Ферментные электроды

Построение биосенсорных устройств

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