Биосенсоры: основы и приложения - Тёрнер Э.
Скачать (прямая ссылка):
молекулярно-ситовых эффектов. Во-вторых, наличие мембраны относительно
большой толщины (50 1000 мкм) создает дополнительный диффузионный барьер.
В случае слишком толстой мембраны время отклика сенсора может заметно
возрасти (до 5-10 мин). Однако такая мембрана имеет и преимущества,
поскольку сигнал сенсора не зависит от движения (перемешивания)
анализируемого раствора (внешнедиффузионный член уравнения (11.1)
становится много больше внутридиффузионного).
В настоящее время свойства мембран, используемых для изготовления
электрохимических сенсоров, вызывают значительный интерес. Традиционно
скорость переноса частиц через мембрану измеряют, помещая ее между двумя
перемешиваемыми растворами с разными концентрациями исследуемого
вещества. Если известна толщина мембраны, то по результирующему потоку
между двумя отделениями ячейки можно рассчитать коэффициент диффузии.
Однако условия перемешивания далеко не всегда хорошо определены. Для
изучения мембранного транспорта недавно был использован вращающийся
дисковый электрод с нанесенной на него мембраной [28 30]. Вращая электрод
с разной скоростью, можно изменять отношение скоростей внешней и
внутренней диффузии (проницаемость). Стационарный поток через мембрану
измеряют, проводя электролиз диффундирующих частиц на электроде,
контактирующем с внутренней стороной мембраны. Тогда результирующий ток
id определяется выражением
1
1л - h
1 + с, /1\,
(11.5)
Принципы работы амперометрических сенсоров
141
где /Ь"Ток в отсутствие мембраны. Сигнал определяется проницаемостями
раствора Ps = D/8 и фазы мембраны Рм = uDM/5M. Отношение этих величин
Р%/7*м называется числом Био. Массоперенос в системе, таким образом,
определяется коэффициентами диффузии в растворе и мембране, толщиной
мембраны и коэффициентом распределения электроактивных частиц s между
мембраной и раствором а = [s]mem/[s]sol. В данном виде метод вращающегося
диска применим только к электроактивным частицам, но в случае биосенсоров
обычно именно такие частицы представляют интерес. В ряде работ показано,
что электроды, покрытые отрицательно заряженной мембраной путем
погружения в раствор полимера, например ацетилцеллюлозы [55, 62] или
Nafion(tm) [25, 49], эффективно и избирательно задерживают анионные частицы.
Это существенно облегчает детектирование пероксида водорода и
положительно заряженных нейроактивных частиц на фоне высоких концентраций
эндогенных солей аскорбиновой или мочевой кислот.
11.3. Гетерогенный перенос электрона
В последнее десятилетие достигнут значительный прогресс в использовании
амперометрических методов для углубления представлений о свойствах и роли
биологически важных веществ. К ним относятся низкомолекулярные вещества,
такие как хиноны, катехоламины, пурины, флавины, тиолы и дисульфиды, а
также белки, например цитохромы, ферредоксины и флавопротеины. Все эти
вещества участвуют в биологически важных окислительно-восстановительных
реакциях. Для более детального ознакомления с этим вопросом рекомендуем
несколько монографий [19, 20]. В водном растворе с pH 7 имеется в
диапазоне приложенных потенциалов "окно" приблизительно от + 1,0 до - 0,6
В (относительно нормального водородного электрода, н. в. э.), в котором
концентрацию определяемого вещества можно контролировать
электрохимически, если оно электроактивно при этих потенциалах. Основные
проблемы при этом связаны с загрязнением электрода белками и образованием
на его поверхности пленки из продукта (продуктов) реакции с переносом
электрона. Значительный интерес представляет окисление восстановленного
никотинамидадениндинуклеотида (NADH), служащего субстратом или кофактором
во многих важных для анализа ферментативных реакциях. Электрохимическое
окисление NADH протекает с трудом, причем образующийся продукт
адсорбируется на электроде [11]. Для этой и других систем делались
многочисленные попытки модифицировать электрод тепловой обработкой [57,
65], либо внедряя в поверхностный слой частицы металла [41, 64], либо
адсорбируя на поверхности или прикрепляя к ней химический модификатор
[58]. По-видимому, появление на поверхности функциональных
кислородсодержащих групп облегчает перенос электрона. По данным Гортона и
др. [27], адсорбция мелдолового голубого (7-диметиламино-1,2-
бензфеноксазина) на графите способствует промежуточному переносу
электрона вследствие образования комплекса с переносом заряда. При этом
наблюдаются более низкие потенциалы окисления. Хотя для NADH и других
систем получены обнадеживающие результаты, модифицированные электроды
обычно недостаточно стабильны для использования их на практике. Тем не
менее эта область исследований имеет большое значение для развития
биосенсоров.
Еще больше неясности в случае электроактивных белков. В обычных условиях
подавляющее большинство белков не обнаруживает электроактивности, даже
если известно, что в белковой молекуле имеются центры переноса электрона.
Видимо, существуют три различных объяснения этого факта. Во-первых, белок
