Биосенсоры: основы и приложения - Тёрнер Э.
Скачать (прямая ссылка):
лабораториях и клинических исследованиях. В случайной выборке из десяти
выпусков Analytical Electrochemistry (СА Selects) за 1985 г. из более чем
1500 рефератов около 600 касается ферментных электродов.
Полярография тесно связана с электролизом (рис. 1.1). Предшественником
полярографического ферментного электрода можно считать ртутный капающий
электрод Гейровского (рис. 1.2) [17]. В годы между двумя мировыми войнами
Гейровский детально исследовал электрохимическую природу поверхности
ртути во взаимосвязи с приложенным потенциалом и химическими реакциями.
Для проведения этой работы из растворов предварительно удаляли воздух,
так как присутствие кислорода создавало заметные помехи в полярографии
(так был назван новый метод) с ртутным
Рис. 1.2. Ртутный капающий электрод [ 17]. Используется обычно в
диапазоне напряжений от +0,4 до - 2,6 В. С платиновыми электродами можно
работать при напряжении от +0,9 до -0,8 В.
Ферментный электрод
13
электродом. Усилия химиков постоянно направлены на расширение
возможностей и повышение селективности этого электрохимического метода. С
точки зрения аналитика наиболее важные достоинства ртутного капающего
электрода - это его теоретическая привлекательность, воспроизводимость
результатов и аналитические возможности, особенно при предварительной
подготовке проб в лаборатории. На рис. 1.3 показано вполне пригодное для
работы, хотя и сложное, устройство, позволяющее адаптировать ртутную
полярографию к определению ферментов. Однако во многих случаях
удивительные преимущества обновляющейся каждые несколько секунд
поверхности ртутного электрода не могут быть использованы, поскольку
жидкая ртуть токсична и неудобна в обращении. В физиологии
предпочтительно проводить определение кислорода с помощью биологически
инертных твердых анодов и катодов. С этой целью испытаны (и все еще
испытываются) многие типы твердых электродов. Обычно выбирают платину,
отчасти потому что платиновую проволоку можно впаять в стекло и таким
образом изолировать. Однако необновляемая поверхность этого электрода
легко загрязняется множеством веществ, содержащихся в крови и тканях. Эти
проблемы рассмотрены в обзоре Дэвиса [13]. Многие из них были решены в
1953 г., когда Кларк и др. [9] предложили покрывать кислородный
платиновый электрод целлофаном. Однако по настоящему новый,
воспроизводимый способ измерения парциального
rnrv^
Рис. 1.3. Аппаратура для изучения действия ферментов [20].
14
Глава I
давления кислорода в тканях, жидкостях и газах был создан только тогда,
когда и платиновый электрод, и серебряный электрод сравнения поместили в
заполненную электролитом микрокамеру, отделенную непроводящей
полиэтиленовой мембраной, проницаемой только для газа [3]. Поскольку для
биологических исследований важно именно определение кислорода, а не ионов
или органических веществ, потенциал можно было поддерживать постоянным.
Во многих биосенсорах для определения кислорода используют сочетание
кислородного электрода Кларка и закрепленных на его мембране различных
ферментов.
На катоде, как правило, происходит необратимое восстановление кислорода,
а на аноде-необратимое окисление субстрата, например пероксида водорода
или аскорбиновой кислоты. В отличие от оптических методов, в
полярографии, как показал Гейровский, приложенный потенциал определяет
химизм протекающих процессов, а сила тока характеризует их количественно.
Таким образом, давление и поток электронов позволяет соответственно
контролировать и измерять протекающие в системе процессы.
О биосенсорах, т. е. сенсорах, включающих биологический материал (рис.
1.4), впервые сообщалось на симпозиуме New York Academy of Sciences в
1962 г. [6]. В этом сообщении было предложено использовать ферментные
преобразователи, "встроенные" в мембраны (так, что получается подобие
сандвича), чтобы сделать электрохимические сенсоры (pH,
полярографические, потенциометрические или кондуктомет-рические) более
совершенными. В результате получились сенсоры, специфически
чувствительные к определенным субстратам, поскольку они детектировали
образование продукта ферментативной реакции или расход одного из
участвующих в этой реакции веществ. Описана, в частности, комбинация
глюкозооксидазы с 02-электродом Кларка для определения глюкозы по убыли
содержания кислорода при превращении глюкозы в глюконовую кислоту и
пероксид водорода.
В принципе существует два типа полярографических сенсоров с ферментным
электродом. В одном случае определяемое вещество взаимодействует с
кислородом в присутствии фермента, и регистрируется изменение давления
кислорода. В другом-
2
1 I
Рис. 1.4. Первый фер ментный электрод [6].
Ферментный электрод
15
фермент превращает определяемый компонент в вещество, к которому
чувствителен сенсор. Назначение фермента - превращение определяемого
вещества из формы, к которой сенсор нечувствителен, в форму, к которой он
чувствителен. Поэтому о ферментном слое стали говорить как о
