Биосенсоры: основы и приложения - Тёрнер Э.
Скачать (прямая ссылка):
процесса, по-видимому, не настолько высока и воспроизводима, чтобы
использовать его в реальном приборе. Для облегчения переноса электрона
между глюкозооксидазой и электродом авторы [44] впервые использовали в
качестве электродного материала проводящую соль, образованную катионом N-
метилфенилазиния (NMP + ) и анионом тетрацианохинодиметана (TCNQ ).
Е1едавно Элбери и др. [4, 5] продолжили эту работу, проведя' опыты также
с проводящими солями тетратиафульвалена и хинолина с TCNQ. По данным этих
авторов скорости гетерогенного переноса электрона в таких системах
превышают 10'2 см с"1, а электроды стабильны не менее месяца. Это
показывает, что перенос электрона происходит непосредственно, а не при
помощи медиатора, как предполагали ранее [44]. Приведенные результаты
являются решающим свидетельством в пользу того, что осуществим быстрый
непосредственный перенос электрона с участием глюкозооксидазы. Возможно
также промежуточное окисление Ек электрохимически генерируемым С0 по
реакциям, аналогичным (11.9) и (11.10). Использование медиаторов в этих
целях рассмотрено в этой книге (гл. 14-17).
11.4. Теория формирования амперометрического сигнала ферментного
электрода
Для оптимизации работы электрода важно понять, какие факторы влияют на
его стабильность, динамический диапазон и время отклика. Особое значение
имеет кинетика реакций иммобилизованного фермента. В середине 70-х гг.
развернулась дискуссия о влиянии иммобилизации на свойства фермента. Если
каталитическая активность фермента высока, то вполне возможно, что
скорость всей реакции лимитируется массопереносом к поверхности или слою,
где находится катализатор. В литературе по химической технологии такую
ситуацию характеризуют числом Дамко-лера
V
шах
Г п~]
Км
где Етах - максимальная скорость гомогенной ферментативной реакции; Км-
константа Михаэлиса (предполагается, что ферментативная реакция
подчиняется кинетическому закону Михаэлиса-Ментен). При Da < 0,1 реакция
контролируется каталитическим процессом; при Da > 10-массопереносом. В
работе [54] мы показали, что можно использовать вращающийся дисковый
электрод, чтобы различить эффекты, связанные с кинетикой и
массопереносом, не меняя загрузку фермента. При скорости вращения
144
Глава 11
1600 об/мин график Лайнуивера-Бэка практически линеен; это означает, что
сигнал контролируется кинетически при 1).Л " 0,01. При постоянной
концентрации кислорода (в условиях насыщения раствора воздухом) значения
Кы получаются близкими к значениям Км для растворимого фермента.
Ограничение в скорости массопереноса приводит к увеличению значений Кы,
однако в соответствии с реакциями (11.9) и (11.10) повышенная
концентрация кислорода также ведет к увеличению Км для глюкозы. Эту
взаимосвязь кинетики ферментативных процессов и концентраций потоков
кислорода и глюкозы необходимо принимать во внимание. Роль кислорода как
косубстрата анализируется в недавних теоретических работах [4, 47].
Если бы ферментный электрод функционировал в условиях кинетического
контроля, концентрационная зависимость тока была бы нелинейной, и рабочий
диапазон охватывал бы лишь концентрации в пределах одного порядка.
Однако, как отмечено выше, в таких сенсорах между слоем фермента и
анализируемым раствором находится мембрана. Она создает барьер для
активных частиц, и отклик сенсора пропорционален диффузионному потоку,
который не лимитируется кинетикой ферментативной реакции, пока активность
фермента не становится слишком низкой. Вот почему отклик
амперометрического электрода остается постоянным в течение
продолжительного периода и затем внезапно падает. Как отмечалось в работе
[36], сигнал сенсора не зависит от активности фермента, пока последняя
достаточно высока. Однако активность фермента постепенно уменьшается и со
временем достигает уровня, при котором отклик сенсора становится
контролируемым кинетически и не является более постоянным. Более подробно
теория ферментного электрода и свойства иммобилизованных ферментов
обсуждаются в ряде публикаций [4, 14, 26, 47]. Идеальным был бы случай,
когда используют тонкую мембрану, через которую кислород переносится
лучше, чем глюкоза, и поэтому в реакционном слое он находится в избытке.
Разработка мембран с такими особыми свойствами несомненно будет
благоприятствовать развитию биосенсоров всех типов.
11.5. Электроды и их геометрия
В классических электрохимических работах по анализу биологических сред
использовали ртутный капающий электрод [13]. Однако в последние годы при
разработке биосенсоров выбор пал на твердые электроды из Pt, Au и
различных форм углерода. Основной проблемой при использовании твердых
электродов является получение поверхностей с воспроизводимыми свойствами.
Предварительная обработка электродов, включающая полировку, тепловую
обработку и попеременное наложение на электрод нескольких различных
потенциалов, способствует увеличению как воспроизводимости, так и
величины сигнала электрода. Большинство "голых" электродов, однако, не
