Биосенсоры: основы и приложения - Тёрнер Э.
Скачать (прямая ссылка):
на 100 нм3 (при зазоре 5 нм), соответствует плотность 0,01 молекул/нм3,
т.е. локальная концентрация составляет 0,01 моль/дм3.)
17.5.4.2. Микроорганизмы с "заданными" функциями. Об электронном
переносе, составляющем "внутреннюю электрическую цепь" биохимического
метаболизма, известно довольно много [19, 35], тогда как различные
способы соединения этой внутренней цепи с внешней путем манипуляции
микроорганизмами и придания им заданных свойств еще только предстоит
исследовать. Можно представить себе механизмы такой связи без участия
подвижных медиаторов, например прямой перенос электронов через
молекулярный проводник, как показано на рис. 17.10. Медиаторный центр
принимает электроны из восстановительного пула внутри микроорганизма и
передает их на электрод по органическому "проводу" [3, 12, 38].
Молекулярный проводник (МП) должен быть, конечно, "биосовместимым" с
внешней клеточной структурой. В качестве иммобилизующих проводящих
носителей, по-видимому, перспективны проводящие полимеры, например
используемый в батареях поли(1Ч-ви-нилкарбазол) [28].
О
Рис. 17.10. Перенос электрона от микроорганизма на электрод через
молекулярный проводник. М-рецептор-медиатор; ИС-иммобилизующая связь; МП
- молекулярный проводник.
252
Глава 17
В случае более сложных микроорганизмов сопрягающий процесс существенно
затруднен, особенно если восстановительные центры локализованы в
митохондриях. "Функционализация" микроорганизмов путем введения
соответствующим образом модифицированных окислительно-восстановительных
реагентов могла бы позволить электронам перескакивать на доступные
внешние пути. Создание таких электронных мостиков представляется вполне
реальным в свете полученных недавно данных о туннелировании электронов на
большие расстояния в белках, содержащих дополнительные функциональные
группы [55]. Для придания акцепторному центру требуемых свойств к нему
пришивают модифицирующий реагент, например комплекс переходного металла с
желаемым окислительно-восстановительным потенциалом, и тем самым
обеспечивают совместимость акцептора с внутриклеточным ферментом и его
преимущественно гидрофобным окружением. После этого центр можно вводить в
микроорганизм. Для введения "посторонних" компонентов в клетки можно
использовать органические растворители, умеренные детергенты и другие
реагенты, облегчающие перенос растворенных веществ через мембраны, при
условии, что микроорганизмы некоторое время могут выдержать такую
обработку [20, 34].
17.5.4.3. Электроды и электрохимические факторы. Введение медиатора в
слой биокатализатора или прилегающий к нему слой налагает определенные
диффузионные условия, влияющие на электрохимические свойства всей
системы. Перенос окисленной и восстановленной форм медиатора (свободного
или связанного) не должен быть настолько медленным, чтобы серьезно
сказываться на времени отклика или стационарном токе вследствие
концентрационной полярности. Плотность предельного тока id в диффузионном
слое толщиной 5 определяется выражением
DFc
где D и с-соответственно коэффициент диффузии и концентрация подвижных
частиц. Для описанной выше схемы с "подвешенным на цепи" медиатором id
составляет около 0,2 А/см2 (для расчета использовали заниженное значение
D = 10"7 см3/с; с = - 0,01 моль/дм3; 5 = 5 нм). Отсюда следует, что
диффузия медиатора практически не ограничивает значения сигнала сенсора.
Для экспериментальной проверки ограничений этого типа, налагаемых
носителем, можно сравнить циклические вольтамперограммы для сенсоров с
иммобилизованными и свободно суспендированными компонентами
(микроорганизмами и медиаторами). Для сопряжения активных слоев через
модифицированные электроды [1, 39, 40] можно использовать угольные
электроды с поверхностными карбоксилатными, хинонными и серусодержащими
группами.
17.5.5. Селективность, специфичность и помехи
Существует много способов видоизменения сенсоров, позволяющих избежать
помех и повысить селективность. Здесь мы остановимся лишь на некоторых
направлениях исследований в этой области.
17.5.5.1. Манипулирование с микроорганизмами. В отличие от отдельного
фермента микроорганизм является многофункциональным биокатализатором,
что, с одной стороны, налагает ограничение на многие параметры системы, а
с другой, предоставляет широкий диапазон возможностей для манипулирования
его свойствами. При использовании микроорганизма, утилизирующего,
например, в качестве субстрата и аскорбат, и глюкозу, может наблюдаться
искажение сигнала при определении одного из этих веществ в присутствии
другого. Имеется, однако, ряд способов подавления поглощения или
катаболизма мешающего вещества. Например, модифицируя соответствующим
образом строение биокаталитического слоя или проводя биологи-
От топливных элементов к биосенсорам
253
ческое манипулирование с микроорганизмами, можно регулировать значения К
и тем самым добиваться различной селективности сенсора в разных
концентрационных диапазонах. Другой подход к повышению селективности
