Биосенсоры: основы и приложения - Тёрнер Э.
Скачать (прямая ссылка):
концентрация слишком мала, чтобы мешать определению уксусной кислоты.
Для сравнения концентрацию'уксусной кислоты в бродильной среде для
производства глутаминовой кислоты определяли описанным микробным сенсором
и методом газовой хроматографии. Наблюдается хорошее согласие
результатов, полученных двумя методами: коэффициент корреляции равен 1,04
для 26 опытов. Выходной сигнал сенсора (0,29-0,25 мкА) был постоянен (с
точностью до +10% от исходного значения) более трех недель, при этом было
выполнено 1500 измерений. Теперь этот микробный сенсор выпускается в
Японии серийно.
2.5. Сенсор спиртов
В бродильных производствах необходимо непрерывно определять концентрации
метанола и этанола в культуральных средах. При использовании спиртов в
качестве источника углерода для культивируемых микроорганизмов
концентрация спиртов должна поддерживаться на оптимальном уровне, чтобы
избежать ингибирования субстратом. Как известно, спирты утилизируются
многими микроорганизмами, следовательно, такие микроорганизмы можно
использовать для конструирования спиртового сенсора [5].
Этанольный сенсор включает иммобилизованные Trichosporon brassicae и
кислородный электрод. Способ иммобилизации клеток и конструкция электрода
такие же, как в глюкозном сенсоре.
Для измерений этим сенсором в стационарных условиях требуется много
времени, поэтому был использован импульсный метод, обеспечивающий отклик
в течение всего 6 мин. Линейная зависимость между уменьшением тока и
концентрацией этанола наблюдается в диапазоне концентраций от 2 до 22,5
мг/л. Для пробы с концентрацией этанола 16,5 мг/л разностный токовый
сигнал воспроизводим с относительной
Сенсоры на основе микроорганизмов
25
погрешностью 6%. Стандартное отклонение составило 0,5 мг/л при числе
опытов, равном 40.
Сенсор не проявляет чувствительности ни к летучим соединениям, таким, как
метанол, муравьиная, уксусная и пропионовая кислоты, ни к нелетучим
веществам типа углеводов, аминокислот и ионов (табл. 2.1). Через
покрывающую сенсор газо-
Таблица 2.1. Отклик микробного электродного сенсора с иммобилизованными
Trichosporon brassicae на различные соединения
Состав пробы Содержание, % * Уменьшение тока, мкА
Этанол 3- 10_3 0,13
Метанол 3- !0_3 0
Уксусная кислота 0,01 0
Муравьиная кислота 0,01 0
Пропионовая кислота ** 0,01 0
Глюкоза 1 0
Сахароза 1 0
кн2ро4 5 0
* Исходная концентрация; в проточной ячейке пробу разбавляли в 2,8
раза. ** pH > 6.
проницаемую мембрану, естественно, могут проникать только летучие
соединения. Таким образом, избирательность микробного сенсора к этанолу
оказалась удовлетворительной.
Микробный этанольный сенсор использовали в дрожжевых бродильных средах.
Определение концентрации этанола в тех же пробах методом газовой
хроматографии дало результаты, сравнимые с полученными при помощи
микробного сенсора: коэффициент корреляции составил 0,98 при числе опытов
более 20. В диапазоне концентраций этанола 5,5-22,3 мг/л выходной ток
сенсора оставался постоянным более трех недель, в течение которых было
проведено 2100 анализов. Сейчас этот сенсор выпускается в Японии серийно.
В метанольном сенсоре, имеющем такое же устройство, как этанольный,
использовали неидентифицированные бактерии AJ3993. Уменьшение тока
линейно зависит от концентрации метанола до 25 мг/л.
2.6. Сенсор муравьиной кислоты
Муравьиная кислота является обычным промежуточным продуктом клеточного
метаболизма. Она найдена в культуральных средах, моче, крови, желудочных
соках, будучи также продуктом многих химических реакций. Селективный
спектрофотометрический ферментативный анализ с использованием
формиатдегидрогеназы, ма-латдегидрогеназы и тетрагидрофолиевокислой
синтез азы непригоден для непрерывного мониторинга.
С помощью некоторых анаэробных бактерий типа Escherichia coli,
Citrobacter freundii и Rhodospirillum rubrum можно получить из муравьиной
кислоты водород. При этом протекают следующие суммарные реакции:
Муравьиная кислота-* ферредоксин + С02
восстановленный
26
Г.гава 2
нсоон-pH 3,1
НСОСГ
Пористая тефлоновая мембрана (проницаемая для газов и летучих кислот)
СО г
Ciirobader
freundii
Но
Pt анод
Тесрлоновая мембрана (газопроницаемая)
Рис. 2.6. Принцип действия микробного сенсора.
г идрогсназа
Ферредоксин----------------ферредоксин + Н2
восстановленный окисленный
формиатдегидрогеназа
Муравьиная кислота--------------------------цитохром с + С02
восст ановленный
гидрогеназа
Цитохром с ----------------цитохром с + Н2
восстановленный окисленный
Таким образом, для определения муравьиной кислоты можно использовать,
например, С. freundii и электрод типа используемого в топливном элементе.
Принцип работы этого сенсора иллюстрирует рис. 2.6. Такой сенсор,
состоящий из иммобилизованных клеток С. freundii, двух газопроницаемых
тефлоновых мембран и электрода от топливного элемента, описан в работе
[17]. Получена линейная зависимость между стационарным током и
концентрацией муравьиной кислоты в диапазоне от 10 до 1000 мг/л. При
