Настоящее и будущее биосенсоров
исло различных биосенсоров, что связано с необходимостью контроля за
содержанием сахара в биологических жидкостях, например в крови, при
диагностировании и лечении некоторых заболеваний, прежде всего диабета.
Схема функционирования биосенсора на глюкозу в принципе типична и для
других амперометрических биосенсоров с аналогичным трансдьюсером. Ток
восстановления кислорода на платиновом катоде прямо пропорционален
концентрации кислорода. В присутствии субстрата (например, глюкозы в крови,
взятой для анализа) ферментативная реакция понижает концентрацию O2.Таким
образом, ток восстановления кислорода уменьшается пропорционально
концентрации субстрата
Преимущество данного типа биосенсора состоит прежде всего в его
высокой селективности. Избирательность подобных биосенсоров определяется
высокой специфичностью глюкозоксидазы и природой электрохимической реакции,
в которой участвуют компоненты ферментативного процесса. В целом класс
ферментов - оксидаз является высокоспецифичным по отношению к определяемым
субстратам. Системы же на основе небиологического преобразователя,
напротив, не столь селективны, как этого бы хотелось, что обусловлено рядом
причин. Тем не менее имеются ограничения и по применению данной конструкции
биосенсора, обусловленные влиянием кислорода и других посторонних веществ,
способных проникать через биослой (точнее, через мембрану), а потому задача
совершенствования конструкций биосенсоров на глюкозу представляется весьма
актуальной.
Один из возможных путей такого усовершенствования заключается в
следующем. Если изменить полярность включения электрода-трансдьюсера в
глюкозном биосенсоре на противоположную, то есть платиновый катод сделать
анодом, то при потенциале +0,6В он становится совершенно нечувствительным
к кислороду, но зато дает отклик на пероксид водорода, который при данном
значении потенциала окисляется до воды. Чувствительность такого электрода к
пероксиду водорода оказалась привлекательной, а поскольку вода образуется
как продукт ферментативной реакции, по его содержанию можно сделать вывод о
концентрации, например глюкозы в различных объектах. Другой способ
улучшения селективности биосенсоров и устранения помех от посторонних
примесей состоит в использовании различных мембран - пленок,
предотвращающих их попадание непосредственно на электрод-преобразователь.
При этом внутренняя мембрана выполняет функцию защиты от примесей, а
внешняя мембрана пропускает субстрат в биослой. Однако необходимо отметить,
что с помощью специальных приемов, называемых химической модификацией,
можно до такой степени изменить свойства поверхности электрода, что он
будет "глухим" к большинству примесей и, напротив, чувствительным к
компонентам ферментативной реакции.
Биосенсоры, основанные на кислородном электроде как физическом
трансдьюсере, позволяют определять разнообразные субстраты ферментов: кроме
глюкозы - лактаты, L-аминокислоты, салицилаты, оксалаты, пируваты, то есть
анионы соответствующих карбоновых кислот. В литературе описаны другие
биосенсоры подобного типа, ряд которых применяется на практике.
С помощью биосенсоров можно решить и обратную задачу: при некоторой
определенной концентрации субстрата оценивать активность собственно
фермента по величине измеряемого сигнала ( потенциала, тока и т. д.). Из
описания работы фермента следует, что измеряемый сигнал зависит не только
от концентрации субстрата, но и от каталитической активности биологического
преобразователя, то есть фермента. Такое использование биосенсоров
позволяет измерить активность большого числа ферментов, например в крови.
Оценка активности ферментов, связанных с сердечной деятельностью, таких,
как аспартамаминотрансфераза, креатинкиназа, позволяет в клинических
условиях оценивать глубину инфаркта миокарда. Измерения активности фермента
амилазы используются в педиатрии.
Биосенсоры на основе других биоматериалов
Многие ферменты дороги и быстро теряют свою активность, использование
выполненных на их основе биосенсоров не может быть экономически
целесообразным. Поэтому применение бактерий, микроорганизмов и
биологических тканей различного происхождения более предпочтительно,
поскольку в данном случае отпадает необходимость в предварительном
получении и очистке ферментов. К существенным недостаткам таких биосенсоров
можно отнести низкую селективность определения вследствие того, что клетки
живых организмов фактически являются источником самых разнообразных
ферментов. Помимо этого время отклика биосенсоров на основе тканей и
микроорганизмов может быть достаточно большим, что также уменьшает их
практическую ценность. Тем не менее в последнее время наблюдается
повышенный интерес к разработке конструкций электродов, содержащих не сами
ферменты в очищенном виде, а их первозданные источники - биологические
материалы. Так, было установлено, что тканевые срезы в биосенсорах могут
выполнять функцию источников каталитической активности. Например, создан
биосенсор на аскорбиновую кислоту, состоящий из платинового электрода и
пластины кожуры огурца или тыквы, служащей источником аскорбиноксидазы.
Активность фермента в такой природной матрице достаточна для проведения 50-
80 определений аскорбиновой кислоты в различных объектах. Установлено, что
пластины биоматериала могут храниться без потери активности в течение года
в 50%-ном глицерине.
Аналогичный подход использовали при создании конструкции биосенсора на
допамин - важнейший биогенный амин, участвующий в регуляции деятельности
мозга. В данном биосенсоре ткань плода банана была иммобилизована на
поверхности кислородного электрода. В рассмотренных случаях биоматериалы
создают "естественное окружение" для ферментов, способствующее стабилизации
их активности. Тканевые материалы достаточно долго сохраняют высокую
специфичность, что очень важно для биосенсора, тогда как выделенные
ферменты в тех же условиях быстро разрушаются. Известны биосенсоры, в
которых использован цельный фрагмент ткани печени быка, являющийся
носителем фермента каталазы и иммобилизованный на кислородном электроде.
Ферментативное действие каталазы, проявляющееся в катализе реакции
разложения пероксида водорода, используют в этом случае для создания
соответствующего электрода. Разработан биосенсор на основе кожуры кабачка
или огурца и кислородного электрода для определения L-аскорбиновой кислоты
во фруктовых соках, функционирующий подобно аналогичному типу электрода,
уже рассмотренного выше. Тем не менее, несмотря на успехи в развитии
биосенсоров на основе биологических материалов, надежность их
функционирования все еще остается спорной. Еще один пример конструкции
биосенсорного устройства относится к ферментному электроду на основе
микроорганизмов - дрожжей, помещаемых между двумя пористыми мембранами.
Биосенсор на основе иммобилизованных дрожжей и кислородного электрода
позволяет определять этанол и метанол, например в промышленных стоках.
Интерес представляют биосенсоры на основе иммобилизованных на мембране
микроорганизмов, служащих элементом так называемого микробного сенсора. В
качестве примера таких устройств можно упомянуть амперометрический сенсор
на аммиак (в сточных водах) на основе иммобилизованных нитрифицирующих
бактерий и кислородного электрода. Такой биосенсор полезен при решении
вопросов охраны окружающей среды, и в частности при контроле степени
очистки промышленных стоков.
Можно отметить также использование биосенсоров на основе гидролаз -
ферментов, являющихся катализаторами гидролитического расщепления
субстратов. Эти биосенсоры предназначаются, как правило, для эколого-
аналитического контроля остаточных количеств пестицидов класса
фосфорорганических соединений, а также для определения некоторых ОВ. Если
при гидролизе какого-либо субстрата ферментом класса гидролаз образуется
электрохимически активное соединение, то, контролируя содержание
последнего, можно контролировать ферментативную реакцию так же, как в
предыдущих случаях. Однако в присутствии веществ, являющихся ингибиторами,
активность фермента уменьшается, что и обнаруживается по сигналу,
регистрируемому электродом. Интересно отметить высокую чувствительность
такого определения: эффект изменения активности фермента доступен для
измерения уже при действии ультраследовых количеств ингибитора - на уровне
пико- и фемтограмм
Проблемы и перспективы развития
Концепция распознавания определяемого вещества с помощью
иммобилизованного биоматериала оказалась плодотворной. В итоге
исследователи приобрели новое средство, позволяющее быстро получить
достоверную информацию о состоянии окружающей среды и здоровья человека.
Некоторые биосенсоры уже получают распространение для индивидуального
использования в домашних аптечках (чаще всего для определения сахара в
крови). Интерес к биосенсорам непрерывно растет. В 1996 году состоялись
четыре крупные международные конференции по биосенсорам.
Если иметь в виду все разнообразие ферментов, присутствующих и
действующих в живом организме и являющихся потенциальными биологическими
преобразователями, то следует отметить, что существующее сегодня число
конструкций биосенсоров может быть
| |  скачать работу |
Настоящее и будущее биосенсоров |
