Биосенсоры: основы и приложения - Тёрнер Э.
Скачать (прямая ссылка):
0,05 0,1 0,15 О,г 0,25 0,3 0,35
Концентрация субстрата, мМ
ментах внутренняя емкость системы сначала была исчерпана (заштрихованная
часть рисунка). Система одинаково чувствительна к этанолу и метанолу -
источникам углерода для роста данного микроорганизма. Корреляция между
кулонометрическим сигналом и количеством добавленного этанола или
метанола иллюстрируется рис. 17.6. Прослежен также ход увеличения
напряжения на клеммах элемента (или уменьшения потенциала биоанода) в
течение 30 с после добавления этанола. Зависи-
248
Глава 17
Рис. 17.7. Кинетический сигнал этанольного сенсора. Скорость возрастания
потенциала измеряли через 30 с после добавления субстрата в ячейку. На
врезке приведен график Лайнуивера-Бэрка; (S-концентрация этанола, мкмоль;
V- скорость возрастания потенциала х 100; Ks = 18 мкМ).
мость между скоростью изменения сигнала и концентрацией субстрата
приведена на рис. 17.7. Эта система описывается кинетикой Михаэлиса-
Ментен в диапазоне содержаний этанола 0,05-1,5 ммоль (концентрация
анолита 3,5-105 мкм), и, таким образом, она функционирует как весьма
чувствительный сенсор с достаточно малым временем отклика. Интересно, что
активным началом данного метилотрофного микроорганизма является NAD-
зависимый фермент дегидрогеназа (см. в разделе 17.2 о преимуществах
микроорганизмов как биокатализаторов, пункт е). Этот фермент можно
использовать для селективных определений, поскольку он не окисляет
углеводы (ср. раздел 17.2 о недостатках микроорганизмов, пункт а).
Правда, этот фермент не очень устойчив (там же, пункт б).
17.5. Перспективы развития микробных сенсоров
17.5.1. Общие соображения при конструировании микробных сенсоров
Попытки модифицировать описанный выше биотопливный элемент и превратить
его в удобный на практике датчик предпринимаются во многих лабораториях.
Уменьшение объема сенсора этого типа с 15 до 0,5 см3 сокращает "мертвое"
время (расходуемое на перемешивание и установление равновесия в пористых
электродах) от нескольких минут до 30 с и менее. Логическим продолжением
этого направления является локализация микроорганизмов в небольшом объеме
вблизи электрода.
На рис. 17.8 показано устройство многослойного сенсора в виде обычного
электрода-датчика. Как и в других случаях, выбор конструкции
биотопливного сенсора определяется его назначением - для длительного
пользования или разовых измерений. В сенсорах одноразового действия
рабочую часть датчика обычно выполняют в виде сменного дискового
электрода или другого подобного устройства. Такие датчики привлекательны
простотой конструкции и дешевизной массового производства при
использовании углеродного пленочного покрытия, наносимого на бумагу или
пластиковую основу (эта технология широко применяется при изготовлении
кредитных
От топливных элементов к биосенсорам
249
Рис. 17.8. Предлагаемая конструкция микробного сенсора. 1- спеченная
угольная пластина; 2-пористый уголь; 3 - биоактивный слой: 4 -
фильтрующий слой: 5-защитная мембрана.
карточек). Миниатюризованный вариант биотопливного сенсора в сочетании со
сменным датчиком удобен для клинического использования. При этом можно
отобрать пробу, например крови, и провести анализ ex vivo, что исключает
какую-либо возможность загрязнения компонентами сенсора (главную
опасность с точки зрения токсичности представляют микроорганизмы и
медиатор). В гл. 23 настоящей книги описан глюкозный датчик игольчатого
типа.
17.5.2. Конструирование биоактивных слоев
Упрощенная схема, приведенная на рис. 17.8, очевидно, дает лишь
приблизительное представление о возможностях конструирования биосенсоров.
Различные конфигурации ферментных сенсоров рассмотрены, в частности,
Шеллером и сотр. [44]. Особое внимание авторы уделяют характеристикам
биоактивного слоя, являющегося важнейшей рабочей частью биосенсора. Одной
из главных целей при разработке прототипа микробных сенсоров было
выяснение того, что происходит в таком активном слое, содержащем
биокатализатор, медиатор(ы) и другие необходимые компоненты. В свете этих
экспериментальных исследований состав и структуру слоя в каждом
конкретном случае можно модифицировать оптимальным образом. Ниже
обсуждаются некоторые направления в конструировании активных слоев.
17.5.3. Иммобилизация микроорганизмов
Разработано много различных методов иммобилизации микроорганизмов [15].
Наиболее подходящими для удержания микроорганизмов на электроде или в
непосредственной близости от него являются следующие:
17.5.3.1. Адсорбция. В отсутствие связующего агента микроорганизмы
довольно прочно связываются с поверхностями абсорбентов, в том числе
углерода, хотя и в разной степени [53]. К недостаткам этого простого
подхода относится то, что количество связанной биомассы трудно
контролировать и что изменения pH, ионной силы и т. п. могут приводить к
десорбции.
17.5.3.2. Физическое удерживание. В пористом электроде микроорганизмы
можно физически удерживать с помощью геля, например альгинатного,
