Глюкозный сенсор

Определение глюкозы. Точное и быстрое определение глюкозы является существенным не только в аналитических клинических лабораториях, но и для непрерывного наблюдения больных диабетом. Глюкозный сенсор имеет большое значение для технологического контроля в микробиологической и пищевой промышленности. Его можно было бы применять и для определения ди- и полисахаридов, а также амилазы. Разработкой и оптимизацией глюкозных сенсоров и анализаторов занимается около 50 групп ученых в различных странах. [c.258]

Таблица 22.2. Основные характеристики некоторых имплантируемых глюкозных сенсоров

Приблизительно 5 процентов взрослого населения развитых стран являются диабетиками. Важную роль в лечении диабета играла и продолжает играть аналитическая химия. С этой целью было разработано бесчисленное множество методов. Однако благодаря специфичности ферментных реакций и чувствительности электрохимических методов в этой области все более популярными становятся глюкозные сенсоры. Схема катализируемого глюкозооксидазой (GOD, ЕС 1.13.4) окисления глюкозы имеет следующий вид [c.259]

Микробный глюкозный сенсор позволяет определять концентрацию глюкозы в патоке со сре/дней относительной погрешностью 10%. Для сравнения глюкозу определяли также ферментным методом [11] результаты коррелируют с полученными электрохимическим методом. [c.23]

Глава 22 Проектирование и разработка глюкозных сенсоров для искусственной поджелудочной железы [c.316]

Для регенерации окисленных ферментов используют также модифицированные электроды с адсорбированными редокс-полимерами, содержащими п- и о-хинонные группы (рис. 15.2) [12-14]. Такие электроды эффективно окисляют восстановленные глюкозооксидазу, L-лактатоксидазу и ксантиноксидазу в диапазоне потенциалов от 0,05 до 0,5 В (относительно Ag/Ag l) при pH 7. Установлено [12-14], что эти ферменты окисляются при потенциале окисления полимерного модификатора, и, таким образом, последний действует как медиатор. Основной недостаток этих редокс-полимерных электродов заключается в том, что они довольно быстро (обычно за 5 дней) теряют каталитическую активность [12, 14]. Позже был описан [3] амперометрический глюкозный сенсор на основе глюкозооксидазы, иммобилизованной на графите, который предварительно обработали N-метилфеназинием (NMP). Авторы нашли, что функция электрода к глюкозе строго линейна в диапазоне 0,5-150 мкМ, но использовать его можно вплоть до концентрации 2 мМ. Иммобилизованная глюкозооксидаза стабильна в течение нескольких месяцев, однако медиатор следует обновлять ежедневно. [c.216]

В большинстве известных до сих пор глюкозных сенсорах используется окисление -D-глюкозы растворенным кислородом в присутствии -D-глюкозооксидазы (GOD, ЕС 1.1.3.4) по реакции [c.320]

Ниже эти требования обсуждаются более подробно. Звездочкой отмечены общие требования, справедливые и для других типов глюкозных сенсоров. [c.320]

В следующих разделах этой главы дан обзор наиболее важных результатов, достигнутых при разработке глюкозных сенсоров, и их приложения в устройствах для введения инсулина с замкнутым контуром. [c.322]

До сих пор мы рассматривали примеры различных вариантов глюкозного сенсора на основе ферроцена. Для разработки новых ферментных электродов [45] и иммуносенсоров (тл. 4) можно, однако, использовать и другие ферментные системы. [c.216]

В работе [42] периодический анализ проб бродильного бульона проводили путем дифференциального измерения токов системы, включающей глюкозный сенсор и вспомогательный электрод в качестве акцептора электронов использовали гексациано-феррат(П1). Для решения этой же задачи авторы [3] использовали увеличение концентрации восстановленного акцептора водорода, -хинона. Дополнительно проводили продувку системы инертным газом. [c.262]

Еще один дифференциальный глюкозный сенсор на основе электрода Кларка, измеряющего расход кислорода, испытывали на собаках, у которых создавали внешний шунт между сонной артерией и яремной веной [29] и помещали электроды в шунт. Из 11 опытов четыре оказались неудачными из-за тромбоза или проблем, связанных с электрической цепью, но в остальных наблюдалась хорошая корреляция между выходным сигналом сенсора и концентрацией глюкозы в крови. [c.300]

В работе [7] описана имплантация страдающей диабетом собаке небольшой искусственной поджелудочной железы, состоящей из глюкозного сенсора с кислородным детектором, электронного блока, микронасоса и источника питания. Сенсор аналогичен рассмотренному в разделе 22.4.1. Насос представлял собой пьезоэлектрический прибор, отделенный от резервуара с инсулином соленоидным клапаном. Инсулин вводился в брюшную полость при синхронной подаче импульсов на насос и клапан. Однако в этих экспериментах, как и в дополнительных опытах на семи собаках [c.327]

Глюкозные сенсоры для искусственной поджелудочной железы [c.317]

Движущей силой в исследовании сенсоров было ярко выраженное инстинктивное понимание возможности их широких практических приложений. Эти исследования стимулировались прежде всего потребностями медицины. Возможность немедленного анализа клинических препаратов, очевидно, одинаково привлекает внимание и врачей, и пациентов, хотя некоторые национальные службы здравоохранения испытывают трудности с внедрением этой философии. Более привлекательной, вероятно, является возможность непрерывного in vivo мониторинга метаболитов, лекарственных препаратов и белков с помощью миниатюрных и портативных систем. Отличным примером клинического приложения является сенсор глюкозы для больных диабетом, ставший классическим объектом исследований в области биосенсоров. В данном случае необходимо следить за концентрацией глюкозы в крови как in vivo, так и in vitro и обеспечить возможность полного автоматического контроля за состоянием больного с помощью инсулинового насоса. Имплантируемые глюкозные сенсоры прокладывают пути для других приложений. Дополнительной серьезной проблемой здесь все же остается биологическая совместимость. [c.10]

Известны разработки глюкозных сенсоров на основе детектирования глюконовой кислоты с помощью рН-электрода. Однако такие сенсоры демонстрируют неудовлетворительную чувствительность, избирательность и линейность градуировочных кривых [33], и, таким образом, их нельзя использовать в сильно буферированных жидкостях организма. [c.323]

Глюкозные сенсоры альтернативные подходы [c.326]

В ряде работ [19, 36, 44] исследовали характеристики электрохимических сенсоров прямого действия, состоящих из платиновых электродов, не связанных с глюкозооксидазой. Сигнал генерируется в результате прямого анодного окисления глюкозы на поверхности платинового электрода при попеременном наложении на последний анодного и катодного потенциалов. В биологических жидкостях избирательность таких сенсоров к глюкозе далека от оптимальной из-за мешающего влияния эндогенных окисляемых веществ, таких как аминокислоты, мочевина, аскорбиновая кислота, а также экзогенных веществ, например спирта и некоторых лекарств. Подбор рабочих потенциалов и использование внешней селективной мембраны существенно улучшает избирательность. Дополнительной проблемой при работе с детектором этого типа является отравление поверхности платины в результате адсорбции глюконовой кислоты и аминокислот, что приводит к постепенной инактивации анодного катализатора и ингибированию дальнейшего окисления. Инактивации можно избежать, регенерируя рабочий электрод периодическим импульсным электрохимическим окислением поверхности. Вместе с продуктами окисления электрода на нем генерируются и десорбируются оксидные радикалы. Нынешнее состояние электрокаталитического глюкозного сенсора не позволяет использовать его в качестве имплантируемого прибора. [c.326]

В этом и нескольких предыдущих разделах главы мы рассматривали глюкозный сенсор как часть системы введения инсулина с замкнутым контуром. Основные характеристики некоторых имплантируемых сенсоров приведены в табл. 22.2. [c.327]

Конструкция. Конструкция электрода должна быть такой, чтобы он оспроизводился в больших количествах, легко стерилизовался и имел низкую тоимость. Многочисленные работы, посвященные возможным направлениям разви-ия сенсоров, недавно рассмотрены в обзорах [39, 56] и обсуждаются в различных лавах этой книги. Большинство глюкозных сенсоров включает амперометрические [c.299]

Глава 23 Игольчатые глюкозные сенсоры и их клиническое применение [c.331]

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]

Этанольный сенсор включает иммобилизованные Тгккохрогоп Ьгах51сае и кислородный электрод. Способ иммобилизации клеток и конструкция электрода такие же, как в глюкозном сенсоре. [c.24]

Использованию многих медиаторов в сенсорах препятствует их низкая долговременная устойчивость, особенно в восстановленной форме. Следует также отметить, что многие требования к медиаторам, используемым в биотопливных элементах, отличаются от требований, предъявляемых к медиаторам для сенсоров, где необходим определенный компромисс. В случае растворимых медиаторов возникают трудности, связанные с их потерей, тогда как нерастворимые медиаторы дают диффузионно ограниченные токи. Влияние солюбилизирующих групп проявляется сложно положительно заряженные группы способствуют миграции восстановленного медиатора к аноду, но заодно и облегчают нежелательную адсорбцию на нем (как в случае тионина) группы с отрицательным зарядом ингибируют проникновение медиатора через отрицательно заряженные клеточные стенки и его перенос к катоду (отрицательному электроду), хотя в случае аниона HNQ это не очевидно. В 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. [c.244]

Между тем имплантируемые глюкозные сенсоры, не связанные с насосами, все еще имеют значительные преимущества, если необходимо дать тревожный сигнал о гипогликемии, предупредить надвигающуюся гипергликемию или кетоацидоз и вообще получать непрерывную информацию о содержании глюкозы в крови, что даст возможность пациенту самому скорректировать и отрегулировать инсулиновую терапию. [c.298]

Биологическая совместимость. Совместимость имплантируемых устройств определяется множеством факторов, но наиболее важным из них является природа материала. Хотя о биосовместимости полимеров и пластиков написаны целые тома книг, большинство этих материалов не годится для биосенсоров. Здесь мы рассмотрим некоторые материалы, которые можно использовать при конструировании глюкозного сенсора. По всей вероятности, такой сенсор будет представлять собой металлическую иглу и платина, и нержавеющая сталь имеют хорошую биологическую совместимость и механическую прочность. [c.299]

Большинство глюкозных сенсоров покрывают полиуретановой или ацетилцеллюлозной мембраной [40, 51] (см. также гл. 23). Именно мембрана, отделяющая тело от самого сенсора, по существу и определяет биосовместимость. Функцией мембраны является удерживание компонентов электродного сенсора (ферментов, медиаторов и коферментов), контроль доступа глюкозы и потенциально мешающих веществ в хнсор, создание диффузионного барьера, который расширяет диапазон линейности этклика сенсора без разбавления пробы, и определение в общих чертах кинетического эежима работы сенсора [39]. [c.299]

Описанный в гл. 32 волоконно-оптический биоаффинный глюкозный сенсор с конканавалином А в качестве связывающего агента испытывали на собаках в кровепроточной камере [32]. Сигналы сенсора удовлетворительно соответствовали концентрациям глюкозы, оцениваемым обычным методом, но через 2 ч начинали давать пониженные значения. Авторы приписывают этот эффект падению температуры и pH крови за время опыта. [c.302]

В заключение можно сказать, что испытания in vivo глюкозных сенсоров еще находятся в начальной стадии. Сенсоры ряда конфигураций хорошо работают в течение короткого времени, однако дрейф показаний и биологическая совместимость сенсоров в промежутки времени в несколько недель изучены недостаточно. Подкожная ткань представляется вполне подходящим местом для имплантации сенсоров. Концентрация глюкозы здесь обычно ниже, но она хорошо коррелирует с концентрацией в крови. Однако многие вопросы, например как стерилизовать сенсор, как градуировать его in vivo, как будут пациенты переносить введение сенсора и, наконец, будет ли сенсор когда-либо достаточно надежным, чтобы ввести его в систему с замкнутым контуром для рутинного использования,-в значительной мере некому адресовать. [c.302]

Поиски лучших методов лечения инсулин-зависимого диабета и связанных с ним осложнений в последнее десятилетие привели к разработке новых устройств для инсулиновой терапии. Для врачей-клиницистов и пациентов, страдающих диабетом, были созданы системы непрерывной подачи инсулина (инсулиновые насосы), состоящие из резервуара, насоса и источника питания, объединенных в один портативный блок. В настоящее время в нескольких лабораториях с успехом разрабатывают портативную саморегулируемую систему, объединяющую имплантируемый глюкозный сенсор с устройством для подачи инсулина. Эту систему принято называть системой с замкнутым контуром в отличие от предыдущей несаморегулируемой системы, известной как система с открытым контуром (рис. 22.1). На рис. 22.2 показаны трафики подачи инсулина системами с открытым и замкнутым контуром в сравнении с аналогичными графиками для физиологической регуляции секреции инсулина. [c.316]

В этой главе рассмотрены преимущества системы с замкнутым контуром для инсулиновой терапии, требования к имплантируемому тлюкозному сенсору, а также современное состояние разработки и применения глюкозных сенсоров. [c.318]

Такое устройство по существу состоит из тлюкозното сенсора, насоса и компьютера, который воспринимает информацию от сенсора и в соответствии с ней регулирует скорость введения инсулина. Насосы и компьютеры выпускаются серийно. В отличие от них имплантируемый глюкозный сенсор, который доказал бы свою надежность, еще только предстоит разработать. [c.320]

Наиболее хорошо разработанным типом глюкозных сенсоров являются сенсоры с амперометрическим детектированием образующегося в ферментативной реакции пероксида водорода [21, 38, 48] (рис. 22.5,6). Авторы [13] приспособили один из таких хнсоров для прикроватного устройства искусственной поджелудочной железы. Аналогичные сенсоры использовались в тех же целях еще несколькими группами исследователей (см. раздел 22.7). За последние десять лет были внесены усовершенствования в конструкцию сенсора, способ связывания фермента с его подложкой и функциональные шрактеристики электродов. [c.323]

Глюкозные сенсоры, в которых не используются ферменты, известны уже давно. Хотя они претендуют на устранение трудностей, связанных с гетерогенной ферментативной кинетикой, в настоящее время ни одна из этих систем не разработана настолько, чтобы ее можно было имплантировать in vivo. [c.326]

В ферментном глюкозном сенсоре можно было бы использовать несколько эндогенных ферментов, для которых глюкоза является первичным субстратом. К ним относятся глюкозодегидрогеназа, глюкокиназа, глюкозо-6-фосфатаза и глюкозоизо- [c.326]

В последние годы углубилось понимание физиологических, физико-химических и электрохимических процессов, что позволило сформулировать основные требования к глюкозным сенсорам, предназначенным для работы in vivo. Это понимание уже начало приносить свои плоды и в области технологии. Однако ряд вопросов все еще остаются без ответа, а некоторые решенные проблемы не нашли практического воплощения. [c.328]

Справочник химика 21

Химия и химическая технология