Биосенсоры: основы и приложения - Тёрнер Э.
Скачать (прямая ссылка):
Однако можно получить линейный градуировочный гра-
г
I .UifKO 1НЫС (Cl коры iKL'i U( KVC'. ШвСНИОН П< U) ЯСС.i \ ill Ci i iOtt
Puc. 22.3. а: Секреция инсулина изолированными островками Лангерганса при
введении глюкозы [23]. Обратите внимание на S-образную зависимость и
плато при концентрациях глюкозы выше 10 ммоль)л.
б: Имплантируемый сенсор для искусственной поджелудочной железы имеет
линейный отклик. Из-за отмеченного выше характера отклика природных бета-
клеток линейность сигнала сенсора ограничивается концентрацией глюкозы 10
ммоль/л.
Глюкоза, ммоль /л
Рис. 22.4. Примеры градуировочных кривых глюкозных сенсоров с различными
глюкозооксидазными мембранами (по неопубликованным данным Sternberg R.,
Tallagrand Т., Thevenot D. R). 1 GOD-коллагеновая мембрана; 2-GOD-аце-
тилцеллюлозная; 3- GOD-коллагеновая мембрана, покрытая тефлоновой
мембраной со сквозными отверстиями. Обратите внимание, что использование
дополнительной неферментной мембраны или ацетилцеллюлозной мембраны, с
одной стороны, расширяет диапазон линейности системы, а с другой-понижает
ее чувствительность.
О 5 10 15 20
Глюкоза, ммоль/л
фик и при значительно более высоких концентрациях, например до 20-30
ммоль/л, если замедлить поток г люкозы слабо проницаемой для нее
мембраной. С этой целью можно использовать внешнюю мембрану поверх
ферментной мембраны (рис. 22.4, кривая 3).
3. Время отклика меньше 10 мин*. Расчеты в рамках теоретической
физиологической фармакокинетической модели глюкозного гомеостазиса
показали, что увеличение запаздывания отклика сенсора приводит к
прогрессирующему ухудшению регуляции глюкозы, обострению гиперинсулинемии
и возрастанию потребности в инсулине [45].
4. Независимость отклика сенсора от гидродинамики жидкости в сосудах и
тканях *.
5. Независимость отклика сенсора от колебаний давления кислорода в
окружении сенсора и расхода кислорода в самом сенсоре. Окисление глюкозы
растворенным кислородом является необратимым процессом, который в
стационарном состоянии контролируется либо реакцией ферментативного
окисления, сильно зависящей от температуры (6-10%/град), либо диффузией
субстрата, от температуры зависящей
21-1145
322
Глава 22
слабо (2-4%/град) [27, 34]. При такой гетерогенной кинетике глюкозный
электрод расходует столько кислорода, сколько выдается на монитор. Это
является общим свойством кислородного сенсора Кларка (см. раздел 22.4.1).
Независимо от способа связывания электрохимического детектора с
глюкозооксидазной мембраной на стабильность его показаний влияет внешняя
диффузия (т. е. скорость потока жидкости вблизи мембраны), внутренняя
диффузия (т. е. проницаемость для субстратов), а также концентрация
кислорода внутри или вблизи мембран. В идеальном случае эти факторы
должны поддерживаться постоянными. В случае имплантированных глюкозных
электродов эти идеальные условия обеспечить трудно. Кларковские
кислородные детекторы с диаметром катода, приблизительно равным толщине
мембраны (10-20 мкм), в меньшей мере зависят от гидродинамики, так как
здесь имеет место полусферическая (а не одномерная) диффузия [3, 50].
Доступ субстратов и соответствующий уровень кислорода в ферментном слое
можно косвенно контролировать с помощью дополнительной внешней мембраны с
большей проницаемостью к кислороду, чем к глюкозе, и/или используя
ферментные слои с высоким коэффициентом распределения кислорода.
6. Долгосрочная механическая, химическая и ферментативная стабильность
глюкозооксидазы и ее носителя при 37 °С в цельной крови, лимфе или ткани.
7. Отсутствие утечки глюкозооксидазы в жидкости и ткани, окружающие
сенсор; распознавание глюкозооксидазы иммунной системой как чужеродного
фермента вызовет иммунную реакцию.
8. Биологическая совместимость всех непосредственно имплантируемых частей
сенсора; отсутствие инкапсуляции последних фибробластами и гигантскими
клетками*. Можно полагать [56], что для подкожно имплантируемого сенсора
оптимальной является конфигурация проволоки или нити. Такая структура,
если ее диаметр не превышает примерно 2 мм, будет вызывать минимальное
раздражение ткани.
9. При уменьшении размеров сенсора не должны меняться характеристики
(геометрические, физические и ферментативные), определяющие его
аналитические свойства.
10. Минимальная градуировка и установка нуля*.
11. Наконец, длительный срок службы. Кроме того, сенсор должен легко
заменяться при необходимости и при этом быть дешевым*. Для игольчатых
сенсоров, частично вводимых в подкожную ткань, может быть приемлем срок
службы в несколько дней, если не недель. Очевидно, что полностью
имплантируемый прибор должен иметь значительно более длительный срок
службы.
В следующих разделах этой главы дан обзор наиболее важных результатов,
достигнутых при разработке глюкозных сенсоров, и их приложения в
устройствах для введения инсулина с замкнутым контуром.
22.4. Электрохимические глюкозооксидазные сенсоры для искусственной
поджелудочной железы: типы детекторов
