Published September 10, 2019 | Version v1
Publication Open

Sensing by wireless reading Ag/AgCl redox conversion on RFID tag: universal, battery-less biosensor design

Creators

  • 1. Malmö University
  • 2. Chulalongkorn University
  • 3. University of Tehran

Description

Abstract Massive integration of biosensors into design of Internet-of-Things (IoT) is vital for progress of healthcare. However, the integration of biosensors is challenging due to limited availability of battery-less biosensor designs. In this work, a combination of nanomaterials for wireless sensing of biological redox reactions is described. The design exploits silver nanoparticles (AgNPs) as part of the RFID tag antenna. We demonstrate that a redox enzyme, particularly, horseradish peroxidase (HRP), can convert AgNPs into AgCl in the presence of its substrate, hydrogen peroxide. This strongly changes the impedance of the tag. The presented example exploits gold nanoparticle (AuNP)-assisted electron transfer (ET) between AgNPs and HRP. We show that AuNP is a vital intermediate for establishing rapid ET between the enzyme and AgNPs. As an example, battery-less biosensor-RFID tag designs for H 2 O 2 and glucose are demonstrated. Similar battery-less sensors can be constructed to sense redox reactions catalysed by other oxidoreductase enzymes, their combinations, bacteria or other biological and even non-biological catalysts. In this work, a fast and general route for converting a high number of redox reaction based sensors into battery-less sensor-RFID tags is described.

⚠️ This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%

Translated Description (Arabic)

يعد الدمج الهائل لأجهزة الاستشعار الحيوية في تصميم إنترنت الأشياء (IoT) أمرًا حيويًا لتقدم الرعاية الصحية. ومع ذلك، فإن دمج المستشعرات الحيوية يمثل تحديًا بسبب محدودية توافر تصاميم المستشعرات الحيوية بدون بطارية. في هذا العمل، يتم وصف مزيج من المواد النانوية للاستشعار اللاسلكي لتفاعلات الأكسدة البيولوجية. يستغل التصميم الجسيمات النانوية الفضية (AgNPs) كجزء من هوائي بطاقة RFID. نثبت أن إنزيم الاختزال، ولا سيما بيروكسيديز الفجل (HRP)، يمكن أن يحول AgNPs إلى AgCl في وجود ركائزه، بيروكسيد الهيدروجين. هذا يغير بقوة معاوقة العلامة. يستغل المثال المقدم نقل الإلكترون بمساعدة الجسيمات النانوية الذهبية (AuNP) (ET) بين AgNPs و HRP. نظهر أن AuNP هو وسيط حيوي لإنشاء ET سريع بين الإنزيم و AgNPs. على سبيل المثال، يتم عرض تصاميم علامات المستشعر الحيوي - RFID بدون بطارية لـ H 2 O 2 والجلوكوز. يمكن إنشاء مستشعرات مماثلة بدون بطارية لاستشعار تفاعلات الأكسدة التي تحفزها إنزيمات الأكسدة المختزلة الأخرى أو مجموعاتها أو البكتيريا أو غيرها من المحفزات البيولوجية وحتى غير البيولوجية. في هذا العمل، يتم وصف مسار سريع وعام لتحويل عدد كبير من المستشعرات القائمة على تفاعل الأكسدة إلى علامات RFID لمستشعر بدون بطارية.

Translated Description (French)

Résumé L'intégration massive des biocapteurs dans la conception de l'Internet des objets (IoT) est vitale pour le progrès des soins de santé. Cependant, l'intégration des biocapteurs est difficile en raison de la disponibilité limitée de conceptions de biocapteurs sans batterie. Dans ce travail, une combinaison de nanomatériaux pour la détection sans fil de réactions redox biologiques est décrite. La conception exploite les nanoparticules d'argent (AgNP) dans le cadre de l'antenne RFID tag. Nous démontrons qu'une enzyme redox, en particulier la peroxydase de raifort (HRP), peut convertir les AgNP en AgCl en présence de son substrat, le peroxyde d'hydrogène. Cela modifie fortement l'impédance de l'étiquette. L'exemple présenté exploite le transfert d'électrons (ET) assisté par des nanoparticules d'or (AuNP) entre les AgNP et les HRP. Nous montrons que l'AuNP est un intermédiaire vital pour établir une ET rapide entre l'enzyme et les AgNP. À titre d'exemple, des conceptions d'étiquettes de biocapteur-RFID sans batterie pour H 2 O 2 et le glucose sont démontrées. Des capteurs similaires sans batterie peuvent être construits pour détecter les réactions redox catalysées par d'autres enzymes oxydoréductases, leurs combinaisons, des bactéries ou d'autres catalyseurs biologiques et même non biologiques. Dans ce travail, une voie rapide et générale pour convertir un grand nombre de capteurs basés sur la réaction redox en étiquettes capteur-RFID sans batterie est décrite.

Translated Description (Spanish)

Resumen La integración masiva de biosensores en el diseño de Internet de las cosas (IoT) es vital para el progreso de la atención médica. Sin embargo, la integración de los biosensores es un desafío debido a la disponibilidad limitada de diseños de biosensores sin batería. En este trabajo, se describe una combinación de nanomateriales para la detección inalámbrica de reacciones redox biológicas. El diseño aprovecha las nanopartículas de plata (AgNP) como parte de la antena de la etiqueta RFID. Demostramos que una enzima redox, en particular, la peroxidasa de rábano picante (HRP), puede convertir los AgNP en AgCl en presencia de su sustrato, el peróxido de hidrógeno. Esto cambia fuertemente la impedancia de la etiqueta. El ejemplo presentado explota la transferencia de electrones (ET)asistida por nanopartículas de oro (AuNP) entre AgNP y HRP. Mostramos que AuNP es un intermedio vital para establecer una ET rápida entre la enzima y los AgNP. Como ejemplo, se demuestran diseños de etiquetas de biosensor-RFID sin batería para H 2 O 2 y glucosa. Se pueden construir sensores similares sin batería para detectar reacciones redox catalizadas por otras enzimas oxidorreductasas, sus combinaciones, bacterias u otros catalizadores biológicos e incluso no biológicos. En este trabajo, se describe una ruta rápida y general para convertir un gran número de sensores basados en reacción redox en etiquetas RFID con sensor sin batería.

Files

s41598-019-49245-3.pdf.pdf

Files (1.5 MB)

⚠️ Please wait a few minutes before your translated files are ready ⚠️ Note: Some files might be protected thus translations might not work.
Name Size Download all
md5:e1c395ffb0e01cfd7a09b213f73ac185
1.5 MB
Preview Download

Additional details

Additional titles

Translated title (Arabic)
الاستشعار عن طريق القراءة اللاسلكية Ag/AgCl تحويل الأكسدة على علامة RFID: تصميم مستشعر حيوي عالمي بدون بطارية
Translated title (French)
Détection par lecture sans fil de la conversion redox Ag/AgCl sur l'étiquette RFID : conception universelle de biocapteur sans batterie
Translated title (Spanish)
Detección por lectura inalámbrica de conversión redox Ag/AgCl en etiqueta RFID: diseño de biosensor universal sin batería

Identifiers

Other
https://openalex.org/W2972940729
DOI
10.1038/s41598-019-49245-3

Is supplement to
https://openalex.org/W2791377131 (Other)
https://openalex.org/W2351125458 (Other)
https://openalex.org/W2105919887 (Other)
https://openalex.org/W2064406394 (Other)
https://openalex.org/W2062221185 (Other)
https://openalex.org/W2035481543 (Other)
https://openalex.org/W1989389161 (Other)
https://openalex.org/W1975997521 (Other)
https://openalex.org/W1974241785 (Other)
https://openalex.org/W1964867741 (Other)

GreSIS Basics Section

Is Global South Knowledge
Yes
Country
Thailand

References

  • https://openalex.org/W1480588916
  • https://openalex.org/W1956580501
  • https://openalex.org/W1966162026
  • https://openalex.org/W1975200901
  • https://openalex.org/W1979868790
  • https://openalex.org/W1990614706
  • https://openalex.org/W1996094747
  • https://openalex.org/W1998064253
  • https://openalex.org/W1998093075
  • https://openalex.org/W2011922821
  • https://openalex.org/W2037589276
  • https://openalex.org/W2043324182
  • https://openalex.org/W2052507172
  • https://openalex.org/W2052543964
  • https://openalex.org/W2058457363
  • https://openalex.org/W2062144566
  • https://openalex.org/W2072162719
  • https://openalex.org/W2072641976
  • https://openalex.org/W2076263143
  • https://openalex.org/W2141723860
  • https://openalex.org/W2144392056
  • https://openalex.org/W2169180377
  • https://openalex.org/W2170589179
  • https://openalex.org/W2789531064