Биосенсоры: основы и приложения - Тёрнер Э.
Скачать (прямая ссылка):
предыдущих главах ферментных и микробных биосенсоров [1, 6, 22, 33, 37,
38]. Возможность использования цельного фрагмента ткани млекопитающих в
качестве биокаталити-ческого слоя впервые была продемонстрирована на
примере аргининового сенсора [36]. Тонкий слой бычьей печени и
соответствующее количество фермента - уреазы совместно иммобилизовали на
поверхности аммиачного газочувствительного датчика. На кончике сенсора
протекали каталитические реакции
Бычья печень
Аргинин--------------" Мочевина + орнитин
Уреаза
Мочевина ->2NH3 + СОэ.
Разработка этого первого сенсора на основе ткани печени быка открыла путь
к созданию тканевых биосенсоров.
В табл. 3.1 приведены данные о тканевых биосенсорах и родственных им
системах, описанных в литературе после первого аргининового электрода на
основе ткани печени. В родственных системах используют субклеточные
частицы, растертые в порошок высушенные ацетоном органы млекопитающих,
муку из семян различных растений, целые листья и плоды. Эти биосенсорные
системы детально рассмотрены в следующем разделе. При этом особое
внимание уделяется усилению аналитического сигнала биокатализатора.
Биосенсоры па основе растительных и живых тканей
35
Таблица 3.1. Биосенсоры на основе тканей и родственных материалов
Субстрат Биокаталитический материал Чувствительный элемент
Г лутамин Клетки почки свиньи NH j-датчик
Аденозин Клетки слизистой оболочки тонкого кишечника мыши - " -
Аденозин-5'-монофосфат Мышца кролика
Порошок высушенной ацетоном мышцы
кролика
Г уанин Печень кролика
Пероксид водорода Печень быка 02-датчик
Глутамат Желтая тыква С02-датчик
Пируват Кукурузное зерно
Мочевина Мука из бобов канавалии мечевидной NH ,-датчик
Фосфат/фторид-ионы Клубень картофеля/глюкозооксидаза 02-датчик
Допамин Мякоть банана
Тирозин Сахарная свекла
Цистеин Лист огурца N11,-датчик
Глутамин Митохондрии почки свиньи
3.1. Глутаминовый биосснсор
Тонкий слой клеток кортекса почки свиньи иммобилизуют на поверхности
датчика, чувствительного к газообразному аммиаку. Как известно, почечные
клетки отличаются высокой концентрацией фермента глутаминазы,
катализирующего реакцию
Глутамин + Н20 *± глутаминат + NH3.
Эту биокаталитическую реакцию в сочетании с аммиачным датчиком можно
использовать для конструирования глутаминового сенсора.
Ткань почки свиньи иммобилизуют путем физического удерживания тканевого
материала на однонитевой найлоновой сетке с размером отверстий 149 мкм.
Чтобы защитить газопроницаемую мембрану аммиачного датчика от различных
клеточных компонентов слоя ткани, между почечной тканью и тефлоновой
мембраной помещают тонкую диацетилцеллюлозную пленку. •Расположение слоев
в биосенсоре показано на рис. 3.1.
При взаимодействии глутамина, поступающего из объема анализируемого
раствора, с иммобилизованным биокаталитическим слоем, содержащим
глутаминазу, образуется аммиак. Со временем устанавливается стационарная
концентрация аммиака, поскольку образование аммиака в биокаталитическом
процессе уравновешивается его
Рис. 3.1. Устройство глутаминового биосенсора. 1-под держивающая
иайлоновая мембрана; 2-кусочек ткани поч ки свиньи; 3 - внутренняя
диализная мембрана; 4-газопро ницаемая тефлоновая мембрана; 5-внутренний
электро лит; 6 - комбинированный стеклянный рН-электрод; 7-кор пус (4-7-
составные части газоаммиачного датчика).
з:
36
Глава 3
Объем раствора
Ро
Массоперенос
Массоперенос Sg-------------->
Ss
Распределение на границе раздела
Распределение на границе раздела
Слой биокатализатора
Диффузия в слое био-катализатора *¦
Диффузия в слое био катализатора Si ------------*
¦\
Г
S-E
Диффузия в слое биокатализатора
Pi
Диффузия в слое duo-катализа тора
0
1
Граница раздела раствор/ биокатализатор
Рис. 3.2. Процессы, определяющие сигнал биосенсора.
расходованием вблизи поверхности датчика. Последнее обусловлено главным
образом простой диффузией аммиака обратно в объем раствора [3, 13]. На
рис. 3.2 показаны различные процессы, вносящие вклад в формирование
сигнала сенсора. Поскольку аммиачный датчик является потенциометрическим
устройством, сигнал сенсора связан с объемной концентрацией глутамина
логарифмической зависимостью.
'lg [ глутамин'] (М)
Рис. 3.3. Градуировочный график для определения глутамина с помощью
биосенсора на основе ткани почки свиньи.
Биосенсоры па основе растительных и живых тканей
37
На рис. 3.3 представлен типичный градуировочный график определения
глутамина. В области от приблизительно 0,1 до 10 мМ график линеен и имеет
наклон 50 мВ/рС. Предел обнаружения, определяемый в соответствии с
рекомендациями ИЮПАК [25], составляет 0,01 мМ. В фосфатном буферном
растворе (0,1 М; pH 7,8) время отклика в диапазоне линейности
градуировочного графика составляет от 5 до 7 мин. Как и ожидалось для
сенсора этого типа, время отклика больше при низких концентрациях [13,
28].
Из-за множества биокаталитических процессов, протекающих в клетках,
избирательности действия сенсоров на основе цельных клеток ткани следует
