Биосенсоры: основы и приложения - Тёрнер Э.
Скачать (прямая ссылка):
22.4.1. Кислородные детекторы
Первый специфический глюкозный электрод был описан Кларком и Лайонсом в
1962 г. [12] (см. гл. 1). В этом электроде фермент удерживали на
полимерной мембране и с помощью амперометрического кислородного электрода
оценивали убыль кислорода по мере протекания реакции. Кислородные
электроды типа электрода Кларка почти нечувствительны ко всем мешающим
веществам. Они, однако, явно очень чувствительны к колебаниям
парциального давления кислорода в жидкости, контактирующей с электродом.
Таким образом, в условиях in vivo вполне вероятны ошибки в измерениях,
обуславливаемые физиологическими и патологическими флук-
Глнжозные сенсоры для искусственной поджелудочной железы
323
туациями давления кислорода. Эту проблему можно решить добавлением
второго электрода без глюкозооксидазной мембраны, образующего вместе с
глюкозоокси-дазным электродом дифференциальную систему [49].
Дальнейшая разработка этой системы [6] привела к созданию прототипа
имплантируемого сенсора с двумя гальваническими кислородными электродами
в качестве детектора. Кислород поступал на электрод через
полипропиленовую мембрану, с внешней стороны закрепленную на носителе из
найлоновой ткани. В рабочем электроде к этому носителю с помощью
глутарового альдегида ковалентно пришивали глюкозо-оксидазу. Все вместе
заключали в пластиковом диске диаметром 2 см и толщиной 0,25 см. Срок
службы сенсора in vivo составлял четыре дня, правда, его чувствительность
к глюкозе не достигала оптимума, отчасти из-за низкого парциального
давления кислорода в подкожных тканях [7].
Дополнительной проблемой при работе с сенсорами этого типа является (рис.
22.5, а) конкуренция за кислород между глюкозооксидазной мембраной (поток
v2) и самим кислородным детектором (поток vj; если катод недостаточно
мал, величина Vj может влиять на кажущуюся активность глюкозооксидазы.
22.4.2. рН-детекторы
Известны разработки глюкозных сенсоров на основе детектирования
глюконовой кислоты с помощью pH-электрода. Однако такие сенсоры
демонстрируют неудовлетворительную чувствительность, избирательность и
линейность градуировочных кривых [33], и, таким образом, их нельзя
использовать в сильно буферированных жидкостях организма.
22.4.3. Амперометрические детекторы пероксида водорода
Наиболее хорошо разработанным типом глюкозных сенсоров являются сенсоры с
амперометрическим детектированием образующегося в ферментативной реакции
пероксида водорода [21, 38, 48] (рис. 22.5,6). Авторы [13] приспособили
один из таких сенсоров для прикроватного устройства искусственной
поджелудочной железы. Аналогичные сенсоры использовались в тех же целях
еще несколькими группами исследователей (см. раздел 22.7). За последние
десять лет были внесены усовершенствования в конструкцию сенсора, способ
связывания фермента с его подложкой и функциональные характеристики
электродов.
К глюкозе детекторы этого типа очень чувствительны; предел обнаружения у
них может достигать 10 нмоль/л [48]. Амперометрический детектор пероксида
водорода весьма чувствителен также к природным донорам электрода, таким
как аскорбат, урат
V,
GOD о О О О О о о о о о о о о о о о о о о о /°г •"-Глюкоза^/ vr ¦*
GOD о о о о о о о о о о о о о о о о о о о о /°г У/А * У//' ¦*-
Глюкоза уу// 1 (c) GOD О О О О О о о о о о о о о о о о о о о о -*-
Глюкоза
о о о о о 'ч о о о о о о о о о о
Н202
Н202
E=-0,AB/AgCi
а
E= + 0,ff B/AgCl 6
E=+0,16B/AgCl
в
Рис. 22.5. Типы детекторов, используемых в глюкозооксидазных
электрохимических сенсорах для искусственной поджелудочной железы, а:
детектор катодного восстановления кислорода; 6: детектор анодного
окисления пероксида водорода; в: кофакторный детектор. Пояснения см. в
тексте.
21*
324
Глава 22
и тирозин. В связи с этим разрабатываются методы повышения
избирательности глюкозного электрода, чтобы избежать влияния мешающих
веществ. Эти методы заключаются либо в компенсации сигнала с помощью
неферментного детектора [48], либо в покрытии платинового анода
селективно проницаемыми мембранами (например, ацетилцеллюлозной) с
порами, которые исключали бы прохождение аскорбата и большинства других
потенциально мешающих веществ [57].
Независимость функционирования детектора пероксида водорода от
концентрации кислорода является важным преимуществом при конструировании
сенсора. Тем не менее следует учитывать локальную концентрацию кислорода,
необходимую для протекания ферментативной реакции: в этом смысле
распределение и коэффициент диффузии кислорода в мембране может играть
важную роль в формировании отклика сенсора на глюкозу. При
электрохимическом окислении пероксида водорода на поверхности платины
кислород регенерирует по реакции
Н202 -" 02 + 2Н+ + 2е.
Оптимизация накопительной способности детектора (рис. 22.5, б), т. е.
отношения между окисляемой на платине долей (vL) пероксида водорода,
генерируемого в ферментативной реакции, и общим потоком пероксида
водорода, vx + v2 (где у2-доля пероксида водорода, диффундирующая в объем
