Биосенсоры: основы и приложения - Тёрнер Э.
Скачать (прямая ссылка):
44. Winquist F" Danielsson B., Malpote J.-Y.. Persson L" Larsson M.-B.
Enzyme thermistor determination of oxalate with immobilized oxalate
oxidase. Anal. Lett., 18, 573-88 (1985).
СПЕКТРОМЕТРИЯ
Глава 30 Оптические сенсоры на основе иммобилизованных реагентов
В. Рудольф Зейц
ЗОЛ. Введение
В этой главе будут рассмотрены устройства, которые включают в себя фазу
реагента, иммобилизованного на конце одного оптического волокна или пучка
волокон. Взаимодействие определяемого компонента с иммобилизованным
реагентом приводит к изменению оптических свойств слоя реагента, которое
измеряют с помощью оптического волокна. Примером может служить pH-сенсор,
полученный иммобилизацией кислотно-основного индикатора на конце пучка
оптических волокон.
Такие сенсоры являются продуктом синтеза двух идей. Одна состоит в том,
чтобы использовать оптические волокна для прохождения света от
спектрометра к образцу и обратно. Другая заключается в использовании
иммобилизации как способа, позволяющего использовать химический реагент
непрерывно, а не однократно. Хотя обе идеи порознь эксплуатируются многие
годы, их сочетание-относительно новый путь, открывающий весьма заманчивые
возможности, которые исследователи еще только начали осознавать.
Использование оптических волокон позволяет эффективно "перенести
спектрометр к образцу", а наличие иммобилизованного реагента делает
возможным проведение химических реакций с образцом in situ.
Впервые иммобилизованные индикаторы были применены для непрерывных
измерений в биологических жидкостях Люберсом и др. в 1975 г. [9]. По
аналогии с "электродом" авторы назвали свое устройство "оптодом".
Впоследствии Хиршфельд и др. [4] ввели термин "оптрод". Поскольку буква
"р" в последнем термине взята из корня слова "электрический", термин
"оптод" грамматически более правилен. Однако оптодом называется также
одна из разновидностей небольшой бородавчатой амфибии, поэтому более
благозвучный термин "оптрод" может стать общепринятым. В этой главе мы
тем не менее избегаем обоих терминов, предпочитая наименование
"оптические сенсоры".
30.1.1. Диапазон проблем, обсуждаемых в этой главе
В этой главе обобщаются достоинства и ограничения оптических сенсоров по
сравнению с электродами. Вкратце описано оборудование, необходимое для
системы с оптическим сенсором. Описываются также способы взаимодействия
фазы иммобилизованного реагента с определяемым веществом; приведены
примеры построенных на этой основе селективных устройств. Мы ограничимся
здесь только приборами непрерывного действия и не будем рассматривать
системы, в которых иммобилизованный реагент используется однократно. В
обсуждение, однако, включены системы, в которых иммобилизованные реагенты
служат для непрерывных оптических измерений без оптических волокон,
поскольку такие реагенты нетрудно приспособить для функционирования
вместе с оптическими волокнами.
В предыдущих обзорах на эту тему рассмотрены биомедицинские приложения
всех
474
Глава 30
типов волоконных оптических сенсоров [17] и общие характеристики
химических сенсоров на основе оптических волокон [24].
30.2. Достоинства и ограничении волоконно-оптических сенсоров
Поскольку большинство описанных в литературе к настоящему времени
оптических сенсоров чувствительны к веществам, которые можно
детектировать и электрохимически, точкой отсчета при оценке оптических
сенсоров могут служить электрохимические сенсоры. Однако в общем случае к
такому сопоставлению следует относиться с осторожностью. Поскольку
оптические сенсоры основаны на совершенно иных принципах, чем
электрохимические, относительные преимущества обоих типов сенсоров
зависят как от конкретного определяемого вещества, так и от конкретных
требований при их применении. В общем случае оптические сенсоры обладают
следующими преимуществами по сравнению с электродами:
1) Не требуется "электрода сравнения". (Правда, как отмечается ниже, на
практике предпочитают измерять сигнал относительно некоторой опорной
величины. С этой целью в фазу реагента добавляют какое-либо стандартное
вещество.)
2) Поскольку сигнал является оптическим, на него не воздействуют
электрические помехи. Это особенно важно для сенсоров, работающих в
электрически замкнутой среде.
3) Фаза иммобилизованного реагента не находится в физическом контакте с
оптическим волокном. Это упрощает разработку сенсоров, в которых фазу
иммобилизованного реагента можно легко удалить и заменить новой. На
практике это, очевидно, важно, так как трудно создать достаточно
устойчивую фазу реагента, пригодную для неограниченного использования.
4) Для медицинских исследований in vivo оптические приборы более
безопасны, чем электрические, в частности, потому, что нет опасности
поражения электричеством.
5) В равновесных условиях некоторые определяемые вещества, особенно
кислород, можно детектировать оптически и нельзя электрохимически.
Поскольку после достижения равновесия для "равновесных" сенсоров не
