Šio darbo tikslas buvo sukurti metodiką, kuri užtikrintų efektyvų skaičiavimų tinklų panaudojimą kompiuteriniams modeliams, nagrinėjantiems biokatalizės procesus. Išnagrinėjus skaičiavimų tinklų panaudojimo galimybes biokatalizės procesams tirti, buvo pateikta skaičiavimų tinklų panaudojimo metodika, kurią galima įgyvendinti nepriklausomai nuo konkretaus skaičiavimų tinklo. Metodika buvo įgyvendinta skaičiavimų tinkle BalticGrid ir taikant šią metodiką atliktas biojutikliuose vykstančio biokatalizės proceso tyrimas. Biojutiklio veikimas aprašomas matematiniu modeliu, kuris bendruoju atveju yra nagrinėjamas naudojant kompiuterinį modelį. Biojutiklių veikimo kompiuteriniai modeliai dažnai yra parametrizuojami ir daugeliu atvejų yra sprendžiamas tas pats uždavinys, tik su skirtingais parametrų rinkiniais. Šiam modeliavimo procesui atlikti tikslinga naudoti skaičiavimų tinklus. Darbe pateikiama metodika buvo pritaikyta atliekant chemiškai modifikuoto biojutiklio kvazistacionariojo ir detaliojo modelių palyginimas. Sukurtos metodikos tyrimo metu nustatyta, kad ši metodika gali būti efektyviai taikoma nagrinėjant biokatalizės procesus. Nustatytas metodikos taikymo efektyvumas konkrečiame skaičiavimų tinkle bei pateiktos rekomendacijos kaip efektyviai taikyti šią metodiką. / The purpose of this master thesis was to develop a methodology, which would assure an efficient way to use computing grids for computer models modeling biocatalytic processes. After researching possibilities to use computing grids for modeling of such processes, a methodology was presented, which can be used independently of grid middleware. Methodology was implemented on BalticGrid. By applying this methodology biocatalytic processes in biosensors were investigated. Operation of biosensor is described with mathematical model, which in general case is solved with computer model. Computer models of biosensors are commonly parameterized, and in most cases same problem is being solved only with different set of parameters. Such processes can be solved by using computational grids. Methodology presented in this paper was used to compare quasi steady state and detailed models of chemically modified biosensors. After examining methodology presented in this paper it was proved that this methodology can be used efficiently to research biocatalytic processes. Effectiveness of applying this methodology in concrete computational grid was estimated and suggestions were presented how to apply this methodology in an efficient way.

The main purpose of this work is study of electrochemical hydrogen peroxide and ascorbate reactions on electrodes modified by Prussian blue (PB), with the aim to apply these electrodes in creation of sensors and biosensors. For this purpose, a detailed study of electrochemical reduction of hydrogen peroxide, as well as of oxidation of ascorbate at Prussian blue modified rotating disk electrode. In view of the results obtained, a mechanism for hydrogen peroxide reduction at PB modified electrode has been proposed. In accordance with this mechanism, electron transfer appears to be rate-limiting step. The kinetics of decomposition of PB modified electrode in the course of a cathodic reduction of hydrogen peroxide has been studied, and the influence of different factors to this process has been determined. Prototypes of sensors and biosensors, for different analytes have been elaborated and tested. / Darbo tikslas yra elektrocheminių vandenilio peroksido ir askorbato reakcijų tyrimas ant Berlyno mėlynuoju (BM) modifikuotų elektrodų, siekiant pritaikyti šiuos elektrodus jutiklių ir biojutiklių kūrimui. Ištirta vandenilio peroksido redukciją ir askorbato oksidaciją naudojant sukamojo disko elektrodą. Gauti rezultatai galimai įrodo stadijinį vandenilio peroksido katodinės redukcijos mechanizmą vykstantį ant BM modifikuoto elektrodo. Detaliai ištirta BM sluoksnio irimo kinetika vandenilio peroksido elektroredukcijos metu, ir nustatyti faktoriai, įtakojantys irimo proceso greitį. Sukurti jutiklių ir biojutiklių prototipai, kurie galėtų būti panaudoti biologiškai aktyvių medžiagų (vandenilio peroksido, askorbato, gliukozės) nustatymui.

Darbo tikslas yra elektrocheminių vandenilio peroksido ir askorbato reakcijų tyrimas ant Berlyno mėlynuoju (BM) modifikuotų elektrodų, siekiant pritaikyti šiuos elektrodus jutiklių ir biojutiklių kūrimui. Ištirta vandenilio peroksido redukciją ir askorbato oksidaciją naudojant sukamojo disko elektrodą. Gauti rezultatai galimai įrodo stadijinį vandenilio peroksido katodinės redukcijos mechanizmą vykstantį ant BM modifikuoto elektrodo. Detaliai ištirta BM sluoksnio irimo kinetika vandenilio peroksido elektroredukcijos metu, ir nustatyti faktoriai, įtakojantys irimo proceso greitį. Sukurti jutiklių ir biojutiklių prototipai, kurie galėtų būti panaudoti biologiškai aktyvių medžiagų (vandenilio peroksido, askorbato, gliukozės) nustatymui. / The main purpose of this work is study of electrochemical hydrogen peroxide and ascorbate reactions on electrodes modified by Prussian blue (PB), with the aim to apply these electrodes in creation of sensors and biosensors. For this purpose, a detailed study of electrochemical reduction of hydrogen peroxide, as well as of oxidation of ascorbate at Prussian blue modified rotating disk electrode. In view of the results obtained, a mechanism for hydrogen peroxide reduction at PB modified electrode has been proposed. In accordance with this mechanism, electron transfer appears to be rate-limiting step. The kinetics of decomposition of PB modified electrode in the course of a cathodic reduction of hydrogen peroxide has been studied, and the influence of different factors to this process has been determined. Prototypes of sensors and biosensors, for different analytes have been elaborated and tested.

Biojutikliai yra įrenginiai, skirti medžiagoms aptikti bei jų koncentracijoms matuoti. Siekiant sumažinti biojutiklių gamybos kaštus yra pasitelkiamas matematinis biojutikliuose vykstančių procesų modeliavimas. Disertacijoje nagrinėjami matematiniai ir kompiuteriniai biojutiklių modeliai, aprašantys biojutiklių, sudarytų iš kelių, skirtingas savybes turinčių dalių, veikimą. Nagrinėjami modeliai yra formuluojami vienmatėje bei dvimatėje erdvėse, aprašomi diferencialinėmis lygtimis dalinėmis išvestinėmis su netiesiniais nariais ir yra sprendžiami skaitiškai, naudojant baigtinių skirtumų metodą. Skaitiniai modeliai yra įgyvendinami kompiuterine programa. Disertacijoje pateikiamas originalus matematinis modelis biojutikliui su anglies nanovamzdelių elektrodu, nustatyti kriterijai, apibrėžiantys, kada biojutiklį su perforuota membrana galima modeliuoti vienmačiu modeliu. Darbe susisteminti elementai, naudojami biojutiklių modelių formulavimui, pagrindinį dėmesį skiriant biojutiklio struktūrinėms savybėms modeliuoti. Apibrėžta biojutiklių modelių aprašo kalba ir sukurta programinė įranga, leidžianti modeliuoti biojutiklių veikimą vienmačiais modeliais arba modeliais, formuluojamais stačiakampėje dvimatės erdvės srityje. Taikant sukurtą biojutiklių modeliavimo programinę įrangą, ištirtas biojutiklio su anglies nanovamzdelių elektrodu modelio adekvatumas ir struktūrinių bei geometrinių savybių įtaka biojutiklio elgsenai. / Biosensors are analytical devices mainly used to detect analytes and measure their concentrations. Mathematical modeling is widely used for optimizing and analyzing an operation of biosensors for reducing price of development of new biosensors. The object of this research is mathematical and computer models, describing an operation of biosensors, made of several parts with different properties. The dissertation covers models, formulated in one and two-dimensional spaces by partial differential equations with non-linear members, and solved numerically, using the method of finite differences. The numerical models are implemented by a computer program. An original mathematical model for a biosensor with a carbon nanotube electrode is presented in the dissertation. The conditions at which the one-dimensional mathematical model can be used instead of two-dimensional one for accurate prediction of the biosensor response are investigated. Elements, used to build models of biosensors with a complex structure, were systemized. The biosensor description language is proposed and the computer software, simulating an operation of biosensors in the one-dimensional space and a rectangular domain of the two-dimensional space, is developed. An adequateness of the model for the biosensor with the carbon nanotube electrode and the impact of structural and geometrical properties on a response of the biosensor were investigated, performing computer experiments using the developed software.

Biosensors are analytical devices mainly used to detect analytes and measure their concentrations. Mathematical modeling is widely used for optimizing and analyzing an operation of biosensors for reducing price of development of new biosensors. The object of this research is mathematical and computer models, describing an operation of biosensors, made of several parts with different properties. The dissertation covers models, formulated in one and two-dimensional spaces by partial differential equations with non-linear members, and solved numerically, using the method of finite differences. The numerical models are implemented by a computer program. An original mathematical model for a biosensor with a carbon nanotube electrode is presented in the dissertation. The conditions at which the one-dimensional mathematical model can be used instead of two-dimensional one for accurate prediction of the biosensor response are investigated. Elements, used to build models of biosensors with a complex structure, were systemized. The biosensor description language is proposed and the computer software, simulating an operation of biosensors in the one-dimensional space and a rectangular domain of the two-dimensional space, is developed. An adequateness of the model for the biosensor with the carbon nanotube electrode and the impact of structural and geometrical properties on a response of the biosensor were investigated, performing computer experiments using the developed software. / Biojutikliai yra įrenginiai, skirti medžiagoms aptikti bei jų koncentracijoms matuoti. Siekiant sumažinti biojutiklių gamybos kaštus yra pasitelkiamas matematinis biojutikliuose vykstančių procesų modeliavimas. Disertacijoje nagrinėjami matematiniai ir kompiuteriniai biojutiklių modeliai, aprašantys biojutiklių, sudarytų iš kelių, skirtingas savybes turinčių dalių, veikimą. Nagrinėjami modeliai yra formuluojami vienmatėje bei dvimatėje erdvėse, aprašomi diferencialinėmis lygtimis dalinėmis išvestinėmis su netiesiniais nariais ir yra sprendžiami skaitiškai, naudojant baigtinių skirtumų metodą. Skaitiniai modeliai yra įgyvendinami kompiuterine programa. Disertacijoje pateikiamas originalus matematinis modelis biojutikliui su anglies nanovamzdelių elektrodu, nustatyti kriterijai, apibrėžiantys, kada biojutiklį su perforuota membrana galima modeliuoti vienmačiu modeliu. Darbe susisteminti elementai, naudojami biojutiklių modelių formulavimui, pagrindinį dėmesį skiriant biojutiklio struktūrinėms savybėms modeliuoti. Apibrėžta biojutiklių modelių aprašo kalba ir sukurta programinė įranga, leidžianti modeliuoti biojutiklių veikimą vienmačiais modeliais arba modeliais, formuluojamais stačiakampėje dvimatės erdvės srityje. Taikant sukurtą biojutiklių modeliavimo programinę įrangą, ištirtas biojutiklio su anglies nanovamzdelių elektrodu modelio adekvatumas ir struktūrinių bei geometrinių savybių įtaka biojutiklio elgsenai.

Darbo tikslas buvo ištirti nuo pirolo chinolinchinono (PQQ) priklausomų oksidoreduktazių veikimą homogeninėje ir heterogeninėje aplinkose ir jų pagrindu sukurti naujas bioelektrokatalizines sistemas. Tuo tikslu buvo kurtos impedimetrinės ir bioamperometrinės sistemos su nuo PQQ priklausomomis alkoholio (tADH ir mADH), gliukozės (GDH) ir fruktozės (FDH)dehidrogenazėmis naujų elektrodinių medžiagų pagrindu, parenkant optimalų fermento imobilizavimo būdą ir elektronų pernašos (EP) mediatorius. Fermentai ir sistemos tirtos klasikinės elektrochemijos, impedanso spektroskopijos, spektrofotometrijos, atominės jėgos mikroskopijos metodais. Nustatytos tADH ir mADH pKa reikšmės ir EP keliai, pagrindinės bioelektrocheminių sistemų charakteristikos, įvertinta heterogeninės aplinkos įtaka fermentų specifiškumui. Sukurtas imobilizavimo būdas leidžiantis išlaikyti GDH aktyvumą iki 9-ių mėnesių. Pirmą kartą parodyta, jog fermentai gali tiesiogiai re-oksiduotis ant poli - N - (N, N‘- dietil ditiokarbamoil etil amidoetil) – anilino ir grafito produktų. Nustatyta, jog 2-(3-nitro(fenil)amino)- cikloheksa-2,5-dien-1,4-dionas iki 10 kartų pagreitina FDH katalizuojamą fruktozės oksidaciją. Pirmą kartą parodyta, kad bioamperometrinės sistemos su FDH gali oksiduoti D(-)tagatozę. Tyrimų rezultatai pritaikyti kuriant alkoholių, angliavandenių ir anglies monoksido stebėjimo sistemas. / The aim of this work was to study the action of pyrroloquinoline quinone (PQQ) dependent oxidoreductases in homogeneous and heterogeneous ambiences and to create new bioelectrocatalytic systems based on these enzymes. Bioelectrochemical systems with PQQ dependent alcohol (sADH and mADH), glucose (GDH) and fructose (FDH) dehydrogenases were constructed by using new electrode materials, enzyme immobilization techniques and electron transfer (ET) mediators. Enzymes and systems were studied by different electrochemical methods and atomic force microscopy. pKa values and ET pathways in bioelectrochemical systems were determined for sADH and mADH. The main characteristics of systems and influence of heterogeneous ambience to the specificity of the enzymes were determined. The GDH immobilization method, which ensures enzyme activity up to 9 months, was created. The direct ET from reduced enzymes active sites to poly(N-(N’,N’-diethyldithiocarbamoylethylamidoethyl)aniline) and graphite oxidation products was revealed for the first time. It was observed that 2-(3-nitro(phenyl)amino)- ciclohexa-2,5-dien-1,4-dione is the most effective mediator for FDH. The ability of bioamperometric systems with FDH to oxidize D(-)tagatose was determined for the first time. It was shown, that bioamperometric systems based on PQQ dependent enzymes can be applied for detection of alcohols, carbohydrates and carbon monoxide.

Darbo tikslas buvo ištirti nuo pirolo chinolinchinono (PQQ) priklausomų oksidoreduktazių veikimą homogeninėje ir heterogeninėje aplinkose ir jų pagrindu sukurti naujas bioelektrokatalizines sistemas. Tuo tikslu buvo kurtos impedimetrinės ir bioamperometrinės sistemos su nuo PQQ priklausomomis alkoholio (tADH ir mADH), gliukozės (GDH) ir fruktozės (FDH)dehidrogenazėmis naujų elektrodinių medžiagų pagrindu, parenkant optimalų fermento imobilizavimo būdą ir elektronų pernašos (EP) mediatorius. Fermentai ir sistemos tirtos klasikinės elektrochemijos, impedanso spektroskopijos, spektrofotometrijos, atominės jėgos mikroskopijos metodais. Nustatytos tADH ir mADH pKa reikšmės ir EP keliai, pagrindinės bioelektrocheminių sistemų charakteristikos, įvertinta heterogeninės aplinkos įtaka fermentų specifiškumui. Sukurtas imobilizavimo būdas leidžiantis išlaikyti GDH aktyvumą iki 9-ių mėnesių. Pirmą kartą parodyta, jog fermentai gali tiesiogiai re-oksiduotis ant poli - N - (N, N‘- dietil ditiokarbamoil etil amidoetil) – anilino ir grafito produktų. Nustatyta, jog 2-(3-nitro(fenil)amino)- cikloheksa-2,5-dien-1,4-dionas iki 10 kartų pagreitina FDH katalizuojamą fruktozės oksidaciją. Pirmą kartą parodyta, kad bioamperometrinės sistemos su FDH gali oksiduoti D(-)tagatozę. Tyrimų rezultatai pritaikyti kuriant alkoholių, angliavandenių ir anglies monoksido stebėjimo sistemas. / The aim of this work was to study the action of pyrroloquinoline quinone (PQQ) dependent oxidoreductases in homogeneous and heterogeneous ambiences and to create new bioelectrocatalytic systems based on these enzymes. Bioelectrochemical systems with PQQ dependent alcohol (sADH and mADH), glucose (GDH) and fructose (FDH) dehydrogenases were constructed by using new electrode materials, enzyme immobilization techniques and electron transfer (ET) mediators. Enzymes and systems were studied by different electrochemical methods and atomic force microscopy. pKa values and ET pathways in bioelectrochemical systems were determined for sADH and mADH. The main characteristics of systems and influence of heterogeneous ambience to the specificity of the enzymes were determined. The GDH immobilization method, which ensures enzyme activity up to 9 months, was created. The direct ET from reduced enzymes active sites to poly(N-(N’,N’-diethyldithiocarbamoylethylamidoethyl)aniline) and graphite oxidation products was revealed for the first time. It was observed that 2-(3-nitro(phenyl)amino)- ciclohexa-2,5-dien-1,4-dione is the most effective mediator for FDH. The ability of bioamperometric systems with FDH to oxidize D(-)tagatose was determined for the first time. It was shown, that bioamperometric systems based on PQQ dependent enzymes can be applied for detection of alcohols, carbohydrates and carbon monoxide.