms were simulated according to a more complete model that allows development of concentration profiles (not considered by Albery) and compared to the experimental voltammograms. We also report on enzyme inactivation when present in glucose solutions. We studied changes in the structure and electrocatalysis of enzyme films when changing the polymer linear charge density by adjusting the PAH-Os adsorption solution pH. The amperometric output of the system was studied according to Pratt-Bartlett’s model (JEC, 397, (1995), 61) with the aim to validate such model. We studied films of varying thickness in a wide glucose concentration range. The fitting of the experimental data to the approximate analytical solutions showed good agreement. This data was in turn fitted using a Simplex routine coupled to the numerical simulation of the complete (unsimpliffied) differential equations. The fitting parameters were constrained around the values found with the analytical equations. The combined analysis using approximate analytical solutions and numerical simulations proved useful for the extraction of unknown parameters and for a better understanding of the factors affecting the amperometric output.
Fil: Flexer, Victoria. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales; Argentina.