Portable Bioactive Paper-Based Sens

Portable Bioactive Paper-Based Sensor for Quantification of Pesticides
Murat Kavruk,1,2 Veli Cengiz Özalp,1,3 and Hüseyin Avni Öktem1,2
1NanoBiz Ltd. Metu Technopolis, Galyum Block, Floor 2, No. 18, 06800 Ankara, Turkey
2Department of Biology, Nanobiotechnology R&D Lab, Middle East Technical University, 06800 Ankara, Turkey
3School of Medicine, Istanbul Kemerburgaz University, 34217 Istanbul, Turkey

Received 14 May 2013; Revised 13 June 2013; Accepted 1 July 2013

Academic Editor: Miren Lopez de Alda

Copyright © 2013 Murat Kavruk et al. This is an open access article distributed under the Creative Commons Attribution License, which permits unrestricted use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

Abstract

A paper-based biosensor was developed for the detection of the degradation products of organophosphorus pesticides. The biosensor quantifies acetylcholine esterase inhibitors in a fast, disposable, cheap, and accurate format. We specifically focused on the use of sugar or protein stabilizer to achieve a biosensor with long shelf-life. The new biosensor detected malathion with a detection limit of 2.5 ppm in 5 min incubation time. The operational stability was confirmed by testing 60 days storage at 4°C when glucose was used as stabilizer.

1. Introduction

Detection of pesticide traces in food and water is an important safety issue due to intensive agricultural applications and their consequent toxicity. Pesticides, such as organophosphates (OP) and carbamates (CM), have inhibitory effects on cholinesterases which are enzymes essential for the proper functioning of the nervous system of vertebrates and insects. The toxic action of organophosphate and carbamates arise from the inhibition of acetylcholinesterase activity leading to accumulation of acetylcholine at the nerve endings and therefore causing cholinergic overstimulation characterized by severe consequences in humans including abdominal cramps, muscular tremor, hypotension, breathing difficulty, diarrhea, slowing heartbeat (bradycardia), muscular fasciculation, and paralysis [1]. Therefore, portable and accurate quantification of pesticides is essential for public health.

The detection of pesticides or nerve agents has been traditionally carried out in laboratory settings with large and expensive instruments such as gas chromatography coupled with mass spectroscopy (GC-MS) [2], spray mass spectroscopy [3], or high performance liquid chromatography (HPLC) [4]. Recent research efforts focused on developing biosensors platforms that can be incorporated into mobile detection devices. In that respect, paper attracts considerable attention as a matrix for developing low-cost analytical devices [5]. Paper is affordable, abundant, disposable, and has high volume to surface ratio. Paper-based biosensors are usually fast-responding and low-cost diagnostic tools in health and environmental applications. Bioactive papers are obtained by modification of paper matrix with biomolecules in order to add sensor functionality. One of the major advantages of bioactive paper sensors is that they are designed to operate without sophisticated equipment [6]. Generally the sensitivity is tolerated at the expense of simple applications compared to other analytical methods. In bioactive paper biosensors, enzyme-immobilized paper is the matrix for fluid sample transportation, biological detection, and the detection in a single step process. For paper-based biosensors, a variety of colorimetric formats have been developed including dipstick techniques and lab-on-paper microfluidic systems.

Acetylcholine is a neurotransmitter active in central nervous systems and skeletal-muscle junction. Acetylcholine esterase (AChE) is the hydrolase that degrades acetylcholine molecules into choline and acetic acid, thus terminating impulse transmission at cholinergic synapsis. Therefore, AChE controls generation of nerve impulses in the postsynaptic neurons. Toxicity of OP and CM depends on inhibition of AChE; thus the enzyme is a common bioevaluator for the detection of organophosphates and carbamates [7]. Extention of inhibition of this enzyme has been frequently used to measure quantitatively the presence of such pesticides. AChE inhibition has been proven to be useful in monitoring organophosphate and carbamate changes in samples with various platforms of sensors including surface plasmon resonance (SPR) [8], electrochemical [9, 10], colorimetric [11], various nanomaterials-based methods [12–15]. However, AChE is the most widely used biorecognition element in biosensor development for pesticide detection [7]. Paper matrix has been the improved material for some AChE-based detection devices such as sol-gel entrapment of gold nanoparticles for paper-dipstick sensor device [16], a lateral flow application [17]. Moreover, microfluidic paper devices could be developed by patterning hydrophilic channels and hydrophobic barriers [18]. Thus, paper could be a low-cost ubiquitous material for developing alternative multiplex sensors for onsite pesticide determination for medical diagnostics, environmental monitoring, or food quality analysis.

In this study, a paper-based sensor was developed as a rapid and reliable monitoring method for organophosphates and carbamates. The model interaction between malathion and its specific inhibition of AChE was used to monitor quantitative changes in order to develop a mobile biosensor. Unlike the previously reported acetylcholinesterase-based paper biosensors, we evaluated sugar and protein stabilizers in order to develop a biosensor with improved shelf-life.

2. Materials and Methods

2.1. Materials

AChE (from electric eel), (5,5′-dithiobis-(2-nitrobenzoic acid) (DTNB), acetylthiocholine iodide (ATCh), and malathion were purchased from Sigma-Aldrich. The chemicals used in the preparation of buffers were purchased from Merck. Munktell No. 1 filter discs were purchased from Munktell (Falun, Sweden).

2.2. Biosensor Construction

A mixture of enzyme, substrate, chromophore, and stabilizer solution was prepared for the indicated final concentrations in each experiment. For preparing biosensor strips, Munktell filter paper discs were prepared in 1 × 1 cm pieces and autoclaved at 120°C for 25 minutes prior to use (Figure 1(a)). Filter papers were then fixed via two-sided plaster on plastic supports (Figure 1(b)). A mixture of AChE and DTNB solution of 15 μL was then applied on the filter paper by direct pipetting and drying in a desiccator at −600 mmHg for 20 minutes. Subsequently, 15 μL of ATCh solution was directly applied on the filter paper that contains enzyme-DNTB mixture. The samples were included in the ATCh solutions without changing the final volume. The color intensity was measured at exactly 5 minutes after the addition of ATCh containing solution (Figure 1(c)).

932946.fig.001
Figure 1: Schematic representation of biosensor support construction. (a) Munktell filter papers were cut and (b) fixed on a plastic support. (c) The enzyme mixture (AChE and DTNB) was directly applied on the fixed paper and dried. The samples with ATCh were directly applied on dried paper strips for color formation.
2.3. Cholinesterase Inhibition Assay

The ChE inhibition assay is based on quantification of free sulfhydryl groups of thiocholine which is the product of acetylthiocholine hydrolyzation by acetylcholine esterase. Ellman’s reagent, 5,5-dithiobis-(2-nitrobenzoic acid) (DTNB), is used to generate a yellow chromophore detectable at the 405 nm [19]. The color development is at maximum level at the beginning, and the enzyme inhibitor addition reduces the final color developed. Color development change was converted to inhibitor concentration by visual comparison or spectrophotometric measurements using malathion as standard inhibitor. pH studies were carried out between 1.0 and 13.0 with 1.0 grade increments. Effect of temperature was investigated at 4°C, 25°C, and 37°C to determine optimum condition for the biosensor to work efficiently. In the shelf-life experiment, 4°C and RT conditions were tested. In all temperatures, biosensors were incubated at that specific temperature for 5 minutes after dropping of ATChI solution. Malathion was used as an inhibitor of enzyme and target molecule of the biosensor. Up to 200 ppm malathion was investigated to determine the detection limit of the biosensor. The stability of the biosensor was compared in the presence of glucose (up to 15% w/v), trehalose (up to 8% w/v), or BSA (up to 5% w/v) in order to improve the stability of the enzyme AChE. The stabilizers were added in the AChE-DNTB mixture and final volume was always 15 μL. The digital pictures of the sensor measurements were obtained by putting the filter papers between two acetate papers and scanning them via Canon Pixma MP610 multifunctional scanner with time intervals. These digital pictures were converted into numerical values.

3. Results and Discussions

In this study, a paper-based sensor device was developed as a rapid and reliable monitoring method for OP and CM pesticides. The device is composed of dipstick paper sensor and a CCD camera for analysis in a portable format. The model interaction between malathion and its specific inhibition of AChE was used to monitor quantitative performance of the sensor. A biosensor for AChE inhibitory molecules has been developed by immobilizing the enzyme, its substrate (ATCh), and a chromophore (DTNB; 2-nitro-5-thiobenzoic acid) in paper matrix through adsorption. The chemical reactions leading to inhibitor dependent colour development are summarized in Figure 2. Acetylcholine esterase inhibition can be quantified by an assay method first described by Ellman et al. [19]. DTNB is a water soluble chemical that can specifically react with free sulfhydryl groups. AChE hydrolyses ATCh to produce thiocholine (TCh) and acetate. Then, the free sulfhydryl group of TC

ผลลัพธ์ (ไทย) 1:

แบบพกพากรรมการกกระดาษใช้เซ็นเซอร์นับสารกำจัดศัตรูพืชมูร่าต์โอ Kavruk, 1, 2 Veli Cengiz Özalp, 1, 3 และ Hüseyin แอฟนี Öktem1, 21NanoBiz จำกัด Metu Technopolis บล็อก Galyum ชั้น 2 หมายเลข 18, 06800 อังการา ตุรกี2Department ชีววิทยา Nanobiotechnology R & D Lab มหาวิทยาลัยเทคนิคตะวันออกกลาง 06800 อังการา ตุรกี3School ยา 34217 อิสตันบูล ตุรกี อิสตันบูล Kemerburgaz มหาวิทยาลัยได้รับ 14 2013 พฤษภาคม แก้ไข 13 2013 มิถุนายน ยอมรับ 1 2013 กรกฎาคมกองบรรณาธิการวิชาการ: Miren โลเปซเดอสงวนลิขสิทธิ์ © 2013 มูร่าต์โอ Kavruk et al นี่คือบทความเข้าเปิดกระจายภายใต้การสร้างสรรค์คอมมอนส์แสดงลิขสิทธิ์ ซึ่งใช้ใบอนุญาตที่ไม่จำกัด กระจาย และการผลิตซ้ำในสื่อใด ๆ ให้ถูกต้องมีอ้างงานต้นฉบับบทคัดย่อBiosensor ที่ใช้กระดาษได้รับการพัฒนาสำหรับการตรวจพบผลิตภัณฑ์ย่อยสลายสารกำจัดศัตรูพืช organophosphorus Biosensor quantifies acetylcholine esterase inhibitors ในรูปแบบรวดเร็ว ผ้าอ้อม ราคาถูก ถูกต้อง และ โดยเรามุ่งเน้นการใช้น้ำตาลหรือโปรตีนโคลงให้ biosensor มีอายุยาวนาน Biosensor ใหม่ตรวจพบไธออ ด้วยการตรวจหาจำนวน 2.5 ppm ในเวลา 5 นาทีคณะทันตแพทยศาสตร์ ความมั่นคงปฏิบัติได้รับการยืนยัน โดยการทดสอบ 60 วันเก็บที่ 4° C เมื่อมีใช้กลูโคสเป็นโคลง1. บทนำตรวจหาร่องรอยของแมลงในอาหารและน้ำเป็นประเด็นความปลอดภัยที่สำคัญเนื่องจากโปรแกรมประยุกต์ทางการเกษตรเร่งรัดและความเป็นพิษของพวกเขาตามมา ยาฆ่าแมลง เช่น organophosphates (OP) และ carbamates (ซม.), ลิปกลอสไขผล cholinesterases ซึ่งเป็นเอนไซม์ที่จำเป็นสำหรับการทำงานที่เหมาะสมของระบบประสาท vertebrates และแมลง ได้ กระทำพิษของ organophosphate และ carbamates เกิดขึ้นจากการยับยั้ง กิจกรรม acetylcholinesterase ที่นำไปสู่การสะสมของ acetylcholine ที่ประสาทจึง ทำให้เกิด cholinergic overstimulation โดยผลกระทบที่รุนแรงในมนุษย์รวมถึงปวดท้อง กล้ามเนื้อสั่น hypotension ปัญหาในการหายใจ โรคท้อง ร่วง ช้า (bradycardia) ฮาร์ทบีท fasciculation กล้ามเนื้อ และอัมพาต [1] ดังนั้น นับแบบพกพา และความถูกต้องของสารกำจัดศัตรูพืชเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับสาธารณสุขการตรวจพบยาฆ่าแมลงหรือตัวแทนประสาทการซึ่งดำเนินการในห้องปฏิบัติการการตั้งค่าขนาด และเครื่องมือมีราคาแพงเช่น chromatography ก๊าซควบคู่กับกมวล (GC-MS) [2], สเปรย์มวลก [3], หรือหลอมเหลว chromatography (HPLC) [4] ความพยายามล่าสุดวิจัยเน้นการพัฒนาแพลตฟอร์ม biosensors ที่สามารถรวมอยู่ในอุปกรณ์ตรวจจับการเคลื่อน ในที่ กระดาษดึงดูดความสนใจมากเป็นเมทริกซ์การพัฒนาอุปกรณ์การวิเคราะห์ต้นทุนต่ำ [5] กระดาษราคาไม่แพง อุดมสมบูรณ์ ผ้าอ้อม และมีปริมาตรสูงต่อผิว ใช้กระดาษ biosensors มักตอบ สนองอย่างรวดเร็ว และต้น ทุนต่ำเครื่องมือวินิจฉัยสุขภาพและงานด้านสิ่งแวดล้อม กรรมการกเอกสารจะได้รับ โดยการปรับเปลี่ยนของเมทริกซ์กระดาษกับชื่อโมเลกุลชีวภาพเพื่อเพิ่มฟังก์ชันการทำงานของเซ็นเซอร์ หนึ่งในประโยชน์หลักของเซนเซอร์กระดาษกรรมการกคือว่า พวกเขาถูกออกแบบมาไม่ซับซ้อนอุปกรณ์ [6] โดยทั่วไปความไวที่สมค่าใช้จ่ายของโปรแกรมประยุกต์อย่างที่เปรียบเทียบกับวิธีการวิเคราะห์อื่น ๆ ในกระดาษกรรมการก biosensors เอนไซม์ตรึงกระดาษเป็นเมตริกซ์สำหรับขนส่งตัวอย่างของเหลว ตรวจชีวภาพ และตรวจสอบในกระบวนการขั้นตอนเดียว สำหรับ biosensors ใช้กระดาษหลากหลายรูปแบบเหมือนได้รับการพัฒนา dipstick เทคนิคและระบบปฏิบัติการบนกระดาษ microfluidicAcetylcholine เป็นสารสื่อประสาทใช้งานอยู่ในระบบประสาทส่วนกลางและกล้ามเนื้ออีกทาง Hydrolase ที่เสื่อมโมเลกุล acetylcholine choline และกรดอะซิติก จึง สิ้นสุดการส่งกระแสที่ cholinergic synapsis acetylcholine esterase (AChE) ได้ ดังนั้น AChE ควบคุมสร้างแรงกระตุ้นเส้นประสาทใน postsynaptic neurons ความเป็นพิษของ OP และ CM ขึ้นอยู่กับการยับยั้งการปวด ดังนั้น เอนไซม์เป็น bioevaluator ทั่วไปตรวจ organophosphates และ carbamates [7] ใช้สำหรับยับยั้งเอนไซม์นี้วัด quantitatively ของยาฆ่าแมลงดังกล่าวบ่อยครั้ง ยับยั้งการปวดได้รับการพิสูจน์ให้เป็นประโยชน์ในการตรวจสอบ organophosphate และ carbamate ที่เปลี่ยนในตัวอย่างที่มีแพลตฟอร์มต่าง ๆ ของเซนเซอร์รวมทั้งพื้นผิว plasmon การสั่นพ้อง (คอฟฟี่ช็อป/) [8], ไฟฟ้า [9, 10], เคียง [11], วิธีการต่าง ๆ ตาม nanomaterials [12-15] อย่างไรก็ตาม ปวดเป็นองค์ประกอบ biorecognition ที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในการพัฒนา biosensor ตรวจแมลง [7] เมทริกซ์กระดาษได้วัสดุดีขึ้นสำหรับบางอุปกรณ์ตรวจการปวดเช่น entrapment โซลเจลของทองเก็บกักเซ็นเซอร์กระดาษ dipstick อุปกรณ์ [16], การใช้กระแสด้านข้าง [17] นอกจากนี้ สามารถพัฒนาอุปกรณ์กระดาษ microfluidic โดย patterning ช่อง hydrophilic และ hydrophobic อุปสรรค [18] ดังนั้น กระดาษอาจจะเป็นวัสดุสมบูรณ์ต้นทุนต่ำสำหรับพัฒนาเซนเซอร์ต่าง ๆ ๅสำรองสำหรับการกำหนดแมลงสิ่งอำนวยความสะดวกสำหรับการวินิจฉัยทางการแพทย์ ตรวจสอบด้านสิ่งแวดล้อม หรือวิเคราะห์คุณภาพอาหารในการศึกษานี้ เซนเซอร์จากกระดาษที่พัฒนาเป็นอย่างรวดเร็ว และเชื่อถือได้ตรวจสอบวิธีการ organophosphates และ carbamates โต้ตอบระหว่างไธออและยับยั้งการปวดของเฉพาะรุ่นที่ถูกใช้เพื่อตรวจสอบการเปลี่ยนแปลงเชิงปริมาณเพื่อพัฒนา biosensor เคลื่อน ต่างจาก biosensors กระดาษ acetylcholinesterase ตามรายงานก่อนหน้านี้ เราประเมิน stabilizers น้ำตาลและโปรตีนเพื่อพัฒนา biosensor มีอายุดีขึ้น2. วัสดุและวิธีการ2.1. วัสดุAChE การ (จากปลาไหลไฟฟ้า), (5, 5′ - dithiobis- (กรด 2-nitrobenzoic) (DTNB), acetylthiocholine ไอโอไดด์ (ATCh), และไธออซื้อจาก Aldrich ซิก สารเคมีที่ใช้ในการจัดทำข้อมูลที่ซื้อจากบริษัทเมอร์ค หมายเลข 1 Munktell กรองดิสก์ถูกซื้อจาก Munktell (ลาน สวีเดน)2.2. biosensor ก่อสร้างส่วนผสมของเอนไซม์ พื้นผิว chromophore และโซลูชั่นโคลงถูกเตรียมในความเข้มข้นสุดท้ายที่ระบุไว้ในแต่ละการทดลอง การจัดเตรียมแถบ biosensor, Munktell กระดาษกรองดิสก์ถูก autoclaved ที่ 120° C และจัดเตรียม 1 × 1 ซม.ชิ้น 25 นาทีก่อนใช้ (รูป 1(a)) ตัวกรองเอกสารได้แล้วคงผ่านปูนแบบสองหน้าบนสนับสนุนพลาสติก (รูป 1(b)) แล้วส่วนผสมของ AChE และ DTNB ของ 15 μL ถูกใช้บนกระดาษกรอง ด้วย pipetting ตรง และแห้ง 20 นาทีใน desiccator ที่ −600 mmHg ในเวลาต่อมา 15 μL ATCh โซลูชันถูกนำไปใช้โดยตรงบนกระดาษกรองที่ประกอบด้วยส่วนผสมของเอนไซม์ DNTB ตัวอย่างรวมอยู่ในโซลูชัน ATCh โดยไม่มีการเปลี่ยนแปลงปริมาตรสุดท้าย ความเข้มของสีถูกวัดว่า 5 นาทีหลังจากเพิ่ม ATCh ประกอบด้วยโซลูชัน (รูป 1(c))932946.fig.001รูปที่ 1: แสดงแผนผังวงจรของ biosensor สนับสนุนก่อสร้าง (ก) Munktell ตัวกรองเอกสารถูกตัด และ (ข) การสนับสนุนพลาสติกคง (c)ผสมเอนไซม์ (AChE และ DTNB) ถูกใช้บนกระดาษถาวรโดยตรง และแห้ง ตัวอย่างที่ มี ATCh ถูกนำไปใช้โดยตรงบนแผ่นกระดาษแห้งสำหรับก่อตัวสี2.3 ทดสอบการยับยั้ง cholinesteraseทดสอบยับยั้ง ChE อยู่บนนับกลุ่ม sulfhydryl ฟรีของ thiocholine ซึ่งเป็นผลิตภัณฑ์ของ acetylthiocholine hydrolyzation โดย acetylcholine esterase รีเอเจนต์ของ Ellman, 5.5 - dithiobis- (กรด 2-nitrobenzoic) (DTNB), ใช้สร้าง chromophore เหลืองอาสาที่ 405 nm [19] การพัฒนาสีอยู่ในระดับสูงสุดที่จุดเริ่มต้น และการเพิ่มสารยับยั้งเอนไซม์ลดสีสุดท้ายที่ได้รับการพัฒนา เปลี่ยนแปลงพัฒนาสีถูกแปลงเพื่อความเข้มข้นของสารยับยั้ง โดยเปรียบเทียบภาพหรือวัด spectrophotometric ใช้ไธออเป็นมาตรฐานผล การศึกษาค่า pH ได้ดำเนินระหว่าง 1.0 และ 13.0 มีเกรด 1.0 ที ผลของอุณหภูมิตรวจสอบที่ 4° C, 25° C และ 37° C เพื่อกำหนดเงื่อนไขที่เหมาะสมสำหรับ biosensor เพื่อทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพ ในการทดสอบอายุการเก็บรักษา 4° C และ RT เงื่อนไขทดสอบ ในทุกอุณหภูมิ biosensors ถูกจัด incubated ที่อุณหภูมิเฉพาะ 5 นาทีหลังจากวางของแก้ปัญหา ATChI ไธออถูกใช้เป็นสารยับยั้งตัวของโมเลกุลเอนไซม์และเป้าหมายของการ biosensor ขึ้นถึง 200 ppm ไธออถูกตรวจสอบเพื่อกำหนดจำนวน biosensor ตรวจสอบ ความมั่นคงของ biosensor ถูกเปรียบเทียบในต่อหน้าของกลูโคส (ถึง 15% w/v), trehalose (ถึง 8% w/v), หรือบีเอสเอ (ถึง 5% w/v) เพื่อปรับปรุงเสถียรภาพของเอนไซม์ AChE เพิ่มส่วนผสมปวด DNTB stabilizers ที่ และปริมาตรสุดท้ายถูกเสมอ 15 μL รูปภาพดิจิทัลเซ็นเซอร์วัดได้รับ โดยใส่กระดาษกรองระหว่างสอง acetate เอกสาร และการสแกนนั้นทางแคนนอน Pixma MP610 สแกนเนอร์โดยมีช่วงเวลา รูปภาพดิจิทัลเหล่านี้ได้ถูกแปลงเป็นค่าตัวเลข3. ผลลัพธ์ และสนทนาในการศึกษานี้ อุปกรณ์เซนเซอร์จากกระดาษที่พัฒนาเป็นอย่างรวดเร็ว และเชื่อถือได้ตรวจสอบวิธีการ OP และ CM ยาฆ่าแมลง อุปกรณ์ประกอบด้วยเซ็นเซอร์กระดาษ dipstick และกล้อง CCD สำหรับการวิเคราะห์ในรูปแบบพกพา โต้ตอบระหว่างไธออและยับยั้งการปวดของเฉพาะรุ่นที่ถูกใช้เพื่อตรวจสอบประสิทธิภาพการทำงานเชิงปริมาณของการเซ็นเซอร์ Biosensor สำหรับลิปกลอสไขโมเลกุลได้รับการพัฒนา โดย immobilizing เอนไซม์ ของพื้นผิว (ATCh), ปวด และ เป็น chromophore (DTNB กรด 2-ไนโตร-5-thiobenzoic) ในเมตริกซ์กระดาษผ่านการดูดซับ ปฏิกิริยาเคมีที่นำไปสู่การพัฒนาสีขึ้นอยู่กับผลที่สรุปในรูปที่ 2 Acetylcholine esterase ยับยั้งสามารถสามารถ quantified โดยวิธีการทดสอบต้อง อธิบายโดย Ellman et al. [19] DTNB คือ น้ำละลายสารเคมีที่สามารถโดยเฉพาะตอบสนองกับกลุ่ม sulfhydryl ฟรี ปวด hydrolyses ATCh ผลิต thiocholine (TCh) และ acetate แล้ว กลุ่ม sulfhydryl ฟรีของ TC

ผลลัพธ์ (ไทย) 2:

แบบพกพาออกฤทธิ์ทางชีวภาพจากเซ็นเซอร์กระดาษสำหรับปริมาณของสารกำจัดศัตรูพืช
ใน Murat Kavruk, 1,2 Veli Cengiz Özalp, 1,3 และHüseyin Avni Öktem1,2
1NanoBiz จำกัด Metu เทบล็อก Galyum ชั้น 2 เลขที่ 18, 06800 อังการา
2Department ชีววิทยา Nanobiotechnology R & D Lab, มหาวิทยาลัยเทคนิคตะวันออกกลาง, 06800 อังการา
3School แพทยศาสตร์อิสตันบูล Kemerburgaz มหาวิทยาลัย 34217 อิสตันบูล, ตุรกีที่ได้รับ 14 พฤษภาคม 2013; ปรับปรุง 13 มิถุนายน 2013; ได้รับการยอมรับ 1 กรกฎาคม 2013 วิชาการบรรณาธิการ: Miren โลเปซเด Alda ลิขสิทธิ์© 2013 มูรัต Kavruk และคณะ นี้เป็นบทความเปิดเผยแพร่ภายใต้สัญญาอนุญาตครีเอทีฟคอมมอนส์ซึ่งอนุญาตให้ใช้แจกจ่ายและการทำสำเนาในสื่อใด ๆ ให้ทำงานเดิมจะอ้างอย่างถูกต้อง. บทคัดย่อไบโอเซนเซอร์ที่ใช้กระดาษได้รับการพัฒนาสำหรับการตรวจหาผลิตภัณฑ์ที่ย่อยสลาย สารกำจัดศัตรูพืช organophosphorus ไบโอเซนเซอร์วัดปริมาณสารยับยั้ง esterase acetylcholine ในเร็วทิ้งราคาถูกและรูปแบบที่ถูกต้อง เราเน้นเฉพาะในการใช้น้ำตาลหรือโคลงโปรตีนเพื่อให้บรรลุไบโอเซนเซอร์กับอายุการเก็บรักษานาน ไบโอเซนเซอร์ตรวจพบ malathion ใหม่ที่มีวงเงินการตรวจสอบ 2.5 หน้าต่อนาทีใน 5 นาทีเวลาฟักตัว ความมั่นคงในการดำเนินงานได้รับการยืนยันโดยการทดสอบการเก็บรักษา 60 วันที่ 4 ° C เมื่อกลูโคสถูกนำมาใช้เป็นโคลง. 1 เบื้องต้นการตรวจหาร่องรอยยาฆ่าแมลงในอาหารและน้ำเป็นปัญหาความปลอดภัยที่สำคัญเนื่องจากการใช้งานการเกษตรอย่างเข้มข้นและความเป็นพิษที่เกิดขึ้นของพวกเขา สารกำจัดศัตรูพืชเช่น organophosphates (OP) และ carbamates (CM) มีผลยับยั้งการ cholinesterases ซึ่งเป็นเอนไซม์ที่จำเป็นสำหรับการทำงานที่เหมาะสมของระบบประสาทของสัตว์มีกระดูกสันหลังและแมลง การกระทำที่เป็นพิษของ organophosphate และ carbamates เกิดขึ้นจากการยับยั้งกิจกรรมของสารที่นำไปสู่การสะสมของ acetylcholine ที่ปลายประสาทและดังนั้นจึงก่อให้เกิด cholinergic overstimulation โดดเด่นด้วยผลกระทบรุนแรงในมนุษย์รวมทั้งปวดท้อง, อาการสั่นของกล้ามเนื้อ, ความดันโลหิตต่ำหายใจลำบากท้องเสียชะลอการเต้นของหัวใจ (เต้นช้า) fasciculation กล้ามเนื้อและเป็นอัมพาต [1] ดังนั้นปริมาณแบบพกพาและความถูกต้องของสารกำจัดศัตรูพืชเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับสุขภาพของประชาชน. การตรวจหาสารกำจัดศัตรูพืชหรือตัวแทนของเส้นประสาทได้รับการดำเนินการแบบดั้งเดิมในการตั้งค่าตรวจทางห้องปฏิบัติการด้วยเครื่องมือที่มีขนาดใหญ่และมีราคาแพงเช่นแก๊สโครมาควบคู่กับสเปคโทรมวล (GC-MS) [2] สเปรย์สเปคโทรมวล [3] หรือของเหลวที่มีประสิทธิภาพสูง (HPLC) [4] ความพยายามในการวิจัยล่าสุดที่เน้นการพัฒนาแพลตฟอร์มไบโอเซนเซอร์ที่สามารถจะรวมอยู่ในอุปกรณ์ตรวจจับมือถือ ในส่วนที่กระดาษดึงดูดความสนใจมากเป็นเมทริกซ์สำหรับการพัฒนาต้นทุนต่ำอุปกรณ์การวิเคราะห์ [5] กระดาษมีราคาไม่แพงมากมายทิ้งและมีปริมาณสูงผิวอัตราส่วน ไบโอเซนเซอร์กระดาษที่ใช้มักจะตอบสนองอย่างรวดเร็วและต้นทุนต่ำเครื่องมือวินิจฉัยในด้านสุขภาพและการใช้งานด้านสิ่งแวดล้อม เอกสารออกฤทธิ์ทางชีวภาพที่ได้จากการปรับเปลี่ยนของเมทริกซ์กระดาษที่มีสารชีวโมเลกุลเพื่อเพิ่มฟังก์ชันการทำงานเซ็นเซอร์ หนึ่งในข้อดีที่สำคัญของเซ็นเซอร์กระดาษออกฤทธิ์ทางชีวภาพคือว่าพวกเขาถูกออกแบบมาเพื่อการใช้งานไม่ต้องใช้อุปกรณ์ที่มีความซับซ้อนได้ [6] โดยทั่วไปความไวเป็นที่ยอมรับที่ค่าใช้จ่ายของการใช้งานง่ายเมื่อเทียบกับวิธีการวิเคราะห์อื่น ๆ ในไบโอเซนเซอร์กระดาษออกฤทธิ์ทางชีวภาพ, กระดาษเอนไซม์ตรึงเป็นเมทริกซ์สำหรับการขนส่งตัวอย่างของเหลว, การตรวจสอบทางชีวภาพและการตรวจสอบในกระบวนการขั้นตอนเดียว สำหรับไบโอเซนเซอร์ที่ใช้กระดาษ, ความหลากหลายของรูปแบบสีได้รับการพัฒนารวมทั้งเทคนิคก้านวัดระดับน้ำมันเครื่องและห้องปฏิบัติการบนกระดาษระบบไมโคร. Acetylcholine เป็นสารสื่อประสาทที่ใช้งานในระบบประสาทส่วนกลางและทางแยกโครงกระดูกกล้ามเนื้อ Acetylcholine esterase (เจ็บ) เป็นไฮโดรเลสที่ degrades acetylcholine โมเลกุลเป็นโคลีนและกรดอะซิติกจึงยุติการส่งแรงกระตุ้นที่ cholinergic Synapsis ดังนั้นปวดควบคุมการสร้างแรงกระตุ้นเส้นประสาทในเซลล์ประสาท postsynaptic ความเป็นพิษของ OP และ CM ขึ้นอยู่กับการยับยั้งการเจ็บ; จึงเอนไซม์เป็น bioevaluator ทั่วไปสำหรับการตรวจสอบของ organophosphates และ carbamates [7] extention ของการยับยั้งการทำงานของเอนไซม์นี้ได้ถูกนำมาใช้บ่อยในการวัดปริมาณการปรากฏตัวของสารกำจัดศัตรูพืชดังกล่าว ยับยั้งการเจ็บที่ได้รับการพิสูจน์แล้วว่าเป็นประโยชน์ในการตรวจสอบและการเปลี่ยนแปลง organophosphate คาร์บาเมทในตัวอย่างกับแพลตฟอร์มต่างๆของเซ็นเซอร์รวมทั้งพื้นผิวด้วยคลื่น plasmon (SPR) [8], ไฟฟ้า [9, 10], สี [11], วัสดุนาโนต่างๆตามวิธี [ 12-15] แต่ปวดเป็นส่วนใหญ่ที่ใช้กันอย่างแพร่หลายองค์ประกอบ biorecognition ในการพัฒนาไบโอเซนเซอร์ในการตรวจหายาฆ่าแมลง [7] เมทริกซ์กระดาษที่ได้รับวัสดุที่ดีขึ้นสำหรับบางคนเจ็บที่ใช้อุปกรณ์ตรวจจับเช่นกับดักโซลเจลของอนุภาคนาโนทองคำสำหรับอุปกรณ์เซ็นเซอร์ก้านกระดาษ [16], การประยุกต์ใช้การไหลด้านข้าง [17] นอกจากนี้อุปกรณ์กระดาษ microfluidic จะได้รับการพัฒนาโดยช่อง hydrophilic บรรเลงและอุปสรรคที่ไม่ชอบน้ำ [18] ดังนั้นกระดาษอาจจะเป็นวัสดุที่มีต้นทุนต่ำแพร่หลายสำหรับการพัฒนาเซ็นเซอร์ทวีคูณทางเลือกสำหรับการกำหนดยาฆ่าแมลงในสถานที่สำหรับการวินิจฉัยทางการแพทย์ตรวจสอบด้านสิ่งแวดล้อมหรือการวิเคราะห์คุณภาพอาหาร. ในการศึกษานี้เซ็นเซอร์กระดาษที่ได้รับการพัฒนาเป็นวิธีการตรวจสอบอย่างรวดเร็วและเชื่อถือได้ สำหรับ organophosphates และ carbamates รูปแบบการทำงานร่วมกันระหว่าง malathion และการยับยั้งที่เฉพาะเจาะจงของการเจ็บถูกใช้ในการตรวจสอบการเปลี่ยนแปลงเชิงปริมาณเพื่อพัฒนาไบโอเซนเซอร์มือถือ ซึ่งแตกต่างจากรายงานก่อนหน้านี้ไบโอเซนเซอร์กระดาษสารตามที่เราประเมินน้ำตาลและความคงตัวโปรตีนเพื่อพัฒนาไบโอเซนเซอร์ที่ดีขึ้นกับอายุการเก็บรักษา. 2 วัสดุและวิธีการ2.1 วัสดุเจ็บ (จากปลาไหลไฟฟ้า) (5,5'-dithiobis- (กรด 2 nitrobenzoic) (DTNB) acetylthiocholine ไอโอไดด์ (atch) และ malathion ที่ซื้อมาจาก. Sigma-Aldrich สารเคมีที่ใช้ในการเตรียมบัฟเฟอร์เป็น ที่ซื้อมาจากเมอร์ค. Munktell ที่ 1 แผ่นกรองที่ซื้อมาจาก Munktell (ฝ่าหลุน, สวีเดน). 2.2. Biosensor ก่อสร้างส่วนผสมของเอนไซม์สารตั้งต้น, chromophore และวิธีการแก้ปัญหาโคลงกำลังเตรียมพร้อมสำหรับการระบุความเข้มข้นสุดท้ายในการทดลองแต่ละ. สำหรับการเตรียมไบโอเซนเซอร์ แถบ Munktell แผ่นกระดาษกรองได้จัดทำขึ้น 1 × 1 ชิ้นเซนติเมตรเชื้อที่ 120 องศาเซลเซียสเป็นเวลา 25 นาทีก่อนที่จะใช้ (รูปที่ 1 (ก)). เอกสารกรองได้รับการแก้ไขแล้วผ่านปูนปลาสเตอร์สองด้านในการสนับสนุนพลาสติก (รูปที่ 1 (ข)). ส่วนผสมของเจ็บและวิธีการแก้ปัญหา DTNB 15 ไมโครลิตรถูกนำมาใช้จากนั้นบนกระดาษกรองโดยปิเปตโดยตรงและการอบแห้งในเดซิที่ -600 mmHg เป็นเวลา 20 นาที. ต่อมา 15 ไมโครลิตรของการแก้ปัญหา atch ถูกนำมาใช้โดยตรงบน กรองกระดาษที่มีส่วนผสมของเอนไซม์ DNTB. ตัวอย่างถูกรวมอยู่ในการแก้ปัญหาโดยไม่ต้องเปลี่ยน atch เล่มสุดท้าย ความเข้มของสีวัดที่ตรง 5 นาทีหลังจากที่นอกเหนือจากการแก้ปัญหาที่มี atch (รูปที่ 1 (c)). 932946.fig.001 รูปที่ 1: แผนผังแสดงการสนับสนุนของการก่อสร้างไบโอเซนเซอร์ (ก) Munktell กรองเอกสารถูกตัดและ (ข) การแก้ไขในการสนับสนุนพลาสติก (ค) มีส่วนผสมของเอนไซม์ (เจ็บและ DTNB) ถูกนำมาใช้โดยตรงบนกระดาษคงที่และแห้ง ตัวอย่างที่มี atch ถูกนำไปใช้โดยตรงบนแผ่นกระดาษแห้งสำหรับการสร้างสี. 2.3 Cholinesterase ยับยั้ง Assay ทดสอบการยับยั้ง ChE จะขึ้นอยู่กับปริมาณของกลุ่ม sulfhydryl ฟรี thiocholine ซึ่งเป็นผลิตภัณฑ์ของ acetylthiocholine hydrolyzation โดย esterase acetylcholine น้ำยา Ellman ของ 5,5-dithiobis- (กรด 2 nitrobenzoic) (DTNB) ถูกนำมาใช้ในการสร้าง chromophore สีเหลืองที่ตรวจพบที่ 405 นาโนเมตร [19] การพัฒนาสีที่อยู่ในระดับสูงสุดที่จุดเริ่มต้นและนอกจากยับยั้งเอนไซม์ที่ช่วยลดสีสุดท้ายการพัฒนา การเปลี่ยนแปลงการพัฒนาสีที่ถูกดัดแปลงเข้มข้นยับยั้งโดยเปรียบเทียบภาพหรือวัดสเปกใช้ malathion เป็นยับยั้งมาตรฐาน การศึกษาค่า pH ได้ดำเนินการระหว่าง 1.0 และ 13.0 เพิ่มขึ้น 1.0 คะแนน ผลของอุณหภูมิถูกตรวจสอบที่ 4 ° C, 25 ° C และ 37 ° C ถึงกำหนดสภาวะที่เหมาะสมสำหรับไบโอเซนเซอร์ที่จะทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพ ในการทดลองอายุการเก็บรักษาที่ 4 องศาเซลเซียสและเงื่อนไข RT ได้รับการทดสอบ ในอุณหภูมิทั้งหมดไบโอเซนเซอร์ที่ถูกบ่มที่อุณหภูมิที่เฉพาะเจาะจงสำหรับ 5 นาทีหลังจากที่ลดลงของการแก้ปัญหา ATChI Malathion ถูกใช้เป็นสารยับยั้งเอนไซม์และเป้าหมายโมเลกุลของไบโอเซนเซอร์ ได้ถึง 200 แผ่นต่อนาที malathion ถูกตรวจสอบเพื่อตรวจสอบการตรวจสอบวงเงินของไบโอเซนเซอร์ ความมั่นคงของไบโอเซนเซอร์เปรียบเทียบในการปรากฏตัวของกลูโคส (ถึง 15% w / v), ทรีฮาโล (ถึง 8% w / v) หรือบีเอสเอ (ไม่เกิน 5% w / v) เพื่อปรับปรุงเสถียรภาพ ของเอนไซม์เจ็บ ความคงตัวที่ถูกเพิ่มเข้ามาในส่วนผสมปวด DNTB และปริมาณสุดท้ายคือเสมอ 15 ไมโครลิตร ภาพดิจิตอลของเซ็นเซอร์วัดที่ได้รับโดยการใส่กระดาษกรองระหว่างสองเอกสารอะซิเตทและสแกนพวกเขาผ่านทางแคนอน PIXMA MP610 สแกนเนอร์มัลติฟังก์ชั่กับช่วงเวลา เหล่านี้ภาพดิจิตอลที่ถูกแปลงเป็นค่าตัวเลข. 3 ผลการทดลองและการสนทนาในการศึกษานี้เป็นอุปกรณ์เซ็นเซอร์ที่ใช้กระดาษได้รับการพัฒนาเป็นวิธีการตรวจสอบอย่างรวดเร็วและเชื่อถือได้สำหรับ OP และยาฆ่าแมลง CM อุปกรณ์ประกอบด้วยเซ็นเซอร์กระดาษก้านและกล้อง CCD สำหรับการวิเคราะห์ในรูปแบบพกพา รูปแบบการทำงานร่วมกันระหว่าง malathion และการยับยั้งที่เฉพาะเจาะจงของการเจ็บถูกนำมาใช้ในการตรวจสอบประสิทธิภาพการทำงานของเซ็นเซอร์เชิงปริมาณ ไบโอเซนเซอร์โมเลกุลยับยั้งเจ็บได้รับการพัฒนาโดยการตรึงเอนไซม์ตั้งต้น (atch) และ chromophore (DTNB; 2 ไนโตร-5-thiobenzoic กรด) ในเมทริกซ์กระดาษผ่านการดูดซับ ปฏิกิริยาทางเคมีที่นำไปสู่การยับยั้งการพัฒนาขึ้นอยู่กับสีที่ได้สรุปไว้ในรูปที่ 2 Acetylcholine ยับยั้ง esterase สามารถวัดโดยวิธีการทดสอบครั้งแรกโดย Ellman และคณะ [19] DTNB เป็นสารเคมีที่ละลายน้ำที่เฉพาะสามารถตอบสนองกับกลุ่ม sulfhydryl ฟรี เจ็บ hydrolyses atch การผลิต thiocholine (TCH) และอะซิเตท จากนั้นกลุ่ม sulfhydryl ฟรี TC

ผลลัพธ์ (ไทย) 3:

แบบพกพากระดาษตามปริมาณของสารกำจัดศัตรูพืชชีวภาพเซ็นเซอร์สำหรับ Murat kavruk 2
, เวลี cengiz Ö zalp 1 , 3 , และ H ü seyin Avni Ö ktem1,2
1nanobiz จำกัด metu technopolis galyum , บล็อก , ชั้น 2 , เลขที่ 18 06800 อังการา , ตุรกี
ภาควิชาชีววิทยานาโนเทคโนโลยี R & D Lab , ตะวันออกกลางมหาวิทยาลัยเทคนิค 06800 อังการา ตุรกีอิสตันบูล kemerburgaz
3school คณะแพทยศาสตร์ มหาวิทยาลัย 34217 อิสตันบูลตุรกี

รับ 14 พฤษภาคม 13 มิถุนายน 2556 2013 ; แก้ไข ; ยอมรับ 1 กรกฎาคม 2013

งานบรรณาธิการ : miren Lopez de ลดา

ลิขสิทธิ์© 2013 Murat kavruk et al . นี่คือการเปิดบทความเผยแพร่ภายใต้สัญญาอนุญาตครีเอทีฟคอมมอนส์แสดงที่มา ซึ่งอนุญาตให้ใช้ไม่จำกัดการกระจายและการสืบพันธุ์ในสื่อใด ๆ ให้ทำงานเดิมถูกอ้าง


บทคัดย่อกระดาษตามกระบวนการที่พัฒนาขึ้นเพื่อใช้ในการตรวจสอบของการสลายตัวของพลาสติกอ าโนฟ ฟอรัสยาฆ่าแมลง โดยไบโอเซนเซอร์ quantifies อะเซทิลโคลีน เอสเทอเรสและการอย่างรวดเร็ว , ผ้าอ้อม , ราคาถูก , และรูปแบบถูกต้อง เรามุ่งเน้นในการใช้น้ำตาล หรือโปรตีน เพื่อให้เกิดกระบวนการโคลงยาวใหญ่โดยไบโอเซนเซอร์ตรวจทดสอบใหม่ด้วยขีดจำกัดของ 2.5   ppm ใน 5  มินระยะเวลา . เสถียรภาพการดำเนินงานได้รับการยืนยันโดยการทดสอบ 60 วันเก็บที่ 4 ° C เมื่อกลูโคสมาใช้เป็นโคลง

1 บทนำ

การตรวจหายาฆ่าแมลงในอาหารและน้ำ ร่องรอยที่สำคัญคือเรื่องความปลอดภัย เนื่องจากทางการเกษตรและการใช้งานของพวกเขาเข้มข้นจากพิษ ยาฆ่าแมลงเช่น ออร์กาโนฟอสเฟต และคาร์บาเมต ( OP ) ( ซม. ) มีผลยับยั้งเอนไซม์โคลีนเอสเตอเรส ซึ่งเป็นเอนไซม์ที่จำเป็นสำหรับการทำงานที่เหมาะสมของระบบประสาทของสัตว์มีกระดูกสันหลังและแมลงการกระทำที่เป็นพิษของปรอท และคาร์บาเมต เกิดจากการยับยั้งกิจกรรมลาสิกขาสู่การสะสมของ acetylcholine ที่เส้นประสาท จึงก่อให้เกิดการกระตุ้นที่มากเกินไป ลักษณะผลชนะขาดลอยรุนแรงในมนุษย์ ได้แก่ ปวดช่องท้อง กล้ามเนื้อสั่น , ความดันเลือดต่ำ , หายใจลำบาก , ท้องร่วง , ชะลอการเต้นของหัวใจ ( หัวใจ )กล้ามเนื้อ fasciculation และอัมพาต [ 1 ] ดังนั้น การพกพา และปริมาณของสารกำจัดศัตรูพืชที่ถูกต้องเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับสุขภาพของประชาชน .

การตรวจหายาฆ่าแมลงหรือสารประสาทได้ผ้าออกมาปฏิบัติการการตั้งค่าที่มีขนาดใหญ่และมีราคาแพงเช่นเครื่องมือแก๊สโครมาโตกราฟีควบคู่กับเมทานอล ( GC-MS ) [ 2 ] สเปรย์เมทานอล [ 3 ]หรือวิธีโครมาโทกราฟีของเหลวสมรรถนะสูง ( HPLC ) [ 4 ] ความพยายามในการวิจัยล่าสุดที่มุ่งเน้นการพัฒนาตามแพลตฟอร์มที่สามารถรวมเข้ากับอุปกรณ์การตรวจสอบโทรศัพท์มือถือ ในส่วนที่ว่า กระดาษที่ดึงดูดความสนใจมากเป็นเมทริกซ์สำหรับการพัฒนาอุปกรณ์วิเคราะห์ต้นทุน [ 5 ] กระดาษที่ราคาไม่แพงมาก ผ้าอ้อม และมีปริมาณสูงถึงอัตราส่วนพื้นผิวกระดาษที่ใช้ไบโอเซนเซอร์มักจะได้อย่างรวดเร็วการตอบสนอง และเครื่องมือต้นทุนต่ำในสุขภาพและงานด้านสิ่งแวดล้อม เอกสารที่ได้จากการสร้างเมทริกซ์กระดาษกับสารชีวโมเลกุล เพื่อเพิ่มฟังก์ชั่นเซ็นเซอร์ หนึ่งในข้อดีที่สำคัญของเซ็นเซอร์กระดาษ สารออกฤทธิ์ทางชีวภาพที่พวกเขาถูกออกแบบมาเพื่อใช้งานได้โดยไม่ต้องอุปกรณ์ที่ทันสมัย [ 6 ]