7.3. Преобразователи

В биологических измерительных устройствах, содержащих электрохимический преобразователь, при взаимодействии биоэлемента с определяемыми молекулами генерируется изменение потенциала действия системы (потенциометрические электроды, ионоселективный полевой транзистор) или тока (амперометрическая и кондуктометрическая ячейки).

Рассмотрим более подробно потенциометрические биосенсоры, как имеющие наибольшее практическое значение.

В состав потенциометрического биосенсора входит внутренний ионоселективный электрод; обычно используют ферменты, иммобилизованные на гидрофильной мембране. В качестве специфических химических реакций, лежащих в основе работы потенциометрических биосенсоров, можно применять биохимические реакции, протекающие в клетках или срезах биологических тканей, прикрепленных к ионоселективному электроду (обычно стеклянный), и соединенном с ним активном гидрофильном слое. В этом слое один из компонентов анализируемого вещества превращается в форму, пригодную для потенциометрического измерения с помощью внутреннего ионоселективного электрода.

В настоящее время существует несколько видов электродов с использованием биологических элементов. Рассмотрим наиболее распространенные виды таких электродов.

Бактериальные электроды. В них между измерительным электродом и мембраной, непроницаемой для высокомолекулярных веществ, помещают слой бактерий. Определяемое вещество под действием соответствующего штамма бактерий превращается в продукт, к которому чувствителен данный электрод. С помощью биологических измерительных устройств (БИУ) можно определять аргинин, глутамин, аспаргиновую кислоту, гистидин и нитрат-ион.

Существуют гибридные бактериально-ферментные электроды. В этих биосенсорах специфическая химическая реакция осуществляется с участием штамма бактерий и фермента одновременно.

Электроды на основе биологической ткани. Основным элементом конструкции этих БИУ является тонкий слой биологической ткани, прикрепленной к поверхности внутреннего электрода. В результате ферментативной реакции, происходящей в ткани, выделяются продукты, потенциалообразующие для этого электрода. В биологических измерительных устройствах, содержащих термический преобразователь, используется универсальное свойство выделения тепла 25–100 кДж/моль при протекании ферментативных реакций.

Оптические преобразователи. Данные преобразователи служат для детекции изменения окраски или люминесцентных свойств среды, возникающего при действии биокатализатора. Преобразователи, основанные на ячейках поверхностных электромагнитных волн и поверхностных плазмонов, регистрируют изменения коэффициента преломления на поверхности оптического элемента, обусловленные взаимодействием определяемых молекул с молекулами антитела, рецепторов, ДНК и другими биомолекулами.

При погружении биоанализатора в исследуемый раствор прида-ющее вкус вещество связывается с пленкой, что вызывает изменение флуоресцентных характеристик. Измерение этих изменений позволяет определять концентрацию глутаминовой кислоты и МР в растворе.

За рубежом создан новый высокоэффективный биоанализатор вкуса, который может обнаруживать глутаминовую кислоту и СМР одновременно. Биоанализатор изготавливается нанесением на стеклянную подложку пленок Ленгмюра–Биоджетт стеариновой кислоты, содержащей два флуоресцирующих вещества – пирен и периллен. Пьезоэлектрический преобразователь является частью высокочастотного генератора (9–14 МГц), частота которого меняется при изменении массы пьезокристалла. Это изменение обусловлено взаимодействием находящегося на поверхности пьезокристалла биоэлемента с молекулами определяемого вещества. Преобразователи на поверхностных акустических волнах используются в подобной пьезоэлектрическим преобразователям конфигурации. Они действуют при частоте в несколько сот мегагерц. Теоретически это должно было бы увеличить чувствительность, но практически чувствительность уменьшается из-за необходимости использовать очень тонкие (молекулярные) слои биоэлемента. Параметры БИУ зависят от температуры, кислотности и других физических свойств среды. Чувствительность БИУ изменяется во времени.

Проблема зависимости характеристик биосенсоров от времени была рассмотрена теоретически. Однако предложенные объяснения оказались малопригодными для интерпретации экспериментальных данных.

Несмотря на большие возможности биосенсоры до сих пор не получили заметного распространения, и в большинстве случаев определение глюкозы по-прежнему ведется спектрофотометрическим методом. В развитых странах наблюдается большой подъем научно-исследовательских и конструкторских разработок в области создания БИУ. Можно с уверенностью сказать, что в будущем потребность в БИУ для контроля качества пищи возрастет.