Биосенсоры амперометрические

Рис. 14.2. Схема амперометрического биосенсора

Другим перспективным направлением в разработке амперометрических биосенсоров является создание устройств, основанных на иммунологических реакциях. Принцип иммунного анализа заключается во взаимодействии исследуемого вещества, называемого антигеном (АГ), со специфически связывающимся с ним антителом (АТ) с образованием комплекса АГ -АТ. При фиксированной концентрации антитела (антигена) равновесное отношение концентраций связанного и свободного антигена (антитела) зависит от его общей концентрации. Таким образом, неизвестную концентрацию антигена (антитела) можно определить при помощи фиксированного количества меченых антител (антигенов). Для этого антиген или антитело метят ферментами. Разработанные к настоящему времени иммуноферментные амперометрические датчики можно классифицировать следующим образом [c.506]

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 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. [c.203]

За последние двенадцать лет модифицированные электроды были настолько хорошо изучены, что сейчас появилась возможность конструировать поверхность раздела электрод/раствор, применяя хорошо отработанные методы синтеза. Существенным моментом в проектировании биосенсоров является создание методов контроля молекулярной структуры поверхности электрода, с помощью которых можно приспособить электрод к конкретной биологической системе. Этот подход особенно интересен при разработке амперометрических биосенсоров, поскольку обычные металлические электроды, как правило, малопригодны для вольтамперометрических измерений в системах, где происходит прямое окисление или восстановление ферментов или коферментов. Для дальнейшего развития этого подхода необходимы некоторые данные о свойствах модифицированного электрода и его взаимодействии с субстратом. В этой главе рассматриваются различные методы исследования модифицированных электродов. Однако вначале мы остановимся на способах модификации электродов и теоретических моделях, используемых для описания их свойств. [c.174]

Одним из перспективных направлений в использовании ХМЭ является модифицирование их соединениями, которые ускоряют перенос электронов с электрода на деполяризатор (или наоборот). Указанные соединения выполняют роль медиаторов сначала они принимают (или отдают) электроны от электрода, а затем участвуют в быстрых редокс-реакциях с определяемым компонентом. Эти реакции широко используются в амперометрических ферментных биосенсорах, поскольку многие ферменты являются редокс-медиаторами. Разработаны способы иммобилизации хинонов, органических и неорганических ионов, редокс-красителей, ферментов. На сегодняшний день одним из лучших медиаторов является ферроцен - Г] -бис(циклопентадиенил)железа. С электрохимической точки зрения ферроцен представляет собой классическую редокс-пару ( ° = 165 мВ относительно НКЭ), на физические и химические свойства которой можно влиять, вводя заместитель в любое из колец молекулы. [c.487]

По конструкции и принципу действия амперометрические биосенсоры аналогичны потенциометрическим биосенсорам (раздел 6.4), однако о концентрации определяемого компонента в этом случае судят по изменению тока, а не потенциала. В зависимости от природы определяемого вещества применяют датчики различных типов. Диапазон линейности концентрационной зависимости для амперометрических биосенсоров охватывает от двух до четырех порядков с нижней границей определяемых содержаний от [c.499]

Описаны многочисленные конструкции потенциометрических и амперометрических холинэстеразных биосенсоров [84 . В частности, интерес представляст потенциометрическая система на основе двух платиновых электродов. Измеряемой величиной является потенциал одного из элекфодов, который служит анодом В ячейку вносят раствор бутирил-тиохолиниодида (0,002 моль/л) с pH 7,4. При введении в раствор аликвоты пробы, содержащей холинэстеразу, потенциал анода понижается, причем скорость его изменения АЕ/А1 зависит от природы фермента и концентрации фосфорорганических веществ (систокс, паратион, зарин и др.) в растворе. Пределы обнаружения составляют для зарина - 0,0002, систокса - 0,01 и паратиона - 0,18 мкг/мл. Погрешность определений - [c.293]

Характер ферментативной реакции зависит от природы фермента, типа его каталитического действия. Среди ферментов, применяемых в амперометрических биосенсорах, особое место занимают оксидоредуктазы, катализирующие реакции окисления и восстановления. Наряду с ними применяются гидролазы, катализирующие гидролиз, трансферазы, вызывающие перенос ацильных, гликозидных остатков и др. Многие ферменты сейчас доступны, их чистые препараты включены в каталоги фирм-производителей. [c.500]

Если обратить полярность классического амперометрического кислородного электрода и превратить его в анод с положительным потенциалом около 0,6 В, то он становится совершенно нечувствителен к кислороду, но зато дает отклик на пероксид водорода, который окисляется до воды. На платиновом аноде окисляется также аскорбиновая кислота, однако лишь немногие другие вещества присутствуют в физиологических жидкостях в количествах, достаточных чтобы влиять на ток в области, соответствующей катодному току кислородного электрода. Чувствительность этого анода к пероксиду водорода казалась привлекательной, но поскольку каталаза имеется почти всюду, биосенсор для определения пероксида водорода не представляет особой ценности, за исключением случаев измерения активности каталазы или пероксидазы. Поэтому считалось, что белки только загрязняют поверхность платины. Так, первое в моей практике использование платинового катода было связано с настоятельной необходимостью удержать белки и клетки крови вдали от поверхности платины. Думаю, что размышления о том, как уберечь платиновый анод от каталазы, и привели меня к идее использовать одну и ту же мембрану для того, чтобы одновременно удерживать каталазу вдали, а другие ферменты (все они представляют собой белки с большими молекулами) вблизи платины. В первом ферментном электроде фермент помещался, как начинка сандвича, между двумя мембранами, поскольку все еще опасались загрязнения поверхности платины белками и коферментами. Но я также добавлял фермент непосредственно в электролит между анодом и катодом, и электрод хорошо работал при определении глюкозы. [c.15]

Самым распространенным в настоящее время является амперометрический биосенсор на основе иммобилизованной глюкозоксидазы для определения сахара в крови. В качестве трансдьюсера в нем используется электрод Кларка. Избирательность подобных биосенсоров обеспечивается высокой специфичностью глюкозоксидазы, которая катализирует окисление глюкозы до глюконовой кислоты. При этом ток восстановления кислорода уменьшается пропорционально концентрации субстрата [c.500]

ТАБЛИЦ А 14.1. Ферментные биосенсоры с амперометрическим детектированием [c.501]

ТАБЛИЦА 14.2. Амперометрические биосенсоры на основе растительных тканей [c.505]

Применяются самые разнообразные физические трансдьюсеры электрохимические, оптические, термические, пьезоэлекфические, акустические и т.д. В настоящее время наиболее широко используются биосенсоры с электрохимическими преобразователями. Одни из них представляют собой специальный электрод, на который нанесен слой биоматериала, а другие регистрируют ток электрохимической реакции одного из участников ферментативного процесса на поверхности электрода. Первые относятся к потенциометрическим сенсорам, а вторые - к амперометрическим. Функционально биосенсоры сопоставимы с биорецепторами, которые преобразуют реакцию живых организмов на воздействие окружающей среды в электрические сигналы [c.292]

В зависимости от измеряемого параметра, характеризующего чувствительность датчика к определенному компоненту, выделяют электрохимические (потенциометрические, вольтамперометрические, амперометрические, кулонометрические, кон-дуктометрические), оптические (спектрофотометрические, люминесцентные), чувствительные к изменению массы (пьезоэлектрические и акустико-поверхностно-волновые), магнитные и термометрические датчики. Дополнительная классификация химических сенсоров проводится по определяемому компоненту пробы. Соответственно сенсоры делятся на ионные, молекулярные, газовые, биосенсоры, включая ферментативные и иммуносенсоры. Учитывая сложность классификации (полная классификация и история создания сенсоров может быть найдена в работе [330]) и разнообразие химических сенсоров, в данной главе представлены лишь отдельные группы сенсоров, в которых существенную роль играет модифицирование поверхности неорганических носителей. [c.468]

В предложенном в работе [44] тканевом биосенсоре, селективном к допамину, тонкий слой мякоти банана физически иммобилизуют на поверхности амперометрического кислородного электрода. Реакции, протекающие на электродной поверхности, приведены на рис. 3.10. Ток электрода определяется расходом кислорода в данной последовательности реакций и, следовательно, пропорционален концентрации допамина. [c.51]

В обзоре [84] рзссмотрекы типы биосенсоров, амперометрический отклик которых обусловлен восстановлением тиолов, образующихся при гидролизе тиохолина. Они позволяют определять в основном обратимые ингибиторы Основной недостаток указанных датчиков - пассивация рабочей поверхности при взаимодействии материала электрода с серосодержащими органическими соединениями [c.295]

Амперометрическое детектирование находит широкое применение при анализе биологических сред. В оптимальных условиях метод позволяет определять концентрации до 10 -10 М, при этом величина сигнала варьируется в пределах трех-четырех порядков. В связи с биосенсорами имеет смысл рассмотреть основные особенности амперометрии и их влияние на сигнал детектора. [c.138]

Глава 16 Конструирование медиаторных амперометрических биосенсоров [c.226]

Вторая фуппа холинэстеразных биосенсоров представляет собой амперометрические датчики. Индикаторной реакцией, генерирующей аналитический сигнал, является электрохимическое окисление или восстановление продуктов ферментативного гидролиза на поверхности электрода Данные биосенсоры отличаются быстродействием (время измерения 12-15 с) и более высокой чувствительностью по сравнению с потенциометрическими устройствами. При этом обеспечивается постоянство отклика в широком диапазоне концентраций определяемых компонеигов. [c.293]

Амперометрические биосенсоры на основе иммобилизованной холинэстеразы представляют собой устройства, позволяющие огфеделять токсичные вещества на более низком уровне, чем в случае потенциометрических датчиков. Можно вьщелить два принципиальных подхода к конструированию амперометрических биосенсоров использование синте-294 [c.294]

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 Н2О2 [24, 26, 27]. [c.203]

За ходом иммунохимической реакции образования комплексов АТ-пестицид можно следить также с помо1цью амперометрического биосенсора на основе иммобилизованной холинэстеразы При этом возможно определение до К) моль/л 2,4-Д кислоты (Ш]. Аналитическим сигналом служит пик на вольтамперофамме при -0,55 В. Его величина зависит не только от активности иммобилизованной на электроде холинэстеразы, но и от содержания пестицида, поскольку молекулы последнего связываются с иммобилизованными в пленку нитроцеллюлозы антителами и [c.303]

Кислород восстанавливается на РКЭ в две волны, которые соответствуют образованию Н2О2 при -0,23 В (pH 7) и воды при -1,0 В (pH 7) (в щелочной среде образуется ОН"). Поэтому его удаляют из анализируемых растворов продуванием инертного газа (азот, аргон и др.). Однако способность кислорода восстанавливаться на РКЭ используется в амперометрических биосенсорах и для его определения в биологических жидкостях. [c.454]

Принцип работы амперометрических биосенсоров достаточно прост. Определяемый компонент диффундирует через полупроницаемую мембрану в тонкий слой биологического материала, в котором протекает реакция с образованием продуктов, на которые реагирует электрод. Функционально биосенсоры сопоставимы с датчиками живых организмов - биорецепторами, способными преобразовывать сигналы, постзпающие из окружающей среды, в электрические. [c.499]

Амперометрические датчики с ферментными электродами являются наиболее распространенными среди биосенсоров. Существуют два типа таких датчиков. В одном случае определяемый компонент взаимодействует с кислородом в присутствии фермента и регистрируется изменение концентрации О2. В другом - фермент превращает определяемый компонент в вещество, к которому чувствителен электрод. Например, концентрацию глюкозы можно определять по току окисления пероксида водорода, образующегося под действием глюкозоксидазы (ГОД) [c.500]

Биораспознающий компонент биосенсора—это белок, макромолекула или комплекс со специфической поверхностью или внутренними распознающими центрами, необходимый для распознавания определяемого вещества. Компонент обусловливает селективность по отношению к определяемому веществу и передает сигнал на преобразователь. Тип реакции, катализируемой фермен> том, определяет выбор преобразователя. Определяемое вещество, а значит, и доступньк методы преобразования обусловливают природу биораспознающего компонента. Рассмотрим два примера, в которых фермент используют для создания сенсора на субстрат этого фермента. На схеме 7.8-1 ферментативная реакция включает перенос злектрона таким образом, для определения холестерина можно использовать в качестве преобразователя амперометрический электрохимический сенсор. Схема 7.8-2 включает изменение [Н+1 следовательно, контроль превращения ацетилхолина возможен с помощью рН-электрода или рН-чувствительного красителя в оптическом приборе. Другие ферменты можно использовать в случае реакций гидролиза, этерификации, расщепления и т. д. определяемое вещество обычно является субстратом фермента. (Как можно провести анализ, если вы не смогли найти подходящую ферментативную реакцию с участием определяемого вещества, ио знаете, что оно является иигибитором ферментативной реакции ) [c.519]

Как обсуждалось в предыдущем разделе, биораспоэнающий компонент биосенсора существует в слое, следующем за преобразователем. Для амперометрического ферментного сенсора величину токового сигнала оптимизируют в соответствии с модулями Тиле, и Ф [c.534]

Редокс-ферменты часто используют в аьшерометрических биосе№орах.для определения субстратов фермента. Как они действуют Каковы различные классы редокс-ферментов Какие дополнительные реагенты требуются для амперометрического биосенсора [c.564]

В десяти образцах плазмы крови человека определили содержание глюкозы (мг/100 мл) с помощью двух методов ферментативного с фотометрической индикацией и проточно-инжекционного (ПИЛ) с использованием биосенсора на основе иммобилизованной глюкозооксидазы и с амперометрическим детектированием продукта реакции (Н2О2). Результаты анализов (в мг/100 мл) приведены в таблице. [c.445]

Во второй, самой большой, части книги (19 глав) детально рассматриваются электрохимические биосенсоры. Первые две главы отведены потенциометрическим сенсорам на основе ионоселективных и редокс-электродов. Следующие 13 глав посвящены наиболее разработанным амперометрическим биосенсорам-принципам их действия, теории, методам исследования, конструированию, практической реализации и применению. Детально описаны различные глюкозные сенсоры, работающие как in vitro, так и in vivo. [c.7]

До сих пор все представляющие интерес для изготовления биосенсоров ткани использовались в сочетании с потенциометрическим аммиачным мембранным электродом. В работе [32] был впервые описан амперометрический тканевый биосенсор, в котором слой ткани печени быка иммобилизовали на датчике, чувствительном к кислороду, и определяли пероксид водорода. Печень быка содержит значительное количество фермента каталазы, который катализирует реакцию 2Н2О2 - Oj -Ь 2Н2О. Образование кислорода контролируется амперометрически. [c.47]

В работе [43] описан амперометрический тирозиновый биосенсор на основе ткани сахарной свеклы Beta vulgaris altissima), которую иммобилизуют на поверхности чувствительного к кислороду датчика. В этом сенсоре используют активность содер- [c.51]

Если бы ферментный электрод функционировал в условиях кинетического контроля, концентрационная зависимость тока была бы нелинейной, и рабочий диапазон охватывал бы лищь концентрации в пределах одного порядка. Однако, как отмечено выше, в таких сенсорах между слоем фермента и анализируемым раствором находится мембрана. Она создает барьер для активных частиц, и отклик сенсора пропорционален диффузионному потоку, который не лимитируется кинетикой ферментативной реакции, пока активность фермента не становится слишком низкой. Вот почему отклик амперометрического электрода остается постоянным в течение продолжительного периода и затем внезапно падает. Как отмечалось в работе [36], сигнал сенсора не зависит от активности фермента, пока последняя достаточно высока. Однако активность фермента постепенно уменьшается и со временем достигает уровня, при котором отклик сенсора становится контролируемым кинетически и не является более постоянным. Более подробно теория ферментного электрода и свойства иммобилизованных ферментов обсуждаются в ряде публикаций [4, 14, 26, 47]. Идеальным был бы случай, когда используют тонкую мембрану, через которую кислород переносится лучше, чем глюкоза, и поэтому в реакционном слое он находится в избытке. Разработка мембран с такими особыми свойствами несомненно будет благоприятствовать развитию биосенсоров всех типов. [c.144]

В классических электрохимических работах по анализу биологических сред использовали ртутный капающий электрод [13]. Однако в последние годы при разработке биосенсоров выбор пал на твердые электроды из Pt, Au и различных форм углерода. Основной проблемой при использовании твердых электродов является получение поверхностей с воспроизводимыми свойствами. Предварительная обработка электродов, включающая полировку, тепловую обработку и попеременное наложение на электрод нескольких различных потенциалов, способствует увеличению как воспроизводимости, так и величины сигнала электрода. Большинство голых электродов, однако, не дает воспроизводимого сигнала после продолжительной (в течение нескольких часов) выдержки в растворах белков. Чаще всего с помощью амперометрических биосенсоров определяют кислород, используя для этой цели электрод Кларка [15]. Пионерские работы Адамса [1, 2] послужили импульсом для развития методов контроля in vivo катехоламинов и других важных нейроактивных веществ. Электроды, регистрирующие сигналы нейротрансмиттеров в хвостатом ядре мозга крысы, должны не только обеспечивать быстрый отклик, но и быть настолько миниатюрными, чтобы было возможно пространственное разрешение исследуемых процессов. Уайтман и сотр. [37, 43] разработали ряд микроэлектродных датчиков из углеродного волокна и Pt или Au проволоки. Диаметр электродов составляет менее 0,5 мкм. Такая малая площадь поверхности электрода позволяет, как правило, измерять токи в наноампер-ном диапазоне. Поскольку отношение характеристической площади поверхности электрода к толщине диффузионного слоя мало, вольтамперометрический сигнал микро- [c.144]

Помимо анализа крови больных диабетом глюкозный бирсенсор можно использо-1ть для определения скорости реакций в растворе, например для оценки активности зеатинкиназы [17]. Разработаны и другие амперометрические биосенсоры, где ферро- н используется в качестве медиатора. В частности, на основе реакций, приведенных табл. 14.1, созданы сенсоры спиртов [1], оксида углерода [2], гликолята, L-амино-клот и галактозы [14]. [c.209]

Справочник химика 21

Химия и химическая технология