Теоретические аспекты функционирования электрохимических биосенсоров

Электрохимическая детекция в прямых (безмедиаторных) биосенсорах основана на прямом каталитическом переносе электронов между поверхностью чувствительного элемента сенсора — электрода — и активным центром биораспознающего реагента. Перенос электронов может происходить непосредственно на поверхности электрода либо на предварительно модифицированной его поверхности, обеспечивающей прямой перенос электрона.

Существует структурная концепция для объяснения процесса переноса электрона между активным центром биокомпонента и электродом. Получено эмпирическое уравнение, выражающее зависимость между скоростью внешнесферного переноса электрона и глубиной залегания активного центра биораспознающего компонента. Критическое расстояние туннельного переноса оценено в 1, 24 нм при скорости переноса 10² с^–1. Другие исследователи приводят значения критических расстояний в интервале 1, 2—1, 6 нм [4]. На основании анализа экспериментальных данных, сделан вывод, что те белки, которые являются активными в процессе прямого биоэлектрокатализа, обладают близко расположенным к поверхности белковой глобулы (менее 1 нм) активным центром. Однако, к настоящему времени существует лишь небольшое число биосенсоров, функционирующих с прямым электронным переносом.

Для улучшения условий обмена электронами между активным центром фермента и электродом в сенсорную систему можно вводить специальное диффузионноподвижное низкомолекулярное вещество, которое служит переносчиком электронов. В этом случае происходит так называемый медиаторный перенос электронов.

К медиаторам, обеспечивающим работу биосенсоров, предъявляются следующие основные требования [6]:

1) медиатор должен быстро реагировать с восстановленной формой биораспознающего фермента;

2) гетерогенные реакции с участием медиатора должны быть обратимы;

3) перенапряжение процесса регенерации окисленного медиатора должно быть низким и не зависеть от рН;

4) медиатор должен быть устойчивым как в окисленной, так и в восстановленной форме;

5) восстановленный медиатор не должен реагировать с кислородом;

6) медиатор должен быть нетоксичным.

Выбор медиатора с учетом указанных требований осуществляется, исходя из окислительно-восстановительных свойств активного центра биохимического реагента.

Одна из важнейших проблем, с которой столкнулись разработчики биосенсоров, касалась процедуры иммобилизации медиатора на электроде, которая, как предусматривалось, должна обеспечить прочное удерживание медиатора на поверхности электрода, чтобы предотвратить вымывание его в раствор. Поиски подходов к решению этой проблемы привели к созданию концепции безреагентных амперометрических биосенсоров. В рамках этой концепции биосенсоры — это система на основе амперометрических ферментных электродов, которые генерируют сигнал, пропорциональный концентрации субстрата и независимый от содержания медиатора или кофермента [7]. При этом имеется в виду, что присутствие медиатора и кофермента вблизи электрода не исключается. Таким образом, при разработке безреагентных амперометрических биосенсоров медиаторного типа возникает потребность в методах иммобилизации медиаторов, ферментов и коферментов, при которых не затрудняется их функционирование как эффективных переносчиков электронов между биокомпонентом и электродом, а также сохраняется высокая скорость электронного переноса.

Из биосенсоров наибольшее развитие и применение получили системы на основе ферментов в качестве биораспознающего компонента. При адсорбции ферментов на твердых поверхностях (металлы, керамика, полимеры) они частично или полностью сохраняют свою структуру и каталитическую активность, которая в ферментных биосенсорах проявляется в ускорении процесса обмена электронами между субстратом и поверхностью электрода.

Одним из ферментов, которые используются в биосенсорах непосредственно в качестве биокатализатора или в качестве метки, является пероксидаза хрена.