Амперометрические биосенсоры. Основные принципы работы и особенности датчиков разных генераций

В обзоре рассмотрены основные электрохимические принципы, лежащие в основе применения амперометрического метода в биоаналитической практике, приведены возможные варианты подключений электродов. Амперометрические биосенсоры классифицированы по трем группам (безмедиаторные, медиаторные и основанные на...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Datum:	2002
1. Verfasser:	Дзядевич, С.В.
Format:	Artikel
Sprache:	Russian
Veröffentlicht:	Інститут молекулярної біології і генетики НАН України 2002
Schriftenreihe:	Біополімери і клітина
Schlagworte:	Огляди
Online Zugang:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/153828
Tags:	Tag hinzufügen Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:	Амперометрические биосенсоры. Основные принципы работы и особенности датчиков разных генераций / С.В. Дзядевич // Біополімери і клітина. — 2002. — Т. 18, № 1. — С. 13-25. — Бібліогр.: 99 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-153828
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-1538282019-07-06T11:05:09Z Амперометрические биосенсоры. Основные принципы работы и особенности датчиков разных генераций Дзядевич, С.В. Огляди В обзоре рассмотрены основные электрохимические принципы, лежащие в основе применения амперометрического метода в биоаналитической практике, приведены возможные варианты подключений электродов. Амперометрические биосенсоры классифицированы по трем группам (безмедиаторные, медиаторные и основанные на прямом переносе электронов), которые подробно описаны, приведены их примеры, и указаны преимущества и недостатки В огляді розглянуто основні електрохімічні принципи, які лежать в основі застосування амперометричного методу визначення в біоаналітичній практиці, представлено можливі варіанти підключення електродів. Амперометричні біосенсори класифіковано на три групи (безмедіаторні, медіаторні та на основі прямого переносу електронів), які докладно описано, наведено їхні приклади та вказано на переваги та недоліки. The key electrochemical principles connected with application of amperometric method in bioanalytical practice were considered, and the possible measuring electrode circuits were shown. Amperometric biosensors were classified on three groups such as unmediated, mediated and based on direct transfer of electrones, which were described in detail, and their advantages and disadvantages were shown. 2002 Article Амперометрические биосенсоры. Основные принципы работы и особенности датчиков разных генераций / С.В. Дзядевич // Біополімери і клітина. — 2002. — Т. 18, № 1. — С. 13-25. — Бібліогр.: 99 назв. — рос. 0233-7657 DOI:http://dx.doi.org/10.7124/bc.0005E4 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/153828 577.15:573.6 ru Біополімери і клітина Інститут молекулярної біології і генетики НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Огляди Огляди
spellingShingle	Огляди Огляди Дзядевич, С.В. Амперометрические биосенсоры. Основные принципы работы и особенности датчиков разных генераций Біополімери і клітина
description	В обзоре рассмотрены основные электрохимические принципы, лежащие в основе применения амперометрического метода в биоаналитической практике, приведены возможные варианты подключений электродов. Амперометрические биосенсоры классифицированы по трем группам (безмедиаторные, медиаторные и основанные на прямом переносе электронов), которые подробно описаны, приведены их примеры, и указаны преимущества и недостатки
format	Article
author	Дзядевич, С.В.
author_facet	Дзядевич, С.В.
author_sort	Дзядевич, С.В.
title	Амперометрические биосенсоры. Основные принципы работы и особенности датчиков разных генераций
title_short	Амперометрические биосенсоры. Основные принципы работы и особенности датчиков разных генераций
title_full	Амперометрические биосенсоры. Основные принципы работы и особенности датчиков разных генераций
title_fullStr	Амперометрические биосенсоры. Основные принципы работы и особенности датчиков разных генераций
title_full_unstemmed	Амперометрические биосенсоры. Основные принципы работы и особенности датчиков разных генераций
title_sort	амперометрические биосенсоры. основные принципы работы и особенности датчиков разных генераций
publisher	Інститут молекулярної біології і генетики НАН України
publishDate	2002
topic_facet	Огляди
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/153828
citation_txt	Амперометрические биосенсоры. Основные принципы работы и особенности датчиков разных генераций / С.В. Дзядевич // Біополімери і клітина. — 2002. — Т. 18, № 1. — С. 13-25. — Бібліогр.: 99 назв. — рос.
series	Біополімери і клітина
work_keys_str_mv	AT dzâdevičsv amperometričeskiebiosensoryosnovnyeprincipyrabotyiosobennostidatčikovraznyhgeneracij
first_indexed	2025-07-14T05:17:03Z
last_indexed	2025-07-14T05:17:03Z
_version_	1837598217451077632
fulltext	ISSN 0233-7657. Біополімери і клітина. 2002. Т. 18. № 1 Амперометрические биосенсоры. Основные принципы работы и особенности датчиков разных генераций С. В. Дзядевич Институт молекулярной биологии и генетики НАН Украины Ул. Академика Заболотного, 150, Киев, 03143, Украина В обзоре рассмотрены основные электрохимические принципы, лежащие в основе применения амперометрического метода в биоаналитической практике, приведены возможные варианты подключений электродов. Амперометрические биосенсоры классифицированы по трем группам (безмедиаторные, медиаторные и основанные на прямом переносе электронов), которые подробно описаны, приведены их примеры, и указаны преимущества и недостатки. Введение. Амперометрические биосенсоры — са мый распространенный, обширный и успешный в плане коммерциализации класс приборов биомоле кулярной электроники. Почему именно амперомет рические биосенсоры? Прежде всего, потому, что именно с них началось развитие этой новой обла сти аналитической биотехнологии. Первые исследования в области биосенсоров, и именно амперометрических датчиков, были иници ированы Кларком, опубликовавшим в 1956 году работу по кислородному электроду [ 1 ]. Основыва ясь на этих экспериментах, он вместе с Лионсом сделал доклад на симпозиуме Нью-Йоркской Ака демии Наук, в котором предложил, как «сделать электрохимический сенсор более разумным», доба вив к нему «ферментный преобразователь в форме мембранного сэндвича». Эта концепция была про иллюстрирована экспериментами, в которых глю козооксидазу помещали на чувствительную повер хность кислородного «электрода Кларка», покры тую полупроницаемой диализной мембраной, и отделяли от измеряемого раствора дополнительной диализной мембраной [2 ]. В этой же работе Кларк и Лионе впервые ввели понятие «ферментный элек трод», ошибочно приписываемое многими авторами Алдайку и Хиксу [3] , которые в дальнейшем раз вили эту идею и применили для создания биосен- © С В. Д З Я Д Е В И Ч , 2001 сора гель с захваченным в нее ферментом. Они же первыми детально описали ферментный глюкозный электрод, оказавшийся несколько проще Кларков- ского и имевший лучшую операционную стабиль ность. Именно эти первые работы и заложили основы успешного развития и дальнейшей коммер циализации амперометрических биосенсоров. В общем случае амперометрический метод ос нован на измерении плотности тока, протекающего в электрохимической ячейке, при постоянном при кладываемом потенциале. Эта плотность тока — функция электрохимически активных частиц рас твора, окисление или восстановление которых про исходит на поверхности рабочего электрода. Во время электролиза рабочий электрод может быть как анодом, так и катодом в зависимости от приро ды анализируемого вещества и прикладываемого потенциала. Амперометрический метод детекции очень широко используется в аналитической прак тике, поскольку при определенных условиях кон центрация определяемого субстрата может быть ниже 1 0 8 М, а динамический диапазон — 3—4 порядка. Амперометрические биосенсоры можно разде лить на три основных класса. 1. Датчики, в основе работы которых лежит измерение концентрации естественных субстратов и продуктов ферментативной реакции (безмедиа торные амперометрические биосенсоры). 13 Д З Я Д Е В И Ч С. В. 2. Сенсоры, использующие медиаторы в каче стве переносчиков электронов с активного центра фермента на электрод (медиаторные амперометри ческие биосенсоры). 3. Амперометрические биосенсоры, основанные на прямом переносе электронов между белком и электродом. В данном обзоре рассмотрены основные элект рохимические принципы, лежащие в основе приме нения амперометрии в биоаналитической практике, приведены возможные варианты подключений электродов, подробно описаны существующие на данный момент классы амперометрических биосен соров, их преимущества и недостатки. Основные электрохимические принципы, ле жащ и е в основе амперометрического метода из мерений. Если к электроду прикладывать электри ческий потенциал, то в электрохимической системе электрод /раствор происходят изменения. Эти изме нения имеют как химическую, так и физическую природу и в совокупности называются электродным процессом. Основной стадией такого процесса явля ется непосредственный обмен заряженными части цами между электродом и раствором, когда заря женные электроны движутся через границу раздела электрод/раствор, а именно — процессы окисления и восстановления. Эта стадия называется реакцией переноса заряда (или электрохимической стадией). Вещества, непосредственно участвующие в реакции переноса заряда, называются электроактивными. Обычно они находятся в восстановленной (Red) или в окисленной (Ох) форме и образуют редокс- пару. Саму реакцию обмена можно записать следу ющим образом: Ох + ze~ Red, (1) где ze — количество электронов, прошедших через границу раздела электрод/раствор. Этот процесс подчиняется закону Фарадея, который определяет количественные соотношения между выходом электродной реакции по веществу и зарядом, прошедшим через электрод, и поэтому называется фарадеевским. Электрический ток, свя занный с ним, называется также фарадеевским, в отличие от нефарадеевских токов, наблюдающихся при отсутствии переноса заряда через границу раздела электрод/раствор. Такие нефарадеевские токи генерируются изменениями площади электро да, его потенциала и состава раствора в процессе адсорбции и десорбции. Также в результате пере распределения заряженных и полярных частиц на поверхности электрода может генерироваться емко стный заряд, также вызывющий нефарадеевский ток. В принципе фарадеевский и нефарадеевский токи генерируются только в том случае, когда имеют место электродные реакции. В то же время, если прикладывать потенциал, равный потенциалу окисления или восстановления, то скорость перено са электронов между редокс-частицами и электро дом будет очень большой, и фарадеевский ток будет контролироваться скоростью диффузии час тиц к электроду. В этом случае говорят о концен трационной поляризации. Возможен случай, когда лимитирующей стадией является стадия переноса заряда, тогда говорят об электрохимической поля ризации. Электродные процессы часто классифици руют по этому признаку. В общем скорость электрохимической реакции на электроде определяется как скорость реакции, деленная на единицу площади электрода, и выра жается плотностью тока / , который является алгеб раической суммой катодного 1К (восстановление) и анодного / а (окисление) токов. / = / к + ' а > <2) где IK = zFkkC0x; (3) / a = - z ^ a C R e d . (4) В данных выражениях z — заряд; F — констан та Фарадея; С 0 х и C R e d — концентрации частиц Ох и Red; kk и &а — коэффициенты скорости, являю щиеся функциями потенциала электрода. Расписав эти коэффициенты, получим соотношение между плотностью тока и приложенной к границе раздела электрод/электролит разностью потенциалов, ко торое называется основным уравнением электрохи мической кинетики [4 ]. / = zFk0C0xtxp [~azF(E - Е0) IRT ] - (5) - z i t t 0 C R e d e x p [ ( l -a)zF(E-E0)/RTl где k0 — стандартная константа скорости реакций переноса заряда; а — коэффициент переноса элек трона, характеризующий влияние двойного элект рического слоя, действующего на прямую реакцию; Е0 — стандартный редокс-потенциал; R — газовая постоянная; Т — температура. Для изучения продуктов электрохимической реакции широко применяется метод циклической вольтамперометрии. Этот метод имеет особенно большое значение на стадии предварительных ис следований, поскольку каждая особенность воль- тамперных кривых отвечает определенному явле нию. Рассмотрим типичную циклическую вольтам- перограмму (рис. 1). В начальной точке А ток мал. Между точками А и В наблюдается очень медленный рост тока, 14 А М П Е Р О М Е Т Р И Ч Е С К И Е Б И О С Е Н С О Р Ы . О С Н О В Н Ы Е П Р И Н Ц И П Ы РАБОТЫ Ток,1 с I—, , , • , 1 1 ' \ ' f ' I 0,0 -0f2 -OA -0,6 -0,8 -1,0 -1,2 Потенциал, В Рис. 1. Типичная циклическая вольтамперограмма восстановле ния обусловленный нефарадеевскими взаимодействия ми, а именно — адсорбционными и емкостными эффектами. Иногда такой ток называют фоновым. В точке В потенциал приближается к потенциалу восстановления Ox-частицы. Увеличение потенци ала заставляет электроны двигаться с электрода на Ox-частицу, тем самым увеличивая скорость ее восстановления и соответственно ток. Восстанов ленная форма участвует в обратном процессе. Когда прикладываемый потенциал Е увеличи вается, то увеличивается и / к , что выражается в росте общего тока (участок В—С). Однако этот рост не продолжается до бесконечности, так как в процессе восстановления концентрация катода Ох- частиц уменьшается, т. е. на ток накладываются диффузионные ограничения, о чем упоминалось ранее. В результате на вольтамперограмме наблю дается пик восстановления (точка С) и дальнейшее уменьшение тока . Соотношение концентраций окисленной и восстановленной форм описывается уравнением Нерста [5] . C0JCRed - ехр [ (Е - Е0) zF/RT ]. (6) Значение для такого диффузионно-лимитиру- ющего тока выводится из законов Фика. Для наше го случая (обратимая реакция) оно получено Рэн- длсом и Шевчиком [4 ] и имеет вид: / п - 2,72• 10 5 z 3 / 2 D0x l/2 С 0 х Vf\ (7) где V — скорость развертки потенциала; D0x — ко эффициент диффузии. Очевидно, что ток в максимуме кривой растет пропорционально концентрации восстанавливаю щегося вещества Ох и корню квадратному из ско рости развертки. Это один из главных результатов, используемых в анализе. Когда в процессе восстановления количество Ox-частиц на поверхности электрода начинает уменьшаться, их место занимают Red-частицы. При изменении направления прикладываемого к электроду потенциала в обратную сторону наблю дается обратный эффект . В случае достижения значения редокс-потенциала Red-частицы начина ют переокисляться до Ox-частиц. Ток увеличивает ся в обратном (окислительном) направлении до тех пор, пока не будет достигнут пик окисления. На р и с 1 показаны оба пика, один соответствует восстановлению субстрата (С), другой — переокис лению продукта обратно в субстрат CD). Кроме этого, в полностью обратимой системе стандартный редокс-потенциал, т. е. потенциал, при котором на поверхности электрода присутству ют обе формы частицы в одинаковых концентраци ях, равен потенциалу полуволны Е1/2, т. е. потен циалу, при котором величина тока равна половине максимального значения тока. Все вышеизложенное можно применить и к реакциям, в которых участвуют каталитические компоненты, например ферменты. В этом случае реакция протекает следующим образом: Red + е -» Ох; кка Т (8) Enzyme + Ох Red, где £ к а т — псевдо-константа первого порядка. В такой системе восстановленная форма части цы может быть регенерирована с помощью фермен та. Если значение & к а т мало, то ферментативная реакция не будет иметь значительного эффекта на наклон вольтамперограммы и мы имеем типичную вольтамперометрическую кривую для обратимой реакции. Если же значение £ к а т велико, то Ох-час- тицы будут очень быстро восстанавливаться с по мощью фермента и мы получим значительные изменения на вольтамперограмме, выражающиеся в наличии плато вместо пика (С). Ток в районе плато описывается следующим уравнением [6 J: = zFCOx(D0kKJ/2 ( 9 ) 1 + ехр [zF/RT(E -Е1/2у где D0 — коэффициент диффузии электроактивных частиц; С 0 х — концентрация Ох в объеме раствора. Значение £ к а т может быть определено экспери ментально при использовании соотношения между диффузионно-контролируемым током и каталити ческим током [7 ]. Электроды и варианты подключений, исполь зуемые в амперометрии. В общем случае амперо метрический метод определяется как плотность 15 Д З Я Д Е В И Ч С. В. Вспомогательный электрод I Рабочий Вспомогательный \ электрод электрод б 1абочий 'электрод Рис. 2. Схематическое изображе ние двухэлектродной (а) и трех- электродной {б) схем подключе ния для амперометрических изме рений тока (или ток) , протекающего через электрохими ческую ячейку при постоянном приложенном по тенциале. Амперометрический преобразователь и, следовательно, биосенсор чаще всего состоит из трех электродов. Двухэлектродные системы также используются и даже более предпочтительны в прикладном аспекте применения и коммерциализа ции. Две основные схемы подключения амперомет- рического биосенсора представлены на р и с 2. Один электрод — это рабочий электрод, на ко торый наносится биологически чувствительный слой. Когда прикладывается положительный потен циал, то все молекулы, окисляющиеся на поверх ности электрода, отдают свои электроны электро ду, т. е. осуществляется переход электронов из раствора в электрод. При отсутствии второго элек трода из-за стехиометрического разбаланса генери ровалась бы большая разность потенциалов. Поэто му функция вспомогательного электрода и состоит в завершении цепи, когда электроны через внеш нюю цепь под действием приложенного напряже ния могут вернуться назад в раствор. Очевидно, что это приводит к процессу восстановления на вспомогательном электроде, эквивалентному по ве личине процессу окисления на рабочем электроде. Этот поток электронов и формирует ток амперо- метрического датчика . Наиболее приемлемыми электродными материалами являются благородные металлы и различные формы углерода. Однако двухэлектродная схема подключения имеет один существенный недостаток. Когда между двумя электродами прикладывается потенциал, то, как было подчеркнуто ранее, ток генерируется сразу на двух границах раздела электрод/раствор. Следова тельно, неизвестно, какая часть потенциала теря ется на каждой поверхности двух электродов, т. е. мы не знаем точно, какой электрод пары является определяющим в измерениях тока. Этот ток можно определить и как баланс между двумя электрода ми. Для решения этой проблемы необходимо, что бы вспомогательный электрод не лимитировал об щего тока, длугими словами, чтобы реакция на его поверхности протекала очень быстро. Достигается это при использовании для вспомогательного элек трода поверхности значительно большей площади по сравнению с рабочим электродом. Указанный недостаток исчезает, если мы ис пользуем трехэлектродную схему подключения (рис 2, б). В этом случае третий электрод систе мы — это электрод сравнения, который должен содержать материал известного химического соста ва, включающий обе формы редокс-пары. Обычно это H g / H g C l 2 (насыщенный каломельный элект род) или Ag/AgCl (хлор-серебряный электрод). Так как прикладываемый потенциал фиксирован, то электрод сравнения принимает стабильную точку, относительно которой может измерять рабочий электрод. Следовательно, приложенный потенциал контролируется между рабочим электродом и элек тродом сравнения, а ток измеряется между рабо чим и вспомогательным электродами. После предварительной калибровки зависимо сти тока от концентрации определенных электро активных частиц амперометрический преобразова тель с нанесенной биоселективной мембраной мож но использовать как биосенсор. Безмедиаторные амперометрические биосен соры. Первая группа амперометрических биосенсо ров — это датчики, в основе работы которых лежит измерение концентрации естественных субстратов или продуктов ферментативной реакции. В ходе любой реакции образуются продукты и поглощают ся субстраты. Если они являются электроактивны ми частицами, то соответственно их концентрация может быть непосредственно измерена с помощью амперометрического п р е о б р а з о в а т е л я . Первый класс ферментов, в основном, катализирующих реакции такого типа, — это различные оксидазы 16 А М П Е Р О М Е Т Р И Ч Е С К И Е Б И О С Е Н С О Р Ы . О С Н О В Н Ы Е П Р И Н Ц И П Ы РАБОТЫ Таблица J Некоторые оксидазы и дегидрогеназы, используемые при создании амперометрических биосенсоров Фермент Субстрат Литературный источник Оксидазы Глюкозооксидаза Лактатоксидаза Холиноксидаза Алкогольоксидаза Глутаматоксидаза Триптофан-2-монооксигеназа Лизиноксидаза Ксантиноксидаза Глюкоза Лактат Холин Этанол Метанол Формальдегид Глутамат Триптофан Лизин Гипоксантин Дегидрогеназы [ 8 - 1 0 ] [ 1 1 , 1 2 ] [ 1 3 , 1 4 ] [15, 16] [17, 18] [19] [20] [21] [22, 23] [24] (табл. 1). Схему, по которой происходят фермента тивные реакции с участием оксидаз, можно пред ставить следующим образом: S + EFAD ^FAI )S ^ F A D H 2 + ®2 ^ U F A D H 2 , + н2о2 (10) (11) В основе работы большинства сенсоров подо бного типа лежит поглощение кислорода в ходе биокаталитической реакции, измеряемое с по мощью катодного восстановления 0 2 на электроде при потенциале - 0 , 7 В, или биокаталитическая генерация перекиси водорода, которая измеряется с помощью анодного окисления Н 2 0 2 на электроде при потенциале +0,65 В ( р и с 3) . Основным элементом амперометрического био сенсора является ферментная мембрана. Существу ет целый ряд методов иммобилизации ферментов в мембрану, многие из которых подробно описаны [22, 25 ] . Следующий элемент — это внешняя за щитная мембрана, выполняющая несколько важ ных функций. Во-первых, она является защитным барьером, не позволяющим большим молекулам, таким как белки, проникать внутрь ферментной мембраны. Во-вторых, она не позволяет молекулам фермента покидать ферментную мембрану. Но она также должна быть полностью проницаема для молекул субстрата. К сожалению, эти мембраны часто проницаемы и для разных интерферирующих частиц. Поэтому, как правило, применяют внут реннюю полупроницаемую мембрану, которая не проницаема для интерферирующих частиц. Это общая схема строения такого рода амперометриче ских биосенсоров. Возможны также варианты, ког да используется только одна мембрана, выполняю щая функции всех трех вышеперечисленных [26 ]. Второй класс ферментов, широко используе мых в амперометрических сенсорах первой груп пы, — это дегидрогеназы (табл. 1). Схему, по ко торой происходят ферментативные реакции с уча стием дегидрогеназ, можно представить таким образом: £ + P + N A D H + H + ; N A D H ^ N A D + + H + + 2e. (12) (13) Р и с 3. Общий меха низм работы амперо метрического биосен сора, базирующегося на определении кис лорода (а) и перекиси водорода (б) 17 Д З Я Д Е В И Ч С. В. Цитрі Полупроницаемая мембрана Рис. 4. Принцип работы мультиферментного амперометрическо- го биосенсора для определения цитрата. Здесь CL — цитрат-ли- аза, О АС — оксалоацетатдекарбоксилаза, РОх — пируватокси- даза Также могут применять гидролитические фер менты, если в ходе реакции продуцируются элект роактивные частицы (например, щелочная фосфа таза [34]) . К этой же группе амперометрических биосен соров относятся датчики, на поверхность которых коиммобилизировано одновременно несколько фер ментов. В такой системе продукт одной фермента тивной реакции является субстратом для другой. Однако конечным продуктом должно быть электро активное вещество (рис. 4 ) . В табл. 2 приведены примеры таких систем. Основные недостатки первой группы амперо метрических биосенсоров: — необходимость преподготовки электродов для получения воспроизводимой поверхности и влияние на отклик сенсора геометрии электродов; — влияние на отклик биосенсора массоперено- са частиц через биокаталитические и полупроница емые мембраны; — необходимость постоянной подкалибровки сенсоров из-за фарадеевских процессов на электро дах, особенно при долговременном использовании; — постоянная коррекция данных из-за влия ния фонового раствора, вызываемого интерферен цией с неспецифическими электроактивными час тицами, всегда присутствующими в растворе. Для устранения первого недостатка применяют полировку поверхности, термическую и химиче скую обработки, циклическую вольтамперометрию. Все это часто приводит к улучшению воспроизво димости отклика. Однако после долговременной экспозиции в исследуемом растворе электрод по- прежнему часто не дает воспроизводимых резуль татов. Возможные пути решения этой проблемы — это химическая модификация поверхности [27, 45 ] , использование высокопроводящих органиче ских материалов [46, 47 ] или редокс-полимеров [48 ]. В частности, проводящие органические соли, полученные из N-метилфеназина (NMP) и тетра- цианохинодиметана (TCNQ) , успешно применяли в сенсорах на основе дегидрогеназ [47, 49 ] , а проводящие органические соли на основе тетраци- анохинодиметана (TCNQ) и тетратиафульвалена (TTF) использовали как электродный материал в биосенсорах на основе оксидаз [50] . Важным моментом также является подбор гео метрии электродов, особенно при миниатюризации сенсоров [51 ]. Массоперенос частиц в ходе реакции включает в себя следующие процессы: диффузия субстрата к поверхности мембраны, диффузия субстрата через мембрану к активному центру фермента, генера ция перекиси водорода или поглощение кислорода и их диффузия к поверхности электрода. На практике часто используют интенсивное перемешивание, что уменьшает толщину диффузи онного слоя и соответственно его влияние на вели чину отклика. Но влияние мембран остается и его надо всегда учитывать при анализе откликов, а искусственно изменяя диффузионные коэффициен ты для субстратов, можно регулировать диапазон работы сенсора, время отклика и его чувствитель ность [52]. Однако основными проблемами использования амперометрических сенсоров первого типа являют ся необходимость постоянной подкалибровки и кор рекции сигнала и учет электроактивных интерфе рирующих частиц, таких как аскорбиновая кисло та, мочевая кислота, глутатион и других. Для Таблица 2 Примеры мулыпиферментных систем, используемых в амперометрических биосенсорах Субстрат Ферментная система Литератур ный источ ник Цитрат Цитратлиаза—оксалоацетатдекар [35, 36] боксилаза—пируватоксидаза Сахароза Инвертаза—глюкозооксидаза [37] Мальтоза Амилоглюкозидаза—глюкозоокси [38, 39] даза Лактоза /?-Галактозидаза—глюкозооксидаза [40 ,41 ] Ацетилхолин Ацетилхолинэстераза—холинокси- [42] даза Фосфат Щелочная фосфатаза—глюкозоок [43] сидаза Лецитин Фосфолипаза—холиноксидаза [44] 18 А М П Е Р О М Е Т Р И Ч Е С К И Е Б И О С Е Н С О Р Ы . О С Н О В Н Ы Е П Р И Н Ц И П Ы РАБОТЫ решения этих проблем проще всего применять дифференциальный режим измерений [26, 5 3 ] , когда учитывается разность сигналов между фер ментным электродом и идентичным ему электро дом, не содержащим фермента. Также можно ис пользовать различные заряженные диализные мем браны [34, 54 ]. Самые распространенные для этой цели материалы — ацетат-целлюлоза и поликарбо натные или поливинилхлоридные пленки. Именно использование этих диализных мембран позволило улучшить стабильность сенсоров и работать в ре альных биологических жидкостях в условиях как in vitro, так и in vivo, Медиаторные амперометрические биосенсоры. Вторая группа амперометрических биосенсоров включает в себя датчики, использующие в качестве переносчиков электронов альтернативные окисляю щие агенты — медиаторы. Это позволяет работать с более низкими потенциалами, тем самым умень шая влияние кислорода на отклик (случай оксидаз) и в какой-то мере решая вопрос влияния различ ных интерферирующих частиц. В табл. 3 приведе ны некоторые важные редокс-потенциалы, приме няемые в амперометрических измерениях. Принцип работы медиаторного амперометриче- ского сенсора показан на рис. 5. В общем случае медиатор — это низкомолеку лярная частица, переносящая электрон между ре- докс-центром фермента и рабочим электродом. В этом случае реакции (11) и (13) принимают вид: + M E D 0 x -» EFAD + M E D R e d ; (14) NADH + M E D 0 x -* N A D + + 2 H + + M E D R e d . (15) Все медиаторы можно разделить на две груп пы: «натуральные» и «искусственные» электронные переносчики (табл. 4) . Самые известные и распро страненные «искусственные» медиаторы — ферри- цианид и ферроцен. В табл. 5 приведены примеры медиаторных амперометрических биосенсоров. Медиаторы можно добавлять в измеряемый раствор или иммобилизировать на поверхность электрода. Первый вариант, конечно же, проще, однако он нетехнологичен. К тому же, например, органические красители, такие как метиленовый синий, фталоцианин или фиолетовый, являются токсичными, нестабильными в восстановлении, р Н - зависимыми и часто просто самоокисляются. Опти мальный вариант, который к тому же более техно логичный, — это иммобилизированные медиаторы. Одним из недостатков, сдерживающих разви тие биосенсоров на основе иммобилизированных медиаторов, является низкая стабильность таких датчиков. Для решения этой проблемы применяли различные методы. В простейшем случае порошок медиатора смешивали с углеродной пастой (смесь жидкого парафина с порошком графита) и таким образом изготавливали карбоновый электрод, на который уже затем адсорбировался фермент [67] . В данном варианте также использовали диализную мембрану, которая предохраняла компоненты от вымывания в раствор. В других случаях медиаторы просто адсорбировали на поверхность электрода. Например, в работе [68 ] каплю раствора диметил- ферроцена в толуоле наносили на поверхность электрода и уже после испарения толуола иммоби- лизировали глюкозооксидазу. Но в таком варианте на характеристики сенсора начинает оказывать влияние растворимость медиатора. Когда сенсор погружают в водный раствор, нерастворимый меди атор остается на поверхности. Однако при прикла дывании потенциала образуются ионы феррицини- ума, которые очень хорошо растворимы в водных растворах и сразу же вымываются, тем самым уменьшая количество медиатора на поверхности электрода и соответственно отклик сенсора. Для преодоления этого недостатка были разра ботаны и исследованы проводящие полимеры, мо дифицированные медиаторами [69] . В этой работе полипирольную пленку из раствора ацетонитрила наносили на поверхность золотого электрода, а затем к ней ковалентно пришивали ферроценкар- бонилхлорид и глюкозооксидазу. Полученный та ким образом электрод был стабилен в присутствии раствора глюкозы на протяжении 5 дней. Таблица 3 Редокс-потенциалы для некоторых реакций при рН 7 19 Д З Я Д Е В И Ч С. В. Субстрат 1. Ферментная мембрана Рис. 5. Принцип работы амперометрического медиаторного биосенсора. Здесь J R̂ed, Е0х — восстановленная и окисленная формы фермента, MedRed, Med^ — восстановленная и окислен ная формы медиатора Еще одним способом решения проблемы вымы вания медиатора из мембраны является введение медиатора и фермента в коллоидную графитовую эмульсию, сверху которой фиксируется катионная мембрана [70]. Таким образом, положительно за ряженные ионы феррициниума удерживаются на поверхности электрода. Электрод прост в изготов лении, имеет быстрое время отклика и достаточно широкий диапазон определения глюкозы, при хра нении на протяжении 6 месяцев в сухом виде остаточная активность фермента была до 70 %. При выборе медиаторов всегда необходимо учитывать следующие факторы: — прикладываемый потенциал должен быть меньше потенциала восстановления кислорода; — восстановленный медиатор не должен реаги ровать с кислородом; — электронный перенос между восстановлен ным медиатором и ферментом должен быть очень быстрым; — медиатор не должен зависеть от рН; — медиатор должен быть нетоксичным. Если удовлетворить всем этим требованиям, то можно надеяться на получение амперометрическо го биосенсора с аналитическими характеристиками, позволяющими работать в реальных условиях на протяжении длительного времени. Амперометрические сенсоры, основанные на прямом переносе электронов. В основе работы амперометрических биосенсоров третьей группы лежит прямой перенос электронов между фермен том и электродом. Этот феномен также часто называют биоэлектрокатализом. Основные свойст ва, характеризующие амперометрические биосен соры, основанные на прямом переносе электронов, и отделяющие их от остальных амперометрических сенсоров, связаны с каталитической природой про цесса в целом и с тем, что перенос электрона с электрода на молекулу субстрата и наоборот осу ществляется непосредственно через активный центр фермента в отсутствие каких-либо перенос чиков. Согласно теории электронного переноса [71, 72 ] , константа скорости прямого электрохимиче ского взаимодействия между донором и акцептором определяется разностью потенциалов между ре- докс-центром фермента и электродом, энергией преобразования при переносе электронов и наибо лее сильно — расстоянием между активным сайтом фермента и поверхностью электрода. Пептидное окружение пространственно отделяет редокс-сайт фермента от поверхности электрода и практически изолирует активный центр от электрического кон такта с поверхностью электрода. Поэтому и необ ходимо установление электрического контакта между редокс-белком и электродом, для чего при меняют медиаторы в качестве переносчиков элект ронов [55—66], а также различные модифициро ванные поверхности электродов [27, 45—50] . Эти способы подробно рассматривались выше при опи сании медиаторных и безмедиаторных амперомет рических биосенсоров. Однако некоторые авторы иногда ошибочно причисляют эти сенсоры к классу амперометрических биосенсоров на основе прямого переноса электронов. В случае же биоэлектроката- Таблица 4 Некоторые «натуральные» и «искусственные» медиаторы и их редокс-потещиалы при рН 7 20 Таблица 5 Примеры медиаторных амперометрических биосенсоров лиза электрон сам является косубстратом реакции, и ферментативная и электродная реакции не могут проходить независимо друг от друга. Прямой электронный перенос между цитохро- мом с и электродом впервые был продемонстриро ван на электроде из оксида индия, допированном оловом [73 ], и золотом электроде, модифицирован ном 4-4' бипиридином [74] с помощью цикличе ской вольтамперометрии. В то же время было показано, что цитохром с 3 из Desulfovibrio vulgaris способен обмениваться электронами с ртутным электродом [75 ]. С этого момента публикуется ряд работ по прямому переносу электронов между ци- тохромом с и другими редокс-белками и различны ми как модифицированными, так и ^ м о д и ф и ц и р о ванными электродами. Эти работы подробно рас смотрены в обзорах Армстронга [76, 7 7 ] . Однако с точки зрения создания биосенсоров более интере сен прямой электронный перенос между редокс- ферментами и электродом. Тарасевич и соавт. впервые проанализировали безмедиаторный биоэлектрокатализ грибковой лак - казы (голубая медь-содержащая оксидаза) [78 ]. Они получили восстановление кислорода на сажи стом углеродном электроде с иммобилизованной лакказой при потенциале +1,2 В относительно хлор-серебряного электрода при рН 5,0: Лакказа 0 2 + 4е~+ 4Н+ - * 2 Н 2 0 . (16) +1,2 В vsAg/AgCl Позднее этот феномен был исследован более А М П Е Р О М Е Т Р И Ч Е С К И Е Б И О С Е Н С О Р Ы . О С Н О В Н Ы Е П Р И Н Ц И П Ы Р А Б О Т Ы детально с обсуждением возможного механизма биоэлектрокаталитической реакции, который ока зался достаточно сложным [79, 8 0 ] . Ли с соавт. также получили каталитический ток восстановле ния кислорода в воде на лакказном графитовом электроде [81 ]. Биоэлектрокаталитическое поведе ние было подобным, но не полностью идентичным с работой Тарасевича и соавт. Потенциал катали тического восстановления кислорода был +0,74 В относительно каломельного электрода при рН 4,7, что, конечно же , отличается от значения +1,2 В, полученного ранее [78—80] , и эта разница может быть связана с различиями в электродных матери алах. Электрохимическое восстановление пероксида- зы хрена впервые изучено Ярополовым и соавт. на сажистом углеродном электроде при потенциале менее +1,2 В относительно каломельного электрода [82] : Пероксидаза Н 2 0 2 + 2е + 2Н+ ^ 2 Н 2 0 . (17) +1,2 В v s H g / H g C l . С этого момента биоэлектрокатализ пероксида- зы и его применение при создании биосенсоров для определения перекиси водорода было исследовано большим числом авторов с использованием различ ных электродных материалов (золото, платина, пиролитический графит, углеродная паста, сажи стый или активированный углерод) [83—86]. В работе [87] уделено особое внимание важности пероксидазно-каталитического восстановления пе рекиси, образующейся в реакциях с оксидазами, для разработки амперометрических сенсоров. На рис. 6 представлена схема прямого восстановления пероксидазы на активированном углеродном элект роде [88 ]. Такие электроды демонстрировали вели колепные электрокаталитические характеристики и высокую плотность тока в присутствии перекиси при низком потенциале без каких-либо дополни тельных электрохимических или физических пре добработок поверхности. Прямой электронный пе ренос между электродом и пероксидазой, выража ющийся в электроферментативном восстановлении перекиси водорода, происходил при потенциале +480 мВ относительно хлор-серебряного электрода сравнения. В работах [89—91 ] также показана возмож ность прямого переноса электронов для цитохром с-пероксидазы. Для получения электрического контакта меж ду редокс-центром фермента и поверхностью элек трода предложена химическая модификация ре- 21 Д З Я Д Е В И Ч С. В. Рис. 6. Схема прямого восстановления пероксидазы на активи рованном углеродном электроде. HRP — пероксидаза хрена, ЛУЭ — активированный углеродный электрод докс-белков с помощью редокс-связанных компо нентов [92, 93 ] . Авторы изменили структуру глю- козооксидазы, ковалентно связав 12 ферроцен-кар боксильных кислотных групп с аминогруппами фермента, благодаря чему расстояние электронного переноса сокращается, поскольку группы действу ют как электронные ретрансляторы между F A D / - FADH 2 редокс-центрами фермента и электродом. Еще одним дополнительным способом электри чески связать редокс-центр фермента с электродом является его иммобилизация в редокс-полимерную матрицу [94, 95 ] . Таким способом иммобилизовали глюкозооксидазу в ферроцен-модифицированный полимер или в осмий (II)-полипиридин-замещен- ный полимер, что приводило к биоэлектрокатализу глюкозы [95]. Подобным же образом иммобилизо вали нитрат-редуктазу в К,№-бипиридин-модифи- цированный политиофен [96 ]. Электрохимическая активация редокс-фермен- тов и последующий прямой перенос электронов между ферментом и электродом особенно важны при разработке амперометрических биосенсоров. Такие сенсоры обладают следующими важными преимуществами: 1) высокая чувствительность благодаря высо кой плотности тока, которая может позволить ми ниатюризацию электродов; 2) значительное уменьшение неспецифических интерферирующих откликов благодаря эффектив ной электрической активации редокс-фермента, способной привести к созданию высокоселективных чувствительных биосенсоров. Заключение. Таким образом, в представлен ном обзоре рассмотрены основные принципы и вопросы, касающиеся амперометрических биосен соров, и подробно описаны все их группы, разрабо танные на данный момент. Разделение на три группы неслучайно. Кроме основных принципов, лежащих в основе такого разделения, — это еще и три различные генерации приборов. В основе первой генерации амперометрических биосенсоров лежит электроактивность субстратов и продуктов ферментативной реакции. Главные их недостатки — это высокий прикладываемый к электродам потенциал и интерференция с неспеци фическими электроактивными частицами. Однако на основе именно этих сенсоров в 1975 г. фирмой «Yellow Spring Instruments* (США) был выпущен первый коммерческий вариант биосенсора [97 ]. Вторая генерация амперометрических биосен соров основана на использовании медиаторов как переносчиков электронов. С их помощью удалось уменьшить прикладываемый потенциал и интерфе ренцию с неспецифическими электроактивными частицами. Однако, во-первых, медиаторы необхо димо было связать с электродом, что усложняло технологию, и, во-вторых, иногда возникала про блема их участия в других интерферирующих ре акциях. Несмотря на это, именно к данной группе сенсоров относится большинство коммерческих ва риантов биосенсоров, в том числе самый известный глюкозный сенсор фирмы «MediSense» (США) [98] . В основе третьей генерации амперометриче ских биосенсоров лежит прямой перенос электро нов между ферментом и электродом. Кроме того, они обладают высокой селективностью, чувстви тельностью и полным отсутствием интерферирую щих частиц и взаимодействий. Особенно привлека тельным свойством этих систем является возмож ность модуляции необходимых характеристик аналитических приборов, применяя, с одной сторо ны, модификацию белков с помощью генной или химической инженерии [92, 93 ], а, с другой, — новые технологии создания чувствительной повер хности [96, 99 ] . Более подробно о коммерческих вариантах ам перометрических биосенсоров, об использовании новейших технологий микроэлектроники и биотех нологии при их конструировании, различных мето дах иммобилизации, а также областях их примене ния будет описано в следующем обзоре. Часть этой работы выполнена благодаря фи нансовой поддержке фонда INTAS (проект № 00- 0751). S. V. Dzyadevych Amperometric biosensors. Key work principles and features of transducers of different generations Summary The key electrochemical principles connected with application of 22 А М П Е Р О М Е Т Р И Ч Е С К И Е Б И О С Е Н С О Р Ы . О С Н О В Н Ы Е П Р И Н Ц И П Ы Р А Б О Т Ы amperometric method in bioanalytical practice were considered, and the possible measuring electrode circuits were shown. Amperometric biosensors were classified on three groups such as unmediated, mediated and based on direct transfer of electrones, which were described in detail, and their advantages and disadvantages were showtL С. В. Дзядевич Амперометричні біосенсори. Основні принципи роботи та особливості датчиків різних генерацій Резюме В огляді розглянуто основні електрохімічні принципи, які лежать в основі застосування амперометричного методу виз начення в біоаналітичній практиці, представлено можливі варіанти підключення електродів. Амперометричні біосенсори класифіковано на три групи (безмедіаторні, медіаторні та на основі прямого переносу електронів), які докладно описано, наведено їхні приклади та вказано на переваги та недоліки. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Clark JL С, Jr. Monitor and control of blood and tissue oxygen tensions / / Trans. Amer. Soc. Artif. Int. Organs.—1956.—2.— P. 41—48. 2. Clark L. C, Lyons C. Electrode systems for continuous monitoring in cardiovascular surgery / / Ann. New York Acad. Sc i .—1962.—102.—P. 29—45. 3. Updike S. J., Hicks G. P. The enzyme electrode / / Nature.— 1967.—214.—P. 986—988. 4. Корыта И., Дворжак И., Богачкова В. Электрохимия.— M.: Мир, 1977.—472 с. 5. Hall Е. Biosensors.—Cambridge: Open Univ. press, 1991. 6. White S. F., Turner A. P. F. Mediated amperometric biosensors / / Handbook of biosensors and electronic noses: medecine, food, and environment / Ed. E. Kress-Rogers.—New York: CRC press, 1997.—P. 227—244. 7. Davis G. Electrochemical techniques for the development of amperometric biosensors / / Biosensors.—1985—1.—P. 161 — 168. 8. Warsinke A. Biosensors for food analysis / / Frontiers in Biosensorics II. Practical Applications / Eds F. W. Scheller, F. Schubert, J. Fedrowitz.—Basel: Birkhauser, 1997.—P. 121. 9. Tran Minh C. Biosensors.—London: Chapman & Hall, 1993. 10. Pfeiffer D. Commercial biosensors for medical application / / Frontiers in Biosensorics II. Practical Applications / Eds F. W. Scheller, F. Schubert, J. Fedrowitz.—Basel: Birkhauser, 1997.—P. 149—160. 11. Bardeletti G, Sechaud F, Coilet P. R. A reliable L-lactate electrode with a new membrane for enzyme immobilization for amperometric assay of lactate / / Anal. Chim. Acta.—1986.— 187.—P. 47—54. 12. Mizutani F., Yamanaka Т., Tanabe Y., Tsuda К An enzyme electrode for L-lactate with chemically amplified electrode / / Anal. Chim. Acta .—1985.—177.—P. 153—166. 13. Matsumoto K., Seijo H., Karube /., Suzuki S. Amperometric determination of choline with use of immobilized choline oxidase / / Biotech, and Bioeng.—1980.—22.—P. 1071 — 1086. 14. Xin Q., Wightman R. M. Enzyme modified amperometric sensors for choline and acetylcholine with tetrathiafulvalene tetracyanoquinodimethane as the electron-transfer mediator / / Anal. Chim. Acta .—1997,—341.—P. 43—51 . 15. Verduyn C, Van Dijken J. P., Scheffers W. A. A simple, sensitive, and accurate alcohol electrode / / Biotech, and Bioeng.—1983.—25.—P. 1049—1055. 16. Boujtita M., Hart J. P., Pittson R. Development of a disposable ethanol biosensor based on a chemically modified screen-printed electrode coated with alcohol oxidase for the analysis of beer / / Biosensors and Bioelectronics.—2000.— 15.—P. 2 5 7 — 2 6 3 . 17. Clark L. C , Jr. A family of polarographic enzyme electrodes and the measurement of alcohol / / Biotech, and Bioeng.— 1972 .—3.—P. 377—394 . 18. Belghitin H., Romette J. L., Thomas D. An enzyme electrode for on-line determination of ethanol and methanol / / Biotech, and Bioeng.—1987.—30.—P. 1001 — 1005. 19. Korpan Y. /., Dzyadevich S. V., Arkhipova V. N., Gonchar M. V., Gibson T. D., Jaffrezic-Renault N., Martelet C , Soldatkin A. P. Enzyme-based electrochemical sensors for formaldehyde detection / / Sensors and Materials.—2000.—12, N 2 . — P. 79—86. 20. Wollenberger V., Scheller F., Bohmer A., Passarge M., Muller H. G. A specific enzyme electrode for L-glutamate-development and application / / Biosensors.—1989.—4.—P. 381—391 . 21. Simonian A. L., Rainina E. I., Wild J., Fitzpatrick P. F. A biosensor for L-tryptophan determination based on recombinant Pseudomonas savastanoi tryptophan-2-monooxygenase / / Anal. L e t t — 1 9 9 5 . — 2 8 . — P . 1751 — 1761. 22. Saurina J., Hernandez-Cassou S., Alegret S., Fabregas E. Amperometric determination of lysine oxidase biosensor based on rigid-conducting composites / / Biosensors and Bioelec tronics .—1999.—14.—P. 211—220 . 23. Vrbova E., Marek M., Ralys E. Biosensor for determination of L-lysin / / Anal. Chim. Acta .—1992.—279.—P. 131—136. 24. Niu J., Yang JL J. Renewable-surface graphite-ceramic enzyme sensors for the determination of hypoxantine in fish meat / / Anal. Commun.—1999.—36.—P. 8 1 — 8 3 . 25. Eggins B. R. Biosensors: an introduction.—Chichester-Stut- tgart: John Wiley and Sons and Teubner, 1996.—P. 3 1 — 5 1 . 26. Дзядевич С. В., Солдаткин А. П., Россохатый В. 1С, Шрам Н. Ф., Шульга А. А., Стриха В. И. Амперо- метрический ферментный биосенсор с мембраной глюкозо- оксидаза-полианилин / / Укр. биохим. журн .—1994 .—66 , № 3 .—С. 5 4 — 6 0 . 27. Lorenzo Е., Pariente F., Hernandez JL, Tobalina F., Border M., Wu G., Maskus M., Abruna H. D. Analytical strategies for amperometric biosensors based on chemically modified elec trodes / / Biosensors and Bioe lec tron ics .—1998 .—13 .— P. 319—332 . 28. Albery W. /., Bartlett P. N., Cass A. E. G, Sim K. W. Amperometric enzyme electrodes. Part IV. An enzyme elec trode for ethanol / / J. Electroanal. Chem.—1987.—218.— P. 127—134. 29. Miyamoto S., Murakami Т., Saiti A., Kimura J. Development of an amperometric alcohol sensor based on immobilized alcohol-dehydrogenase and entrapped N A D + / / Biosensors and Bioelectronics.—1991.—6.—P. 563—567 . 30. Blaedel W. J., Engstrom R. C. Reagentless enzyme electrode for ethanol, lactate, and malate / / Anal. Chem.—1980.— 52 .—P. 1691 — 1697. 31. Jaraba P., Agui L., Yanez-Sedeno P., Pingarron J. M. NADH amperometric sensor based on poly (3-methylthiophene)-coated cylindrical carbon fiber microelectrodes: application to the enzymatic determination of L-lactate / / Electrochim. Acta.— 1998 .—43.—P. 3555—3565 . 32. Bartlett P. N., Whitaker R. G. Strategies for the development of amperometr ic e n z y m e e l ec trodes / / B i o s e n s o r s . — 1 9 8 7 / 1 9 8 8 . — 3 . — P . 359—379. 33. Albery W. J., Bartlett P. N., Cass A. E. G. Amperometric 23 Д З Я Д Е В И Ч С В. enzyme electrodes / / Phil. Trans. R. Soc. Lond.—1987.— 316 .—P. 107—119. 34. Wilson G. S.f Thevenot D. R. Unmediated amperometric enzyme electrodes / / Biosensors. A practical approach / Ed. A. E. G. Cass.—Oxford: Oxford Univ. press, 1990.—P. 1 — 17. 35. Gajovic N., Warsinke A., Scheller F. W. A novel multienzyme electrodes for the determination of citrate III. Chem. Tech. Biotechnol .—1995.—63.—P. 337—344. 36. Matsumoto K, Tsukatani Т., Okajima Y. Amperometric flow- injection determination of citric acid in food using free citrate lyase and coimmobilized oxalacetate decarboxylase and py ruvate oxidase / / Electroanalysis.—1995.—7.—P. 527—530. 37. Scheller F., Karsten C. A combination of invertase reactor and glucose-oxidase electrode for successive determination of glu cose and sucrose / / Anal. Chim. Acta .—1983.—155.— P. 29—36. 38. Filipak M., Fludra K, Gosciminska E. Enzymatic membranes for determination of some disaccharides by means of an oxygen electrode / / Biosensors and Bioelectronics.—1996.—11 — P. 355—364. 39. Varadi M., Adanyi N, Nagy G., Rezessy-Szabo J. Studying the bienzyme reaction with amperometric detection for measuring maltose / / Biosensors and Bioe lectronics .—1993.—8.— P. 339—345. 40. Pfeiffer D.f Ralis E.V., Makower A., Scheller F. Amperometric bienzyme based biosensor for the detection of lactose. Charac terization and application / / J. Chem. Tech. Biotechnol.— 1990.—49.—P. 255—265. 41. Xu Y., Guilbault G. G., Kuan S. S. Fast responding lactose enzyme electrode / / Enzyme Microbiol. Technol.—1990.— 12.—P. 104—108. 42. Larsson N., Ruzgas Т., Gorton L, Kokaia M., Kissinger P., Csoregi E. Design and development of an amperometric biosensor for acetylcholine determination in brain microdia- lysates / / Electrochim. Acta.—1998.—43.—P. 3541—3554. 43. Guilbault G. G., Nanjo M. A phosphate selective electrode based on immobilized alkaline phosphatase and glucose oxidase / / Anal. Chim. Acta .—1975.—78.—P. 69—80. 44. Campanella L., Pacifici F., Sammartino M. P. Tomassetti M. A new organic phase bienzymatic electrode for lecithin analysis in food products / / Bioelectrochem. Bioenerg.—1988.—47.— P. 27—38. 45. Albery W. Hillman A. R. Transport and kinetics in modified electrodes / / J. Electroanal. Chem.—1984.—170.—P. 27— 49. 46. Quing-Shan Li, Bang-Ce Ye, Bai-Xiang Liu, Jian-Jiang Zhong. Improvement of the performance of H 2 0 2 oxidation at low working potential by incorporating TTF-TCNQ into a platinum wire electrode for glucose determination / / Biosensors and Bioelectronics.—1999.—14.—P. 327—334. 47. Albery W. J., Craston D. H. Amperometric enzyme electrodes: Theory and experiment / / Biosensors. Fundamentals and Applications / Eds A. P. F. Turner, I. Karube, G. S. Wilson.—Oxford: Oxford Univ. press, 1987.—P. 180—210. 48. Cosnier S. Biomolecule immobilization on electrode surface by entrapment or attachment to electrochemically polymerized films. A review / / Biosensors and Bioelectronics.—1999.— 14.—P. 443—456. 49. Albery W. J., Bartlett P. N. An organic conductor electrode for the oxidation of NADH / / J. Chem. Soc. Chem. Commun.— 1984.—P. 234—236. 50. Albery W. J., Bartlett P. N, By croft M., Craston D. H, Driscoll B. J. Amperometric enzyme electrodes. 3. A conduct ing salt electrode for the oxidation of four different flavoen- zymes / / J. Electroanal. Chem.—1987.—218.—P. 119—126. 51 . Albareda-Sirvent M., Mercoci A., Alegret S. Configurations used in the design of screen-printed enzymatic biosensors. A review / / Sensors and Actuators В .—2000 .—69.—P. 153— 163. 52. Eddowes M. Theoretical methods for analysing biosensor performance / / Biosensors. A practical approach / Ed. A. E. G. Cass.—Oxford: Oxford Univ. press, 1990.—P. 211—263. 53 . Thevenot D. R., Sternberg R., Coulet P. R., Laurent /., Gautheron D. Enzyme collagen membrane for electrochemical determination of glucose / / Anal. Chem.—1979.—51.— P. 96—100. 54. Reddy S. M., Vadgama P. M. Membranes to improve ampe rometric sensor characteristics / / Handbook of biosensors and electronic noses: medicine, food, and environment / Ed. E. Kress-Rogers.—New York: CRC press, 1997.—P. 111—135. 55. Cass A. E. G., Davis G., Francis G. D., Hill H. A. O., Aston W. J., Higgins J. /., Plotkin E. V., Scott L D. E, Turner A. P. F. Ferrocene-mediated enzyme electrode for amperometric determination of glucose / / Anal. Chem.—1984.—56.— P. 667—571. 56. Spinas G. A., Andre U. R., Heinzinger Т., Berger W. Evaluation des Pen-Meters zur Blutzuckerbestimmung bei am- bulanten Diabetikern / / Schweiz. Med. Wochenschr.—1990.— 120.—S. 125. 57. Bradley J., Schmid R. D. Optimisation of a biosensor for in situ fermentation monitoring of glucose concentration / / Bio sensors and Bioelectronics.—1991.—6.—P. 669—674. 58. Stredansky M., Pizzariello A., Stredanska S., Miertus S. Determination of D-fructose in foodstuffs by an improved amperometric biosensor based on a solid binding matrix / / Anal. Commun.—1999.—36.—P. 5 7 — 6 1 . 59. Xie X., Kuan S. S., Guilbault G. G. A simplified fructose biosensor / / Biosensors and Bioelectronics.—1991.—6.— P. 49—54. 60. White S. F, Higgins I. J., DCosta E., Bradley /., Schmid R. D. Amperometric detection of lactate: a comparison between mediated and platinised carbon electrodes / / Biosensors: Fundamental technologies and application / Eds F. Scheller, R. D. Schmid.—Weinheim: VCH Publishers, 1992.—P. 403— 421. 61. Kulys J., Schuhmann W., Schmidt H.-L. Carbon paste elec trodes with incorporated lactate oxidase and mediators / / Anal. Le t t—1992 .—26 .—P. 1011—1024. 62. Hale P. D., Hung S.-L, Okamoto Y, Skotheim T. A. Glutamate biosensors based on electrical communication be tween L-glutamate oxidase and a flexible redox polymer / / Anal. Lett .—1991.—24.—P. 345—356. 63. Vahjen W., Bradley /., Bilitewski U., Schmid R.D. Mediated enzyme electrode for the determination of L-glutamate / / Anal. Lett .—1991.—24.—P. 1445—1452. 64. Dempsey E., Wang J., Wollenberger U., Ozsoz M. A lysine dehydrogenase-based electrode for biosensing of L-lysine / / Biosensors and Bioelectronics .—1992—7.—P. 323—327. 65. Yon Hin B. F. Y., Lowe C. R. Catalytic oxidation of reduced nicotinamide adenine dinucleotide at hexacyanoferrate-mo- dified nickel electrodes / / Anal. Chem.—1987 .—59 .— P. 2111—2115. 66. Holt P. J., Gray Stephens L D., Bruce N. C, Lowe C. R. An amperometric opiate assay / / Biosensors and Bioelectronics.— 1995.—10.—P. 517—526. 67. Pat USA 3 ,838,033. Enzyme electrode / W. Mindt, P. Racine, P. Schlapfer / / Publ. 1974. 68. Cass A. E. G., Davis G., Francis G. D, Hill H. A. O., Aston W. G., Higgins I. J., Plotkin E. V., Scott L D., Turner A. P. F. Ferrocene mediated enzyme electrode for amperometric 24 А М П Е Р О М Е Т Р И Ч Е С К И Е Б И О С Е Н С О Р Ы . О С Н О В Н Ы Е П Р И Н Ц И П Ы Р А Б О Т Ы determination of glucose / / Anal. Chem.—1984.—56.— P. 667—671. 69. Dicks J. M., Hattori S., Karube I., Turner A. P. F.t Yokozawa T. Ferrocene modified poly pyrrole with immobilised glucose oxidase and its application in amperometric glucose microsen- sors / / Ann. Biol. Cl in.—1987.—47.—P. 607—613. 70. Rosen-Margalit L, Rishpon J. Novel approaches for the use of mediators in enzyme electrodes / / Biosensors and Bioelec tronics.—1993.—8.—P. 315—323. 71. Marcus R. A., Sutin N. Electron transfer in inorganic, organic and biological systems / / Adv. Chem.—1991.—228—P. 1 — 13. 72. Marcus R. A., Sutin N. Electron transfer in chemistry and biology / / Biochim. et biophys. acta .—1985.—811.—P. 265— 322. 73. Yeh P., Kuwana T. Reversible electrode reaction of cytochrome с II Chem. Lett .—1977.—P. 1145—1148. 74. Eddows M. J., Hill H. A. O. Novel method for the investigation of the electrochemistry of metalloproteins: cytochrome с II L Chem. Soc. Chem. Commun.—1977.—P. 770—772. 75. Niki K, Yagi I., Inokuchi H., Kimura K. Electrochemical behavior of cytochrome c 3 of Desulfovibrio vulgaris, strain Miyazaki, on the mercury electrode / / J. Amer. Chem. S o c — 1 9 7 9 . — 1 0 1 . — P . 3335—3340. 76. Armstrong F. A , Hill H. A. O., Walton N. J. Direct electrochemistry of redox proteins / / Acc. Chem. Res.— 1988.—21.—P. 407—413. 77. Armstrong F. A. Dynamic electrochemistry of iron-sulfur proteins / / Adv. Inorg. Chem.—1992.—38.—P. 117—163. 78. Tarasevich M. R., Yaropolov A. I., Bogdanovskaya V. A., Varfolomeev S. D. Electron catalysis of a cathodic oxygen reduction by laccase / / Bioelectrochem. Bioenerg.—1979.— 6.—P. 393—403. 79. Berezin I. V., Varfolomeev S. D. Principles of bioelec- trocatalysis / / Enzym. Eng.—1980 .—5.—P. 95—100. 80. Варфоломеев С. Д. , Березин И. В. Биоэлектрокатализ: ускорение электродных реакций с ферментами / / Успехи в физической химии / Под ред. Я. М. Колотыркина.— Москва: Мир, 1982.—С. 60—95. 81. Lee Chi-Woo, Gray Н. В., Anson F. С, Malmstron В. G. Catalysis of the reduction of dioxygen at graphit electrodes coated with fungal laccase / / J . Electroanal. Chem.—1984.— 172.—P. 289—300. 82. Ярополов А. И., Маловик Б., Варфоломеев С. Д., Березин И. В. Биоэлектрокатализ. Прямой электронный перенос из активного центра пероксидазы на электрод / / Докл. Ака демии Наук СССР.—1979 .—249 .—С. 1399—1402. 83. Jonsson G., Gorton L. An electrochemical sensor for hydrogen peroxide based on peroxidase adsorbed on a spectrographic graphite electrode / / Electroanalysis.—1989.—1.—P. 465— 468. 84. Wollenberg U., Bogdanovskaya V., Bobrin S., Scheller F., Tarasevich M. Enzyme electrodes using bioelecirocatalytic reduction of hydrogen peroxide / / Anal. Lett .—1990.—23.— P. 1795—1808. 85. Zhao /., Henkens R. W., Stonehuerner O'Daly J. P., Crumbliss A. L. Direct electron transfer at horseradish pero- xidase-modified colloidal gold electrodes / / J. Electroanal. Chem.—1992.—327.—P. 109—119. 86. Ho W. O., Athey D., McNeil С /., Hager H J., Evans G P., Mullen W. H. Mediatorless horseradish peroxidase enzyme electrodes based on activated carbon: potential application to specific binding assay / / J. Electroanal. Chem.—1993.— 351 .—P. 185—197. 87. Ruzgas Т., Gorton L, Emneus J., Marko-Verga G. Kinetic models of horseradish peroxidase action on a graphite elec trode / / J. Electroanal. Chem.—1995—391.—P. 41—49. 88. McNeil C. J., Athey D.f Ho W. O. Direct electron transfer bioelectronic interfaces: application to clinical analysis / / Biosensors and Bioelectronics.—1995.—10.—P. 75—83 . 89. Armstrong F. A., Lannon A. M. Fast interfacial electron transfer between cytochrome с peroxidase and graphite elec trodes promoted by aminoglycosides: novel electroenzymatic catalysis of H 2 0 2 reaction / / J. Amer. Chem. S o c — 1 9 8 7 . — 109.—P. 7211—7212 . 90. Paddok R. M.f Bowden E. F. Electrocatalytic reduction of hydrogen peroxide via direct electron transfer from pyrolytic graphite electrodes to irreversibly adsorbed cytochrome с peroxidase / / J. Electroanal. Chem.—1989 .—260.—P. 487— 494. 91. Scott D. L, Paddock R. M., Bowden E. F. The electrocatalytic enzyme function on adsorbed cytochrome с peroxidase on pyrolytic graphite / / J. Electroanal. Chem.—1992 .—341 .— P. 3 0 7 — 3 2 1 . 92. Degani Y., Heller A. Direct electrochemical communication between chemically modified enzymes and metal electrodes. 1. Electron transfer from glucose oxidase to metal electrodes via electron relays, bound covalently to the enzyme / / J. Phys. Chem.—1987.—91.—P. 1285—1289. 93. Heller A. Electrical wiring of redox enzymes / / Acc. Chem. Res .—1990 .—23 .—P. 128—134. 94. Gregg B. A., Heller A. Crosslinked redox gels containing glucose oxidase for amperometric biosensor application / / Anal. Chem.—1990 .—62.—P. 258—263 . 95. Heller A. Electrical connection of enzyme redox centers to electrodes / / J. Phys. Chem.—1992.—96.—P. 3579—3587. 96. Katz E., Heleg-Shabtai V., Willner В., Willner L, Buckmann A. Electrical contact of redox enzymes with electrodes: novel approaches for amperometric biosensors / / Bioelectrochem. Bioenerg.—1997.—42.—P. 95—104 . 97. Schmid R. D., Karube I. Biosensors and Bioelectronics / / Biotechnology / Eds H. J. Rehm, G. Reed.—Weinheim: VCH Verlagsgesellschaft, 1988.—Vol. 6b .—P. 317—365. 98. MediSense Inc. Blood Glucose Sensor Electrodes / / Product Information.—New York, 1990. 99. Riklin A., Katz E., Willner I.t Stocker A., Buckmann A. F. Improving enzyme electrode contacts by redox modification of cofactors / / Nature .—1995.—376.—P. 672—675. УДК 577.15; 573.6 Надійшла до редакції 26 .10.2000 25

Амперометрические биосенсоры. Основные принципы работы и особенности датчиков разных генераций

Institution

Ähnliche Einträge