Биосенсоры: основы и приложения - Тёрнер Э.
Скачать (прямая ссылка):
существенно сниженном уровне фона.
В отличие от довольно обширной литературы, посвященной ферментным
электродам, опубликовано лишь несколько сообщений о ФПТ. Впервые ФПТ,
чувствительный к мочевине и основанный на аммиачном газочувствительном
ПТ, описан Даниельс-соном и другими [27]. Позднее Карас и Джаната [28,
29] разработали пенициллин-селективный ФПТ, Ханазото и Шионо [30], а
также Карас и другие [26] - глюкозоселективный ФПТ, а Мияхара и другие
[31]-ФПТ, чувствительный к мочевине и ацетилхолину (Ach).
26.6.1. Теория
Если на ионоселективную мембрану ИСПТ нанести тонкий слой
ферментсодержащего геля, то мы получим ФПТ. Схема типичного ФПТ
представлена на рис. 26.21. Механизм и теория формирования
электрохимического отклика ФПТ аналогичны описанным Тернером (см. гл. 15)
для ферментного электрода и Карасом и другими [32] для ФПТ, поэтому ниже
будет приведена только качественная трактовка.
Как показано на рис. 26.21, фермент иммобилизован в слое геля,
располагающемся над ионоселективной мембраной. Если к раствору добавляют
субстрат фермента, то он диффундирует в гелевый слой по градиенту
концентрации; в геле фермент катализирует соответствующее превращение
субстрата. Расположенный под слоем геля ИСПТ
Химически чувствительные полевые транзисторы
409
Рис. 26.21. Схема типичного ФПТ с ионоселективной мембраной (I) и слоем
геля с иммобилизованным ферментом (2).
измеряет концентрацию продукта превращения субстрата или
непрореагировавшего субстрата. В первом случае образующиеся в геле
молекулы диффундируют во всех направлениях - как к ионоселективной
мембране, так и из геля в раствор. Диффузия молекул к ионоселективной
мембране-это не что иное, как повышение их концентрации на поверхности
мембраны. В конце концов достигается равновесие, при котором
устанавливается постоянная концентрация молекул на границе раздела гель-
мембрана. Поскольку скорость реакции зависит от концентрации субстрата,
эта установившаяся концентрация определяется концентрацией субстрата в
растворе. Если же ИСПТ измеряет концентрацию оставшегося в гелевом слое и
в растворе реагента (субстрата), то эта концентрация на границе раздела
мембрана-гель будет понижаться, достигая в состоянии равновесия
постоянного значения. Взаимосвязь между выходным сигналом ИСПТ и
концентрацией субстрата в растворе сложна, а найти соответствующие
математические выражения чрезвычайно трудно, поскольку они должны
включать множество переменных, в том числе константы скорости всех
реакций, коэффициенты диффузии каждого соединения, концентрацию
иммобилизованного фермента, параметры ингибирования ферментативной
реакции ее продуктом и т. д. Карас и другие [32] разработали модель,
учитывающую большинство указанных переменных, а также влияние подвижного
буфера в гелевом слое. Решение уравнений модели дало результаты, хорошо
согласующиеся с экспериментальными данными для ФПТ, чувствительных к
пенициллину и глюкозе.
26.6.2. Конструкции и характеристики ФПТ
За исключением чувствительного к мочевине ФПТ, разработанного
Даниельссоном и другими [27] и основанного на аммиачном
газочувствительном ПТ, во всех других описанных до настоящего времени ФПТ
используются ИСПТ с рН-чувствительной мембраной. В них в ходе
ферментативной реакции образуются или расходуются ионы
410
Глава 26
Ьодорода в соответствии с уравнениями:
Пенициллин.
пенициллиназа
а . 1 т 4-
^пенициллоат + Н
Мочевина + 2Н20 + Н
+ уреаза
HCOJ + 2NH;
Глюкоза + 02^
глюкозооксидаза
*глюконат + Н+ + Н202
l(CH3)3N + CH2CH2OH + СН3СОСГ + н + .
Выбор именно этих ферментных систем был обусловлен тем обстоятельством,
что ИСПТ с pH-чувствительной мембраной не нуждаются в полимерной
ионоселективной мембране; функции последней выполняет диэлектрик Si3N4.
Ферментсодержащие гелевые мембраны обычно получают иммобилизацией
фермента в матрице из сшитых поперечными связями альбумина,
поли(акриламида) или триацетилцеллюлозы.
Обычно используют кристалл с двумя затворами, причем один из ПТ является
стандартом по отношению к ФПТ. На стандартный ИСПТ нанесена мембрана, не
содержащая фермента, поэтому по чувствительности к pH и температуре он не
отличается от ФПТ. Поскольку ФПТ и стандартный ПТ реагируют практически
одинаково на изменение потенциала раствора, то необходимость в
специальном электроде сравнения отпадает; обычно достаточно проволочного
контакта с раствором. Таким образом, если измеряют разность между токами
двух стоков, то результаты измерений (выходной сигнал) не зависят от pH
раствора, температуры или флуктуаций тока (фона); регистрироваться будут
только изменения pH внутри гелевой мембраны ФПТ, обусловленные
ферментативной реакцией.
На рис. 26.22 представлена типичная временная характеристика отклика
пени-циллинселективного ФПТ на ступенчатое изменение концентрации
субстрата [28]. Времена отклика таких сенсоров зависят прежде всего от
толщины гелевой мембраны, так как субстрат и обнаруживаемые частицы
