Биосенсоры: основы и приложения - Тёрнер Э.
Скачать (прямая ссылка):
-----------ч Раствор А
Мембранный
потенциал
I______________________________________
Раствор Б
Электрод
Расстояние
проницаемых мембран являются pH-стекло, кристаллы фторида лантана,
легированные ионофорами пленки из ПВХ. Редокс-электроды изготавливают,
как правило (хотя и не обязательно), из благородных металлов, и они
проявляют нернстовскую зависимость потенциала от отношения концентраций
окисленных и восстановленных частиц в исследуемом растворе. Выбор Pt, Au
и Ag в качестве электродных материалов обусловлен тем, что эти металлы
хорошо проводят ток и в то же время химически инертны. Из сказанного выше
непосредственно следует, что для любой редокс-пары измеряемые потенциалы
не должны зависеть от материала электрода. На практике это, однако, не
всегда соблюдается, о чем свидетельствует предостережение Адамса [1]
относительно использования электродов из благородных металлов: "Один из
бесспорных выводов из методологии использования платиновых электродов
(большая часть сказанного далее относится и к электродам из золота и
вообще благородных металлов) заключается в том, что почти всегда для
получения воспроизводимых результатов предварительную обработку электрода
следует проводить дважды".
При публикации результатов электрохимических измерений с помощью редокс-
электродов принято сообщать методическую информацию о состоянии
индикаторного электрода. Она включает в себя сведения о методике очистки
поверхности электрода, чистоте раствора и молекулярном строении
поверхности (т. е. является ли материал поли- или монокристаллическим).
Ниже приведен пример, показывающий влияние способа обработки поверхности
платины на потенциометрический сигнал ряда редокс-электродов на основе
глюкозооксидазы. Влияние предварительной обработки может быть обусловлено
тем, что на поверхности благородного металла или другого электродного
материала (например, стеклоуглерода) имеются электрохимически активные
функциональные группы. Присутствие этих частиц может сказываться на
правильности и воспроизводимости результатов соответствующих редокс-
измерений.
Аналитическая применимость редокс-электродов зависит также от выбора
электрода сравнения. Это, однако, относится не только к редокс-датчикам,
но и к датчикам на основе ИСЭ. Глубокая проработка этого вопроса выходит
за рамки данного раздела.
Потенциометрические биосенсоры
133
Рис. 10.3. Распределение потенциала в редокс-электродной системе. 1 -
индикаторный электрод; 2-электрод сравнения с внутренним раствором
электролита; 3 - пористая пробка (жидкостное соединение); 4- редокс-пара
в растворе (отношение концентраций окисленной и восстановленной форм
определяет потенциал); 5-потенциометр.
Г- 5
[Ох] / [Red]
Индикаторный. 'О
электроо
¦ Гоаница раздела фаз
Раствор
Жидкостное
соединение
К Электрод срсизненил
Расстолние
Роль электрода сравнения схематически показана на рис. 10.3. Как видно,
исследуемый раствор отделен от внутреннего электролита электрода
сравнения жидкостным мостиком. В этом мостике, включающем обычно пробку
из пористого стекла, может возникнуть градиент концентрации ионов и,
соответственно, разность потенциалов. Величина этого потенциала
определяется процессом диффузии заряженных частиц и со временем меняется.
В эксперименте диффузионные потенциалы, возникающие в жидкостном мостике,
можно контролировать двумя способами. Во-первых, можно подобрать такие
ионы по обе стороны жидкостного соединения, чтобы отношение
заряд/подвижность для всех из них было одним и тем же. Второй способ-
градуировка электрода сравнения в стандартном растворе. Теория
электродных жидкостных соединений детально рассмотрена в работах [2, 9] и
имеющихся в них ссылках. Таким образом, биосенсоры на основе редокс-
электродов имеют те же ограничения, что и системы с ИСЭ. Однако в случае
редокс-систем имеется дополнительное ограничение, связанное с
недостаточностью сведений о взаимосвязи химии поверхности электрода и
наблюдаемых потенциалов. С другой стороны, редокс-электроды могут иметь
меньшее время отклика, поскольку отсутствует массоперенос через границу
раздела. Кроме того, обычно редокс-электрод имеет более низкое
электрическое сопротивление, чем типичный ИСЭ, поэтому для него требуется
недорогое измерительное оборудование, т. е. приборы с низким входным
импедансом. Редокс-системы менее селективны и, следовательно, имеют более
широкий диапазон приложений.
10.2. Примеры биосенсоров на основе редокс-электродов
В принципе существуют два подхода к созданию потенциометрических
биосенсоров на основе редокс-электродов: можно конструировать либо
биокаталитическую поверхность, либо блокированную границу раздела. В
качестве примеров биокатализа на
134
Глава 10
поверхностях редокс-электродов можно привести работы с глюкозооксидазой
[3, 11], глицериндегидрогеназой [4] и уреазой [8]. В системе с
блокированной границей раздела можно использовать комплекс антитело -
антиген, который служит промежуточным звеном для передачи
