Биосенсоры: основы и приложения - Тёрнер Э.
Скачать (прямая ссылка):
Horwood, Chichester, 1980.
54. Williams A. The controlled release of bioactive agents. Chem. in
Britain, 20, 221-4 (1984).
55. Williams R.J.P., Concur D. Long-range electron transfer. Nature, 322,
213-4 (1986).
56. Wingard L.B., Jr., Shaw C.H., Castner J.F. Bioelectrochemical fuel
cells. Enzyme Microb. Technol., 4, 137-142 (1982).
57. Wiseman A. Handbook of Enzyme Biotechnology (2nd edn.). Ellis
Horwood, Chichester, 1985.
Глава 18
Применение ферментных амперометрических биосенсоров в анализе реальных
объектов
Фридер В. Шеллер, Доротея Пфайфер, Флориан Шуберт, Рейплард Рспнебере,
Дитер Кирштейн
18Л. Введение
Судя по числу публикаций и патентов, а также выпускаемых серийно
анализаторов, амперометрические биосенсоры представляют наиболее развитое
направление разработки биаспецифических электродов. В них объединяются, с
одной стороны, преимущества электродных фарадеевских процессов, например
высокая чувствительность, линейная зависимость сигнала от концентрации,
селективность (за счет работы при разных потенциалах) и независимость от
буферной емкости анализируемого раствора, и, с другой стороны, высокая
субстратная специфичность ферментов или более интегрированных
биокаталических систем, таких, как органеллы, микроорганизмы или срезы
тканей. Принцип действия амперометрических сенсоров заключается в
определении градиента концентрации электроактивного продукта
ферментативной реакции. Поэтому х>ни могут детектировать только
образование или расход участвующих в реакции веществ и не пригодны для
индикации изменений плотности электронов только вследствие образования
комплекса без химического превращения. Более того, использование
амперометрических сенсоров обычно ограничивается катализируемыми
оксидоредуктазами реакциями с участием двух субстратов, поскольку в
окислительновосстановительных реакциях электроны переносятся между двумя
веществами. На скорость таких.реакций влияют концентрации как субстрата,
так и кофактора. Это стимулировало разработку систем, позволяющих снять
ограничения по концентрации кофактора, например систем с вспомогательным
электродом, генерирующим кислород, химически модифицированных медиаторных
индикаторных электродов. Используют также прямой перенос электрона между
белковой простетической группой и редокс-электродом в безреагентном
режиме. В результате не только фермент, но и кофактор в известных
пределах не влияют на показания амперометрических биосенсоров. Кроме
радикального удешевления реагентов наиболее важным преимуществом
амперометрических биосенсоров является значительное упрощение
измерительной аппаратуры: они представляют собой объединенные в одном
блоке диализатор, ферментный реактор и электрохимический детектор (рис.
18.1). Это основная особенность анализаторов на основе амперометрических
биосенсоров.
В амперометрических биосенсорах используют преимущественно реакции,
катализируемые оксидазами. Это связано с простотой электрохимического
детектирования 02 и Н202. Если при превращении молекулы определяемого
вещества не образуется продукта, концентрацию которого легко измерить, то
его можно получить с помощью дальнейшей ферментативной реакции. Такие
последовательные реакции обычно используют при определении сложных
эфиров, олигосахаридов и амидов. В амперометрических сенсорах можно
применять и другие типы сопряженных реакций, основанных на рециклировании
исследуемой молекулы, с тем чтобы "умножить" количество продукта или
устранить влияние мешающих веществ.
В патентах и публикациях описаны амперометрические биосенсоры для
определения
17-1145
258
Глава 18
Рис. 18.1. Объединение диализатора, ферментного реактора и
электрохимического датчика в ферментных электродах.
около 80 различных веществ, включая субстраты, кофакторы, простетические
группы, ферменты, антитела, ингибиторы и активаторы. Диапазон линейности
концентрационной зависимости для этих сенсоров обычно охватывает от двух
до четырех порядков концентрации с пределом обнаружения 1-100 мкМ.
Серийно выпускаются анализаторы с амперометрическими биосенсорами для
определения 11 различных веществ.
Цель этой главы - продемонстрировать возможности и ограничения
использования амперометрических биосенсоров в клинической диагностике,
ферментационном контроле, в пищевой промышленности и для контроля
загрязнения окружающей среды.
18.2. Применение амперометрических биосенсоров
18.2.1. Низкомолекулярные растворимые вещества
К этой группе принадлежит большинство аналитически важных веществ. Ее
типичными представителями являются моносахариды, олигосахариды, спирты,
органические кислоты и аминокислоты. В этой главе будут рассмотрены также
мочевая кислота и креатин, растворимые на уровне микромолей. В
аналитической практике их иногда определяют электроферментативными
методами. В лабораторных анализах амперометрические биосенсоры
используют, кроме того, и для определения неорганических ионов,
обладающих активаторными или ингибиторными свойствами, и просте-тических
