Известия Саратовского университета.

Новая серия. Серия Физика

ISSN 1817-3020 (Print)
ISSN 2542-193X (Online)


Для цитирования:

Козловский А. В., Стецюра С. В. Особенности фотостимулированной адсорбции ферментов на полупроводниковую подложку // Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия: Физика. 2023. Т. 23, вып. 4. С. 316-327. DOI: 10.18500/1817-3020-2023-23-4-316-327, EDN: JMIHFG

Статья опубликована на условиях лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International (CC-BY 4.0).
Опубликована онлайн: 
25.12.2023
Полный текст в формате PDF(Ru):
(загрузок: 105)
Язык публикации: 
русский
Тип статьи: 
Научная статья
УДК: 
620.3
EDN: 
JMIHFG

Особенности фотостимулированной адсорбции ферментов на полупроводниковую подложку

Авторы: 
Козловский Александр Валерьевич, Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н. Г. Чернышевского
Стецюра Светлана Викторовна, Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н. Г. Чернышевского
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.

Благодарности: 
Работа выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда (проект № 22-22-00194, https://rscf.ru/project/22-22-00194/).
Список источников: 
  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
Поступила в редакцию: 
29.06.2023
Принята к публикации: 
25.08.2023
Опубликована: 
25.12.2023