Биосенсоры: основы и приложения - Тёрнер Э.
Скачать (прямая ссылка):
заключается в использовании мутантов: так, штаммы, не усваивающие
глюкозу, пригодны для определения второго субстрата в средах с высоким
содержанием глюкозы.
Диапазон применимости сенсоров в принципе можно расширить, используя
микроорганизмы и в другом качестве: как фильтры для веществ, например
глюкозы и кислорода, которые влияют на первичные электрохимические или
биоэлектрохими-ческие реакции в чувствительном элементе сенсора. Такой
"очищающий" слой целесообразно помещать между активным слоем и
анализируемым раствором (см. рис. 17.8).
17.5.5.2. Дифференциальные измерения. Как принято обычно в аналитической
практике, влияние примесей при измерениях в биологических и промышленных
жидкостях можно минимизировать разумным использованием холостых проб.
Измерения можно проводить, например, в дифференциальной ячейке, состоящей
из двух размещенных "спиной к спине" одинаковых ячеек. Чувствительная
часть такой дифференциальной ячейки состоит из двух тонких биоанодов на
одном датчике. Преимуществом такой конструкции является возможность
градуировки с использованием нуль-метода и дополнительная компенсация
колебаний температуры, pH и ионной силы. Для компенсации влияния мешающих
субстратов можно также рекомендовать "холостой сенсор", не содержащий
биокатализатор для определяемого вещества, но содержащий биокатализатор
для мешающего вещества, что позволяет вычесть вклад последнего в
амперометрический сигнал основного сенсора.
17.5.5.3. Другие способы модификации биоактивного слоя. Чувствительность
и время отклика датчика, сигнал которого определяется процессом
биологического восстановления, могут зависеть от давления кислорода. Хотя
некоторые сенсоры могут функционировать даже при наличии конкурентных
окислительных реакций, особенно в случае очень активных микроорганизмов,
которые быстро создают собственную анаэробную среду, целесообразно все же
использовать кислород-независимые медиаторы, например ферроцены [14].
Этих проблем можно также избежать, используя очищающий слой, неактивный
или частично неактивный по отношению к определяемому веществу, или с
помощью "электрохимической модуляции" [45]. В последнем случае
парциальное давление кислорода контролируют с помощью внутреннего
сетчатого электрода. Эти методы используют также для повышения
селективности глюкозного ферментного электрода за счет уменьшения потока
аскорбата в биокаталитическую зону. В предварительных исследованиях,
описанных в разделе 17.4, небольшую аликвотную порцию анализируемого
раствора разбавляли прямо в измерительной ячейке. Используя микробный
датчик, стадию разбавления можно было бы исключить, однако в
концентрированных растворах микроорганизмы могут стать насыщенными по
субстрату и снизить на длительное время свою восстановительную
активность, тем самым ограничивая чувствительность сенсора к субстрату.
Эту проблему (не столь серьезную для разового измерения) можно решить
путем ограничения количества субстрата, проникающего через активный слой.
С этой целью размещают очищающий слой либо ограничивающий диффузию гель
или полимерную мембрану между раствором и биокатализатором (см. раздел
17.5.5.1). Степень утилизации субстрата зависит также от используемого
медиатора, его концентрации и локализации, причем влияние этих факторов
ослабляется при соответствующей конструкции сенсора.
17.6. Дальнейшие перспективы
В этой главе мы попытались описать пока только зарождающуюся технологию,
которая в перспективе позволит создавать биосенсоры с меньшим временем
отклика
254
Глава 17
и большей чувствительностью в результате выяснения механизма
преобразования сигнала, т. е. механизма электрического "подключения" к
ранним стадиям микробного катаболизма. Последнее исключает требование
достижения стационарного состояния микроорганизма по генерируемому
продукту при изменении концентрации определяемого вещества, что
необходимо в косвенном методе. Ясно, однако, что микробные биосенсоры
прямого действия сохраняют многие достоинства и недостатки, характерные
для сенсоров "косвенного" типа: области применения сенсоров обоих типов
во многих случаях совпадают (см. раздел 17.2), но дальнейшая разработка
обоих методов потребует еще многих исследований.
При написании этой главы делались оговорки относительно применимости
микробных сенсоров для многих применений, например клинического анализа,
ферментационного контроля и в пищевой промышленности. Хотя такие оговорки
не влияют на развитие исследований в некоторых странах, особенно Японии,
имеет смысл проанализировать возможные причины такого скептицизма. Если
допустить, что выпуск биосенсоров может быть экономически оправдан, что
предполагается во всей этой книге, то, очевидно, они должны удовлетворять
двум основным требованиям: быть работоспособными и безопасными. В
настоящее время, может быть, нереалистично ожидать создания на базе
микробных биосенсоров аналитических методик, которые, например,
