Диссертация (1150338), страница 3
Текст из файла (страница 3)
Такоеограничение (“дефицит кислорода”) говорит о том, что концентрациякислорода ниже, чем концентрация глюкозы. Было предложено несколькоспособов для решения этой проблемы. Первый способ основан на ограничениимассопереноса пленкой полимера (полиуретана или поликарбоната) длясоздания общего потока кислорода и глюкозы, что приведет к росту отношениякислород/глюкоза и росту скорости диффузии через мембрану. Второй способпредусматривает использование двухмерного цилиндрического электрода,разработанного группой Гроуа [18, 19]. Такой электрод обеспечиваетдиффузию кислорода в обоих направлениях, а перемещение глюкозы только внаправленииреакционнойобласти.Такжедлярешенияпроблемыобескислораживания биосенсоров был предложен вариант обогащенногокислородом угольно-пастового электрода, модифицированного ферментом.Такие биосенсоры основаны на фтороуглероде (Kel-F oil), клеящей жидкости, в15которой достигается высокая растворимость кислорода, поэтому она можетдействовать как внутренний источник кислорода.
Таким образом, даже вбескислородной среде может поддерживаться ферментативная реакция. Длятого, чтобы обойти такие жесткие требования к наличию кислорода, можноиспользовать не глюкозоксидазу, а дегидрогеназу глюкозы [17].Дальнейшие усовершенствования конструкций сенсоров привели кзаменекислородананефизиологический(синтетический)переносчикэлектронов от редокс-центра фермента к поверхности электрода. Переносэлектронов от глюкозоксидазы непосредственно к электроду затруднен, потомучто толстый слой белка окружает ее редокс-центр с образованием флавина(общее название группы органических соединений, образующихся на основетрициклической гетероциклической молекулы изоаллоксазина) и тем самымблокирует активный центр фермента.
Этот слой белка вводит стерическоеразделение электронной пары донор-акцептор, что является препятствием дляпрямой передачи электрона в соответствии с зависимостью скорости передачиэлектрона от расстояния:Где ΔG и λ, соответственно, свободная энергия и энергия реорганизациирастворителя, сопровождающие процесс переноса электрона, d - фактическоерасстояние, на которое переносится электрон (нм).
Уменьшение расстояния, накоторое переносится электрон (т.е. расстояния между иммобилизованнымслоем глюкозоксидазы и поверхностью электрода), достаточно важно дляоптимальной работы [17].СинтетическиемедиаторыявляютсяпосредникамимеждуFAD(флавинадениндинуклеотид) центром и поверхностью электрода. Процесспротекает по следующей схеме:16Где: M – медиатор переноса электронов;GOX – глюкозоксидаза;Red – восстановленная форма;Ox – окисленная форма.Окисленная и восстановленная формы FAD имеют следующую структуру:Для переноса заряда от глюкозоксидазы к поверхности электрода обычноиспользуют следующие диффузионные медиаторы электронов: производныеферроценов,феррицианиды,электропроводящие(тетратиафульвален-тетрацианхинодиметана,органическиеTTF-TCNQ),солисоединенияфенотиазина и феноксазина [17], а также производные хинона.
Результатомиспользования этих медиаторов являются более независимые от парциальногодавления кислорода измерения, а также возможность проводить их при болеенизких потенциалах, так как исключается возможность побочных реакций состороныразличныхэлектроактивныхсоединений.Длятогочтобыфункционировать эффективно, медиатору нужно взаимодействовать быстро свосстановленной формой фермента (чтобы уменьшить его взаимодействие скислородом), обладать хорошими электрохимическими свойствами (такими какнизкий редокс потенциал), иметь низкую растворимость в водной среде, бытьне токсичным и химически стабильным (как в восстановленной, так и в17оксленной форме).
Коммерческие сенсоры для определения уровня глюкозыобычно используют феррицианидные или ферроценовые медиаторы дляанализа in situ. Но большинство сенсоров in vivo не используют медиаторов, изза их токсичности.Несмотря на значительное увеличение чувствительности, полученное прииспользовании медиатора электронов, у биосенсоров второго поколениясуществует такой недостаток как токсичность, вызванная использованиеммедиаторов на основе солей переходных металлов. Группа Геллера [20]разработаланедиффузионный способ установления взаимодействия междуглюкоксидазой и поверхностью электрода, основанный на подведениифермента к поверхности с 4-поливинилпиридином посредством плотнойупаковки осмиевого комплекса, который и будет служить переносчикомэлектронов.
Получившийся трехмерный редокс полимер-фермент обеспечиваетболее высокий выходной ток и фиксацию медиатора на поверхности электрода.Вильнер и его коллеги [21] создали новый подход для модификацииглюкозоксидазы. Для этого в фермент был внедрен ферроцен в качествепереносчика электронов вместо FAD.За последние годы было предпринято множество попыток создать сенсор,модифицированный наноструктурами металлов и их производных [22].Предполагается, что наноструктуры металлов и углеродные нанотрубки [23]могут служить катализаторами реакции, как при прямом переносе электронов,так и с использованием медиатора, что приводит к улучшению аналитическиххарактеристик биосенсора. В качестве подложек используются любыепроводящие материалы, на которых возможна модификация наноструктур засчет специфических взаимодействий.Биосенсоры для определения глюкозы, основанные на прямом переносеэлектрона от фермента к поверхности электрода, относят к биосенсорамтретьего поколения.
Процесс прямого переноса электрона с активного центраглюкозоксидазы на электрод протекает замедленно. В большинстве случаев18окислительный потенциал глюкозоксидазы примерно равен минус 400мВ в0,1М фосфатном буферном растворе с pH 5 [24].Эффективность работытаких сенсоров вомногом определяетсяэлектрохимическими процессами на поверхности электродов, в качествекоторыхвзависимостианалитическогосигналаотиконструкциизадачисенсора,методаспособамодификацииполученияиспользуютсяуглеродные материалы, благородные металлы, проводящие оксиды и т.д. Впоследнее время для создания наиболее эффективных электродов сталииспользовать наноразмерные материалы [6, 25], которые имеют множествоособенностей, важных для работы сенсора, в частности, такие материалыпозволяютсущественноувеличитьаналитическийсигналзасчетэлектрокатализа.Наиболее перспективными электрокатализаторамив настоящее времяявляются материалы на основе наночастиц [25-28]. Применение наночастиц вэлектрохимических сенсорах - наиболеебыстро развивающаяся областьэлектроаналитической химии, о чем говорит значительное число обзоров,посвященных этой теме [29-36].
Многообразие свойств электродов такихсенсоров достигается благодаря большому количеству способов синтезананочастиц на поверхности электродов. Как установлено в этих работах за счетэлектрокатализа удается существенно увеличить аналитический сигнал сенсораи,соответственно,повыситьчувствительностьопределенияаналита.Наночастицы металлов осуществляют три важных функции в электроанализе, аименно, они существенно увеличивают величину проводящей поверхности,проявляют каталитические свойства, обусловленные их малыми размерами иосуществляют контакт непосредственно с редокс центрами ферментов [36, 37].Следует отметить, что электрокаталитический эффект, выражающийся вувеличении константы скорости переноса электрона, может достигать шестипорядков [25, 38].
Такое увеличение константы скорости переноса зарядавызвановысокоэнергетическимисостояниямивкоторыхнаходятсянаночастицы.19Поэтому можно считать, что наиболее эффективным будет трандьюсер,который имеет на поверхности слои, обеспечивающие наиболее полныйпереходэлектроновотэлектрохимическиактивныхцентровЧСсмаксимальной каталитической активностью, причем концентрация этихцентров должна быть оптимальной с учетом конечной скорости диффузиикомпонентов анализируемого вещества к поверхности электрода. Последнееусловиестановитсяпонятнымизмоделейдиффузионныхпроцессов,построенных в работах Р. Комптона [39-41], который рассмотрел их дляследующих нескольких типов электродов, включая частично блокированныеэлектроды, т.е.
такие, поверхность которых частично покрыта непроводящимвеществом, например оксидом, электрохимически гетерогенные электроды,имеющие на поверхности частицы с различной проводимостью, а такжепористые электроды [42-44]. В качестве примера гетерогенных электродовможно привести электроды из стеклоуглерода и ITO (индий-олово оксида) [45,46], на поверхности которых находятся наночастицы благородного металла [43,44], а в качестве примера пористого – электрод, на поверхность которогонанесен слой углеродных трубок или полиэлектролитов [47, 48].
Очевидно, чтона практике на величину аналитического сигнала будет влиять также иитоговая степень шероховатости поверхности электрода.1.3.Виды рабочих электродов используемых ввольтамперометрических сенсорах для определения глюкозыВ последнее время получила развитие технология печатных электродовдляопределенияглюкозы.Большинствоперсональныхглюкометровиспользуют тест-полоски, с электродами и ферментными катализаторами,изготовленные по технологии screen-printed. Такие полоски одноразовогоиспользованиямассововыпускаютпотонкослойной(screen-printed)микротехнологии (рисунок 2а). Технология screen-printed основана на печатиматериала проводника и изоляторов на поверхности плоских (пластмассовыхили керамических) оснований.
Каждая полоска содержит рабочий электрод иэлектрод сравнения. Рабочий электрод покрыт необходимыми реагентами,20такими как фермент, медиатор, стабилизатор, связывающие и закрепляющиереагенты. Такие реактивы обычно распределяются струйной технологиейпечати. Дополнением к “основному” рабочему электроду может служитьвспомогательныйэлектрод.Такиеодноразовыеустройстваустраняютпроблемы переноса образца, загрязнения или дрейфа сигнала (рисунок 2б).Различные мембраны (сетки) также включены в тест-полоски для того чтобывместе с поверхностно активными веществами обеспечить равномерноепокрытие образца[17].абРисунок 2.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
