Глюкозы сенсор

Рис. 2.3. Схема микробного электродного сенсора для определения глюкозы. I - бактериальная кол.аагеновая. мембрана 2 -тефлоновая мембрана 3-платиновый катод 4-свинцовый анод 5-электролит (КОН) 6-амперметр 7- самописец.

В последние годы благодаря использованию ферментов функции ионселективных электродов удалось существенно расширить и сделать их применимыми для быстрого клинического анализа на глюкозу, мочевину, аминокислоты и другие метаболиты. Такие электроды называются ферментными электродами или электрохимическими сенсорами. Создание электродов с указанными свойствами оказывается возможным благодаря тому, что ряд ферментов обладает высокой специфичностью, т. е. способностью катализировать превращения одного единственного вещества из многих сотен и даже тысяч веществ близкой химической природы. Если, например, фермент катализирует реакцию, в ходе которой изменяется pH среды, то рН-чувствительный электрод, покрытый пленкой геля или полимера, содержащей этот фермент, позволит провести количественное определение только того вещества, которое превращается под действием данного фермента. Из мочевины в присутствии фермента уреазы образуются ионы МН+. Если ионселективный электрод, чувствительный к ионам ЫН , покрыть пленкой, содержащей уреазу, то при помощи его можно количественно определять мочевину. Ферментные электроды — один из примеров возрастающего практического использования ферментов в науке и технике. [c.138]

В последние годы благодаря использованию ферментов функции ионселективных электродов удалось существенно расширить и сделать их применимыми для быстрого клинического анализа на глюкозу, мочевину, аминокислоты и другие метаболиты. Такие электроды называются ферментными электродами или электрохимическими сенсорами. Создание электродов с указанными свойствами оказывается возможным благодаря тому, что ряд ферментов обладает высокой специфичностью, т. е. способностью катализировать превращения одного-единственного вещест- [c.157]

Еще одной областью является мониторинг in лйи (<на месте ). Например, при операции на сердце необходимо измерять соотношение калия и натрия, поскольку это очень важный показатель состояния пациента. Другую важную область применения сенсоров в медицине представляет слежение во времени за содержанием лекарств, анестетиков и метаболитов в организме при оптации. Существует растущая потребность в сенсорах, которые можно использовать в качестве неинвазивных устройств, наприм для определения глюкозы в крови по ближнему ИК-спектру, регистрируемому через ноготь или кожу на пальце. [c.494]

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]

Калориметрические сенсоры основаны на миниатюрных калориметрах и применяются для растворов (разд. 7.5). В простейшем случае проба проходит через реактор, иа выходе которого тепло реакции измеряют термистором. Для определения субстратов (разд. 7.8) в реакторе иммобилизуют фермент. Такое устройство не является сенсором в строгом смысле нашего определения, поскольку контроль не непрерывен. Измерение теплового эффекта реакции стали практиковать, используя отдельные ферментативные реакции. Возможно определение мочевины, пенициллина, глюкозы, сахарозы, холестерина или лактата. [c.513]

Из множества субстратов, определяемых с помощью кислородных оксидоредуктаз, отметим глюкозу, лактат, пируват, галактозу, спирт, холестерин, глицерин, гипоксантин, ксантин, оксалат и фруктозу. Следует упомянуть остроумное использование ферроцена в качестве медиатора переноса электрона в сенсоре на основе оксидазы при определении глюкозы [2] (см. также гл. 15 и 16). [c.16]

На рис. 2.4 показана типичная зависимость сигнала сенсора от времени. Принцип работы сенсора тот же, что и в предыдущем случае. При 30 С стационарный ток устанавливался в пределах 10 мин. Точное время отклика зависело от концентрации добавленной глюкозы. При удалении микробного сенсора из раствора и помещении в среду, не содержащую глюкозы, ток постепенно возрастал и возвращался к начальному уровню примерно за 15 мин при 30°С. [c.22]

Градуировочные кривые биосенсора на основе ткани бычьей печени линейны до концентрации пероксида водорода 10 мкМ. Концентрационный диапазон линейности охватывает примерно один порядок величины, а времена отклика и возврата сигнала к начальному значению сравнительно невелики и не превышают 2 мин при небольших концентрациях. Этот сенсор проявляет ярко выраженную селективность к пероксиду водорода и практически нечувствителен к высоким концентрациям таких потенциально мешающих веществ, как глюкоза, спирт. Г-аминокислоты и лактат. [c.48]

При постоянном потенциале + 150 мВ (относительно н.к.э.) и температуре 30°С электродная функция линейна до концентрации глюкозы 30 мМ с постоянной времени 30 с [9]. При низких концентрациях глюкозы (до 8,0 мМ) сигнал сенсора не зависит от pH в диапазоне pH 7,0-9,0, хотя при высоких концентрациях глюкозы такая зависимость наблюдается. С ростом температуры до 45 °С ток электрода увеличивался со скоростью 4,0%/град, при более высокой температуре происходит инактивация. Присутствие кислорода вызывает уменьшение генерируемого тока, поскольку кислород является естественным акцептором электрона для используемого фермента. Кажущаяся константа Михаэлиса для окисления глюкозы при помощи иммобилизованной этим способом глюкозооксидазы составляла 24 мМ. Поликарбонатная мембрана, помещенная на датчик, не влияет на значение i ,. Однако в случае диализной мембраны повышается до 74 мМ. При этом отклик системы из кинетически контролируемого становится диффузионно контролируемым, что можно использовать для расширения диапазона линейности. [c.233]

Сенсор проявляет слабую чувствительность к фруктозе, галактозе, маннозе, сахарозе и не чувствителен к аминокислотам. Поэтому избирательность определения глюкозы при помощи этого микробного сенсора можно считать вполне удовлетворительной. [c.22]

Чувствительность микробного сенсора была примерно равна чувствительности стеклянного электрода. Сенсор не реагировал на летучие соединения, такие как уксусная кислота, этанол и амины, или нелетучие питательные вещества, такие как глюкоза, аминокислоты и ионы металлов. Выходной ток сенсора был стабилен в течение более 10 дней при проведении 200 анализов. [c.31]

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]

О селективности тканевого глутаминового сенсора можно судить также по результатам количественного анализа контрольных образцов спинномозговой жидкости (СМЖ) [7]. После пропускания проб СМЖ через катионообменник для удаления фонового аммиака, который может влиять на сигнал биосенсора, концентрацию глутамина можно измерять с хорошей правильностью и воспроизводимостью во всем клинически важном диапазоне. При этих измерениях в рабочий буферный раствор следует вводить иодацетамид для подавления мешающей реакции с участием глюкозы. По-видимому, в результате гликолиза в почечных клетках из глюкозы образуется кислота, которая влияет на потенциал рН-чувствительного аммиачного датчика. Иодацетамид известен как ингибитор гликолиза и, как было найдено, эффективно подавляет чувствительность глутаминового биосенсора к глюкозе. Определение глутамина в СМЖ можно проводить в диапазоне концентраций 2,2-10 —1,29-10 М со средним относительным стандартным отклонением 5,6%. Такой сенсор может быть полезен, например, при изучении синдрома Рея, где высокий уровень глутамина рассматривается как диагностический критерий. [c.37]

Различные комбинации мембран на основе антител и ферментных электродов могут привести к созданию новых автоматизированных сенсоров, чувствительных к антигенам. Такие биосенсоры, возможно сопряженные с сенсорами ферментов печени, позволяют обеспечить быстрое и надежное наблюдение за кровеснабжением. На рис. 1.6 показан иммуносенсор на основе измерения потребления кислорода в присутствии глюкозооксидазы и глюкозы. Таким образом определяют содержание антител поверхностного антигена вируса гепатита В. Описаны и другие электроферментные методы для иммунологических исследований, и это направление, видимо, будет интенсивно развиваться (гл. 14). [c.18]

Как и можно было ожидать для сенсора, в котором используется эффект ингибирования ферментативной реакции, недостатком смешанного сенсора на основе картофельной ткани является мешающее влияние различных ингибиторов кислой фосфатазы, Из них следует упомянуть такие соединения, как нитраты, бораты, молибдаты и органические фосфаты. Глюкоза и глюкозо-6-фосфат также могут создавать помехи, поскольку в их присутствии может меняться скорость выделения кислорода. Однако при соответствующей подготовке проб концентрацию как фосфат-, так и фторид-ионов можно определить довольно точно. [c.51]

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]

Вместе с ферментным электродом используют электрод сравнения, обычно каломельный. Электрод сравнения может быть конструкционно объединен с ферментным электродом, как, например, в случае NH3-, Oj- и 02-электродов, используемых в качестве базовых в сенсорах мочевины, аминокислот, глюкозы или спирта. [c.121]

Для изготовления ферментных рН-электродов Нильсон и др. [40] использовали обычные стеклянные рН-электроды, на которые наносили либо фермент, удерживаемый в полиакриламидном геле, либо слой жидкости, удерживаемый внутри целлофановой мембраны. При определении глюкозы по концентрации глюконовой кислоты, образующейся в реакции (9.8), рН-функция сенсора почти линейна в интервале от 10 до 10 моль/л, причем при десятикратном изменении концентрации глюкозы pH меняется на 0,85. Разработаны также электроды этого типа для определения мочевины и пенициллина. Для контроля ионной силы и pH используют разбавленный (1 мМ) фосфатный буферный раствор с pH 6,9 и 0,1 М раствор сульфата натрия. [c.128]

Стабильность этих электродов также очень высока. Мембранный электрод может работать непрерывно в течение 28 дней. Результаты длительных испытаний электрода для определения глюкозы представлены на рис. 12.9. После месяца работы сенсор потерял всего 20% первоначальной активности. Кинетический анализ, подобный приведенному выше, показал, что лимитирующей стадией по-прежнему остается транспорт субстрата через мембрану, а небольшая потеря активности электрода, по-видимому, связана с порчей мембраны. Еще раз подчеркнем, как важно знать, что в этом случае функция электрода определяется свойствами мембраны. [c.166]

После градуировки с помощью стерилизованных солевых растворов, не содержащих и содержащих 5,5 ммоль/л глюкозы, сенсор вводят в подкожную ткань предплечья больных диабетом с помощыо иглы (18-го калибра), носимой постоянно вместе с сенсором, и фиксируют in situ лейкопластырем. У некоторых пациентов сенсор заменяют на новый через каждые три дня. Передатчик закрепляют на предплечье или пристегивают к поясному ремню. [c.340]

Оптнч. сенсоры основаны на измерении поглощения или отражения первичного светового потока, люминесценции или теплового эффекта при поглощении света. Такие С. х. имеют чувствительный слой, роль к-рого может вьшолнять пов-сть волокна световода или иммобилизованная на световоде фаза, содержащая подходящий реагент. Волоконно-оптич. световоды на основе кварца, гсрманатных, фторид-ньгх, халькогенидных стекол, кристаллов галогенидов таллия, серебра или цезия и полимерных материалов позволяют работать в ИК. видимой и УФ диапазонах спектра. Созданы оптическис С. х. для определения рП р-ров, ионов К и Na, СО,, О,, глюкозы н д . в-в. [c.318]

Рис. 7.4-5. о—потокораспределительвая система ПИА для определения глюкозы с амп ометрическим сенсором, детектирующим ферментативно генерируемый пероксид водорода 6—градуировочные графики для глюкозы в диапазоне концентраций (МОммоль/л при трех различных скоростях потока (А) 0,50, (А) 0,75 и (х) [c.450]

Сочетание сенсора Кларка с ферментным слоем обсуждается в разд. 7.8.3 на примере определения глюкозы с глюкозооксцдазой. Эту схему можно перенести на другие окислительные ферментативные реакции, например, определения галактозы с галактозооксвдазой или мочевой кислоты с помощью уриказы. [c.504]

Построив график зависимости флуоресцентного сигнала от концентрации глюкозы (рис. 7.8-17,п), обнаружим, что при [Аобщ] > 20 мМ концентрация а становится нечувствительной к изменению [Аобщ]., Рис. 7.8-17,в предсказывает величину сигнала на основе уравнений 7.8-30 и 7.8-31 и приведенных выше значений (а общ]. Кв.-, Ка и (Вробщ]. Можно видеть, что предсказанный диапазон для сенсора составляет 0,5мМ глюкозы. Ряд факторов могут давать вклад в столь значительное отклонение. Модель основана на гомогенной реакции. Ранее в разделе Теоретические основы планирования иммобилизации (см. с. 522) было отмечено, что гетерогенные реакции, включая взаимодействия на поверхности, имеют кинетику, которая может быть функцией заполнения поверхности, и что на Квг и Ка, вероятно, оказывает влияние общая концентрация сахара ([а 5щ] + [Аобщ]). Модель также должна рас- [c.554]

О биосенсорах, т. е. сенсорах, включающих биологический материал (рис. 1.4), впервые сообщалось на симпозиуме New York A ademy of S ien es в 1962 г. [6]. В этом сообщении было предложено использовать ферментные преобразователи, встроенные в мембраны (так, что получается подобие сандвича), чтобы сделать электрохимические сенсоры (pH, полярографические, потенциометрические или кондуктометрические) более совершенными. В результате получились сенсоры, специфически чувствительные к определенным субстратам, поскольку они детектировали образование продукта ферментативной реакции или расход одного из участвующих в этой реакции веществ. Описана, в частности, комбинация глюкозооксидазы с Ог-электродом Кларка для определения глюкозы по убыли содержания кислорода при превращении глюкозы в глюконовую кислоту и пероксид водорода. [c.14]

К 1963 г. я занимался прежде всего использованием анодной полярографии для определения HjOj, образующегося в реакции, катализируемой оксиредуктазой кислорода. При помощи пероксидного сенсора можно анализировать цельную кровь, что исключает необходимость центрифугирования и позволяет непрерывно контролировать содержание субстратов, например определять глюкозу in vivo или в потоке in vitro. При использовании кислородных электродов необходимо удалять эритроциты вместе с переносчиками кислорода-гемоглобином и использовать только сыворотку или плазму крови. [c.15]

Но, вероятно, наибольшие перспективы имеет использование ферментных электродов как биосенсоров внутри или на поверхности живою организма. Сенсоры, например, лактата и глюкозы исключительно малого размера можно помещать во внутрисосудистые катеторы для контроля состояния тяжелобольных пациентов [5, 10]. Трудно переоценить важность такого показателя, как концентрация лактата в крови, который является мерой степени оксигенации ткани или сердечной деятельности. Имеются также данные, что высокое содержание лактата в материнском молоке во время работы матери может вредно действовать на новорожденного. Гипоксантин может оказаться ценным индикатором гипоксии. Имплантируемые сенсоры глюкозы почти наверняка можно приспособить для контроля работы инсулиновых насосов [10]. Уже одно только использование ферментных электродов при диагностировании и лечении диабета оправдывает огромные усилия по объединению энзимологии с электрохимией. [c.18]

Для определения глюкозы предложен [4, 11] микробный сенсор, состоящий из иммобилизованных целых клеток Р,чеис1отопах /1иоге5сеп. и кислородного электрода (рис. 2.3). Сенсор помещали в исследуемый раствор, который во время измерений насыщали кислородом и перемешивали магнитной мешалкой. [c.22]

Что касается избирательности микробного сенсора по отношению к уксусной кислоте, то следует отметить, что он не чувствителен к таким летучим соединениям, как муравьиная кислота и метанол, или нелетучим компонентам питательной среды, таким, как глюкоза или фосфат-ионы. Тгк ко, рогоп Ьгаххкае могут потреблять пропио-новую, 7<-бутановую кислоты и этанол, однако при ферментации эти вещества обычно отсутствуют либо их концентрация слишком мала, чтобы мешать определению уксусной кислоты. [c.24]

Глутаминовая кислота также образуется в процессе сбраживания и используется в качестве вкусовой добавки к пищевым продуктам. Для определения ее концентрации требуется быстрый автоматический метод. С этой целью можно использовать ферментные автоматические анализаторы, однако стоимость ферментов слишком высока. Изучение избирательности такого сенсора к различным аминокислотам показало, что он чувствителен к глутаминовой кислоте и глутамину и очень мало-к некоторым другим аминокислотам. При необходимости чувствительность сенсора к глутамину можно уменьшить, используя обработанную ацетоном Е. соН. В анаэробных условиях микробный сенсор нечувствителен к органическим веществам, например глюкозе (7800 мг/л) и уксусной кислоте (9200 мг/л) влияние неорганических ионов на его сигнал незначительно. [c.28]

Вероятно, потребуются значительные усилия, прежде чем потенциометрический редокс-электрод можно будет внедрить в имплантируемый сенсор для регулировки системы подачи инсулина in vivo. Конструктивно потенциометрический редокс-элект-род и его компоненты весьма просты. Поэтому такие системы весьма заманчиво использовать для контроля сточных систем и контроля и регулирования некоторых ферментеров. Однако в системах, в которых в реакцию вступает большое количество субстрата (например, глюкозы), могут возникать проблемы, связанные с низкой скоростью подачи второго субстрата (например, кислорода) или отсутствием механизма регенерации окисленного кофактора. [c.137]

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]

Ферменты, принимаюшие участие в окислении или восстановлении биологических молекул (оксидоредуктазы), либо содержат в активном центре группу, которая может окисляться/восстанавливаться, например железо, медь, флавин или хинон, либо выполняют свою биологическую роль совместно с каким-либо редокс-кофактором, например ЫАВ(Р) . Из-за трудности осуществления прямой электрохимической реакции между редокс-центром и голым электродом и отсутствия эффективных электро-каталитических поверхностей для рециклирования восстанавливаемого кофактора в первых ферментных электродах электрохимические процессы лишь косвенно влияли на активность фермента. Классическим примером является сенсор глюкозы па основе фермента глюкозооксидазы и полярографического кислородного электрода, предложенный Кларком и Лайонсом [15] в 1962 г. и усовершенствованный Апдайком и Хикссом [54] в 1967 г. (гл. 1). Глюкозооксидаза представляет собой РАВ-содержащий фермент (рис. 15.1), катализирующий окисление глюкозы в глюконовую кислоту [c.212]

Электровосстановление пероксида водорода на электродах из NMA T NQ , содержащих адсорбированную пероксидазу, начинается при 0,3-0.5 В. Используя метод вращающегося диска, авторы установили, что этот процесс лимитируется каталитической активностью фермента. Для данной системы /с = 80 мкМ и max = 0,27 мА см . Рассчитанная константа скорости гетерогенной реакции составляет 8,5-10 см с . Эти электроды в сочетании с глюкозооксидазой используют также для конструирования биферментных сенсоров, чувствительных к глюкозе. Принцип работы таких сенсоров - биоэлектрокаталитическое восстановление пероксида водорода, образуемого под действием глюкозооксидазы. [c.222]

Хотя в качестве примера всегда приводят сенсоры глюкозы, следует подчеркнуть важность поиска схемы, пригодно для широкого круга ферментативных реакций, поскольку это будет зпособствовать созданию сенсоров многоцелевого назначения, - При.ч. авт. [c.223]

Справочник химика 21

Химия и химическая технология