Биосенсоры: основы и приложения - Тёрнер Э.
Скачать (прямая ссылка):
adenosine diphosphate with quinones and modified quinone electrodes.
Anal. Chem., 50, 1315-18 (1978).
79. Von Karman T. Uber laminare und turbulente Reibung. Z. Angew. Math.
Mech., 1, 233-52 (1921).
80. Zinger B., Miller L. L. Timed release of chemicals from polypyrrole
films. J. Amer. Chem. Soc., 106, 6861-3 (1984).
Глава 14
Изучение ферментативных реакций, используемых в медиаторных биосенсорах,
методом циклической вольтамперометрии
Грэм Дэвис
14.1. Введение
Во многих биосенсорах в качестве катализатора окисления субстрата
применяют оксидазу [6]. До сих пор попытки подвергнуть образующийся
комплекс восстановленного фермента с кофактором быстрому прямому
электрохимическому реокислению были фактически безуспешными; поэтому для
переноса электрона с каталитического центра на электрод необходимы
акцепторы электронов. Чаще всего используют кислород, поскольку он
является природным акцептором электрона для многих ферментов и обычно
присутствует в анализируемом растворе (гл. 1 и 18).
В последнее время предпринимаются попытки заменить кислород
нефизиологическими акцепторами электрона (медиаторами), иммобилизованными
на поверхности электрода или в ферментном слое (гл. 15 и 16). В пользу
этого подхода говорят результаты исследований электродов с покрытием из
редокс-частиц, удерживаемых благодаря адсорбции, образованию полимерного
слоя или ковалентному присоединению ([3, 22], гл. 13). Применительно к
амперометрическим биосенсорам это сулит некоторые преимущества. Например,
при использовании медиатора с низким окислительно-восстановительным
потенциалом электрод может функционировать при более низком потенциале,
чем требуется для определения пероксида водорода [7]. Таким путем можно
уменьшить мешающее влияние посторонних электроактивных частиц, обычно
присутствующих в биологических препаратах. Стабильность работы биосенсора
можно также повысить, поддерживая постоянной концентрацию акцептора
электронов, удерживаемого в ферментном слое. Тем самым устраняется
проблема, характерная для кислород-зависимых биосенсоров, у которых
колебания давления кислорода влияют на сигнал электрода. Таким образом,
амперометрические биосенсоры с иммобилизованными медиаторами вполне могут
конкурировать с системами, детектирующими Н202 [24, 26, 27].
При выборе подходящего медиатора для амперометрического биосенсора весьма
полезным может оказаться метод постояннотоковой циклической
вольтамперометрии. Этот метод позволяет установить многие важные свойства
медиатора. Обычно желательно, чтобы медиатор имел низкий окислительно-
восстановительный потенциал и высокую константу скорости
электрохимической реакции. Последнее условие связано с тем, что сигнал
биосенсора не должен лимитироваться кинетикой электродных процессов. Оба
параметра можно определять с помощью одноимпульсной циклической
вольтамперометрии. По изменению формы вольтамперных кривых во времени
можно оценивать также стабильность медиатора в зависимости от pH,
давления кислорода, присутствия ингибиторов и мешающих примесей. Еще
более важно, что метод дает качественную и количественную информацию об
электрохимически сопряженных ферментативных реакциях, на которых основано
функционирование медиаторных амперометрических биосенсоров.
204
Глава 14
14.2. Постояннотоковая циклическая вольтамперометрия
Постояннотоковая циклическая вольтамперометрия основана на поддержании на
рабочем электроде заданного потенциала, измеряемого относительно
электрода сравнения и устанавливаемого пропусканием тока между рабочим и
вспомогательным электродом [4]. Для реализации метода требуется
потенциостат с генератором импульсов треугольной формы и двухкоординатный
осциллограф или самописец для регистрации вольтамперных кривых. В опытах
обычно используют ячейку, содержащую рабочий электрод (изготовляемый из
золота, платины или угля) диаметром 2-4 мм, противоэлектрод в виде
платиновой сетки и насыщенный каломельный электрод (н. к.э.) в качестве
электрода сравнения [11]. Так как скорость ферментативных реакций зависит
от температуры, эксперимент лучше всего проводить в термо-статируемых
условиях.
В циклической вольтамперометрии на неподвижный электрод в
неперемешиваемом растворе налагают развертку потенциала, характеризуемую
постоянной скоростью и некоторыми пределами, и регистрируют ток как
функцию потенциала (рис. 14.1). Работу можно вести как в одноимпульсном
режиме, когда развертку потенциала проводят однократно, так и в
непрерывном циклическом режиме.
Измеряемый ток имеет две компоненты: нефарадеевскую, обусловленную
перераспределением заряженных и полярных частиц на поверхности электрода,
и фарадеев-скую, связанную с обменом электронов между электродом и
частицами в растворе. Когда скорость переноса электрона (при потенциалах,
достаточных для окисления или восстановления) велика, фарадеевский ток
лимитируется скоростью диффузии частиц к электроду. Отсюда, при обратимом
восстановлении редокс-частиц О по реакции
