Биосенсоры: основы и приложения - Тёрнер Э.
Скачать (прямая ссылка):
разработку сенсоров для определения таких вредных веществ, как оксид
углерода и гербициды. В то же время интересы военных неизменно
сосредоточены на специальных требованиях биологической и химической
защиты.
Цель этой книги состоит в том, чтобы дать читателю углубленное и
исчерпывающее представление о биосенсорах. Участие в монографии большого
числа авторов позволило отдать должное индивидуальным подходам,
исторически сложившимся в данной области. Спорные и неустоявшиеся аспекты
области изложены их главными защитниками. По возможности аргументация
дана ясно и четко и доступна ученым, специализирующимся в различных
дисциплинах; окончательный вывод предоставляется сделать самому читателю.
Какое направление будет доминировать в следующее десятилетие, точно
сказать трудно. Ясно только, что биосенсоры почти наверняка вторгнутся в
жизнь ученых самых разных специальностей.
Крэнфилд, июнь 1986 г.
Энтони П. Ф. Тёрнер
БИОЛОГИЧЕСКИЕ КОМПОНЕНТЫ
Глава 1 Ферментный электрод
Лиланд С. Кларк-младший
Поскольку сама жизнь зависит от непостижимо сбалансированного
специфического переноса электронов между ферментами и субстратами, вряд
ли удивительно, что средства контроля жизненных биохимических клеточных
процессов могут включать сенсоры, состоящие из тех же веществ, которые
участвуют в этих процессах. Как и в прошлом, прогресс в этой области
определяется углубленным пониманием механизмов функционирования
ферментов, возможным синтезом ферментов, более точным контролем переноса
электронов, тесным взаимодействием между электрохимией и физиологией
живых систем.
Важнейшей вехой в развитии биохимии было открытие братьями Бухнерами
процесса брожения в фильтрате дрожжевых клеток, оболочки которых были
разрушены растиранием с песком. Вслед за тем в 1926 г. Самнер сумел
получить кристаллическую уреазу и таким образом показал, что ферменты
имеют явно белковую природу. Для этого магическая роль ферментов
предположительно сводилась к их органическому вплетению в жизненный
процесс. Большинство исследователей полагало, что с ферментами следует
обращаться как со скоропортящимися продуктами, такими, как свежие яйца, и
перед измерениями или использованием их следует хранить на холоде.
Рассматривая ферменты как специфические химические преобразователи,
переводящие определяемое вещество в форму, детектируемую физическими или
химическими методами, удалось придумать и разработать новый класс
сенсоров, для которых характерна чувствительность к биологическим
соединениям. Перспективным путем повышения селективности и
чувствительности и расширения возможностей этих устройств является
комбинирование различных ферментов, например эстераз, дегидрогеназ и
оксидаз с детекторами-полярографическими, кондуктометрическими,
потенциометрическими, акустическими и оптическими. В первых ферментных
электродах ферменты физически удерживались на поверхности сенсора или в
непосредственной близости от нее. Позже были предложены методы химической
иммобилизации, осаждения и другие. Коферменты также физически или
химически закрепляются на поверхности сенсора. Перевод фермента в
нерастворимую форму как способ увеличения его времени жизни позволяют
избежать осложнений, связанных с осмотическими явлениями в коллоидных
растворах, особенно когда в ферментном электроде используется проницаемая
для определяемого компонента мембрана! В идеальном случае ферментный
биосенсор должен работать непосредственно в неразбавленной цельной
крови,' подобно газовым и pH-электродам, в свое время произведшим
революцию в анализе.
В биомедицинских исследованиях широко используют глюкозные и лактатные
электроферментные системы, особенно для быстрого анализа малых проб крови
в виде пятен. Внутрисосудистые биосенсоры могут найти применение в
устройствах для непрерывного контроля состава крови, используемых для
интенсивной терапии в пе-
12
Глава I
Рис. 1.1. Электролиз. На аноде (А) субстрат теряет электроны и
окисляется. На катоде (С) субстрат принимает электроны (е) и
восстанавливается. Приложенный потенциал до некоторой степени
контролирует тип реакций. Принято считать, что ток (i) течет в
противоположном направлении.
Электролиз
диатрии и коронарной медицине. Будущее имплантируемых сенсоров, например
глюкозных электродов для контроля работы инсулиновых насосов и лактатных
сенсоров для контроля водителей ритма сердца и дефибрилляторов, в
значительной степени зависит от того, удастся ли найти способы
стабилизации соответствующих ферментов при температуре тела в контакте с
физиологическими жидкостями. Блестящие перспективы биосенсоров в биологии
и медицине, по-видимому, обусловлены самой их природой. Современный
уровень развития биосенсоров, по-видимому, можно сравнить со стадией
эволюции человека, когда он только что перестал спускаться с деревьев в
сумерках, чтобы поохотиться, и начал возделывать землю при солнечном
свете. Ферменты все шире используют в промышленности, аналитических
