Биосенсоры: основы и приложения - Тёрнер Э.
Скачать (прямая ссылка):
электронов на различных промежуточных стадиях окислительного процесса,
возможно, с некоторой селективностью, обуславливаемой различиями в
отклике системы на различные медиаторы (разд. 17.3). В косвенном методе
образование дающих сигнал активных продуктов в многостадийном
окислительном процессе почти наверняка подвержено кинетическому
ингибированию, тогда как в прямом методе преобразование электронов обычно
минует большую часть дыхательной цепи.
Однако, кроме преимуществ использования микроорганизмов в сенсорах, есть
и недостатки, к которым, в частности, можно отнести следующие:
а) Высокая приспособляемость и изменчивость микроорганизмов могут, с
другой стороны, снижать селективность и чувствительность микробных
сенсоров, поскольку может окисляться не только подлежащий определению
субстрат. Эта проблема особенно остра при анализе биологических жидкостей
с высокой концентрацией активных веществ, таких как глюкоза. Кроме того,
клетки, лишенные какого-либо субстрата, могут "переключаться" на
альтернативный путь метаболизма.
б) Проблемой является и биологическая устойчивость, что связано с
необходимостью длительного хранения и поддержания активности
микроорганизмов в течение длительного времени. Как ни странно, о
долговременной устойчивости ферментов и клеток известно очень мало.
От топливных элементов к биосенсорам
241
в) В восстановительных реакциях микроорганизмов "включению" дыхательного
процесса с помощью медиаторов может мешать атмосферный кислород.
г) Определенные трудности связаны с необходимостью предотвращать потери
растворимых медиаторов путем иммобилизации или какими-либо другими
методами.
Проводимые в настоящее время исследования показывают возможность
конструирования сенсоров на основе как грам-положительных, так и грам-
отрицательных микроорганизмов, причем либо строго аэробных, либо
факультативно анаэробных (см. табл. 17.1). Некоторые описанные выше
преимущества и недостатки микроорганизмов
Таблица 17.1. Микробные сенсоры, построенные по принципу биотопливного
элемента: используемые или исследуемые микроорганизмы
Микроорганизмы Субстрат Литература '
Clostridium butyricum БПК6-" [31]
Clostridium butyricum Муравьиная кислота(r) [37]
E. coli Глюкоза [25]
E. coli ML308 Лактоза [43]
Proteus vulgaris Глюкоза, сахароза
Anabaena variabitis С02, hv [4]
Methylomonas methylovora Этанол, метанол [П]
Alcaligenes eutrophus Сукцинат, пируват
Pseudomonas putida Сукцинат
Erwinia carotovora Сахароза
Nocardia salmonicolor Ацетат-ион
Hansenula anomala D.L-Л актат [45]
Lactobacillus fermenti Витамин В, [45]
' Опубликованные работы и неопубликованные результаты.
6 БПК - биологическое потребление кислорода.
• Топливный элемент "косвенного" действия на основе биологического
производства водорода (без медиатора).
как биокатализаторов обнаружились в результате наших недавних
экспериментов, часть из которых подробно рассмотрена в разделе 17.4, а в
разделе 17.5 обсуждаются возможные способы усовершенствования
биосенсоров.
17.3. Генерирование электрического тока микроорганизмами
17.3.1. Микробные топливные элементы
Изучение биохимических топливных элементов показало, что перенос
электронов от микроорганизмов довольно эффективен, если анолит содержит
подходящий редокс-медиатор [8, 9]. Достижения в разработке биотопливных
элементов прямого действия обсуждаются в обзорных работах [2, 4, 56].
Многие исследования этого рода проводились с целью установить, какие
именно факторы в общем случае определяют генерацию электричества
микробами. В особенности это касалось решающей роли редокс-медиаторов в
индуцированном переносе электронов через клеточные стенки и мембраны [18,
42], но были также созданы и предпосылки для разработки биоанодного
сенсора [50]. Отметим также, что для измерения бактериальной активности в
продуктах питания и молоке давно используют скорость обесцвечивания
редокс-красителей, например резазурина [41], а отсюда недалеко до
сопряжения реакций этого типа с электрохимическим или оптическим
сенсором.
Принцип работы микробного топливного элемента иллюстрируется рис. 17.1, а
на рис. 17.2 приведена типичная разрядная характеристика при
последовательном добав-
16-1145
242
Глава 17
Нагрузка
Ионообменная
мембрана
Рис. 17.1. Схема микробного топливного элемента (детальное описание см.
[4, 18]).
Рис. 17.2. Гоперирование электричества микробным топливным элементом на
основе системы глюкоза/P. vulgaris. Состав анолита: 0,1 М фосфатный
буферный раствор (pH 7,0); 1 мМ тионин; 30 мг (сухой вес)
микроорганизмов. Температура ЗО'С. Ячейку разряжали на нагрузке 560 Ом.
Стрелками отмечены моменты введения 10 мкмоль глюкозы.
1,0
0,8
'К 0,6
ч
^ 0,4
0,2
4 8 12
Время, ч
16
лении субстрата, полученная при помощи глюкозного элемента, содержащего
Р. vulgaris и в качестве медиатора тионин. Суммарный заряд, прошедший
через элемент (его можно найти по площади под кривой), пропорционален
количеству добавленного субстрата. Проведенный недавно детальный анализ
