Биосенсоры: основы и приложения - Тёрнер Э.
Скачать (прямая ссылка):
Наконец, время отклика амперометрических биосенсоров хотя и зависит от
различных химических и физических факторов, но обычно невелико и
находится в пределах 30-600 с.
16.1. Биотоп л ивиые элементы
Биологические топливные элементы представляют собой устройства, в которых
реакции на одном или обоих электродах реализуются биокаталитически при
умеренных температурах и давлениях. Разнообразие метаболизма
микроорганизмов позволяет использовать широкий круг топлив, включая
многие промышленные отходы. При этом в элемент могут быть включены либо
целые микроорганизмы ([4], гл. 17), либо ферментные препараты [17, 22]. В
зависимости от способа взаимодействия биологического катализатора с
электродом биотопливные элементы обычно делят на два типа:
1) элементы, в которых топливо, например водород, генерируют
биологически в отдельной камере, а затем подают в электродное отделение
для последующего электрохимического окисления; 2) элементы, в которых
непрерывное поступление электронов обеспечивается прямым взаимодействием
биокатализатора с электродом, причем этот процесс часто облегчается при
использовании медиатора. Последний должен быть способен к быстрому
обратимому переносу электрона и иметь окислительно-восстановительный
потенциал, близкий к потенциалу биологического катализатора, от которого
он переносит электроны к электроду. От медиатора требуется также, чтобы
он не мог служить субстратом для катализатора, был нетоксичен и химически
устойчив длительное время как при хранении, так и в работе. Биотопливные
элементы второго, т. е. медиаторного, типа и рассматриваются в этом
разделе.
Биотопливные элементы обычно состоят из двух инертных электродов из
золота, платины или углерода, погруженных в буферный раствор. Перед
использованием электроды очищают ультразвуковой обработкой в буферном
растворе или циклической вольтамперометрической обработкой в серной
кислоте (500 мМ) в диапазоне потенциалов от -0,26 до +1,3 В (относительно
н. к. э.) до тех пор, пока не будут наблюдаться отчетливые пики окисления
водорода и восстановления кислорода [24]. Электроды разделены
ионообменной мембраной; анодное отделение продувают воздухом (или
кислородом), катодное-азотом (рис. 16.1). Мембрана позволяет
пространственно разделить реакции, протекающие в электродных отделениях
элемента, и в то же время обеспечивает обмен протонами между ними.
Подходящие для биосенсоров мембраны разных типов выпускаются в
Великобритании многими фирмами (BDH, Ltd, DuPont (UK) Ltd.).
Биотопливный элемент более эффективен, если азот предварительно
пропустить через газоочистное устройство Nilox (выпускается фирмой
Jencons Scientific Ltd, Великобритания) и затем через воду. Это снижает
мешающее влияние кислорода и потери раствора вследствие испарения.
Введение глюкозы в биотопливный элемент, содержащий глюкозооксидазу и
растворимый медиатор, например N,N,N',N'-TeTpa-метил-и-фенилендиамин TMPD
(табл. 16.1), при 20 °С приводит к возникновению потока электронов от
фермента к аноду через медиатор. По внешней цепи электроны идут к катоду,
где в идеальных условиях в присутствии протонов и кислорода образуется
вода (рис. 16.2). Результирующий ток, измеряемый по падению напряжения на
калиброванном сопротивлении, пропорционален добавке скоростьопределяющего
компонента, пока не достигнуто насыщение. Измеряя стационарные токи,
можно быстро (в пределах 5 с) определять даже малые концентрации глюкозы-
до 0,1 мМ
15*
228
Г.шва 16
Z
Рис. 16.1. Биотопливный элемент в разобранном виде. Корпус элемента
выполнен из плексигласа, анодное и катодное отделения (35 х 16 х 15 мм и
35 х 15 х 11 мм соответственно) разделены ионообменной мембраной.
Устройство ячейки описано в тексте (см. также табл. 16.1). 1- катод из
платиновой сетки; 2 -катодное отделение, продуваемое воздухом или
кислородом; 3- ионообменная мембрана; 4-мешалка; 5-анодное отделение,
продуваемое азотом; 6-анод из платиновой сетки.
Таблица 16.1. Компоненты биотопливного элемента на основе глюкозооксидазы
с медиатором М,М,М',М'-тетраметил-я-фенилендиамином (TMPD)
Анодное отделение Катодное отделение
Ацетатный буферный раствор (50 мМ, pH 4,5)
Хлорид натрия (150 мМ)
Медиатор (TMPD) (8,0 мМ)
Глюкозооксидаза (8,0 мг)
Общий объем 4,2 мл Pt электрод (50 меш)
1,6 х 4,8 см
Продувается азотом, очищенным от кислорода, перемешивается магнитной
мешалкой
Ацетатный буферный раствор (50 мМ, pH 4,5)
Хлорид натрия (150 мМ)
Общий объем 3,5 мл Pt электрод (50 меш)
1,6 х 4,8 см и Продувается воздухом
(рис. 16.3). Для определения более низких концентраций измеряют прошедший
через систему заряд, интегрируя площадь под кривой в координатах ток-
время.
Как сенсор описанный биотопливный элемент имеет определенные ограничения,
связанные с присутствием самоокисляемого медиатора (впрочем,
самоокисление можно свести к минимуму, используя нерастворимый медиатор
[17]), требованиям к кислородному катоду и особенно мембране. Последняя
