Биосенсоры: основы и приложения - Тёрнер Э.
Скачать (прямая ссылка):
последнее время внимание исследователей сосредоточено, на использовании в
качестве медиатора ферроцена и его производных, главным образом из-за
того, что растворимость и электрохимические свойства этих соединений
можно изменять в желательном направлении с помощью заместителей.
Нерастворимые ферроцены применяли при конструировании ферментного
глюкозного сенсора [14], хотя остаются некоторые неясности в механизме
действия этих медиаторов. Так, особое внимание уделяется диффузии катиона
окисленного ферроцена от электрода, однако не понятно, каким образом
нерастворимая нейтральная форма медиатора переносит электроны к электроду
после восстановления катиона ферментом.
17.3.3. Электрохимические аспекты
17.3.3.1. Принцип действия микробных сенсоров. Сенсоры непосредственного
действия, работающие в амперометрическом режиме, имеют явные преимущества
перед аналогичными потенциометрическими сенсорами. Работоспособность
сенсора, естественно, зависит от скорости установления равновесного
стационарного потенциала и тока электрода в присутствии медиатора. При
введении субстрата генерация электронов микроорганизмами приводит к
увеличению концентрации восстановленного медиатора (и, следовательно,
изменению редокс-соотношения), что в свою очередь вызывает сдвиг
потенциала и прохождение тока через внешнюю нагрузку. При соответствующем
выборе сопротивления нагрузки и концентрации компонентов
амперометрический сигнал можно измерять в стационарных условиях, а
деполяризующее действие микроорганизма становится субстрат-зависимым.
Пределы чувствительности, точность и время отклика такого сенсора будут
определяться величиной тока, получаемого при данных количествах клеток
микроорганизма и субстрата. Кроме рассмотренных биологических факторов
ток сенсора будет зависеть от эффективности реакции переноса электрона на
каждом конце процесса: а) переноса электронов от его источника в
микроорганизме к медиатору; б) переноса электронов от медиатора к
базовому электроду. На обе эти реакции влияют ограничения, связанные с
электрохимической активацией и массопереносом. Они могут приводить к
значительной поляризации и низкой эффективности работы элемента.
17.3.3.2. Поляризационные эффекты. Рассмотрим вначале процесс
восстановления (раздел 17.3.3.1, а). Важным условием быстрого
установления потенциала является быстрое проникновение медиатора в клетку
и из нее, как и в случае микробного топливного элемента. Если быстрое
проникновение не обеспечивается, одна из этих стадий может стать
скоростьопределяющей, и сенсор будет давать отклик весьма медленно. (В
неблагоприятных случаях, когда оболочка клетки менее проницаема,
От топливных элементов к биосенсорам
245
сенсор можно несколько улучшить, используя более сложные медиаторные
системы; см. раздел 17.5). Поскольку скорость проникновения медиатора
зависит от концентрации, имеет смысл поддерживать потенциал системы
постоянным с помощью потен-циостата (как показано в приведенном ниже
примере) так, чтобы концентрации восстановленной или окисленной формы
медиатора не становились слишком малыми, а редокс-отношение не
приближалось к предельным значениям. Измеряемый ток также не должен быть
настолько большим, чтобы выводить избыточные количества медиатора из
реакционной зоны, поскольку это может вызывать нежелательный эффект
концентрационной поляризации.
Предположим, например, что создан сенсор, в котором используется 1 мг
(сухой вес) микроорганизмов и 0,1 мл 1 мМ раствора медиатора
(одноэлектронного окислительно-восстановительного агента). Таким образом,
система содержит 10"7 моль медиатора, и с учетом числа Фарадея F = 105
Кл/моль для полного восстановления медиатора требуется количество
электричества 10"2 Кл. Эксперименты показывают, что в присутствии
медиатора многие активные микроорганизмы способны поддерживать токи до
100 мкА/мг, что эквивалентно 10"4 Кл/с, и, таким образом, они
сравнительно слабо влияют на концентрацию медиатора. В такой системе
субстрат (например, глюкоза) удаляется из анализируемого раствора со
скоростью порядка 10 нмоль/с, так что при времени измерения, скажем 0,5-5
мин, анализ является по существу неразрушающим.
Изучение проницаемости липидных мембран клеток показывает, что ни вход,
ни выход медиатора в равной мере не должны быть лимитирующими процессами
при миллимолярных его концентрациях [4]. На практике в благоприятных
случаях быстрое восстановление медиатора само по себе приводит к быстрому
отклику чувствительного элемента сенсора. В топливных элементах
наблюдаемое время отклика обычно составляет 0,5-5 мин, причем оно может
быть значительно сокращено в устройствах, в которых медиатор локализован
на поверхности электрода или вблизи нее. В таких электродах
скоростьопределяющей стадией может быть поглощение субстрата
микроорганизмами, которое часто протекает очень быстро и не представляет
проблемы. Интересно отметить, что в топливном элементе поглощение глюкозы
