Биосенсоры: основы и приложения - Тёрнер Э.
Скачать (прямая ссылка):
можно определять конкретные соединения непосредственно в сложных смесях
без предварительного разделения [1, 2]. Для того чтобы ферментный сенсор
с успехом можно было применять в медицине, он должен быть достаточно
миниатюрным. Миниатюризация сенсоров в сочетании с их высокой
селективностью достигается путем использования полупроводниковых
устройств и иммобилизованных ферментов.
В этой главе рассматриваются ионоселективные полевые транзисторы (ИСПТ) и
микроэлектроды, применяющиеся в качестве микробиосенсорных
преобразователей. Детально будут обсуждены устройство и характеристики
микробиосенсоров для определения мочевины, АТР (аденозинтрифосфата),
глюкозы и глутамата; такие микробиосенсоры состоят из
микропреобразователя и тонкой мембраны с иммобилизованным ферментом.
25.2. Сенсоры на основе полевых транзисторов
25.2.1. Микросенсор для определения мочевины
Ионоселективные полевые транзисторы (ИСПТ) впервые были описаны Бергвель-
дом в 1970 г. [3]. Мацуо и Уайз предложили усовершенствованную
конструкцию ИСПТ, в которой в качестве диэлектрического затвора
используется нитрид кремния (Si3N4), и использовали ее как сенсор pH [4].
В 1980 г. было показано, что ИСПТ с нанесенным на диэлектрический затвор
слоем иммобилизованной пенициллиназы можно использовать как сенсор
пенициллина [5] (см. гл. 26). Ферментный сенсор на основе ПТ описан и
нами [6].
При оценке функции и состояния почек необходимо определять мочевину в
крови и моче. Принятые спектрофотометрические методики анализа трудоемки
и сложны. В этой связи представляется весьма целесообразной разработка
недорогого миниатюрного сенсора, отличающегося высокой селективностью и
чувствительностью и в то же время достаточно простого в работе. Все эти
цели могут быть достигнуты с помощью преобразователя-ИСПТ.
376
Глава 25
По данным Мацуо и Эсаши [7], изготовление ИСПТ включает практически те же
операции, что и изготовление ПТ со структурой металл-диэлектрик-
полупроводник (МДППТ). Конструкция ИСПТ представлена на рис. 25.1.
Диэлектрический затвор ИСПТ состоит из двух слоев; нижний представляет
собой термически выращенный диоксид кремния (Si02), а верхний - нитрид
кремния (Si3N4), чувствительный к ионам Н+ и затрудняющий проникновение
ионов. Толщина слоев Si02 и Si3N4 равна приблизительно 0,1 мкм. Сенсорная
система состоит из двух ИСПТ, на один из которых нанесен тонкий слой
поливинилбутираля, сшитого поперечными связями и содержащего альдегидные
группы; последние связываются с уреазой, образуя соединения типа
оснований Шиффа, и таким образом иммобилизуется фермент (это
чувствительный к мочевине ферментный ИСПТ, ФПТ). Второй ИСПТ покрывают
мембраной из сшитого поперечными связями поливинилбутираля
(чувствительный только к pH стандартный ИСПТ, СТПТ).
Поливинилбутиральную мембрану наносят на затвор ИСПТ капельным методом.
Для этой цели приблизительно 0,1 г поливинилбутираля и 1 мл 1,8-диамино-
4-амино-метилоктана растворяют в 10 мл дихлорметана. Полученный раствор
полимера накапывают на диэлектрический затвор двух ИСПТ и затем последние
погружают в 5%-ный раствор глутарового альдегида, в котором примерно
через сутки при комнатной температуре завершается реакция образования
поперечных связей. Уреазу иммобилизуют на ФПТ, помещая ИСПТ с
поливинилбутиральной мембраной в раствор уреазы (5 мг/мл) приблизительно
на сутки при 4°С.
Концентрацию мочевины измеряют, сравнивая выходное напряжение затворов
ФПТ и СТПТ. Принципиальная электрическая схема системы представлена на
рис. 25.2. Электрод сравнения (Ag/AgCl) помещают непосредственно в
изучаемый раствор вместе с ФПТ и СТПТ, а напряжение затвора
устанавливается между электродом сравнения и истоковой областью ФПТ и
СТПТ. Поверхностный потенциал диэлектрика затвора, а следовательно, и
выходное напряжение затвора зависят от pH раствора. Для оценки скорости
достижения постоянного отклика системы к буферному раствору (5 мМ Трис-
HCl) добавляли 100 мкл раствора мочевины и отклик системы (разность между
выходным напряжением затворов ФПТ и СТПТ) измеряли в течение 10-20 мин.
Типичная кривая отклика сенсорной системы представлена на рис. 25.3.
Нетрудно
Микробиосенсоры на основе кремниевых транзисторов
377
Рис. 25.2. Принципиальная электрическая схема системы измерения. 1 -
электрод сравнения (Ay/AgCl); 2- ФПГ; 3-СТПТ; 4 ячейка; 5 -
дифференциальный усилитель; 6 -регистрирующее устройство.
видеть, что дифференциальный отклик системы достигает постоянного
значения примерно через 2 мин после добавления мочевины.
Для построения градуировочной кривой измеряли зависимость начальной
скорости изменения разности выходных напряжений затворов от логарифма
концентрации мочевины (см. рис. 25.4). Линейная зависимость наблюдалась в
диапазоне концентраций мочевины от 1,3 до 16,7 мМ. Изучение селективности
сенсорной системы показало, что на результаты не влияют глюкоза,
креатинин и альбумин в концентрациях 6,3 мМ, 10 мМ и 3,6 мкМ
