Акустические датчики тест-реакции

 

Ранее указывалось, что тип датчика определяется особенностью реакций и превращений в тест-объекте биосенсора и невозможно найти какой-либо один, универсальный преобразователь сигнала на все случаи анализа. Поэтому рассмотреть все типы датчиков тест-реак-ции, применяемые для построения биосенсоров, невозможно в пределах курса лекций. Завершим раздел описанием принципа действия акустических датчиков.

В основу работы этих датчиков положено явление обратного пьезоэффекта – деформации пьезокристалла внешним электрическим полем. Прикладывание к граням пьезокристалла переменного напряжения воз-буждает механические колебания. При этом для пьезокристалла характерно явление резонанса, причем резонансная частота возбуждающего переменного напряжения определяется упругими свойствами кристалла, его линейными размерами и массой. Под действием тест-процесса первые два параметра не изменяются. Однако в случае иммобилизации на поверхности кристалла тест-объекта, масса которого под действием анализируемой пробы изменяется, может произойти сдвиг резонансной частоты. Именно на основе определения степени сдвига резонансной частоты пьезокристалла, акустические датчики регистрируют изменение массы тест-объекта. Свое название эти датчики получили потому, что резонансная частота колебаний датчика лежит в звуковом и ультразвуковом диапазонах. Такие датчики позволяют зарегистрировать изменение массы в пределах 10^-11–10^-10 г. Акустические датчики могут быть использованы для построения биосенсорных устройств на основе антител (антигенов), иммобилизованных клеток или ферментов – во всех случаях, когда в качестве тест-реакции используются процессы, приводящие к изменению массы тест-объекта.

 

Ферментные электроды

 

Ферментные электроды представляют собой устройства, смонтированные на основе электрохимического датчика и иммобилизованного фермента, находящегося с первым в непосредственном контакте (см. рис. 7). Принцип действия ферментных электродов основан на диффузии субстрата в тонкий слой биокатализатора (тест-объекта). Продукты ферментативной реакции определяются электрохимическим датчиком. В зависимости от способа определения электроды разделяются на потенциометрические и амперометрические. Хотя принцип действия обоих типов ферментных электродов одинаков, амперометрические электроды отличаются от потенциометрических потреблением продуктов на поверхности электрохимического датчика. Сигналы датчиков также различаются: потенциометрические генерируют потенциал, амперометрические работают в режиме измерения тока. Эти различия обусловлены тем, что потенциометрические ферментные электроды конструируются на основе ионо- и газоселективных электродов, обладающих линейной зависимостью потенциала от логарифма концентрации определяемого вещества, в амперометрических же ток электрохимических датчиков прямопропорционально зависит от концентрации соединений или пропорционален скорости электрохимического процесса (в том случае, если в основе работы биосенсора лежат биоэлектрокаталитические реакции).

 

4.1.1. Потенциометрические ферментные

электроды

Для изготовления потенциометрических ферментных электродов наиболее часто используются рН-электроды, ионоселективные электроды, чувствительные к ионам аммония, цианид-ионам, а также чувствительные к газам (СО₂, NH₃ и др.) мембранные электроды и электроды с воздушной щелью. Электрохимический датчик выбирается таким образом, чтобы субстрат или продукт ферментативной реакции можно было определять потенциометрически.

Для создания таких биосенсоров наиболее часто используются ферменты следующих классов: оксидазы (оксидазы аминокислот, глюкозооксидаза и др.), декарбоксилазы (например, тирозиндекарбоксилаза), гидролазы (уреаза, b-глюкозидаза, пенициллиназа и др.) и некоторые другие ферменты. Этими ферментами катализируются реакции:

 

оксидаза

R-CH(NH₃⁺)-COO ^- + O₂ + H₂O R-COCOO ^- + NH₄⁺ + H₂O₂,

декарбоксилаза

R-CH(NH₃⁺)-COO ^- R-CH₂NH₃⁺ + CO₂,

уреаза

(NH₂)₂CO + 2H₂O CO₂ + 2 NH₃ + OH^-.

В приведенных выше схемах продукты реакций, которые могут быть определены с помощью потенциометрических ионоселективных электродов или мембранных газовых электродов, подчеркнуты. Кроме того, все указанные выше процессы содержат продукты, вызывающие изменение рН. Большинство ферментных потенциометрических электродов предназначено для определения содержания различных органических соединений, однако в настоящее время разработаны биосенсоры указанного класса и для определения некоторых неорганических соединений. В табл. 5 приведены характеристики некоторых ферментных электродов.

С практической точки зрения наибольший интерес представляют электроды, чувствительные к АМФ и обладающие групповой специфичностью к аминокислотам, а также к отдельным аминокислотам благодаря использованию специфических оксидаз или декарбоксилаз. Для клинических измерений большой интерес представляют также электроды, чувствительные к мочевине и мочевой кислоте, для микробиологической промышленности – электроды, чувствительные к антибиотикам.

Интервал концентраций определяемых соединений лежит в области 10^-5–10^-2 М и зависит от применяемого фермента и электрохимического датчика.

В подавляющем большинстве случаев для конструирования потенциометрических электродов используется один фермент. Однако, если продукты ферментативной реакции электрохимически неактивны, необходим такой подбор последовательных ферментативных реакций, чтобы за их ходом можно было следить потенциометрическим

 

 

Таблица 5