Потенциометрические биосенсоры

 

1. Введение

Методы электроаналитической химии нашли широкое использование в изучении ферментативных реакций, в том числе для определения субстратов и ингибиторов ферментов. Именно электрохимические преобразователи составляют основу большинства биосенсоров – специализированных аналитических устройств, в которых биологический компонент интегрирован вместе со средством измерения в единую систему. Популярность электрохимических методов обусловлена следующими обстоятельствами:

- электрохимические методы используют стандартную элементную базу и средства измерения – вольтамперографы, иономеры, стеклянные рН-метрические электроды, кислородные электроды Кларка и т.д., имеющиеся практически в каждой лаборатории. Это позволяет сократить затраты на предварительной стадии исследований, унифицировать измерения и в перспективе - интегрировать биохимические методы анализа в существующие системы автоматического и полуавтоматического контроля;

- детально разработанная теория электродный реакций и методов электроанализа облегчает рассмотрение закономерностей формирования аналитического сигнала с помощью ферментных электродов;

- методы электроанализа универсальны, часть их (определение рН, концентрации растворенного кислорода и пероксида водорода) может быть использована для определения активности не одного, а целого ряда ферментов в одних и тех же условиях измерения;

- электрохимические методы предоставляют свои специфические возможности улучшения аналитических характеристик ферментативных методов в целом и совершенствования конструкции биосенсоров на основе иммобилизованных ферментов (сорбция биологического компонента при контролируемом потенциале, использование подходов электрокатализа, гомогенного переноса электрона и т.д.).

Основу электрохимических методов измерения сигнала составляют процессы переноса заряда на границе раздела фаз. Даже если фермент находится в растворе или используется растворимый медиатор электронного переноса, измерение сигнала – потенциала, тока, электропроводности, фарадеевского импеданса,  -  всегда связано с изменением состояния поверхности используемого преобразователя. Этим электрохимические методы принципиально отличаются от оптических – флюорометрического, фотометрического, где сигнал обусловлен изменениями, происходящими в объеме раствора. При этом оптические и электрохимические методы могут решать одни и те же задачи. Например, можно регистрировать изменение окислительно-восстановительных свойств раствора фотометрически, используя окрашенные редокс-индикаторы, и с помощью специального редокс-электрода и иономера.

Гетерогенный характер формирования сигнала имеет свои преимущества и ограничения. Например, с ним связана возможность создания электрохимического сенсоров, когда граница раздела фаз (электрод-раствор) является в то же время местом локализации фермента. В ряде случаев процессы массопереноса на границе раздела фаз позволяют существенно улучшить аналитические характеристики определения компонентов ферментативной реакции. Примером могут служить сорбционное концентрирование определяемого компонента или его селективный перенос к ферменту через вспомогательную мембрану. К потенциальному ограничению электрохимических методов следует отнести неизбежность стадии массопереноса реагентов на границе преобразователь – раствор. Она может привести к общему увеличению продолжительности измерения или уменьшению его чувствительности. Подобное явление, называемое диффузионным ограничением (или торможением) ферментативной реакции, будет подробно рассмотрено ниже, когда речь пойдет об иммобилизованных ферментах, но в ряде случаев его приходится учитывать и для процессов, протекающих в объеме раствора.

 

| Дальше |