Parameter Study and Optimization of an Amperometric Biosensor for Pyruvate Determination Using Mathematical Modeling

Скорочена інформація про документ
dc.contributor.authorKarpenko, Yuriy V.
dc.contributor.authorSoldatkin, Oleksandr O.
dc.contributor.authorJaffrezic-Renault, Nicole
dc.date.accessioned2026-02-10T08:51:42Z
dc.date.available2026-02-10T08:51:42Z
dc.date.issued2025
dc.description.abstractBackground. Pyruvate serves as an important diagnostic marker of mitochondrial dysfunctions, lactic acidosis, and certain oncological diseases. Traditional methods for pyruvate analysis have a number of significant limitations: they require complex equipment, are labor-intensive, involve time-consuming sample preparation. Therefore, the development of new, sensitive, and selective methods for determining pyruvate concentration is a highly relevant task. Objective. The aim of this work was to develop a procedure for the determination and optimization of the parameters of a mathematical model of an amperometric biosensor based on immobilized pyruvate oxidase, employing mathematical modeling of diffusion–reaction processes. Methods. The biosensor was fabricated using a photopolymer matrix. The analytical characteristics of the biosensor were investigated experimentally. Reaction–diffusion mathematical model was developed to analyze the sensitivity of the biosensor to the substrate (pyruvate) with respect to system parameters. Optimization of these parameters was performed using the gradient descent method. Results. The study demonstrated that the pyruvate oxidase-based biosensor exhibited a stable amperometric response to pyruvate. Model analysis revealed a significant influence of the substrate diffusion coefficient and the thickness of the bioselective membrane on the biosensor’s sensitivity to pyruvate. The responses of the biosensors showed high signal reproducibility. The theoretically calculated response curves of the biosensor were in good agreement with the experimental data. Conclusions. The biosensor is characterized by high sensitivity and reproducibility in pyruvate determination. Mathematical modeling enabled rational optimization of the biosensor parameters. The influence of all parameters on the biosensor sensitivity decreased in the following order: from the most influential enzymatic reaction rate constant (k), to the substrate diffusion coefficient (DS), to the membrane thickness (L), whereas the effect of the product diffusion coefficient (DP) was found to be minimal.
dc.description.abstractotherВступ. Піруват є важливим діагностичним маркером мітохондріальних дисфункцій, лактат-ацидозу та деяких онкологічних захворювань. Традиційні методи аналізу пірувату мають низку суттєвих обмежень: потребують складної апаратури, є трудомісткими, займають значний час підготовки проб. Тому розробка нових, чутливих та селективних методів визначення концентрації пірувату є актуальною задачею. Мета. Метою роботи було розробити процедуру визначення і оптимізації параметрів математичної моделі амперометричного біосенсора на основі іммобілізованої піруватоксидази із застосуванням математичного моделювання дифузійно-реакційних процесів. Методи. Біосенсор виготовляли з використанням фотополімерної матриці. Аналітичні характеристики біосенсора досліджували експериментально. Розроблено реакційно-дифузійну математичну модель для аналізу чутливості біосенсора до субстрату (пірувату) відносно параметрів системи. Оптимізація цих параметрів здійснювалася методом градієнтного спуску. Результати. В роботі було показано, що біосенсор на основі піруват оксидази демонстрував стабільний амперометричний відгук на піруват. Аналіз моделі показав суттєвий вплив коефіцієнту дифузії субстрату та товщини біоселективної мембрани на чутливість біосенсора до пірувату. Відгуки чотирьох біосенсорів відзначались високою відтворюваністю сигналів. Теоретичні, розраховані криві сигналів біосенсора добре узгоджувалися з експериментальними даними. Висновки. Біосенсор характеризується високою чутливістю та відтворюваністю при визначенні пірувату. Математичне моделювання дозволило здійснити раціональну оптимізацію параметрів даного біосенсора. Визначений вплив усіх параметрів на чутливість біосенсора спадає у такому порядку: від найбільш впливової константи швидкості ферментативної реакції (k), до коефіцієнта дифузії субстрату (DS) до товщини мембрани (L), тоді як вплив коефіцієнта дифузії продукту (DP) взагалі був мінімальним.
dc.format.pagerangeP. 46-56
dc.identifier.citationKarpenko, Y. V. Parameter Study and Optimization of an Amperometric Biosensor for Pyruvate Determination Using Mathematical Modeling / Y. V. Karpenko, O. O. Soldatkin, N. Jaffrezic-Renault // Innovative Biosystems and Bioengineering : international scientific journal. – 2025. – Vol. 9, No. 4. – P. 46-56. – Bibliogr.: 16 ref.
dc.identifier.doihttps://doi.org/10.20535/ibb.2025.9.4.347608
dc.identifier.orcid0000-0001-9619-8012
dc.identifier.orcid0000-0003-2362-5487
dc.identifier.orcid0000-0003-1354-9273
dc.identifier.urihttps://ela.kpi.ua/handle/123456789/78713
dc.language.isoen
dc.publisherIgor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute
dc.publisher.placeKyiv
dc.relation.ispartofInnovative Biosystems and Bioengineering: international scientific e-journal, Vol. 9, No. 4
dc.rights.urihttps://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
dc.subjectpyruvate
dc.subjectamperometric biosensor
dc.subjectpyruvate oxidase
dc.subjectreaction-diffusion model
dc.subjectoptimization
dc.subjectпіруват
dc.subjectамперометричний біосенсор
dc.subjectпіруватоксидаза
dc.subjectреакційно-дифузійна модель
dc.subjectоптимізація
dc.titleParameter Study and Optimization of an Amperometric Biosensor for Pyruvate Determination Using Mathematical Modeling
dc.title.alternativeДослідження параметрів та оптимізація амперометричного біосенсора для визначення пірувату за допомогою математичного моделювання
dc.typeArticle

Файли

Контейнер файлів
Зараз показуємо 1 - 1 з 1
Ескіз
Назва:
46-56.pdf
Розмір:
1.13 MB
Формат:
Adobe Portable Document Format
Завантажити
Ліцензійна угода
Зараз показуємо 1 - 1 з 1
Ескіз недоступний
Назва:
license.txt
Розмір:
8.98 KB
Формат:
Item-specific license agreed upon to submission
Опис:
Завантажити

Зібрання

Innovative Biosystems and Bioengineering: international scientific e-journal, Vol. 9, No. 4