Export
- Export APA
- Export BibTeX
- Export Ris
Publication: Development Of Electrochemical Sensor
For Medical Analysis
0
2
Issued Date
2020-06-01
Resource Type
Language
eng
File Type
application/pdf
Access Rights
Open Access
Rights
Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International (CC BY-NC-ND 4.0)
Rights Holder(s)
Maejo University
Suggested Citation
Chochanon Moonla, ชชนน มูลหล้า (2020). Development Of Electrochemical Sensor
For Medical Analysis, การพัฒนาเซนเซอร์ทางเคมีไฟฟ้าสำหรับวิเคราะห์ทางด้านการแพทย์. Retrieved from: https://hdl.handle.net/20.500.14839/361
Research Projects
Organizational Units
Journal Issue
Author(s)
Creator(s)
Advisor(s)
Other Contributor(s)
Abstract
Diabetes is one of the most serious chronic illness leading to worldwide public health problems which the number of diabetic patients keep increasing every year. The important way to prevent this situation is to control glucose and cholesterol levels in blood as normal. In this regard, this research focuses on development of electrochemical sensor to determine (1) cholesterol and (2) glucose, ketone and lactate level in biofluid samples that are artificial interstitial fluid and whole blood samples for medical applications in terms of prevention, diagnosis and following up process.
(1) A cholesterol biosensor based on cholesterol oxidase-poly(diallyldimethylammonium chloride)-carbon nanotubes-nickel ferrite nanoparticles (ChOx-PDDA-CNTs-NiFe2O4NPs) solution is easily fabricated using a single dropping step on a glassy carbon electrode (GCE) surface. This technique is an alternative way to reduce complexity, cost and time to produce the biosensor. The uniformly dispersed materials on the electrode surface enhance the catalytic reaction of cholesterol oxidase and electron transfer from the oxidation of hydrogen peroxide in the system. The nickel ferrite nanoparticles were synthesized by co-precipitation and calcination at various temperatures. These nanoparticles were then characterized using field emission scanning electron microscopy (FE-SEM), energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDX), Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), cyclic voltammetry (CV) and X-ray diffraction (XRD). The synthesized material calcined at 700 °C was well defined and presented the metal stretching with cubic NiFe2O4NPs phase. In cyclic voltammetric study, the ChOx-PDDA-CNTs-NiFe2O4NPs/ GCE showed 0.43 s-1 charge transfer rate constant (Ks), 7.79 x 10-6 cm2 s-1 diffusion coefficient value (D), 0.13 mm2 electroactive surface area (Ae) and 3.58 x 10-8 mol cm-2 surface concentration (γ). This modified electrode exhibits stability in term of percent relative standard deviation (%RSD=0.62%, n=10), reproducibility (%RSD=0.81, n=10), high sensitivity (25.76 nA per mg L-1 cm-2), linearity in the range of 1 to 5,000 mg L-1 (R2=0.998) with a low detection limit (0.50 mg L-1). Its Michaelis-Menten constant (Km) was 0.14 mM with 0.92 mA maximum current (Imax) and demonstrated good selectivity without the effects of electroactive species such as ascorbic acid, glucose and uric acid. The cholesterol biosensor was successfully applied to determine cholesterol levels in human blood samples, showing promise due to its simplicity and availability.
(2) The applications of a real-time continuous ketone bodies monitoring (CKM) microneedle platform is first presented which the system is based on the electrochemical monitoring of ᵦ-hydroxybutyrate (HB) as the dominant biomarker of ketone formation. Such real-time HB detection has been realized using the ᵦ-hydroxybutyrate dehydrogenase (HBD) enzymatic reaction and by addressing the major challenges associated with the stable confinement of the enzyme/cofactor couple (HBD/NAD+) and with a stable and selective low potential fouling-free anodic detection of NADH. The resulting CKM microneedle device displays an attractive analytical performance, with 2 linear HB detection ranges (0.2-1 mM and 1-10 mM), high sensitivity with low detection limit of 50 µM, high selectivity in the presence of potential interferences (ascorbic acid, uric acid and acetaminophen), along with good stability (more than 6 hours) during prolonged operation in artificial interstitial fluid. The potential applicability of this microneedle sensor toward minimally invasive monitoring of ketone bodies has been demonstrated in a phantom gel skin-mimicking model. The ability to detect HB along with glucose and lactate on a single microneedle array has been demonstrated. These findings pave the way for CKM and for the simultaneous microneedle-based monitoring of multiple diabetes-related biomarkers toward a tight glycemic control.
โรคเบาหวานถือเป็นหนึ่งในโรคไม่ติดต่อเรื้อรังร้ายแรงที่ส่งผลให้เกิดปัญหาสาธารณสุขทั่วโลกโดยมีจำนวนผู้ป่วยโรคเบาหวานเพิ่มสูงขึ้นอย่างต่อเนื่องทุกปี การป้องกันโรคเบาหวานที่สำคัญ คือ การควบคุมระดับน้ำตาลในเลือด และคอเลสเตอรอลให้อยู่ในระดับปกติ งานวิจัยนี้จึงมุ่งเน้นการพัฒนาเซนเซอร์ทางเคมีไฟฟ้าเพื่อตรวจวัด (1) คอเลสเตอรอล และ (2) กลูโคส คีโตน และแลคเตท ในตัวอย่างของเหลวทางชีวภาพ ได้แก่ ของเหลวในเนื้อเยื่อและตัวอย่างเลือด เพื่อประยุกต์ใช้ทางด้านการแพทย์ ทั้งในส่วนของการป้องกันการเกิดโรค การวินิจฉัยโรค และกระบวนการติดตามอาการของผู้ป่วย (1) คอเลสเตอรอลไบโอเซนเซอร์ปรับปรุงด้วยสารละลายเอนไซม์คอเลสเตอรอลออกซิเดส-พอลิ(ไดแอลลิลไดเมทิลแอมโมเนียม คลอไรด์)-คาร์บอนนาโนทิวบ์-อนุภาคนาโนนิกเกิลเฟอร์ไรต์ถูกสร้างขึ้นอย่างเรียบง่ายด้วยการหยดเพียงขั้นตอนเดียวบนผิวหน้าขั้วไฟฟ้ากลาสสิคาร์บอน เทคนิคนี้ถือเป็นแนวทางเลือกในการลดความซับซ้อน ต้นทุน และเวลาในการผลิตไบโอเซนเซอร์ วัสดุปรับปรุงที่กระจายตัวอย่างสม่ำเสมอบนผิวหน้าขั้วไฟฟ้าส่งเสริมปฏิกิริยาการเร่งของเอนไซม์คอเลสเตอรอลออกซิเดส และการถ่ายโอนอิเล็กตรอนจากปฏิกิริยาออกซิเดชันของไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ในระบบ อนุภาคนาโนนิกเกิลเฟอร์ไรต์ถูกสังเคราะห์ด้วยวิธีตกตะกอนร่วม และการเผาที่อุณหภูมิสูงแตกต่างกัน จากนั้น อนุภาคนาโนเหล่านี้จึงถูกนำมาศึกษาคุณลักษณะเฉพาะด้วยเทคนิคจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราด เทคนิคการกระจายพลังงานของรังสีเอกซ์ เทคนิคฟูเรียร์ทรานฟอร์ม อินฟราเรดสเปกโทรสโคปี เทคนิคไซคลิกโวลแทมเมทรี และเทคนิควิเคราะห์การเลี้ยงเบนของรังสีเอ็กซ์ ซึ่งพบว่าวัสดุสังเคราะห์ที่อุณหภูมิ 700 องศาเซลเซียส มีความชัดเจนสม่ำเสมอ และมีลักษณะการสั่นแบบยืดของอนุภาคนาโนนิกเกิลเฟอร์ไรต์ในเฟสคิวบิค จากการศึกษาด้วยเทคนิคไซคลิกโวลแทมเมทรี ขั้วไฟฟ้ากลาสสิคาร์บอนปรับปรุงด้วยสารละลายคอเลสเตอรอลออกซิเดส-พอลิ(ไดแอลลิลไดเมทิลแอมโมเนียม คลอไรด์)-คาร์บอนนาโนทิวบ์-อนุภาคนาโนนิกเกิลเฟอร์ไรต์ แสดงค่าคงที่อัตราการแลกเปลี่ยนประจุเท่ากับ 0.43 ต่อวินาที ค่าสัมประสิทธิ์การแพร่กระจาย 7.79 x 10-6 ตารางเซนติเมตรต่อวินาที พื้นที่ผิวของการเกิดปฏิกิริยา 0.13 ตารางมิลลิเมตร และความเข้มข้นพื้นผิวปกคลุม 3.58 x 10-8 โมลต่อตารางเซนติเมตร ขั้วไฟฟ้าที่ปรับปรุงขึ้นนี้มีความเสถียรแสดงโดยค่าเปอร์เซ็นต์ค่าเบี่ยงเบนมาตรฐานสัมพัทธ์เท่ากับ 0.62% จากจำนวนการทดลอง 10 ครั้ง ค่าการผลิตซ้ำแสดงโดยค่าเปอร์เซ็นต์ค่าเบี่ยงเบนมาตรฐานสัมพัทธ์เท่ากับ 0.81% จากจำนวนการทดลอง 10 ครั้ง มีสภาพไวสูงเท่ากับ 25.76 นาโนแอมแปร์ต่อมิลลิกรัมต่อลิตรต่อตารางเซนติเมตร มีความเป็นเส้นตรงของความเข้มข้นคอเลสเตอรอลจาก 1 ถึง 50,000 มิลลิกรัมต่อลิตร โดยมีค่าสัมประสิทธิ์สหสัมพันธ์เท่ากับ 0.998 และค่าขีดจำกัดการตรวจวัดต่ำเท่ากับ 0.50 มิลลิกรัมต่อลิตร ค่าคงที่มิเคลิส-เมนเทนมีค่าเท่ากับ 0.14 มิลลิโมลาร์ โดยมีค่ากระแสสูงสุดเท่ากับ 0.92 มิลลิแอมแปร์ นอกจากนี้ขั้วไฟฟ้าที่ถูกปรับปรุงขึ้นมีความเลือกเฉพาะสูงปราศจากผลการรบกวนจากสปีชีส์ที่ตอบสนองต่อไฟฟ้า ได้แก่ กรดแอสคอร์บิก กลูโคส และกรดยูริก คอเลสเตอรอลไบโอเซนเซอร์ประสบความสำเร็จในการนำไปประยุกต์ใช้วิเคราะห์ระดับคอเลสเตอรอลในตัวอย่างเลือด ซึ่งบ่งบอกถึงศักยภาพของไบโอเซนเซอร์ที่พัฒนาขึ้นจากความเรียบง่าย และความพร้อมในการใช้งาน (2) การประยุกต์ใช้เซนเซอร์เข็มขนาดเล็กระดับไมครอนสำหรับตรวจวัดคีโตนบอดีส์อย่างต่อเนื่องแบบเรียลไทม์ (ซีเคเอ็ม) ได้ถูกนำเสนอเป็นครั้งแรก โดยเป็นการตรวจวัดทางเคมีไฟฟ้าของเบต้าไฮดรอกซีบิวทิเรท (เอชบี) ซึ่งเป็นสารบ่งชี้ทางชีวภาพตัวหลักในการเกิดคีโตน โดยถือเป็นการตรวจวัดเอชบีแบบเรียลไทม์ที่คำนึงถึงการใช้ปฏิกิริยาการเร่งของเอนไซม์เบต้าไฮดรอกซีบิวทิเรทดีไฮโดรจีเนส (เอชบีดี) และความท้าทายในการรักษาความเสถียรของเอนไซม์และโคแฟคเตอร์ (เอชบีดี/เอนเอดีพลัส) รวมถึงการตรวจวัดแบบแอโนดิกของเอนเอดีเอชมีความเสถียร และมีความเลือกเฉพาะที่ศักย์ไฟฟ้าต่ำที่ปราศจากการติดขัด อุปกรณ์เซนเซอร์เข็มขนาดเล็กระดับไมครอนซีเคเอ็มมีคุณสมบัติทางด้านการตรวจวัดที่น่าสนใจจากช่วงการตรวจวัดเอชบีที่มีความเป็นเส้นตรง 2 ช่วง (0.2-1 มิลลิโมลาร์ และ 1-10 มิลลิโมลาร์) มีระดับความไวสูง มีขีดจำกัดการตรวจวัดต่ำเท่ากับ 50 ไมโครโมลาร์ มีความเลือกเฉพาะสูงในสภาวะที่มีสารรบกวนที่สำคัญ (กรดแอสคอร์บิก กรดยูริก และอะเซตามิโนเฟน) รวมถึงมีเสถียรภาพที่ดี (มากกว่า 6 ชั่วโมง) ระหว่างการใช้งานในสารน้ำแทรกสังเคราะห์ ความสามารถในการนำไปประยุกต์ใช้ของเซนเซอร์เข็มขนาดเล็กระดับไมครอนที่สำคัญต่อการตรวจวัดคีโตนบอดีส์ที่รุกล้ำเข้าสู่ร่างการเพียงเล็กน้อยนี้ถูกนำมาทดสอบความสามารถในการตรวจวัดด้วยแบบจำลองผิวหนังด้วยเจล นอกจากนี้ ความสามารถในการตรวจวัดเอชบีร่วมกับกลูโคส และแลคเตทด้วยเซนเซอร์เข็มขนาดเล็กระดับไมครอนถูกนำมาทดสอบเช่นเดียวกัน การค้นพบเหล่านี้ถือเป็นการนำเสนอแนวทางสำหรับการตรวจวัดแบบซีเคเอ็มด้วยการตรวจวัดสารวิเคราะห์ที่สนใจมากกว่าหนึ่งชนิดพร้อมกันโดยใช้เซนเซอร์เข็มขนาดเล็กระดับไมครอนที่เกี่ยวข้องกับสารบ่งชี้ทางชีวภาพของโรคเบาหวานในการควบคุมระดับน้ำตาลให้ลดลงสู่ระดับปกติ
โรคเบาหวานถือเป็นหนึ่งในโรคไม่ติดต่อเรื้อรังร้ายแรงที่ส่งผลให้เกิดปัญหาสาธารณสุขทั่วโลกโดยมีจำนวนผู้ป่วยโรคเบาหวานเพิ่มสูงขึ้นอย่างต่อเนื่องทุกปี การป้องกันโรคเบาหวานที่สำคัญ คือ การควบคุมระดับน้ำตาลในเลือด และคอเลสเตอรอลให้อยู่ในระดับปกติ งานวิจัยนี้จึงมุ่งเน้นการพัฒนาเซนเซอร์ทางเคมีไฟฟ้าเพื่อตรวจวัด (1) คอเลสเตอรอล และ (2) กลูโคส คีโตน และแลคเตท ในตัวอย่างของเหลวทางชีวภาพ ได้แก่ ของเหลวในเนื้อเยื่อและตัวอย่างเลือด เพื่อประยุกต์ใช้ทางด้านการแพทย์ ทั้งในส่วนของการป้องกันการเกิดโรค การวินิจฉัยโรค และกระบวนการติดตามอาการของผู้ป่วย (1) คอเลสเตอรอลไบโอเซนเซอร์ปรับปรุงด้วยสารละลายเอนไซม์คอเลสเตอรอลออกซิเดส-พอลิ(ไดแอลลิลไดเมทิลแอมโมเนียม คลอไรด์)-คาร์บอนนาโนทิวบ์-อนุภาคนาโนนิกเกิลเฟอร์ไรต์ถูกสร้างขึ้นอย่างเรียบง่ายด้วยการหยดเพียงขั้นตอนเดียวบนผิวหน้าขั้วไฟฟ้ากลาสสิคาร์บอน เทคนิคนี้ถือเป็นแนวทางเลือกในการลดความซับซ้อน ต้นทุน และเวลาในการผลิตไบโอเซนเซอร์ วัสดุปรับปรุงที่กระจายตัวอย่างสม่ำเสมอบนผิวหน้าขั้วไฟฟ้าส่งเสริมปฏิกิริยาการเร่งของเอนไซม์คอเลสเตอรอลออกซิเดส และการถ่ายโอนอิเล็กตรอนจากปฏิกิริยาออกซิเดชันของไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ในระบบ อนุภาคนาโนนิกเกิลเฟอร์ไรต์ถูกสังเคราะห์ด้วยวิธีตกตะกอนร่วม และการเผาที่อุณหภูมิสูงแตกต่างกัน จากนั้น อนุภาคนาโนเหล่านี้จึงถูกนำมาศึกษาคุณลักษณะเฉพาะด้วยเทคนิคจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราด เทคนิคการกระจายพลังงานของรังสีเอกซ์ เทคนิคฟูเรียร์ทรานฟอร์ม อินฟราเรดสเปกโทรสโคปี เทคนิคไซคลิกโวลแทมเมทรี และเทคนิควิเคราะห์การเลี้ยงเบนของรังสีเอ็กซ์ ซึ่งพบว่าวัสดุสังเคราะห์ที่อุณหภูมิ 700 องศาเซลเซียส มีความชัดเจนสม่ำเสมอ และมีลักษณะการสั่นแบบยืดของอนุภาคนาโนนิกเกิลเฟอร์ไรต์ในเฟสคิวบิค จากการศึกษาด้วยเทคนิคไซคลิกโวลแทมเมทรี ขั้วไฟฟ้ากลาสสิคาร์บอนปรับปรุงด้วยสารละลายคอเลสเตอรอลออกซิเดส-พอลิ(ไดแอลลิลไดเมทิลแอมโมเนียม คลอไรด์)-คาร์บอนนาโนทิวบ์-อนุภาคนาโนนิกเกิลเฟอร์ไรต์ แสดงค่าคงที่อัตราการแลกเปลี่ยนประจุเท่ากับ 0.43 ต่อวินาที ค่าสัมประสิทธิ์การแพร่กระจาย 7.79 x 10-6 ตารางเซนติเมตรต่อวินาที พื้นที่ผิวของการเกิดปฏิกิริยา 0.13 ตารางมิลลิเมตร และความเข้มข้นพื้นผิวปกคลุม 3.58 x 10-8 โมลต่อตารางเซนติเมตร ขั้วไฟฟ้าที่ปรับปรุงขึ้นนี้มีความเสถียรแสดงโดยค่าเปอร์เซ็นต์ค่าเบี่ยงเบนมาตรฐานสัมพัทธ์เท่ากับ 0.62% จากจำนวนการทดลอง 10 ครั้ง ค่าการผลิตซ้ำแสดงโดยค่าเปอร์เซ็นต์ค่าเบี่ยงเบนมาตรฐานสัมพัทธ์เท่ากับ 0.81% จากจำนวนการทดลอง 10 ครั้ง มีสภาพไวสูงเท่ากับ 25.76 นาโนแอมแปร์ต่อมิลลิกรัมต่อลิตรต่อตารางเซนติเมตร มีความเป็นเส้นตรงของความเข้มข้นคอเลสเตอรอลจาก 1 ถึง 50,000 มิลลิกรัมต่อลิตร โดยมีค่าสัมประสิทธิ์สหสัมพันธ์เท่ากับ 0.998 และค่าขีดจำกัดการตรวจวัดต่ำเท่ากับ 0.50 มิลลิกรัมต่อลิตร ค่าคงที่มิเคลิส-เมนเทนมีค่าเท่ากับ 0.14 มิลลิโมลาร์ โดยมีค่ากระแสสูงสุดเท่ากับ 0.92 มิลลิแอมแปร์ นอกจากนี้ขั้วไฟฟ้าที่ถูกปรับปรุงขึ้นมีความเลือกเฉพาะสูงปราศจากผลการรบกวนจากสปีชีส์ที่ตอบสนองต่อไฟฟ้า ได้แก่ กรดแอสคอร์บิก กลูโคส และกรดยูริก คอเลสเตอรอลไบโอเซนเซอร์ประสบความสำเร็จในการนำไปประยุกต์ใช้วิเคราะห์ระดับคอเลสเตอรอลในตัวอย่างเลือด ซึ่งบ่งบอกถึงศักยภาพของไบโอเซนเซอร์ที่พัฒนาขึ้นจากความเรียบง่าย และความพร้อมในการใช้งาน (2) การประยุกต์ใช้เซนเซอร์เข็มขนาดเล็กระดับไมครอนสำหรับตรวจวัดคีโตนบอดีส์อย่างต่อเนื่องแบบเรียลไทม์ (ซีเคเอ็ม) ได้ถูกนำเสนอเป็นครั้งแรก โดยเป็นการตรวจวัดทางเคมีไฟฟ้าของเบต้าไฮดรอกซีบิวทิเรท (เอชบี) ซึ่งเป็นสารบ่งชี้ทางชีวภาพตัวหลักในการเกิดคีโตน โดยถือเป็นการตรวจวัดเอชบีแบบเรียลไทม์ที่คำนึงถึงการใช้ปฏิกิริยาการเร่งของเอนไซม์เบต้าไฮดรอกซีบิวทิเรทดีไฮโดรจีเนส (เอชบีดี) และความท้าทายในการรักษาความเสถียรของเอนไซม์และโคแฟคเตอร์ (เอชบีดี/เอนเอดีพลัส) รวมถึงการตรวจวัดแบบแอโนดิกของเอนเอดีเอชมีความเสถียร และมีความเลือกเฉพาะที่ศักย์ไฟฟ้าต่ำที่ปราศจากการติดขัด อุปกรณ์เซนเซอร์เข็มขนาดเล็กระดับไมครอนซีเคเอ็มมีคุณสมบัติทางด้านการตรวจวัดที่น่าสนใจจากช่วงการตรวจวัดเอชบีที่มีความเป็นเส้นตรง 2 ช่วง (0.2-1 มิลลิโมลาร์ และ 1-10 มิลลิโมลาร์) มีระดับความไวสูง มีขีดจำกัดการตรวจวัดต่ำเท่ากับ 50 ไมโครโมลาร์ มีความเลือกเฉพาะสูงในสภาวะที่มีสารรบกวนที่สำคัญ (กรดแอสคอร์บิก กรดยูริก และอะเซตามิโนเฟน) รวมถึงมีเสถียรภาพที่ดี (มากกว่า 6 ชั่วโมง) ระหว่างการใช้งานในสารน้ำแทรกสังเคราะห์ ความสามารถในการนำไปประยุกต์ใช้ของเซนเซอร์เข็มขนาดเล็กระดับไมครอนที่สำคัญต่อการตรวจวัดคีโตนบอดีส์ที่รุกล้ำเข้าสู่ร่างการเพียงเล็กน้อยนี้ถูกนำมาทดสอบความสามารถในการตรวจวัดด้วยแบบจำลองผิวหนังด้วยเจล นอกจากนี้ ความสามารถในการตรวจวัดเอชบีร่วมกับกลูโคส และแลคเตทด้วยเซนเซอร์เข็มขนาดเล็กระดับไมครอนถูกนำมาทดสอบเช่นเดียวกัน การค้นพบเหล่านี้ถือเป็นการนำเสนอแนวทางสำหรับการตรวจวัดแบบซีเคเอ็มด้วยการตรวจวัดสารวิเคราะห์ที่สนใจมากกว่าหนึ่งชนิดพร้อมกันโดยใช้เซนเซอร์เข็มขนาดเล็กระดับไมครอนที่เกี่ยวข้องกับสารบ่งชี้ทางชีวภาพของโรคเบาหวานในการควบคุมระดับน้ำตาลให้ลดลงสู่ระดับปกติ
Description
Doctor of Philosophy (Doctor of Philosophy (Applied Chemistry))
ปรัชญาดุษฎีบัณฑิต (ปรัชญาดุษฎีบัณฑิต (เคมีประยุกต์))
ปรัชญาดุษฎีบัณฑิต (ปรัชญาดุษฎีบัณฑิต (เคมีประยุกต์))
Degree Name
Doctor of Philosophy
ปรัชญาดุษฎีบัณฑิต
ปรัชญาดุษฎีบัณฑิต
Degree Discipline
Applied Chemistry
เคมีประยุกต์
เคมีประยุกต์
Degree Grantor(s)
มหาวิทยาลัยแม่โจ้