zldmЗаводская лаборатория. Диагностика материаловIndustrial laboratory. Diagnostics of materials1028-68612588-0187ООО «Издательство «ТЕСТ-ЗЛ»10.26896/1028-6861-2018-84-8-5-14zldm-783Research ArticleАНАЛИЗ ВЕЩЕСТВАSUBSTANCES ANALYSISНаноструктурированные композиты на основе графена и наночастиц кобальта в составе моноаминоксидазных биосенсоров для определения антидепрессантовNanostructured composites based on graphene and nanoparticles of cobalt in the composition of monoamine oxidase biosensors for determination of antidepressantsМедянцеваЭ. П.MedyantsevaE. P.

Эльвина Павловна Медянцева

Химический институт им. А. М. Бутлерова

г. Казань

Elvina P. Medyantseva 

A. M. Butlerov Institute of Chemistry 

Kazan

emedyant@gmail.comБрусницынД. В.BrusnitsynD. V.

Даниил Владимирович Брусницын

Химический институт им. А. М. Бутлерова

г. Казань

Daniil V. Brusnitsyn 

A. M. Butlerov Institute of Chemistry 

Kazan

ВарламоваР. М.VarlamovaR. V.

Регина Марковна Варламова

Химический институт им. А. М. Бутлерова

г. Казань

Regina M. Varlamova 

A. M. Butlerov Institute of Chemistry 

Kazan

КоноваловаО. А.KonovalovaO. A.

Ольга Анатольевна Коновалова

Институт физики

г. Казань

Olga A. Konovalova

Institute of Physics

Kazan

olga.konovalova@bk.ruБудниковГ. К.BudnikovH. K.

Герман Константинович Будников

Химический институт им. А. М. Бутлерова

г. Казань

Herman K. Budnikov 

A. M. Butlerov Institute of Chemistry 

Kazan

Казанский (Приволжский) федеральный университетРоссияKazan (Volga region) Federal UniversityRussian Federation201805092018848514Copyright © Медянцева Э.П., Брусницын Д.В., Варламова Р.М., Коновалова О.А., Будников Г.К., 20182018Медянцева Э.П., Брусницын Д.В., Варламова Р.М., Коновалова О.А., Будников Г.К.Medyantseva E.P., Brusnitsyn D.V., Varlamova R.V., Konovalova O.A., Budnikov H.K.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.zldm.ru/jour/article/view/783

Разработаны амперометрические моноаминоксидазные биосенсоры на основе печатных графитовых электродов, модифицированных наноструктурированными композитами графена (ВГО) и наночастиц кобальта (НЧСо) для определения лекарственных веществ антидепрессивного действия: тианептина, тиоридазина и флуоксетина. Сочетания углеродных наноматериалов с наночастицами металлов (нанокомпозиты) позволяют не только сохранить свойства отдельных компонентов, но и за счет их совместного вклада приводят к новому качеству разрабатываемых устройств. Наноматериал-модификатор наносили на поверхность печатных графитовых электродов методом капельного испарения. Закрепление ВГО на поверхности происходит за счет электростатического взаимодействия между его карбоксильными группами и аминогруппами аминопроизводного на платформе полиэфирополиола (H20–NH2). НЧCo получали электрохимически методом хроноамперометрии при потенциале E = –1,0 В и разном времени накопления (50 и 60 с). Согласно данным атомно-силовой микроскопии преимущественный размер НЧCo составляет (40 ± 2) и (78 ± 8) нм в зависимости от времени электрохимического накопления НЧ. Спектроскопия электрохимического импеданса показала, что наименьшими значениями сопротивления переноса электрона характеризуются нанокомпозиты ВГО-хитозан/НЧCo и ВГО-(H20–NH2)/НЧCo. Использование выбранных нанокомпозитов для модификации поверхности электродов позволило улучшить аналитические характеристики разработанных биосенсоров: обеспечить более широкий диапазон рабочих концентраций — от 1 · 10–4 до 5 · 10–9 моль/л, больший коэффициент чувствительности, лучший коэффициент корреляции и меньшее значение нижней границы определяемых концентраций (cн). Показана возможность использования биосенсоров для контроля качества антидепрессантов при определении основного лекарственного вещества в лекарственных препаратах и биологических жидкостях. При использовании в качестве субстрата тирамина для определения флуоксетина, тиоридазина и тианептина cн составляет (7 – 9) · 10–10 моль/л.

Amperometric monoamine oxidase biosensors based on screen-printed graphite electrodes modified with nanostructured reduced graphene oxide (RGO) composites and cobalt nanoparticles (CoNPs) were developed to determine antidepressant drug substances: tianeptine, thioridazine, and fluoxetine. Combinations of carbon nanomaterials with metal nanoparticles (nanocomposites) along with retaining the properties of individual components, also provide a new quality of the developed devices due to their joint contribution. The nanomaterial-modifier was applied to the surface of screen-printed graphite electrodes using dropwise evaporation. Fixing of RGO on the surface of the screen-printed graphite electrodes occurs due to electrostatic interaction between RGO carboxyl groups and amine groups of the amine derivative on the platform of polyester polyol (H20–NH2). The CoNPs were obtained electrochemically by the method of chronoamperometry at a potential E = – 1.0 V and different time of their accumulation (about 50 – 60 sec) on the electrode surface. According to the data of atomic force microscopy, the predominant size of CoNPs is (40 ± 2) and (78 ± 8) nm, depending on the time of electrochemical deposition of NPs. Data of electrochemical impedance spectroscopy show that nanocomposites RGO-chitosan/CoNPs and RGO-amine derivative on the polyester polyol (H20–NH2)/CoNPs platform are characterized by the lowest values of the charge transfer resistance. The use of those nanocomposites modifying the electrode surface significantly improved the analytical characteristics of the developed biosensors providing a wider range of operating concentrations from 1 × 10–4 to 5 × 10–9 mol/liter, greater sensitivity coefficient, better correlation coefficient, and lower limit of the detectable concentrations. A possibility of using biosensors to control the quality of antidepressants upon determination of the main active substance in medicinal drugs and biological fluids is shown. The lower limit of detectable concentrations (7 – 9) × 10–10 mol/liter is attained when using tyramine as a substrate for determination of fluoxetine, thioridazine and tianeptine, respectively.

амперометрический биосенсормоноаминоксидазавосстановленный оксид графенананочастицы кобальтаантидепрессантыbiosensormonoamine oxidasereduced graphene oxidecobalt nanoparticlesantidepressantsReferencesKokkinos C., Economou A., Prodromidis M. I. Electrochemical immunosensors: Critical survey of different architectures and transduction strategies / Trends Anal. Chem. 2016. Vol. 79. P. 88 – 105.Kokkinos C., Economou A., Prodromidis M. I. Electrochemical immunosensors: Critical survey of different architectures and transduction strategies / Trends Anal. Chem. 2016. Vol. 79. P. 88 – 105.Li F., Li Y., Feng J., et al. Ultrasensitive amperometric immunosensor for PSA detection based on Cu2O@CeO2-Au nanocomposites as integrated triple signal amplification strategy / Biosens. Bioelectron. 2017. Vol. 87. P. 630 – 637.Li F., Li Y., Feng J., et al. Ultrasensitive amperometric immunosensor for PSA detection based on Cu2O@CeO2-Au nanocomposites as integrated triple signal amplification strategy / Biosens. Bioelectron. 2017. Vol. 87. P. 630 – 637.Çeviketal E., Bahar Ö., Şenel M., et al. Construction of novel electrochemical immunosensor for detection of prostate specific antigen using ferrocene-PAMAM dendrimers / Biosens. Bioelectron. 2016. Vol. 86. P. 1074 – 1079.Çeviketal E., Bahar Ö., Şenel M., et al. Construction of novel electrochemical immunosensor for detection of prostate specific antigen using ferrocene-PAMAM dendrimers / Biosens. Bioelectron. 2016. Vol. 86. P. 1074 – 1079.De Jesus D. S., Couto C. M. C. M., Araujo A. N., et al. Amperometric biosensor based on monoamine oxidase (MAO) immobilized in sol/gel film for benzydamine determination in pharmaceuticals / J. Pharm. Biomed. Anal. 2003. Vol. 33. N 5. P. 983 – 990.De Jesus D. S., Couto C. M. C. M., Araujo A. N., et al. Amperometric biosensor based on monoamine oxidase (MAO) immobilized in sol/gel film for benzydamine determination in pharmaceuticals / J. Pharm. Biomed. Anal. 2003. Vol. 33. N 5. P. 983 – 990.Sharma S., Raghav R., O’Kennedy R., et al. Advances in ovarian cancer diagnosis: A journey from immunoassays to immunosensors / Enzyme Microb. Technol. 2016. Vol. 89. P. 15 – 30.Sharma S., Raghav R., O’Kennedy R., et al. Advances in ovarian cancer diagnosis: A journey from immunoassays to immunosensors / Enzyme Microb. Technol. 2016. Vol. 89. P. 15 – 30.Lin C.-H., Wu C.-C., Kuo Y.-F. A high sensitive impedimetric salbutamol immunosensor based on the gold nanostructure-deposited screen-printed carbon electrode / J. Electroanal. Chem. 2016. Vol. 768. P. 27 – 33.Lin C.-H., Wu C.-C., Kuo Y.-F. A high sensitive impedimetric salbutamol immunosensor based on the gold nanostructure-deposited screen-printed carbon electrode / J. Electroanal. Chem. 2016. Vol. 768. P. 27 – 33.Feng J., Li Y., Li M., et al. A novel sandwich-type electrochemical immunosensor for PSA detection based on PtCu bimetallic hybrid (2D/2D) rGO/g-C3N4 / Biosens. Bioelectron. 2017. Vol. 91. P. 441 – 448.Feng J., Li Y., Li M., et al. A novel sandwich-type electrochemical immunosensor for PSA detection based on PtCu bimetallic hybrid (2D/2D) rGO/g-C3N4 / Biosens. Bioelectron. 2017. Vol. 91. P. 441 – 448.Zhu Q., Liu H., Zhang J., et al. Ultrasensitive QDs based electrochemiluminescent immunosensor for detecting ractopamine using AuNPs and Au nanoparticles@PDDA-graphene as amplifier / Sens. Actuators B. 2017. Vol. 243. P. 121 – 129.Zhu Q., Liu H., Zhang J., et al. Ultrasensitive QDs based electrochemiluminescent immunosensor for detecting ractopamine using AuNPs and Au nanoparticles@PDDA-graphene as amplifier / Sens. Actuators B. 2017. Vol. 243. P. 121 – 129.Zhang X., Ding S.-N. Sandwich-structured electrogenerated chemiluminescence immunosensor based on dual-stabilizers-capped CdTe quantum dots as signal probes and Fe3O4-Au nanocomposites as magnetic separable carriers / Sens. Actuators B. 2017. Vol. 240. P. 1123 – 1133.Zhang X., Ding S.-N. Sandwich-structured electrogenerated chemiluminescence immunosensor based on dual-stabilizers-capped CdTe quantum dots as signal probes and Fe3O4-Au nanocomposites as magnetic separable carriers / Sens. Actuators B. 2017. Vol. 240. P. 1123 – 1133.Roushani M., Valipour A. Using electrochemical oxidation of Rutin in modeling a novel andsensitive immunosensor based on Pt nanoparticle and graphene-ionicliquid-chitosan nanocomposite to detect human chorionic gonadotropin / Sens. Actuators B. 2016. Vol. 222. P. 1103 – 1111.Roushani M., Valipour A. Using electrochemical oxidation of Rutin in modeling a novel andsensitive immunosensor based on Pt nanoparticle and graphene-ionicliquid-chitosan nanocomposite to detect human chorionic gonadotropin / Sens. Actuators B. 2016. Vol. 222. P. 1103 – 1111.Wang Y., Fan D., Wu D., et al. Simple synthesis of silver nanoparticles functionalized cuprous oxide nanowires nanocomposites and its application in electrochemical immunosensor / Sens. Actuators B. 2016. Vol. 236. P. 241 – 248.Wang Y., Fan D., Wu D., et al. Simple synthesis of silver nanoparticles functionalized cuprous oxide nanowires nanocomposites and its application in electrochemical immunosensor / Sens. Actuators B. 2016. Vol. 236. P. 241 – 248.Wang S., Lu L., Yang M., et al. A novel cobalt hexacyanoferrate nanocomposite on CNT scaffold by seed medium and application for biosensor / Anal. Chim. Acta. 2009. Vol. 651. P. 220 – 226.Wang S., Lu L., Yang M., et al. A novel cobalt hexacyanoferrate nanocomposite on CNT scaffold by seed medium and application for biosensor / Anal. Chim. Acta. 2009. Vol. 651. P. 220 – 226.Lee H. U., Park C., Kim S. W. Immobilization of glucose oxidase onto cobalt based on silica core/shell nanoparticles as carrier / Process Biochem. 2012. Vol. 47. P. 1282 – 1286.Lee H. U., Park C., Kim S. W. Immobilization of glucose oxidase onto cobalt based on silica core/shell nanoparticles as carrier / Process Biochem. 2012. Vol. 47. P. 1282 – 1286.Shahrokhian S., Ghalkhani M., Adeli M., et al. Multi-walled carbon nanotubes with immobilised cobalt nanoparticle for modification of glassy carbon electrode: Application to sensitive voltammetric determination of thioridazine / Biosens. Bioelectron. 2009. Vol. 24. P. 3235 – 3241.Shahrokhian S., Ghalkhani M., Adeli M., et al. Multi-walled carbon nanotubes with immobilised cobalt nanoparticle for modification of glassy carbon electrode: Application to sensitive voltammetric determination of thioridazine / Biosens. Bioelectron. 2009. Vol. 24. P. 3235 – 3241.Li T., Yang M., Li H. Label-free electrochemical detection of cancer marker based on graphene-cobalt hexacyanoferrate nanocomposite / J. Electroanal. Chem. 2011. Vol. 655. P. 50 – 55.Li T., Yang M., Li H. Label-free electrochemical detection of cancer marker based on graphene-cobalt hexacyanoferrate nanocomposite / J. Electroanal. Chem. 2011. Vol. 655. P. 50 – 55.Bollella P., Fusco G., Tortolini C., et al. Beyond graphene: Electrochemical sensors and biosensors for biomarkers detection / Biosens. Bioelectron. 2017. Vol. 89. P. 152 – 166.Bollella P., Fusco G., Tortolini C., et al. Beyond graphene: Electrochemical sensors and biosensors for biomarkers detection / Biosens. Bioelectron. 2017. Vol. 89. P. 152 – 166.Pinto T. da S., Alves L. A., Cardozo G. de A., et al. Layer-by-layer self-assembly for carbon dots/chitosan-based multilayer: Morphology, thickness and molecular interactions / Mater. Chem. Phys. 2017. Vol. 186. P. 81 – 89.Pinto T. da S., Alves L. A., Cardozo G. de A., et al. Layer-by-layer self-assembly for carbon dots/chitosan-based multilayer: Morphology, thickness and molecular interactions / Mater. Chem. Phys. 2017. Vol. 186. P. 81 – 89.Wang N., Pandit S., Ye L., et al. Efficient surface modification of carbon nanotubes for fabricating high performance CNT based hybrid nanostructures / Carbon. 2017. Vol. 111. P. 402 – 410.Wang N., Pandit S., Ye L., et al. Efficient surface modification of carbon nanotubes for fabricating high performance CNT based hybrid nanostructures / Carbon. 2017. Vol. 111. P. 402 – 410.Wisitsoraat A., Mensing J. Ph., Karuwan C., et al. Printed organo-functionalized graphene for biosensing applications / Biosens. Bioelectron. 2017. Vol. 87. P. 7 – 17.Wisitsoraat A., Mensing J. Ph., Karuwan C., et al. Printed organo-functionalized graphene for biosensing applications / Biosens. Bioelectron. 2017. Vol. 87. P. 7 – 17.Benchettara A., Benchettara A. Electrochemical sensor based on nanoparticles of cobalt oxides for determination of glucose / Mater. Today: Proc. 2015. Vol. 2. P. 4212 – 4216.Benchettara A., Benchettara A. Electrochemical sensor based on nanoparticles of cobalt oxides for determination of glucose / Mater. Today: Proc. 2015. Vol. 2. P. 4212 – 4216.Медянцева Э. П., Брусницын Д. В., Варламова Р. М. и др. Амперометрические моноаминоксидазные биосенсоры на основе графитовых электродов и оксида графена как модификатора поверхности для определения некоторых антидепрессантов / Аналитика и контроль. 2014. Т. 18. № 4. С. 442 – 450.Medyantseva É. P., Brusnitsyn D. V., Varlamova R. M., et al. Monoamine oxidase amperometric biosensor based on graphite electrodes and graphene oxide as a surface modifier for the determination of some antidepressants / Analitika Kontrol’. 2014. Vol. 18. N 4. P. 442 – 450 [in Russian].Горкин В. З. Аминоксидазы и их значение в медицине. — М.: Медицина, 1981. — 336 с.Gorkin V. Z. Aminoksidazes and their importance in medicine. — Moscow: Meditsina, 1981. — 336 p. [in Russian].Кулис Ю. Ю. Аналитические системы на основе иммобилизованных ферментов. — Вильнюс: Мокслас, 1981. — 200 с.Kulis Yu. Yu. Analytical systems based on immobilized enzymes. — Vilnius: Mokslas, 1981. — 200 p. [in Russian].Брусницын Д. В., Медянцева Э. П., Варламова Р. М. и др. Амперометрическое определение антидепрессантов моноаминооксидазными биосенсорами на основе углеродных нанотрубок и наночастиц серебра как химических модификаторов / Учен. зап. Казан. ун-та. Сер. Естеств. науки. 2014. Т. 156. Кн. 2. С. 37 – 50.Brusnitsyn D. V., Medyantseva É. P., Varlamova R. M., et al. Amperometric determination of antidepressants using monoaminooxidase amperometric biosensors based screen-printed electrodes with multi-walled carbon nanotubes and nanoparticles of silver / Uch. Zap. Kazan. Univ. Ser. Estestv. Nauki. 2014. Vol. 156. Book 2. P. 37 – 50 [in Russian].Машковский М. Д. Лекарственные средства. — М.: Новая Волна, 2017. — 1216 с.Mashkovskii M. D. Drug substance. — Moscow: Novaya Volna, 2017. — 1216 p. [in Russian].Медянцева Э. П., Брусницын Д. В., Варламова Р. М. и др. Возможности амперометрических моноаминооксидазных биосенсоров на основе модифицированных многостенными углеродными нанотрубками графитовых печатных электродов для определения некоторых антидепрессантов / Журн. аналит. химии. 2015. Т. 70. № 5. С. 470 – 475.Medyantseva E. P., Brusnitsyn D. V., Varlamova R. M., et al. Capabilities of amperometric monoamine oxidase biosensors based on screen-printed graphite electrodes modified with multiwall carbon nanotubes in the determination of some antidepressants / J. Anal. Chem. 2015. Vol 70. N 5. P. 535 – 539.Медянцева Э. П., Брусницын Д. В., Варламова Р. М. и др. Влияние наноструктурированных материалов как модификаторов поверхности электродов на аналитические возможности амперометрических биосенсоров / Журн. прикл. химии. 2015. Т. 87. № 1. С. 45 – 54.Medyantseva E. P., Brusnitsyn D. V., Varlamova R. M., et al. Effect of nanostructured materials as electrode surface modifiers on the analytical capacity of amperometric biosensors / Russ. J. Appl. Chem. 2015. Vol. 88. N 1. P. 40 – 49.Брусницын Д. В., Медянцева Э. П., Варламова Р. М. и др. Углеродные наноматериалы как модификаторы поверхности электродов при разработке амперометрических моноаминоксидазных биосенсоров / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2015. Т. 81. № 6. С. 21 – 27.Brusnitsyn D. V., Medyantseva E. P., Varlamova R. M., et al. Carbon nanomaterials as electrode surface modifiers in development of amperometric monoamino oxidase biosensors / Inorg. Mater. 2016. Vol. 52. N 14. P. 1413 – 1419.Шайдарова Л. Г., Челнокова И. А., Романова Е. И. и др. Совместное вольтамперометрическое определение дофамина и мочевой кислоты на электроде, модифицированном самоорганизующимся монослоем цистамина с наночастицами золота / Журн. прикл. химии. 2011. Т. 84. № 2. С. 222 – 228.Shaidarova L. G., Chelnokova I. A., Romanova E. I., et al. Joint voltammetric determination of dopamine and uric acid / Russ. J. Appl. Chem. 2011. Vol. 84. N 2. P. 218 – 224.Данилова Л. А. Анализы крови и мочи. — СПб.: Салит-Медкнига, 2003. — 128 с.Danilova L. A. Blood and urine tests. — St. Petersburg: Salit-Medkniga, 2003. — 128 p. [in Russian].

The authors declare that there are no conflicts of interest present.