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.

Daktaro disertacijoje apibendrintų mokslinių tyrimų tikslas - pritaikyti aukso nanodaleles, skirtingas gliukozės oksidazes bei elektrai laidų polimerą polipirolą elektrodo modifikavimui bei gliukozės amperometriniam nustatymui biologiniais jutikliais. Aukso nanodalelės (AuND) imobilizuotos grafito elektrodo paviršiuje kartu su tirpiu elektronų pernašos tarpininku užtikrina efektyvesnę elektronų pernašą nuo gliukozės oksidazės (GOx) aktyvaus centro elektrodui fermentinės gliukozės oksidacijos metu. Naudojant AuND modifikuotus elektrodus amperometriniais biologiniais jutikliais registruojami apie 2 kartus didesni maksimalūs analiziniai signalai lyginant su elektrodu be AuND. Biologinių jutiklių tiesinės priklausomybės nuo substrato koncentracijos intervalas yra iki 10 mmol/L gliukozės ir aptikimo riba 0,08 mmol/L analitės. Po 66 dienų biologiniu jutikliu naudojančiu elektrodą modifikuotą GOx užregistruotas analizinis signalas sudarė 43 % pradinės signalo reikšmės, tuo tarpu naudojant 13,0 nm AuND ir GOx jutiklio analizinis signalas sudarė tik 22 % pradinės reikšmės. AuND esančios tiriamajame tirpale užtikrina efektyvesnę elektronų pernašą nuo gliukozės oksidazės aktyviojo centro elektrodui, kai jų koncentracija yra nuo 0,01 iki 0,60 nmol/L ir tirpale yra N-metilfenazino metosulfato. Naudojant 13,0 nm skersmens AuND, biologinio jutiklio aptikimo riba yra 0,05 mmol/L gliukozės, o tiesiškumo intervalas nuo 0,1 iki 10 mmol/L substrato. Taip pat nustatyta, kad kuo didesnė AuND... [toliau žr. visą tekstą] / The amperometric and voltammetric biosensors, based on gold nanoparticles, were designed and applied for biochemical, clinical and environment applications. Electrochemical biosensors are very selective, sensitive, fast and reusable. Gold, silver, platinum and SiO2 particles in the range 1–100 nm often provide an ideal remedy for immobilized enzymes with minimum diffusion limitations, promotion of electrochemical reaction, maximum surface area per mass unit and high effective achievement of enzymes direct wiring to electrode surface. Also, nanoparticles increase electron transfer rate between enzyme and an electrode surface. The aim of the work was to to apply different size nanoparticles, different glucose oxidases and electroconductive polymer polypyrrole for graphite electrode modification and determine the analytical characteristics of enzymatic biosensors for determination of glucose. It is established, that gold nanoparticles immobilized on graphite electrode with electron transfer mediator provide more effective electron transfer from glucose oxidase to electrode. Also, gold nanoparticles present in solution provide more effective electron transfer from enzyme to electrode when concentration of gold nanoparticles is ˂ 0.06 nmol/L and concentration of electron transfer mediator PMS is 2 mmol/L. The higher concentrations of nanoparticles in the solution make the electron transfer in the same system less efficient if compared with lower concentrations of nanoparticles... [to full text]

Daktaro disertacijoje apibendrintų mokslinių tyrimų tikslas - pritaikyti aukso nanodaleles, skirtingas gliukozės oksidazes bei elektrai laidų polimerą polipirolą elektrodo modifikavimui bei gliukozės amperometriniam nustatymui biologiniais jutikliais. Aukso nanodalelės (AuND) imobilizuotos grafito elektrodo paviršiuje kartu su tirpiu elektronų pernašos tarpininku užtikrina efektyvesnę elektronų pernašą nuo gliukozės oksidazės (GOx) aktyvaus centro elektrodui fermentinės gliukozės oksidacijos metu. Naudojant AuND modifikuotus elektrodus amperometriniais biologiniais jutikliais registruojami apie 2 kartus didesni maksimalūs analiziniai signalai lyginant su elektrodu be AuND. Biologinių jutiklių tiesinės priklausomybės nuo substrato koncentracijos intervalas yra iki 10 mmol/L gliukozės ir aptikimo riba 0,08 mmol/L analitės. Po 66 dienų biologiniu jutikliu naudojančiu elektrodą modifikuotą GOx užregistruotas analizinis signalas sudarė 43 % pradinės signalo reikšmės, tuo tarpu naudojant 13,0 nm AuND ir GOx jutiklio analizinis signalas sudarė tik 22 % pradinės reikšmės. AuND esančios tiriamajame tirpale užtikrina efektyvesnę elektronų pernašą nuo gliukozės oksidazės aktyviojo centro elektrodui, kai jų koncentracija yra nuo 0,01 iki 0,60 nmol/L ir tirpale yra N-metilfenazino metosulfato. Naudojant 13,0 nm skersmens AuND, biologinio jutiklio aptikimo riba yra 0,05 mmol/L gliukozės, o tiesiškumo intervalas nuo 0,1 iki 10 mmol/L substrato. Taip pat nustatyta, kad kuo didesnė AuND... [toliau žr. visą tekstą] / The amperometric and voltammetric biosensors, based on gold nanoparticles, were designed and applied for biochemical, clinical and environment applications. Electrochemical biosensors are very selective, sensitive, fast and reusable. Gold, silver, platinum and SiO2 particles in the range 1–100 nm often provide an ideal remedy for immobilized enzymes with minimum diffusion limitations, promotion of electrochemical reaction, maximum surface area per mass unit and high effective achievement of enzymes direct wiring to electrode surface. Also, nanoparticles increase electron transfer rate between enzyme and an electrode surface. The aim of the work was to to apply different size nanoparticles, different glucose oxidases and electroconductive polymer polypyrrole for graphite electrode modification and determine the analytical characteristics of enzymatic biosensors for determination of glucose. It is established, that gold nanoparticles immobilized on graphite electrode with electron transfer mediator provide more effective electron transfer from glucose oxidase to electrode. Also, gold nanoparticles present in solution provide more effective electron transfer from enzyme to electrode when concentration of gold nanoparticles is ˂ 0.06 nmol/L and concentration of electron transfer mediator PMS is 2 mmol/L. The higher concentrations of nanoparticles in the solution make the electron transfer in the same system less efficient if compared with lower concentrations of nanoparticles... [to full text]

The objectives of the doctoral thesis are following: (i) to design carbohydrate/oxygen enzymatic biofuel cells (EBFCs); (ii) to determine the factors limiting the performance of EBFCs; (iii) to characterise the bioelectrochemical properties of the enzymes adsorbed at conductive nanostructures and evaluate the viscoelasticity of these nanostructures. In this work 5-amino-1,10-phenanthroline (5AP) has been found to be the best redox mediator for glucose oxidase (GOx) enzyme among five studied phenanthroline derivatives with different functional groups. Later the 5AP cross-linked with GOx enzyme on a graphite rod electrode (GRE) was employed as an anode while GRE with co-immobilised horseradish peroxidase (HRP) and GOx was exploited as a cathode in order to design a glucose powered EBFC. A positively charged bi-functional thiol, N-(6-mercapto)hexylpyridinium (MHP), was exploited to electrostatically attach the cellobiose dehydrogenase (CDH) enzymes from Corynascus thermophilus (CtCDH) and Humicola insolens (HiCDH) to the gold nanoparticle (AuNP) surface. This coupling enabled a sufficient direct electron transfer between the enzymes and the AuNP-modified gold surface. Therefore, the HiCDH enzyme, showing better performance characteristics, was employed as an anodic biocatalyst in the designing of a mediatorless carbohydrate (glucose or lactose)/oxygen EBFC. The biocathode of the EBFC was based on bilirubin oxidase from Myrothecium verrucaria directly immobilised on the surface... [to full text] / Disertacinio darbo tikslai: (i) sukonstruoti fermentinius angliavandenių/deguonies biokuro elementus (FBKE); (ii) nustatyti FBKE veikimą ribojančius faktorius; (iii) apibūdinti fermentų, adsorbuotų laidžiose nanostruktūrose, bioelektrokatalizines charakteristikas ir įvertinti šių nanostruktūrų viskoelastines savybes. 5-amino-1,10-fenantrolino (5AF) junginys, iš penkių šiame darbe tirtų fenantrolinų junginių besiskiriančių funkcinėmis grupėmis, įvertintas kaip geriausias elektronų pernašos (EP) tarpininkas gliukozės oksidazės (GO) katalizuojamoje heterogeninėje reakcijoje. 5AF junginys kartu su GO fermentu (5AF/GO) buvo panaudotas anodinio elektrodo konstrukcijoje, o atitinkamai bifermentinė krienų peroksidazės (KP) ir GO sistema (KP/GO) – katodinio elektrodo konstrukcijoje. Šie elektrodai panaudoti gliukozės FBKE kūrimui. Teigiamą krūvį turintis bifunkcinis tiolinis N-(6-merkapto)heksilopiridinio (MHP) junginys panaudotas fermentų imobilizacijai aukso nanodalelių (AuND) paviršiuje elektrostatinės sąveikos būdu. AuND paviršiuje imobilizuoti celiobiozės dehidrogenazės (CDH) fermentai, išskirti iš Corynascus thermophilus (CtCDH) ir Humicola insolens (HiCDH) kamienų, sudarė fermentas-AuND sąsają įgalinančią tiesioginę EP. HiCDH fermentas kaip biokatalizatorius pritaikytas anodinio elektrodo konstrukcijoje AuND/MHP/HiCDH kuriant tiesiogine EP paremtus angliavandenių (gliukozės, laktozės)/deguonies FBKE. Bilirubino oksidazė (BO), tiesiogiai imobilizuota AuND paviršiuje (AuND/BO)... [toliau žr. visą tekstą]

Disertacinio darbo tikslai: (i) sukonstruoti fermentinius angliavandenių/deguonies biokuro elementus (FBKE); (ii) nustatyti FBKE veikimą ribojančius veiksnius; (iii) apibūdinti fermentų, adsorbuotų laidžiose nanostruktūrose, bioelektrokatalizines charakteristikas ir įvertinti šių nanostruktūrų viskoelastines savybes. 5-amino-1,10-fenantrolino (5AF) junginys, iš penkių šiame darbe tirtų fenantrolinų junginių besiskiriančių funkcinėmis grupėmis, įvertintas kaip geriausias elektronų pernašos (EP) tarpininkas gliukozės oksidazės (GO) katalizuojamoje heterogeninėje reakcijoje. 5AF junginys kartu su GO fermentu (5AF/GO) buvo panaudotas anodinio elektrodo konstrukcijoje, o atitinkamai bifermentinė krienų peroksidazės (KP) ir GO sistema (KP/GO) – katodinio elektrodo konstrukcijoje. Šie elektrodai panaudoti gliukozės FBKE kūrimui. Teigiamą krūvį turintis bifunkcinis tiolinis N-(6-merkapto)heksilopiridinio (MHP) junginys panaudotas fermentų imobilizacijai aukso nanodalelių (AuND) paviršiuje elektrostatinės sąveikos būdu. AuND paviršiuje imobilizuoti celiobiozės dehidrogenazės (CDH) fermentai, išskirti iš Corynascus thermophilus (CtCDH) ir Humicola insolens (HiCDH) kamienų, sudarė fermentas-AuND sąsają įgalinančią tiesioginę EP. HiCDH fermentas kaip biokatalizatorius pritaikytas anodinio elektrodo konstrukcijoje AuND/MHP/HiCDH kuriant tiesiogine EP paremtus angliavandenių (gliukozės, laktozės)/deguonies FBKE. Bilirubino oksidazė (BO, tiesiogiai imobilizuota AuND paviršiuje (AuND/BO)... [toliau žr. visą tekstą] / The objectives of the doctoral thesis are following: (i) to design carbohydrate/oxygen enzymatic biofuel cells (EBFCs); (ii) to determine the factors limiting the performance of EBFCs; (iii) to characterise the bioelectrochemical properties of the enzymes adsorbed at conductive nanostructures and evaluate the viscoelasticity of these nanostructures. In this work 5-amino-1,10-phenanthroline (5AP) has been found to be the best redox mediator for glucose oxidase (GOx) enzyme among five studied phenanthroline derivatives with different functional groups. Later the 5AP cross-linked with GOx enzyme on a graphite rod electrode (GRE) was employed as an anode while GRE with co-immobilised horseradish peroxidase (HRP) and GOx was exploited as a cathode in order to design a glucose powered EBFC. A positively charged bi-functional thiol, N-(6-mercapto)hexylpyridinium (MHP), was exploited to electrostatically attach the cellobiose dehydrogenase (CDH) enzymes from Corynascus thermophilus (CtCDH) and Humicola insolens (HiCDH) to the gold nanoparticle (AuNP) surface. This coupling enabled a sufficient direct electron transfer between the enzymes and the AuNP-modified gold surface. Therefore, the HiCDH enzyme, showing better performance characteristics, was employed as an anodic biocatalyst in the designing of a mediatorless carbohydrate (glucose or lactose)/oxygen EBFC. The biocathode of the EBFC was based on bilirubin oxidase from Myrothecium verrucaria directly immobilised on the surface... [to full text]