Амперометрические биосенсоры. Современные технологии и коммерческие варианты анализаторов

Проанализированы возможности современных микросистемных технологий, включающих производство амперометрических биосенсоров (изготовление преобразователей, методы иммобилизации биологического материала, совмещение различных технологических процессов в одном производственном цикле). Описаны современ...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2002
Автор:	Дзядевич, С.В.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Інститут молекулярної біології і генетики НАН України 2002
Назва видання:	Біополімери і клітина
Теми:	Огляди
Онлайн доступ:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/156294
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Амперометрические биосенсоры. Современные технологии и коммерческие варианты анализаторов / С.В. Дзядевич // Вiopolymers and Cell. — 2002. — Т. 18, № 5. — С. 363-376. — Бібліогр.: 57 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-156294
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-1562942019-07-06T10:36:40Z Амперометрические биосенсоры. Современные технологии и коммерческие варианты анализаторов Дзядевич, С.В. Огляди Проанализированы возможности современных микросистемных технологий, включающих производство амперометрических биосенсоров (изготовление преобразователей, методы иммобилизации биологического материала, совмещение различных технологических процессов в одном производственном цикле). Описаны современные коммерческие системы на основе амперометрических биосенсоров и области их применения. Проаналізовано можливості сучасних мікросистемних технологій, які включають у себе виробництво амперометричних біосенсорів (виготовлення перетворювачів, методи іммобілізації біологічного матеріалу, суміщення різних технологічних процесів в одному виробничому циклі). Описано сучасні комерційні системи на базі амперометричних біосенсорів та галузі їхнього застосування. The advantages of modern microsystem technologies as applied to the production of amperometric biosensors (including manufacture of transducers, immobilization of biological material, combining different procedures in one technological cycle) are analyzed. The modern commercial systems based on amperometric biosensors and the fields of their application are described. 2002 Article Амперометрические биосенсоры. Современные технологии и коммерческие варианты анализаторов / С.В. Дзядевич // Вiopolymers and Cell. — 2002. — Т. 18, № 5. — С. 363-376. — Бібліогр.: 57 назв. — рос. 0233-7657 DOI:http://dx.doi.org/10.7124/bc.00061A http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/156294 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. Современные технологии и коммерческие варианты анализаторов Біополімери і клітина
description	Проанализированы возможности современных микросистемных технологий, включающих производство амперометрических биосенсоров (изготовление преобразователей, методы иммобилизации биологического материала, совмещение различных технологических процессов в одном производственном цикле). Описаны современные коммерческие системы на основе амперометрических биосенсоров и области их применения.
format	Article
author	Дзядевич, С.В.
author_facet	Дзядевич, С.В.
author_sort	Дзядевич, С.В.
title	Амперометрические биосенсоры. Современные технологии и коммерческие варианты анализаторов
title_short	Амперометрические биосенсоры. Современные технологии и коммерческие варианты анализаторов
title_full	Амперометрические биосенсоры. Современные технологии и коммерческие варианты анализаторов
title_fullStr	Амперометрические биосенсоры. Современные технологии и коммерческие варианты анализаторов
title_full_unstemmed	Амперометрические биосенсоры. Современные технологии и коммерческие варианты анализаторов
title_sort	амперометрические биосенсоры. современные технологии и коммерческие варианты анализаторов
publisher	Інститут молекулярної біології і генетики НАН України
publishDate	2002
topic_facet	Огляди
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/156294
citation_txt	Амперометрические биосенсоры. Современные технологии и коммерческие варианты анализаторов / С.В. Дзядевич // Вiopolymers and Cell. — 2002. — Т. 18, № 5. — С. 363-376. — Бібліогр.: 57 назв. — рос.
series	Біополімери і клітина
work_keys_str_mv	AT dzâdevičsv amperometričeskiebiosensorysovremennyetehnologiiikommerčeskievariantyanalizatorov
first_indexed	2025-07-14T08:23:42Z
last_indexed	2025-07-14T08:23:42Z
_version_	1837611260737224704
fulltext	I S S N 0233-7657. Біополімери і клітина. 2002. Т. 18. № 5 ОГЛЯДИ Амперометрические биосенсоры. Современные технологии и коммерческие варианты анализаторов С. В. Дзядевич Институт молекулярной биологии и генетики НАН Украины Ул. Академика Заболотного, 150, Киев, 03143 , Украина Проанализированы возможности современных микросистемных технологий, включающих произ водство амперометрических биосенсоров (изготовление преобразователей, методы иммобилиза ции биологического материала, совмещение различных технологических процессов в одном произ водственном цикле). Описаны современные коммерческие системы на основе амперометрических биосенсоров и области их применения. Введение. В предыдущем обзоре [1 ] подробно рас смотрены основные принципы и понятия, связан ные с разработкой амперометрических биосенсоров, а также подробно описаны все их группы, су ществующие на данный момент. Повышенное вни мание было уделено научным основам, принципам и подходам к их созданию. Данный обзор продол жает описание этого самого обширного и успешного в плане коммерциализации класса приборов биомо лекулярной электроники. Основу его составляют вопросы, связанные с современными микроэлект ронными микросистемными технологиями (MEMS- technology), включающими изготовление электро дов, методы иммобилизации биологического мате риала, совмещение разных процессов в одном тех нологическом цикле, а также описание реальных коммерческих вариантов амперометрических био сенсоров и областей их применения. Чаще всего термин «микро» используется как противовес слову «макро» и ни в коей мере не связан с «микроном» или «микрометрией». «Микро» в микросистемных технологиях (в частности, в микроэлектронике) используется в том же смысле, что и в слове микроскоп, то есть прибор, позволя ющий увидеть мелкие предметы. Насколько мел кие — это не имеет значения. Обычно «микро» — это системы с микронными или миллиметровыми размерами, хотя нижний предел зачастую меньше, © С. В. Д З Я Д Е В И Ч , 2 0 0 2 поскольку нанотехнологии и ультрамикроэлектро- ды с наноразмерами также являются типичными элементами микросистем [2]. Поэтому микроси стемные технологии — это технологии, связанные с микросистемами и комбинирующие оригинальные гетерогенные технологические процедуры произ водства электронных, механических, оптических и других компонент на базе планарных литографиче ских процессов [3, 4] . Развитие амперометрических биосенсоров не разрывно связано с развитием микросистемных технологий. Огромный прогресс в разработке мик роэлектродов стал возможен благодаря современ ным достижениям в области микромеханики и увеличению чувствительности и качества сопутст вующего электрического оборудования. Одновре менно с этим прогресс в математике и вычисли тельной технике привел к возможности теоретиче ски моделировать микросистемы и их работу в различных условиях, оценивать их чувствитель ность и соотношение сигнал/шум, тем самым пони жая затраты на проведение дополнительных экспе риментов [5]. К тому же миниатюризация таких систем позволила уменьшить расходы на реагенты, используемые при анализе, и сделала их гораздо удобнее в эксплуатации и при транспортировке [6 ]. Все эти явно положительные факторы привели к успешной коммерциализации амперометрических биосенсоров. 363 Д З Я Д Е В И Ч С. В. Современные материалы и технологии изго товления амперометрических преобразователей. Материалы, используемые при изготовлении ам перометрических преобразователей. Большинство амперометрических преобразователей состоит из проводящего рабочего электрода и поддерживаю щего его основания (в планарной технологии — подложки). Материалы, чаще всего используемые при изготовлении рабочего электрода, — благород ные металлы и различные формы углерода. Прежде всего, это такие металлы, как платина, золото, серебро и высококачественная сталь, поскольку они имеют великолепные электрические и механиче ские свойства. Возможность использования угле родных волокон при создании сенсоров впервые продемонстрирована Вебером [7]. Волокна распо лагались параллельно и были отделены друг от друга изоляторами. Углеродные материалы, такие как графит, сажистый углерод, активированный углерод и углеродное волокно, обладают высокой химической инертностью и обеспечивают работу в широком диапазоне потенциалов с низким элект рическим сопротивлением. Они имеют также бес примесную кристаллическую структуру, что обес печивает низкие остаточные токи и высокое соот ношение сигнал/шум [8 ]. Часто для изготовления электродов применя ются различные смешанные материалы. В этом случае проводящий композитный материал форми руется комбинацией двух или более неоднородных материалов [7]. Каждый материал сохраняет свои оригинальные свойства, а композит обладает улуч шенными химическими, механическими и физиче скими свойствами по сравнению с индивидуальны ми компонентами. В частности, углеродно-поли мерный композит сначала изготавливали путем дисперсии графитового порошка в различные поли мерные материалы (эпоксидная смола, силикон, метакрилат, полиэстер, полиуретан и др.). Затем этот композит смешивали с ферментом и медиато ром и из него формировали проводящий электрод. Таким образом, в частности, был изготовлен сме шанный рабочий электрод с ферментом, адсорбиро ванным на пиролитический кобальт-тетраметокси- фенилпорфирин [9]. В последние годы широко стали применяться электропроводящие полимеры. Эти материалы мо гут быть использованы как при изготовлении не посредственно электродов, так и для иммобилиза ции биологического материала. В качестве примера можно привести электрод, изготовленный с исполь зованием эластичной проводящей полимерной пленки полипирола, допированной полианионами, и микропористого слоя черненой платины [10]. В качестве непроводящей подложки (поддер живающего основания) чаще всего используют ке рамику, ситал, стекло, кремний, полистирол, поли винил хлорид. Технологии изготовления амперометрических преобразователей. Технологии, используемые при изготовлении амперометрических преобразовате лей, можно классифицировать следующим образом: трафаретная печать; химическое или электрохими ческое нанесение; полимеризация; плазменная полимеризация (вакуумное напыление); микроли тография. Т р а ф а р е т н а я п е ч а т ь — толстопленочная технология, широко используемая при массовом производстве, при которой материал в виде пасты печатается непосредственно на под ложку через маску с необходимым дизайном. Сей час эта техника применяется при создании биосен соров на основе углерода и графита. Группа Терне ра недавно улучшила эту технологию, применив в качестве маски растворимый резист, как подлож ку — высокотемпературные пластиковые листы, проводящие углеродные контакты и полимер на основе эпоксидной смолы [11]. Эти электроды практически не меняли своих характеристик со временем и позволяли работать в смешанных с водой органических растворителях. Семиканальный мультисенсор, позволяющий после иммобилизации биологического материала определять сразу несколько параметров одновре менно в цельной крови и сыворотке, описан в работе [12]. Его преобразователь изготовлен с по мощью трафаретной печати и состоял из 14 золо тых электродов (семь пар: рабочий — вспомога тельный) и одного Ag/AgCl электрода сравнения. В работе [13] рассматривается трафаретная технология изготовления не только преобразовате ля, но и готового биосенсора. В этом варианте сначала готовили смесь тетрацианохинодиметана (TCNQ) с раствором тетратиафульвалена (TTF) в ацетонитриле. На полученный органический про водящий комплекс адсорбировали глюкозооксидазу. Затем такой комплекс смешивали со связующим веществом и растворителем. Эту пасту наносили на матрицу углублений и высушивали в вакууме, после чего наносили тонкий желатиновый слой. Далее этот датчик помещали в 5 %-й раствор глутарового альдегида. Разработанный сенсор имел большой отклик с минимальной интерференцией с кислородом, расширенный диапазон работы до кон центрации глюкозы 100 мМ, а также высокую стабильность. Наиболее полно различные конфигурации ам перометрических ферментных биосенсоров на осно- 364 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 . С О В Р Е М Е Н Н Ы Е Т Е Х Н О Л О Г И И ве технологии трафаретной печати, их преимуще ства и недостатки описаны в обзоре Алегре [14]. Х и м и ч е с к о е и л и э л е к т р о х и м и ч е с к о е н а н е с е н и е — традиционный метод, применяемый при создании амперометриче ских преобразователей для нанесения электропро водящих пленок на подложку. Наносимые пленки могут быть чисто металлическими (например, пла тиновыми) , состоять из каталитического материала (например, ТіО) или составлять металлический комплекс с биологическими компонентами. В рабо те [15] рассмотрены различные аналитические стратегии создания амперометрических биосенсо ров на основе химически модифицированных элек тродов и ферментов альдегиддегидрогеназы и алко- гольдегидрогеназы. П о л и м е р и з а ц и я — метод, при котором происходит конденсация небольших молекул в мо номерах или образуются свободные радикалы с дальнейшей перестройкой связей внутри каждого мономера. Свободные радикалы образуются при разрыве двойных связей в результате тепловой, световой или электрохимической активации. Элек тропроводность может быть увеличена введением металлического порошка в мономер перед полиме ризацией. Таким образом, с помощью электропо лимеризации на золотых электродах были сформи рованы толстые пленки голубого полиметилена — электрокаталитически активного проводящего слоя, обладающего прочным и стабильным контак том с золотой электродной поверхностью [16]. Методом электрополимеризации были также полу чены тонкие пленки поли (1,3-диаминобензена), которые позволили значительно уменьшить элект рохимическую интерференцию аскорбиновой кис лоты, мочевой кислоты, ацетаминофена и других электроактивных частиц при определении креати- нина в сыворотке крови человека [17]. В работе [18] фермент был введен в редокс-полимер на основе гидрогеля с помощью фотоинициированной свободнорадикальной полимеризации. Благодаря этому увеличилась скорость переноса электронов с редокс-сайта фермента на поверхность электрода через гель. П л а з м е н н а я п о л и м е р и з а ц и я (вакуумное напыление) — полимеризация в высо ком вакууме, при которой на поверхность подлож ки вводят функциональные группы и затем покры вают полимеризуемой газовой плазмой до образо вания пленки. Плазменно-полимеризованные пленки, генерируемые в тлеющем электрическом заряде или в паровой газовой фазе, могут быть очень тонкими (< 1 мкм) и обладать великолепной адгезией. В работе [19 ] подробно рассмотрено изго товление таких пленок и приведены примеры им мобилизации биологического материала на повер хности с дальнейшим использованием полученных преобразователей в качестве биосенсоров. М и к р о л и т о г р а ф и я — хорошо известная и широко применяющаяся в полупровод никовой промышленности технология при произ водстве интегральных схем и структур. Для созда ния структуры необходимой конфигурации на слой металла наносят фотодеградирующий резист, а по верх него — фотошаблон. В процессе фотолитогра фии свет проникает через фотошаблон на повер хность фотодеградируемого резиста, формируя та ким образом нужный рисунок. Затем происходит химическое травление металлического слоя через полученную резистивную маску, а после этого оставшийся резист удаляется. Минимальная тол щина линий получающегося рисунка, создаваемого с помощью фотолитографии, может составлять 2 мкм. В случае же нанолитографии, когда исполь зуется электронорезист, толщина может умень шиться до 5-10" мкм. Метод микролитографии применим в удивительно широкой области техно логических задач для обработки самых различных материалов. Характерной чертой изготовляемых с помощью фотолитографии структур является их квазидвумерность, или планарность, так как отно шение параметров, характеризующих рельеф по верхности, обычно не превосходит 1:5. Это позво ляет избежать погрешностей, связанных с эффек тами на боковых гранях планарных электродов. И в то же время при необходимости существуют возможности для создания трехмерных микро структур путем их механической и химической обработки [20]. Все приведенные выше технологии использу ются при создании амперометрических сенсоров. Однако в последнее время различные технологии чаще всего комбинируют, так как применяя разно образные материалы, можно формировать много слойные структуры с заранее заданными свойства ми. Так, к примеру, духслойный полимер, нанесен ный электрополимеризацией на электрод и содержащий полипирол, улучшил селективность и уменьшил интерференцию глюкозы с электроак тивными частицами мочевой и аскорбиновой кис лот, присутствующих в биологических жидкостях [21]. В работе [22] предложена многослойная ар хитектура, предопределяющая заранее направле ние переноса электронов, включающая в себя ре- докс-медиаторы, ферменты и полностью преграж дающая доступ интерферирующих компонент. Очень перспективным кажется подход, при кото ром формируется прямое электрохимическое соеди- 365 Д З Я Д Е В И Ч С. В. нение между активным центром фермента и повер хностью электрода с помощью биокатализаторов с очень маленькой молекулярной массой (например, микропероксидаза), которые иммобилизируются на тиомонослой [23 ]. В этом случае расстояние между ферментом и поверхностью электрода значительно сокращается, и такая модификация увеличивает величину выходного сигнала. При создании глюкозного сенсора получены электрически проводящие и механически гибкие композитные полимеры [24]. В работе [25] для получения пористого, нереактивного слоя поверх углеродного электрода использованы фибриноген- ные пленки, с помощью которых контролировали диффузию частиц в активную мембрану. Таким образом, при выборе материалов и технологии для изготовления амперометрических преобразователей необходимо учитывать дизайн датчика, особенно сти его конструкции, используемые материалы, метод дальнейшей иммобилизации биоселективного материала и методику работы с готовым прибором. Современные материалы и методы иммобили зации биологического материала, используемые при создании амперометрических биосенсоров. Принципы иммобилизации биологического мате риала. Процесс иммобилизации биологического ма териала можно определить как включение биологи ческой молекулы в некую изолированную фазу, которая отделена от фазы свободного раствора, однако может обмениватся с ней молекулами суб страта, эффектора или ингибитора. История иммобилизации ферментов ведет свое начало с 1916 г., когда Нельсон и Гриффин пока зали, что инвертаза, адсорбированная на угле, сохраняет свою каталитическую активность. В 20— 30-е гг. работы по изучению адсорбции белков и ферментов были продолжены, однако исследования этого периода не преследовали практических це лей. В 1939 г. Пфанмюллер и Шлейх получили первый патент на применение адсорбированных на древесных опилках протеолитических ферментов для обработки шкур. В 1949 г. Майкл и Юэрс использовали азидную производную карбоксиме- тил-целлюлозы для иммобилизации целого ряда белков. Однако серьезные эксперименты в этой области не проводились до 1954 г., когда Грубхо- фер и Шляйт использовали диазопроизводные по- ли-м-аминостирола для иммобилизации пепсина, амилазы и карбоксипептидазы [26]. В середине 60-х гг. были опубликованы первые работы по аналитическому применению иммобилизованных ферментов. В 1965 г. Гилболт включил холиэстера- зу в крахмальный гель, который затем был нанесен на полиуретановую пластинку и использован для определения фосфороорганических соединений в воздухе [27]. Иммобилизованные ферменты обладают рядом существенных преимуществ по сравнению с натив- ными ферментами: гетерогенный катализатор можно легко отде лить от реакционной среды, что дает возможность остановить в нужный момент реакцию, использо вать его повторно и получить чистый продукт, не загрязненный ферментом; использование иммобилизованных катализато ров позволяет проводить ферментативный процесс непрерывно, например, в проточной ячейке и регу лировать скорость катализируемой реакции, а так же выход продукта, изменяя скорость потока; иммобилизация ферментов дает возможность регулировать их каталитическую активность за счет изменения свойств носителя под действием некоторых физических факторов, таких, к приме ру, как свет или звук; иммобилизация или/и модификация фермен тов способствует целенаправленному изменению свойств катализатора, в том числе специфичности, зависимости каталитической активности от рН, ионного состава и других параметров среды. Материалы, используемые для иммобилиза ции биологического материала. Успех практиче ского использования иммобилизованных ферментов в значительной мере зависит от подходящего выбо ра носителя. В настоящее время для иммобилиза ции биологического материала применяют огром ное количество носителей как органических, так и неорганических. Основные требования, предъявля емые к ним, следующие: высокая химическая и биологическая стойкость; высокая механическая прочность; достаточная проницаемость для фер мента и субстратов, большая удельная повер хность, высокая вместимость, пористость; возмож ность получения в виде удобных в технологическом плане форм; легкое переведение в реакционноспо- собную форму (активация); высокая гидрофиль- ность, обеспечивающая возможность проведения реакции связывания фермента с носителем в вод ной среде; низкая стоимость. Наиболее часто применяемые при иммобилиза ции материалы — это многофункциональные аген ты (глутаровый альдегид и гексаметилдиизоциа- нат), формирующие ковалентные связи между био каталитическими частицами или белками, а также непроводящие полимеры (полиакриламид и поли фенол), которые формируют некое подобие сетки для захвата и удержания биологического материа ла. Преимуществом органических проводящих по- 366 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 . С О В Р Е М Е Н Н Ы Е Т Е Х Н О Л О Г И И Рис. 1. Возможные способы иммобилизации фермента: а — инкапсуляция; б — сополиме- ризация;в — электростатичес кое связывание; г — ковалент- ное связывание; д — гидрофоб н о е в з а и м о д е й с т в и е ; е — включение в полимер и ж — включение в липосомы лимеров является то, что при иммобилизации био логического объекта на электроде образуется по верхность, имеющая электрический контакт с ме таллическим или углеродным проводником [28 ]. В итоге электрический контакт между редокс-цент- ром фермента и поверхностью электрода более тесный. Такие полимеры могут быть получены с помощью различных химических процессов, а именно — реакции Зиглер-Натта для полиацетиле на [29], сопряжения органометаллических компо нент (политиофен) [30], окисления мономеров [31 ] и других. Для захвата оксидоредуктаз применяли ре- докс-полимерные гидрогели [32], основанные на связывании полиэтиленгликоля, диакрилата и ви- нилферроцена с помощью ультрафиолетового фото инициатора. Фермент растворяли в такой смеси непосредственно перед облучением. Также при им мобилизации биомолекул использовали латексные частички [33]. Авторами изучено формирование латексной двумерной мембраны на проводящей твердой поверхности при иммобилизации человече ского сывороточного альбумина. Для дополнительных внешних мембран, вы полняющих функции диффузионного контроля, механической защиты и уменьшения влияния ин терферирующих частиц, используются различные коммерческие полимеры, а именно — поливинил- хлорид, полиэтилен, полиметакрилат, нафион и полиуретан. Методы иммобилизации биологического ма териала. При создании амперометрических био сенсоров применяются принципы и методики им мобилизации биологического материала, общие для всех сенсоров. На рис. 1 схематически представлены основные способы иммобилизации фермента. Прежде всего, свойства иммобилизованного фермента зависят от характера фазы, в которую он включается. Очень часто молекулу фермента ковалентно связывают с нерастворимым полимером, например, целлюлозой или полиакриламидом, который может быть в виде порошка или в форме пленки [34]. Это наиболее распространенный способ, так как, несмотря на трудоемкость, позволяет получить иммобилизован ный фермент, прочно связанный с полимерным носителем. Иногда молекулы фермента соединяют ся ковалентними связями один з другим ИЛИ 3 каким-либо инертным белком [35]. При этом они образуют нерастворимый, но активный комплекс. Эти методы обладают по крайней мере двумя важными достоинствами: высокая прочность обра зующегося конъюгата и возможность существенно го изменения свойств фермента, таких как суб стратная специфичность, каталитическая актив ность и стабильность. Еще один способ привязки фермента к полиме ру состоит в использовании электростатических или других нековалентных механизмов связывания [36]. При этом фермент необязательно должен 367 Д З Я Д Е В И Ч С. В. быть прикреплен к полимеру, он может находиться внутри него. В этом случае полимер образует вокруг фермента сеткоподобную матрицу, ячейки которой настолько малы, что достаточно крупная молекула фермента не может освободиться из сет ки, но в то же время достаточно велики для проникновения внутрь низкомолекулярных суб стратов. Один из вариантов инкапсуляции включает в себя использование в качестве ферментной фазы двойного фосфолипидного слоя [37 ]. В этом случае фермент может как находиться в водном растворе в окружении фосфолипидов, так и быть растворен ным непосредственно в гидрофобной части двойно го слоя фосфолипидов. В такой системе для опти мизации загрузки фермента часто применяется по слойное нанесение. Например, в работе [38 ] для увеличения чувствительности датчика использова ли до 10 слоев, содержащих холиноксидазу, и дополнительно два слоя с холинэстеразой. Еще один новый метод иммобилизации фер мента — это его электрохимическое осаждение на поверхность электрода в присутствии полимера [39, 40], В этом случае фермент включается в полимерную матрицу-носитель путем простого за хвата во время электрополимеризации. Процесс электрохимической полимеризации технологически прост и удобен. Он позволяет выбирать и поддер живать размеры, форму и толщину мембраны, обеспечивает контроль над процессом осаждения, дает возможность изготовлять различные микро- биосенсоры в одном технологическом цикле [41 ]. Успех иммобилизации биологического матери ала очень часто зависит от правильного выбора подходящего метода. Выбор этот определяется це лым рядом факторов, многие из которых невозмож но выявить до тех пор, пока метод не будет опробован. Первичный отбор обычно осуществляет ся сугубо эмпирическим путем: сначала нужно решить, необходим ли для иммобилизации фермен та какой-либо специфический носитель или же применение любого материала позволит получить препарат иммобилизованного фермента с высокой активностью. Понятно, что тогда границы поиска сразу же сужаются. Если же оказывается, что пригоден любой носитель, то при дальнейшем выборе метода необ ходимо выяснить, не будет ли процедура иммоби лизации инактивировать фермент и сможет ли иммобилизованный фермент функционировать при тех условиях, при которых его предстоит использо вать. Поэтому для успешной иммобилизации сле дует по возможности принять во внимание следую щие факторы. Фермент должен быть стабильным в условиях протекания реакции, которую он катализирует, и в процессе иммобилизации. Лучше всего избегать реакций, требующих, к примеру, присутствия 1 М NaOH, органических растворителей или темпера туры выше 50 °С При ковалентном связывании желательно, что бы реагенты, образующие поперечные сшивки, вза имодействовали преимущественно с теми химиче скими группами, которые отсутствуют в активном центре. Если последнее условие не удается выпол нить (как это обычно и наблюдается), то поперечно сшивающий реагент должен быть как можно боль ших размеров, что будет препятствовать его про никновению в активный центр. Например, такой полимер, как «активированная» целлюлоза, пред почтительнее такого небольшого бифункциональ ного реактива, как глутаровый альдегид. Активный центр фермента по возможности необходимо защищать от влияния самого процесса иммобилизации. В частности, для сульфогидриль- ных ферментов этого можно добиться, если фер мент предварительно обработать глутатионом или цистеином, а затем реактивировать его уже после иммобилизации. Некоторые ферменты, например папаин, можно иммообилизовать в неактивной форме. Иногда активный центр удается заблокиро вать, добавляя в реакционную смесь субстрат в насыщающей фермент концентрации. Процедура промывания для удаления «непри- шитого» фермента не должна оказывать негативно го влияния на иммобилизованный фермент. К при меру, полимеры на основе целлюлозы обычно силь но адсорбируют ферменты, и после иммобилизации их приходится промывать растворами с высокой ионной силой. При работе с полимерными формами ферментов подобная промывка может привести к их диссоциации, поэтому в таких случаях исполь зовать целлюлозу в качестве носителя нецелесооб разно. Необходимо учитывать механические свойства носителя, особенно его механическую прочность и физическую форму. В частности, для того, чтобы иммобилизованный фермент был в виде пленки, носитель должен быть способным ее образовывать. Если все перечисленные и некоторые другие факторы удовлетворяют необходимым условиям, то можно предположить, что метод иммобилизации выбран удачно. Коммерческие варианты систем на основе ам перометрических биосенсоров. Основными обла стями практического применения таких биосенсо ров являются медицинская диагностика, пищевая промышленность, биотехнологическое производст- 368 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 . С О В Р Е М Е Н Н Ы Е Т Е Х Н О Л О Г И И Таблица 1 Анализаторы для клинических исследований на основе амперометрических биосенсоров во и экологический мониторинг. Медицинская ди агностика не зря находится на первом месте в данном списке, потому что более 80 % всех ком мерциализированных приборов приходится именно на данную область. Здесь также существует некое разделение: автоанализаторы для клиник и лабора торий, портативные приборы для домашнего ис пользования и системы для in vivo измерений в клинических условиях. Анализаторы для клинической диагностики. При создании анализаторов для клинической диаг ностики необходимо было учитывать следующие требования: прежде всего, это высокие аналитиче ские характеристики приборов, а именно — точ ность, надежность, воспроизводимость данных; простота в использовании; дешевизна и доступ ность используемых реагентов; достаточно быстрое время анализа. В табл. 1 приведены варианты анализаторов на основе амперометрических биосенсоров, производи мые различными фирмами в разное время, начиная с первого коммерческого анализатора для опреде ления глюкозы фирмы Yellow Springs Instr., кото рый был анонсирован в 1975 году (YSI Incorporated (http:/ / www.ysi.com)). В настоящее время YSI Incorporated выпускает анализатор YSI 2300 StatPlus, определяющий глю козу в цельной крови, сыворотке и плазме, а также лактат в цереброспинальной жидкости (рис 2). Для анализа необходимо 25 мкл образца, результат 369 http://www.ysi.com Д З Я Д Е В И Ч С. В. Рис. 2. Внешний вид анализатора YSI 2300 StatPlus (YSI Incorporated) (YSI Incorporated (http://www.ysi.com)) выводится на экран в течение минуты, интервал между измерениями около 2 мин. Фермент (глюко зооксидаза или лактатоксидаза) иммобилизуется между двумя мембранами: поликарбонатной и аце- татцеллюлозной. Первая ограничивает диффузию субстрата в ферментный слой, вторая — предотвра щает интерференцию с другими электрохимически активными компонентами. Время работы мембран составляет 21 день для глюкозной и 14 дней для лактатной. Как видно из данных табл. 1, наибольшее количество анализаторов создано для определения глюкозы. Преимущество такого рода анализаторов состоит в возможности работать с неразбавленными образцами, так как при вводе образца в ячейку происходит автоматическое внутреннее разбавле ние образца, что позволяет определять достаточно высокие концентрации глюкозы в пробе. Кроме этого, измерения можно проводить по мере надоб ности, используя системы погружного типа. По скольку с самого начала такие анализаторы (на пример, YSI, ЕСА, Glucoprocesseur) показали хоро шие рабочие характеристики при определении глюкозы, на их основе созданы модифицированные системы для определения других веществ, а имен но — сахаридов, лактата, этанола, мочевой кисло ты. Они наиболее подходят для нужд небольших лабораторий. Используя объем пробы порядка 50 мкл и погрешность определения не более 2 %, эти анализаторы давали возможность проводить поряд ка 40 анализов в час. Увеличение частоты измерений до 180 в час привело к расширению возможностей аналитиче ских систем за счет внедрения в них элементов проточного анализа. Подобного рода анализаторы (ESAT, ЕВЮ, BIOSEN, ЭКСАН) стали выпускать в середине 80-х гг. для определения глюкозы и лактата и применять, как правило, в больших медицинских лабораториях. В таких анализаторах использовали проточную систему предварительного разведения образца. Все приведенные в табл. 1 анализаторы обла дают сходными характеристиками, так как в боль шинстве своем основаны на подобной технике и принципах. На сегодняшний день это самые про стые в использовании и дешевые лабораторные аналитические методы анализа. Все результаты измерений хранятся в памяти анализатора, могут быть распечатаны и отправлены на внешнюю лабо раторную базу данных. Большинство параметров анализатора обычно может быть программно изме нено, к примеру, это границы патологических зна чений (для автоматического повторного измере ния), протоколы, язык общения с оператором и другие. Анализаторы позволяют вести повторные динамические наблюдения (в частности, «сахарный профиль»), а также они незаменимы при экспресс- диагностике в реанимационных отделениях. Портативные анализаторы для использова ния в домашних условиях. При создании анализа торов для диагностики в домашних условиях необ ходимо было учесть следующие требования: корот кое время анализа; размеры прибора; простота в использовании; дешевизна как самого прибора, так и его чувствительного элемента; аналитические характеристики, позволяющие получить достовер ные результаты. Для уменьшения времени анализа нужно бы ло, прежде всего, перейти к работе с цельной неразбавленной кровью, тем самым убрав любые преданалитические процедуры. Впервые подобного рода датчики разработали и внедрили в практику на фирме Genetic International в Англии (затем переименованной в MediSense, сейчас входящей в состав Abbott Laboratories). Сенсор состоял из од норазовой электродной полоски с иммобилизован ной глюкозооксидазой, модифицированной ферро ценом. Для проведения анализа капельку крови, предварительно взятую из пальца, наносили на рабочую область сенсора, который затем вставляли в небольшой прибор (рис. 3). Время анализа со ставляло 30 с, что было быстрее, чем с помощью фотометрических полосок. Погрешность измерений составляла порядка 4 % (Abbott Laboratories (ht- tp://www.abbottdiagnostics.com)), что также значи тельно меньше, чем погрешность измерений бу мажными тест-полосками. 370 http://www.ysi.com file:///www.abbottdiagnostics.com А М П Е Р О М Е Т Р И Ч Е С К Л Е Б И О С Е Н С О Р Ы . С О В Р Е М Е Н Н Ы Е Т Е Х Н О Л О Г И И Рис. 3. Внешний вид анализатора MediSense Precision (Abbott Laboratories) (Abbott Laboratories (http://www.abbottdiagnos- tics.com)) Glucometer Elite, производимый фирмой Bayer Diagnostics для анализа глюкозы, основан на элек трохимическом определении растворимого медиа тора феррицианида и использует при работе прин цип «капиллярного заполнения» сенсора образцом крови. Однако в этих приборах часто происходит спонтанная реакция феррицианида с интерфериру ющими веществами, в частности, с аскорбиновой и мочевой кислотами, что влияет на величину откли ка, соответствующего содержанию глюкозы. К тому же у него достаточно высокая стоимость одного измерения (Bayer Corporation (http://www.gluco- meter.com)). i-STAT Co. выпускает портативный прибор для анализа глюкозы, мочевины и различных ионов, состоящий из сменного картриджа и анализатора (i-STAT Corporation (http://www.i-stat.com)). Кар тридж представляет собой яркую демонстрацию новейших достижений микросистемных технологий и комбинирует компоненты микроэлектронной кремниевой, микропроточной, бибсенсорной и пле ночной технологий [45]. Интеграция полупровод никовой технологии с электрохимическими и био химическими принципами нашла свое отражение в создании микросенсорного массива с высокими ана литическими характеристиками. Этот сенсорный массив, являющийся основной частью картриджа, представляет собой набор тонкопленочных метал лических электродов и в зависимости от определя емого вещества может работать в режиме амперо- метрического, потенциометрического или кондук- тометрического измерений. Для анализа капельку крови помещают в спе циальный отдел картриджа. Внутри картриджа в резервуаре из фольги находится калибровочный раствор с известной концентрацией необходимого субстрата. Сначала идет тестовый этап, при кото ром калибровочный раствор проходит через сенсор ный массив для установочного измерения. После этого использованный раствор выводится в неболь шой резервуар для отходов внутри картриджа с помощью воздушного пузыря, который также нахо дится внутри. Затем на сенсорный массив поступа ет образец крови, который после измерения также выводится в резервуар для отходов. Система i- STAT начинает анализ в тот момент, когда карт ридж вставляется в портативный анализатор или модуль анализа крови в системе мониторинга паци ентов Omnicare фирмы Hewlett Packard (Palo Alto, CA, США). Результаты выводятся на экран в течении 2 мин, погрешность определения—1 — 3 %• В табл. 2 приведены различные варианты пор тативных анализаторов на основе амперометриче ских биосенсоров. Дизайн портативных анализаторов существен но отличается от такового анализаторов для клини ческой диагностики, хотя некоторые из них также применяются в клинических условиях или, как в случае i-STAT, являются составной частью боль шой системы клинического мониторинга. При этом используется картридж i-STAT ЕС8+, определяю щий одновременно 13 параметров крови (i-Stat Corporation (http://www.i-stat.com)). Последние исследования в области разработки и создания портативных анализаторов для широко го применения направлены на создание приборов «безболезненного анализа», в которых образец кро ви берется не из пальца, а из менее болезненной части тела (к примеру, предплечье или бедро). Первые успешные варианты выпущены фирмой Amira Medical (Scotts Valley, CA, США). Их систе ма AtLast прошла маркетинговую апробацию в конце 1998 г. через 510(к) процесс, который в настоящее время является обязательным в США при внедрении в сфере здравоохранения, и пред ставляла собой комбинацию прибора для взятия пробы с глюкозным анализатором (Amira Medical (http://www.amiramed.com)). AtLast делает малень кий надрез на коже, используя микроскальпель, соединенный со специальным механизмом взятия пробы. Для анализа необходимо всего 2 мкл крови, которая по капилляру поступает на датчик. Систе ма может адаптироваться к различным типам ко жи. AtLast получила очень высокие оценки специ алистов и потребителей и была награждена в 2000 г. Medical Design Excellence Award. В ноябре 371 http://www.abbottdiagnos- http://tics.com http://www.gluco- http://meter.com http://www.i-stat.com http://www.i-stat.com http://www.amiramed.com Д З Я Д Е В И Ч С. В. Inverness 2001 г. фирма Roche Diagnostics объявила о приоб ретении Amira Medical, прекращении с 14 декабря 2001 г. производства AtLast и выпуске на рынок своего продукта под торговой маркой Accu-Check, который совместил в себе «know-how» Amira Me dical и анализаторы фирмы Roche (Accu-Chek from Roche (http://accu-chek.com)). Следующей компанией, которой удалось прой ти апробацию и в ноябре 2000 г. получить 510 (к) допуск, была Abbott Laboratories с ее продуктом под торговой маркой Sof-Tac (Abbott Laboratories (http://www.abbottdiagnostics.com)). Принцип его работы подобен системе AtLast. Sof-Tac достаточно прост в использовании, величиной с плеер и, по утверждению производителей, применение его со вершенно безболезненно для пациента. Так же, как и в случае AtLast, данные могут храниться в памяти анализатора и загружаться из него в ком пьютер. Компания Johnson and Johnson также получи ла в 2000 г. 510 (к) допуск для своего продукта One Touch Ultra серии LifeScan, который был выпущен на рынок в феврале 2001 г. (LifeScan from Johnson and Johnson (http.//www.lifescan.com)). Для анали за с помощью их датчика необходимо всего лишь 1 мкл крови из плеча, принцип работы тот же. При клинической апробации 78 % пациентов подтвер дили, что такой тест либо вообще безболезненный, либо значительно менее болезненный, чем тест при пробе крови из пальца. Так же, как все описанные выше портативные системы, этот анализатор зна чительно удобнее при персональном мониторинге диабета у населения. Системы для постоянного in vivo мониторин га в клинических условиях. При создании анализа торов для in vivo измерений в клинических услови ях необходимо было учесть следующие требования: возможность автоматических измерений каждые несколько минут; высокие аналитические характе ристики приборов, а именно — точность, надеж ность, воспроизводимость данных; совместимость с человеческим организмом; быстрое время анализа; высокая операционная стабильность. Над разработкой подобного рода систем рабо тало несколько исследовательских групп и фирм. В работе [46 ] описана модифицированная двухэлект- родная система с сенсором иглообразной формы для подкожной имплантации собакам. Система базиро валась на электроде Кларка и требовала не менее 30 мин для установления базового значения. В работе [47 ] предложено применить два трех- электродных датчика для определения поглощения кислорода в процессе окисления глюкозы. Авторы также использовали каталазу для увеличения сро ка жизни сенсоров. Имплантированные в организм различных собак сенсоры показывали хорошую чувствительность и время жизни около 15 недель. Куделка и др. [48 ] имплантировали подкожно крысам более 22 тонкопленочных металлических глюкозных электродов, после 90 мин стабилизации 30 % сенсоров оставались в рабочем состоянии после 8 дней работы. Первыми попытку коммерци ализировать подобного рода систему предприняли на фирме Miles Laboratories (Elkhart, IN, США) (Turner A. P. F. Biosensors: past, present and future (http://www.cranfield.ac.uk/biotech/chinap.htm.)). 372 http://accu-chek.com http://www.abbottdiagnostics.com http://http.//www.lifescan.com http://www.cranfield.ac.uk/biotech/chinap.htm 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 . С О В Р Е М Е Н Н Ы Е Т Е Х Н О Л О Г И И Система нуждалась во внешней циркуляции крови с помощью двух внутривенных катетеров с фер ментным сенсором и системе ввода инсулина, кон тролируемой с помощью компьютера. Однако боль шой размер и необходимость в большом количестве крови ограничили использование этой системы только для исследовательских целей. Фирма MiniMed (Norrthridge, CA, США), в настоящее время находящаяся в стадии приобрете ния компанией Medtronic (Minneapolis, США), бы ла первой, которой удалось коммерциализировать реальную систему для постоянного in vivo монито ринга при использовании в клинических условиях (Medtronic MiniMed (http://www.minimed.com)). Она была предоставлена для продажи в августе 2000 г. Следующей компанией, пытавшейся внед рить подобную технику, является Cygnus Inc. (Redwood City, CA, США), которая анонсировала свой продукт в марте 2001 г. Система для постоянного мониторинга глюкозы (Continuous Glucose Monitoring System — CGMS) фирмы MiniMed, анонсированная в июне 1999 г., сейчас используется только в профессиональных клинических условиях и позволяет измерять содер жание глюкозы каждые 5 мин в течение 72 ч имплантации. Сенсором является крошечный элек трод, находящийся внутри маленькой иголки, с помощью которой он вводится под кожу. После удаления иголки сенсор прикрепляется к маленько му пластиковому диску размером с небольшую монетку, который удерживает его в жестком поло жении, и соединяется с помощью тонкого кабеля с монитором в форме пейджера (рис. 4). После трех дней работы пациент возвращается к врачу, где данные можно загрузить в компьютер. Эта система требует начального калибровочного измерения с помощью стандартного анализатора и крови из пальца, а также четыре промежуточные подкалиб- ровки каждые сутки. CGMS-система была проте стирована на пациентах, больных сахарным диабе том, и продемонстрировала высокую корреляцию со значениями, полученными с помощью портатив ного анализатора. Medtronic MiniMed предполагает выпустить по требительскую версию такого прибора в 2002 г., которая будет нуждаться в меньшем количестве промежуточных подкалибровок, а также не только показывать уровень глюкозы, но и обеспечивать анализ гипо- и гипергликемии. Кроме этого, MiniMed и фирма Medical Re search Group Inc. (присоединенная к ней в качестве филиала и также приобретаемая компанией Medtronic) в настоящее время совместно начинают клиническую апробацию комплекса для постоянно го мониторинга глюкозы (CGMS) с имплантирован ной системой ввода инсулина (Implantable Insulin Pump System Medtronic MiniMed 2007), который может послужить платформой для создания имп лантированной искусственной поджелудочной же лезы. Вариант такой системы был имплантирован нескольким пациентам-добровольцам, и компания Medtronic уже заявила о полученных высоких ре зультатах. Кроме этого, алгоритм автоматического контроля системы уже введен нескольким собакам с подобной имплантированной системой и проде монстрирован практически постоянный нормаль ный уровень глюкозы. Компания надеется завер шить полную клиническую апробацию такой систе мы к концу 2003 г. Перспективы применения подобного рода тех ники очень высокие, однако существует ряд пре град, сдерживающих ее быстрое успешное разви тие. Прежде всего, не все пациенты согласны на введение в организм подобных in vivo систем. 373 http://www.minimed.com Д З Я Д Е В И Ч С В. Рис. 4. Внешний вид системы для постоянного мониторинга глюкозы CGMS компании Medtronic MiniMed (Metronic Minimed (http://www.minimed.com)) Кроме этого, не все врачи еще полностью доверяют таким новейшим системам и предпочитают пользо ваться традиционными подходами. Анализаторы для пищевой промышленности, биотехнологического производства и экологиче ского мониторинга. Пищевая промышленность и биотехнологическое производство — это области, в которых в последние несколько лет началось внед рение биосенсоров, хотя, конечно же, не так ин тенсивно, как в медицинской диагностике. Прежде всего, для контроля процесса производства адапти руются известные коммерческие системы, исполь зуемые в медицинской диагностике, но, кроме этого, также специально разрабатываются новые. Существуют два основных варианта (кроме «о// /ш£»-анализа) использования биосенсоров для кон троля процесса производства: «in situ» и «оп Ипе». При непосредственном использовании датчиков внутри биореакторов («m situ») необходимо учесть следующие факторы: сенсор должен оставаться ра ботоспособным даже после стерилизации; концент рации, которые необходимо определять в биореак торах, часто превышают диапазон работы сенсора; присутствие в биореакторе в большой концентра ции множества интерферирующих частиц; высокая температура внутри биореактора, которая может привести к инактивации биологического материала сенсора. Такие условия не позволили пока разработать успешный коммерческий вариант сенсора для не посредственного использования внутри биореакто ра. В литературе описан ферментный электрод для «ш 5#и«-анализа глюкозы во время процесса фер ментации теста [49]. Анализатор состоял из двух частей. Внутренняя часть содержала ферментный датчик, состоящий из четырех рабочих электродов, модифицированных 1,1 -диметилферроценом, на три из которых была иммобилизирована глюкозоо- кидаза. Стерильность достигалась внешней поли карбонатной мембраной с размером пор 0,015 мкм на электродах и металлической мембраной с разме ром пор 2 мкм, закрытыми неким внешним кожу хом. Сенсор мог калиброваться «in sit и» потоком калибровочного раствора между кожухом и фер ментными электродами и показывал операционную стабильность на протяжении 4 дней, в течение которых его чувствительность упала всего на 15 %. В основном все применяемые в настоящее вре мя системы работают в так называемом квазине прерывном режиме анализа. В этом случае анали затор состыковывается с системой отбора проб, пробу периодически извлекают из биореактора и анализируют. В табл. 3 приведены некоторые коммерческие варианты анализаторов для использования в пище вой промышленности и биотехнологии. В области мониторинга окружающей среды, прежде всего, используют микробиальные амперо- метрические сенсоры [53 ], в частности, при анали зе сточных вод определяют биохимически окисляе мые компоненты (БОК). Однако для такой оценки необходимо время порядка 5 дней, поэтому датчи ки невозможно применять для постоянного контро ля. Сенсоры для экспресс-определения БОК разра ботаны на основе иммобилизованных клеток Ba cillus subtilis и Trichosporon cutaneum [54]. В работе [55] описывается датчик для определения бактериального состава растворов. Прибор основан на способности медиаторов (к примеру, р-бензохи- нона) «отнимать» электроны из дыхательного цик ла микроорганизмов. Переокисление медиатора на электроде является прямым индикатором активно сти бактерий в растворе. Данный прибор был ком мерциализирован фирмой Biosensori Iritech S.p.a (Италия) и получил название Midas Pro (Biosensori Iritech (http://www.mclink.it/com/iritech/ebiosens.- htm)). Что касается ферментных амперометрических биосенсоров для экологического мониторинга, то это в основном датчики на основе ингибирования холинэстераз [56, 57 ], однако успешных коммерче ских вариантов таких приборов в настоящее время пока не существует. Выводы. Таким образом, в представленном обзоре рассмотрены вопросы, связанные с совре менными микроэлектронными микросистемными технологиями, которые включают в себя, прежде всего, изготовление преобразователей и методы иммобилизации биологического материала. Кроме этого, приведены примеры современных коммерче ских анализаторов на основе амперометрических 374 http://www.minimed.com http://www.mclink.it/com/iritech/ebiosens.- 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 . С О В Р Е М Е Н Н Ы Е Т Е Х Н О Л О Г И И биосенсоров, используемых в медицинской диагно стике, пищевой промышленности, биотехнологиче ском производстве и экологическом мониторинге. Перспективы использования подобных систем очень высоки. На сегодняшний день — это самые простые в использовании и дешевые аналитические методы анализа. Они обеспечивают высокоселек тивный и чувствительный анализ не только в стационарных, но и в полевых условиях. Использо вание последних достижений микроэлектроники и новейших технологических материалов позволяет значительно удешевить производство и обеспечить совместимость разных элементов аналитических систем. Кроме того, почти все анализаторы совме стимы с компьютерной обработкой сигналов или автоматизированным контролем процессов, а по следние модели имеют прямой доступ к Интернету для непосредственной связи с различными базами данных, что является образцом приборов XXI века. Часть этой работы выполнена благодаря фи нансовой поддержке фонда INTAS (проект № 00- 0751). S. V. Dzyadevych Amperometric biosensors. Modern technologies and commercial variants Summary The advantages of modern microsystem technologies as applied to the production of amperometric biosensors (including manufacture of transducers, immobilization of biological material, combining different procedures in one technological cycle) are analyzed. The modern commercial systems based on amperometric biosensors and the fields of their application are described. С. В. Дзядевич Амперометричні біосенсори. Сучасні технології та комерційні варіанти аналізаторів Резюме Проаналізовано можливості сучасних мікросистемних техно логій, які включають у себе виробництво амперометричних біосенсорів (виготовлення перетворювачів, методи іммобі лізації біологічного матеріалу, суміщення різних техноло гічних процесів в одному виробничому циклі). Описано сучасні комерційні системи на базі амперометричних біосенсорів та галузі їхнього застосування. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Дзядевич С. В. Амперометрические биосенсоры. Основные принципы работы и особенности датчиков разных ге нераций / / Біополімери і клітина.—2002.—18, № 1.— С. 13—25. 2. Fluitman J. Microsystems technology: objectives / / Sensors and Actuators A .—1996 .—56—P. 151—166. 3. Zinner H. Microsystems — the European approach / / Sensors and Actuators A . — 1 9 9 5 . — 4 6 / 4 7 . — P . 1—7. 4. Abraham M.t Ehrfeld W., Hessel V., Kamper K. P., Lacher M.. Picard A. Microsystem technology: between research and industrial application / / Microelectronic E n g . — 1 9 9 8 . — 4 1 / 4 2 . — P . 47—52. 5. Schultze J. W., Tsakova V. Electrochemical microsystem tech nologies: from fundamental research to technical systems / / Electrochim. acta .—1999.—44.—P. 3605—3627 . 6. Rapp R., Hoffmann W.t Sub W., Ache H. J., Golz H. Performance of an electrochemical microanalysis system / / Electrochim. acta .—1997.—42.—P. 3391—3398 . 7. Weber S. G. Signal-to-noise in microelectrode-array-based electrochemical detectors / / Anal. Chem.—1989 .—61 .— P. 295—302. 8. Cespedes F., Alegret S. New materials for electrochemical sensing: glucose biosensors based on rigid carbon-polymer biocomposites / / Food Technol. Biotechnol.—1996.—34.— P. 143—146. 9. Atanasov P., Gamburzev S., Wilkins E. Needle-type glucose biosensors based on a pyrolysed cobalt-tetramethoxy-phenyl- porphyrin catalytic electrode / / Electroanalysis.—1996.—8.— P. 158—164. 10. Khan G. F., Wernet W. Platinization of shapable electrocon- ductive polymer film for improved glucose sensor / / J. Electro- chem. S o c — 1 9 9 6 . — 1 4 3 . — P . 3336—3342 . 11. Kroger S., Turner A. P. F. Solvent-resistant carbon electrodes screen printed onto plastic for use in biosensors / / Anal. chim. acta .—1997.—347.—P. 9—18. 12. Silbert A., Bisenberger M., Brauchle C, Hampp N. Thick-film multichannel biosensors for simultaneous amperometric and potentiometric measurements / / Sensors and Actuators В.— 1996.—30.—P. 127—132. 13. Khan G. F. Organic charge transfer complex based printable biosensor / / Biosensors and Bioelectronics.—1996.—11.— P. 1221 — 1227. 14. Albareda-Sirvent M., Merkoci A., Alegret S. Configurations used in the design of screen-printed enzymatic biosensors. A review / / Sensors and Actuators В .—2000 .—69 .—P. 153— 163. 15. Lorenzo E., Pariente F., Hernandes E, Tobalina F., Darder M., Wu Q., Mask us M., Abruna H. D. Analytical strategies for amperometric biosensors based on chemically modified electro des / / Biosensors and Bioelectronics.—1998.—13.—P. 319— 332. 16. Silber A., Hampp N., Schuhmann W. Poly (methylene blue)- modified thick-film gold electrodes for the electrocatalytic oxidation of NADH and their application in glucose biosensors / / Biosensors and Bioelectronics.—1996.—11.—P. 215—223. 17. Madaras M. В., Buck R. P. Miniatureses biosensors employing electropolymerised permselective films and their use for creati nine assays in human serum / / Anal. Chem.—1996.—68.— P. 3832—3839. 18. Sirkar JC, Pishko M. V. Amperometric biosensors based on oxidoreductases immobilised in photopolymerised poly (ethylene glycol) redox polymer hydrogels / / Anal. Chem.—1998.— 70 .—P. 2888—2894 . 19. Muguruma H. K, Karube I. Plasma-polymerised films for biosensors / / Trends Anal. Chem.—1999 .—18.—P. 62—68. 20. Wohltjen H. Chemical microsensors and microinstrumentstion / / Anal. Chem.—1984.—56, N 1.—P. 87A— ЮЗА. 21. VidalJ. C, Garcia E., Mendez S., Yarnoz P., Castillo J. R. Three approaches to the development of selective bilayer amperometric biosensors for glucose by in situ electropoly- merization / / Analyst .—1999.—124.—P. 319—324 . 22. Kranz C, Wohlschlager H., Schmidt H. E, Schuhmann W. Controlled electrochemical preparation of amperometric biosen sors based on conducting polymer multilayers / / Electro- analysis .—1998.—10.—P. 5 4 6 — 5 5 2 . 23. Lotzbeyer Т., Schuhmann W., Schmidt H. L. Electron transfer 375 Д З Я Д Е В И Ч С. В. principles in amperometric biosensors: direct electron transfer between enzymes and electrode surface / / Sensors and Ac tuators В.—1996.—33.—P. 50—54. 24. Yamato #., Koshiba Т., Ohwa M., Wemet W., Matsumura M. A new method for dispersing palladium microparticles in conducting polymer films and its application to biosensors / / Synth. Met .—1997.—87.—P. 231—236. 25. Elrhazi M., Deslouis C, Nlgretto J. M., Frouji A. Electro chemical behaviour of carbon paste electrode modified by fibrinogen for biosensor. An impedance study / / Quim. Anal.— 1997.—16.—P. 49—53. 26. Immobilized enzymes: an introduction and applications in biotechnology / Ed. M. D. Trevan—New York: John Wiley and Sons, 1980. 27. Guilbalt G. G., Kramer D. N. Fluorometric system employing immobilized cholinesterase for assaying anticholinesterase com pounds / / Anal. Chem.—1965.—37.—P. 1675—1680. 28. Bartlett P. N., Cooper J. M. A review of the immobilisation of enzymes in electropolymerized films / / J. Electroanal. Chem.— 1993.—362.—P. 1 — 12. 29. Naarmann H.t Theophilou N. New process for the production of metal-like, stable polyacetylene / / Synth. Met.—1987.— 22 .—P. 1—8. 30. Kobayashi M., Chen J., Chung Т. C, Moraes F., Heeger A. J., Wudl F. Synthesis and properties of chemically coupled poly(thiophene) / / Synth. Met .—1984.—9.—P. 77—86. 31. Ratcliffe N. M. Polypyrrole-based sensor for hydrazine and ammonia / / Anal. chim. acta .—1990.—239.—P. 257—262. 32. Sirkar К K, Lloyd D. R. New membrane materials and processes for separation / / AIChE Symp. Series.—New York: Amer. Inst. Chem. Eng., 1988.—Vol. 84 , N 261.—177 p. 33. Slomkowski S., Kowalczyk M., Trznadel M., Kryszewski M. Two-dimensional latex assemblies for biosensors / / ACS Symp. Ser .—1996.—627.—P. 172—186. 34. Reddy S. M., Vadgama P. M. Membranes to improve am perometric sensor characteristics / / Handbook of biosensors and electronic noses: medicine, food, and environment / Ed. E. Kress-Rogers.—New York: CRC press, 1997.—P. 111—135. 35. Grisel A. Microelectronic devices / / Handbook of biosensors and electronic noses: medicine, food, and environment / Ed. E. Kress-Rogers.—New York: CRC press, 1997.—P. 137—147. 36. Scouten W. H., Luong J. #., Brown R. S. Enzyme or protein immobilization techniques for applications in biosensor design / / Trends Biotech.—1995.—13.—P. 178—185. 37. Hianik Т., Snejdarkova M., Cervenanska Z., Miernik A., Krawczyk Т. К V. Electrochemical biosensors with supporte bilayer lipid membranes based on avidin-biotin interaction / / Chem. Analyt .—1997.—42.—P. 901—906. 38. Chen Q.t Kobayashi Y., Takeshita #., Hoshi Т., Anzai J. Avidin-biotin system-based enzyme multilayer membranes for biosensor applications: optimisation of loading of choline es terase and choline oxidase in the bienzyme membrane for acetylcholine biosensors / / Electroanalysis.—1998.—10.— P. 94—97. 39. Yon Hin B. F. Y.f Lowe C. R. Amperometric response of polypyrrole entrapped bienzyme films / / Sensors and Actuators В .—1992 .—7.—P. 339—342 . 40. Cooper J. C, Hall E. A. H. Electrochemical response of an enzyme-loaded polyaniline film / / Biosensors and Bioelectro- nics .—1992.—7.—P. 473—485 . 41. Дзядевич С. В., Солдаткин А. П., Россохатый В. К, Шрам И. Ф., Шульга А. А., Страха В. И. Амперо- метрический ферментный биосенсор с мембраной глюкозо оксидаза—полианилин / / Укр. биохим. журн.—1994.—66, № 3 .—С. 54—60 . 42. Palleschi G., Moscone D., Compagnone D. Biosensori elet- trochimici in Biomedicina / / Caleidoscopio Italiano.—Genova: MedicalSystems S.p.A., 1997.—N 112.—P. 6. 43. Scheller F. W., Pfeiffer D. Commercial devices based on amperometric biosensors / / Handbook of biosensors and elect ronic noses: medicine, food, and environment / Ed. E. Kress-Rogers.—New York: CRC press, 1997.—P. 245—256. 44. ЭКСАН-Г. Инструкция по применению и эксплуатации.— Паневежис, 1990. 45. Lauks I. R. Microfabricated biosensors and microanalytical systems for blood analysis / / Acc. Chem. Res .—1998 .—31.— P. 317—324. 46. Pat. German 43 352413. Verfahren zur kontinuierlichen Ana lyse von Bestandteilen einer Flussigkeit / A. Schwock, P. Abel / / Publ. 1991. 47. Armour J. C, Lucisano J. Y., McKean B. D.f Gough D. A. Application of chronic intravascular blood glucose in dogs / / Diabetes .—1990.—39.—P. 1519—1523. 48. Koudelka M., Rohner-Jeanrenaud F., Terrettaz J., Bobbioni- Harsch E., de Rooij N.F., Jeanrenaud B. In vivo behaviour of hypodermically implanted microfabricated glucose sensors / / Biosensors and Bioelectronics.—1991.—6.—P. 31. 49. 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. 50. Luong J. H. Т., Bouvrette P., Male К В. Developments and applications of biosensors in food analysis / / Tibtech.— 1997.—15.—P. 369—377. 51 . Freshness Meter from oriental electric Co. Ltd / / Chemical Sensors.—1992.—8, N 1.—P. 18. 52 . Nagai R.t Yaoita M., Yoshida Y., Ikariyama Y., Yamauchi S. High-performance biosensor for cholesterol / / Proc. of 9 t h Chem. Sensor Symp.—Aoyama: Gakuin Univ. press, 1989.— P. 17—20. 53. Hikuma M., Yasuda T. Microbial sensors for estimation of biochemical oxygen demand and determination of glutamate / / Methods Mosbach Enzymol.—San Diego: Acad, press, 1998.— Vol. 137, pt D . — P . 124. 54. Riedel K, Neumann В., Scheller F. W. Mikrobielle sensoren auf basis von respirations-messungen / / Chem. Ing. Tech.— 1992.—64.—P. 518. 55. White S. F., Turner A. P. F. Mediated amperometric biosensors / / Handbook of biosensors and electronic noses: medicine, food, and environment / Ed. E. Kress-Rogers.—New York: CRC press, 1997.—P. 227—244. 56. Skladal P., Mascini M. Sensitive detection of pesticides using amperometric sensors based on cobalt phtalocyanine-modified electrodes and immobilized cholinesterases / / Biosensors and Bioelectronics.—1992.—7.—P. 335—344 57. Gogol E. V., Evtugyn G. A., Marty J.-L., Budnikov H. C, Winter V. G. Amperometric biosensors based on nafion coated screen-printed electrodes for the determination of cholin esterase inhibitors / / Talanta.—2000.—53.—P. 379—389. УДК 577.15.573.6 Надійшла до редакції 26.10.2000 376

Амперометрические биосенсоры. Современные технологии и коммерческие варианты анализаторов

Репозитарії

Схожі ресурси