Биосенсоры: основы и приложения - Тёрнер Э.
Скачать (прямая ссылка):
(Visidex) for determination of glucose in whole blood. Clinical
Chemistry, 29, 438-46 (1983).
29. Sih cr I. A. An ultramicro glucose electrode. In Ion and electrode in
biology and medicine (eds. M. Kessler, L. C. Clark, D. Lubbers, I. A.
Silver, W. Simon), pp. 189-92. Urban and Schwarzenberg, Munich, Berlin,
1976.
30. Smith H. R. Vacuum deposition techniques, methods of aluminium
evaporation. Metal Finishing Sept., 42-47 (1976).
31. Thai A.C., Yeo P.P.B. Stable blood glucose test strips and
reflectance meters. Singapore Medical Journal, 24, 45-7 (1983).
32. Turner A. P. F., Aston W.J., Higgins I.J., Davis G., HillH.A.O.
Applied aspects of bioelectrochemistry: Fuel cells, sensors and
bioorganic synthesis. Biotechnology bioengineering Symposium, 12, 401-12
(1980).
33. Turner A. P. F., Bell J.M., Colby J., Davis G., HillH.A.O. Carbon
monoxide: Acceptor oxidore-ductase from Pseudomonas thermocarboxydvorans
strain C2 and its use in a carbon monoxide sensor. Anal. Chim. Acta, 163,
161-74 (1984).
34. Walter B. Dry reagent chemistry in clinical chemistry. Anal. Chem.,
55, 499a-514a (1983).
Глава 17
Редбкс-медиаторные электрохимические процессы с участием цельных
микроорганизмов: от топливных элементов к биосенсорам
X. П. Бенетто, Дж. Бокс, Дж. М. Деланей, Дж. Р. Мейсон, С. Д. Роллер, Дж.
Л. Стирлинг, К. Ф. Тэрстон
17Л. Введение
17.1.1. Сенсоры с "прямым" и "косвенным" использованием
микроорганизмов
До недавнего времени цельные микроорганизмы использовали лишь в
биосенсорах "косвенного" действия, в которых их биокаталитические
свойства сочетались с простыми и хорошо известными чувствительными
элементами, такими как рН-электрод (в случае индуцируемого субстратом
образования кислых или щелочных продуктов) или обычный кислородный
электрод (при субстрат-зависимом дыхании). Общее представление о
применении этих приборов дают написанная Карубе глава 2 настоящей книги и
обзоры [2, 23, 36]. Особое внимание, в частности, уделяется возможностям
их использования в клиническом анализе биологических жидкостей, для
контроля за ферментационными системами, в токсикологических исследованиях
и для определения антибиотиков [17, 21, 32, 47].
В данной главе мы рассматриваем иной подход, основанный на недавних
исследованиях микробных топливных элементов, в которых микроорганизмы
"непосредственно" дают электрический сигнал. Биохимический топливный
элемент, содержащий клетки или клеточные компоненты, давно привлекает
внимание как источник "альтернативной энергии" (из биологических топлив)
[2, 4], а в последнее время и как возможный путь синтеза соединений,
представляющих коммерческий интерес [51]. В 60-х и 70-х годах интенсивно
изучались различные типы биотопливных элементов, что стимулировалось
финансируемыми НАСА исследовательскими программами, целью которых было
создание вспомогательных источников энергии. Однако в большинстве этих
приборов энергия получалась за счет электрохимического окисления
вторичных продуктов метаболизма, таких как формиат или водород, и
эффективность их была довольно низкой. Тем не менее выделение водорода
Clostridium butyricum остроумно использовали в первых микробных сенсорах
- топливных элементах для определения БПК (биологическое потребление
кислорода) в сточных водах [31] и для оценки содержания муравьиной
кислоты [37].
Недавнее возрождение интереса к микробным топливным элементам и сенсорам
связано с открытием, что при помощи сопрягающих редокс-реакций можно
установить прямую и эффективную связь между процессами на электроде и
дыханием микробов. В таком "прямом" микробном топливном элементе
источником энергии является хорошо изученная способность микроорганизмов
восстанавливать "редокс"-активные вещества, образующиеся на начальных или
промежуточных стадиях катаболизма. При этом электроны из богатых ими
внутриклеточных веществ могут выводиться из нормальных дыхательных цепей
посредством соответствующих сопрягающих реакций и через анод попадать во
внешнюю цепь [8, 9]. С некоторыми конструктивными изменениями топливный
элемент можно приспособить для использования в качестве сенсора,
поскольку поток электронов, возникающий при электрохимическом окислении,
легко измерить амперометрически или другими методами, а в определенных
От топливных элементов к. биосенсорам
239
условиях сигнал такой системы становится субстрат-зависимым [50].
Существенное различие между "прямым" и "косвенным" режимом работы
сенсорного топливного элемента заключается в том, что в косвенном режиме
сигнал определяется нернстов-ской зависимостью потенциала электрода от
концентрации стабильных продуктов метаболизма или полярографической
волной кислорода, тогда как в "прямом" режиме между субстратом и
электродом действительно устанавливается биоэлектрохими-ческая связь
через активные продукты биокаталитических реакций.
Далее мы остановимся вкратце на биоэлектрохимических основах медиаторных
сенсоров, которые на основе целых клеток с электродами используют
