Биосенсоры: основы и приложения - Тёрнер Э.
Скачать (прямая ссылка):
информации неизвестны.
Развивая эти идеи, можно безошибочно констатировать, что "проблема
увеличения сигнала" [130] в значительной степени обусловлена тем фактом,
что в принятой измерительной практике рассматривают только средние
значения сигналов датчиков, а
Спектроскопия э. /ектрического адмиттешеа
365
не их (быстрые) флуктуации относительно среднего. Должно быть очевидно,
что характеристика "состояния" клеточной культуры посредством измерений в
окружающей среде требует полного описания временной зависимости этих
измерений, включая их флуктуации. По нашему мнению, эта область является
одной из наиболее плодотворных, и можно ожидать ее прогресса в будущем.
Несмотря на то что в этом разделе обсуждалась методика анализа сигнала на
примере сигналов, генерируемых макроскопическими датчиками в микробных
ферментерах, в заключение хотелось бы обсудить потенциально новый подход
в области биосенсоров в строгом смысле этого слова, основанный на
измерении нелинейной электрической передаточной функции в относительно
микроскопических белоксодержащих системах.
24.11 Использование в биосенсорных устройствах многомерных
диэлектрических спектров внутримолекулярных движений в белках
Подавляющее большинство биосенсорных приборов, предложенных или
реализованных к настоящему времени, основано на непосредственном
соседстве фермента (или белка) и потенциометрического либо
амперометрического электрода. Здесь хотелось бы обсудить возможность
использования специфического нефарадеевского или- нелинейного
электрического поведения белков, связанных с электродами (или находящихся
вблизи них).
Становится общепризнанным, что в белковых кристаллах или чисто водных
растворах глобулярных белков атомы претерпевают множество сложных
флуктуаций около их среднего положения, даже когда они находятся в
термодинамическом равновесии (при температуре выше О К) (см., например,
обзоры [200, 219, 221] и цитируемую в них литературу). Такие
внутримолекулярные флуктуации не являются полностью независимыми друг от
друга [119]. Более того, поскольку белки содержат множество заряженных
частиц и диполей, можно ожидать, что внутримолекулярные подвижности таких
групп будут, во-первых, белок-специфичными и, во-вторых, зависимыми ог
связывания с субстратом (лигандом), ферментативной активности или
преобразования энергии [220]. Таким образом, оценка динамики белков
неинвазивными методами диэлектрической спектроскопии могла бы лечь в
основу разработки целого семейства новых биосенсорных устройств
(поскольку этот принцип может быть приложен к любому взаимодействию белок
- лиганд, в том числе белок-белок). Однако, поскольку (линейные)
диэлектрические дисперсии белков имеют довольно широкий диапазон
(вероятно, отражающий многочисленные процессы, вносящие вклад в
наблюдаемые макроскопические эффекты), проблема сводится к обработке
сигналов, т. е. к расшифровке диэлектрических спектров. С этой целью мы
предлагаем использовать 1) нелинейные диэлектрические свойства белков (а
реально и любых других макромолекул) и 2) дву- или многомерный анализ
электрических передаточных функций систем белок-лиганд. Необходимо также
обсудить, какой частотный диапазон наиболее подходит для максимального
увеличения белок-специфичной составляющей сигнала.
Как отмечалось выше, доля зарядов или диполей, фактически движущихся под
действием электрического поля соответствующей частоты, задается функцией
Ланже-вена (см. рис. 24.9). Отсюда, в частности, следует, что для
приведения диполя данного типа, допустим, на 80% к его предельному
положению необходимо, чтобы величина pis,/к.Т была больше 5, а это
значение существенно выходит за пределы линейного диапазона (см. рис.
24.9). Поскольку многие эффективные внутримолекулярные диполь-ные
моменты, лежащие в области наших интересов, вероятно, не превышают 24 Д и
поскольку при 298 К величине цЕи>к.Т=5 соответствует поле 6,159 • 109 В•
м~1Д~1
а
366
Глава 24
Рис. 24.14. Принцип использования комбинированных электродов для
получения высокой напряженности поля при относительно низком напряжении.
Электроды имеют довольно большую поверхность, вследствие чего их импеданс
невелик. Электроды (показан вид сверху) расположены близко друг к другу
(на расстоянии мкм или меньше) и подключены к генерирующей сигнал и
измерительной цепи. Исследуемый белок или биологический компонент
помещают на поверхность устройства (либо ковалентно пришивая его, либо
закрепляя иным способом) и оценивают лиганд-зависимые изменения в
многомерном диэлектрическом спектре. В качестве переменных для получения
многомерной матрицы служат /), /2, Е,, Еп и t (пояснения в тексте).
К генератору и анализатору
[117], для эффективного воздействия на эти диполи требуется напряженность
поля порядка 2,5 • 108 В/м. Таким образом, чтобы напряжения на электродах
были малы или хотя бы реально достижимы, необходимо, чтобы расстояние
между электродами было как можно меньше. В данном случае конструктивно
