Urease immobilization on biotinylated polypyrrole coated ChemFEC devices for urea biosensor development

In this report, we describe a novel strategy for the design of a clinical urea biosensor using a process based on assembled multilayer systems. Biotinylated enzyme (urease–subiotin) was immobilized on the biotinylated polypyrrole coated Chemical field effect capacitance (ChemFEC) devices using the high avidin–biotin affinity. The immobilized enzyme activity was checked by its catalytic conversion of urea into carbon dioxide and ammonia. Electrochemical response of the bridge system constructed on Si/SiO2/Si3N4 electrodes to urea addition was evaluated using the capacity–potential measurements. In addition, contact-angle measurements were carried out to control the change of surface energy and their components before and after each layer formation. The developed urea biosensor demonstrates high performances: a good sensitivity of 50 mV/pUrea in the linear urea concentration range from 10−4 to 10−1 M and an excellent operational stability after three weeks of continuous use. The immobilized urease was characterised through its apparent Michaelis–Menten constant (5 mM) and the activation energy of the enzymatic reaction (20 kJ mol−1). It was also shown that capacitive measurements can be used to quantify the interaction between molecular systems, based on avidin and biotin molecules.

RésuméDans cet article, nous décrivons une nouvelle stratégie pour la conception d’un biocapteur clinique pour la détection de l’urée, basée sur un système de multicouches assemblées. L’enzyme biotinylée (biotine–uréase) est immobilisée sur des dispositifs Chemical Field Effect Capacitance (ChemFEC), recouverts d’un film de polypyrrole biotinylé, en utilisant la forte affinité avidine–biotine. L’activité de l’enzyme immobilisée a été contrôlée par la conversion catalytique de l’urée en dioxyde de carbone et en ammoniaque. La réponse électrochimique du système multicouche, construit sur des électrodes Si/SiO2/Si3N4 à l’addition, d’urée a été évaluée grâce à des mesures capacité–potentiel. De plus, des mesures d’angle de contact ont été menées pour contrôler le changement de l’énergie de surface et de ses composantes avant et après la formation de chaque couche. Le biocapteur d’urée développé présente de très bonnes performances : une bonne sensibilité de 50mV/pUrée, dans une gamme linéaire de concentration de 10–4 à 10–1M et une excellente stabilité opérationnelle après trois semaines d’utilisation continue. L’uréase immobilisée a été caractérisée par sa constante apparente de Michaelis-Menten (5mM) et l’énergie d’activation de la réaction enzymatique (20kJ mol–1). Il a également été montré que les mesures capacitives peuvent être utilisées pour quantifier l’interaction entre les systèmes moléculaires basés sur les molécules avidine et biotine.