тезисы

РАЗРАБОТКА ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОГО БИОДАТЧИКА
С УЛУЧШЕННЫМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ
С.В. Стецюра, А.В. Козловский, И.В. Маляр
ФГБОУ ВПО Саратовский государственный университет
им. Н.Г. Чернышевского
E-mail: [email protected]
Современные биодатчики (биосенсоры) конструктивно можно
представить как результат объединения биоселективного элемента с
электронным или оптическим элементом (электрод, полевой транзистор,
оптическое волокно и т.д.), называемым трансдьюсером, и системой
предварительной обработки, а также усиления измеряемого сигнала.
Принцип детекции в биосенсорах основан на том, что биораспознающий
элемент, иммобилизованный на трансдьюсере, при взаимодействии с
определяемым соединением генерирует зависимый от его концентрации
сигнал, который регистрируется трансдьюсером и после обработки данных
представляется в численном виде. Область применения биосенсора во
многом определяется типом трансдьюсера, а параметры биодатчика в
равной степени зависят как от свойств детектирующего, так и от
биоселективного элементов.
Основными параметрами биосенсора являются селективность,
чувствительность (<1 mM, в отдельных случаях до 10-15 M), точность
(>5%), время отклика (обычно >30 с), время релаксации (как правило,
менее нескольких минут), время эксплуатации (определяется методом
иммобилизации и стабильностью распознающего элемента), диапазон
определяемых концентрации, прецизионность, воспроизводимость
(расхождения не должны превышать 10 %) [1-4].
Можно
выделить
4
основных
типа
трансдьюсеров:
электрохимические, оптические, пьезоэлектрические и термометрические
[1]. Каждый тип имеет ряд преимуществ и недостатков, а также свою
область применения. Наиболее распространены электрохимические
трансдьюсеры из-за простоты изготовления, невысокой стоимости и
возможности сопряжения с электронной схемой для оцифровки и
автоматизации измерений. В свою очередь электрохимические
трансдьюсеры
подразделяются
на
потенциометрические,
вольтамперометрические (определяется циклическая вольтамперограмма),
кондуктометрические (измеряется электропроводность раствора) и
трансдьюсеры на основе полевых транзисторов [2].
Тип биоселективного элемента определяется регистрируемым
аналитом. Большинство статей, посвященных разработке биосенсоров,
описывают биосенсоры для определения содержания глюкозы. Дело не
только в значимости детекции именно этого аналита, но и в том, что на
примере определения глюкозы можно сравнивать разные типы сенсоров и
оценивать изменение интересующих параметров. Для распознавания
глюкозы с высокой точностью в сложной системе используется фермент
глюкозооксидаза (GOx). Из уравнения Михаэлиса-Ментен следует, что
скорость ферментативной реакции v пропорциональна концентрации
фермента:

k  E0   S 
,
K M  S 
где k – константа скорости реакции; KM – константа Михаэлиса; [S] –
концентрация субстрата; [E0] – концентрация фермента. Таким образом,
чем выше поверхностная концентрация фермента, тем выше
быстродействие и чувствительность прибора.
На
данный
момент
существует
проблема
эффективной
иммобилизации фермента на поверхности трансдьюсера (например,
затворе полевого транзистора), состоящая в том, что при иммобилизации
каталитическая активность фермента может существенно снизиться (из-за
влияния подложки или перекрытии активных центров), а при плохом
аффинном взаимодействии поверхности трасдьюсера и молекул фермента
также уменьшается срок эксплуатации сенсора.
Существует 5 основных методов иммобилизации ферментов:
адсорбция, микрокапсулирование, включение, сшивка и ковалентное
связывание [1]. Также имеются работы по технологии нанесения
ориентированных молекулярных слоев белков на поверхность
детектирующего элемента методом Ленгмюра-Блоджетт [3]. Но этот метод
не всегда применим, так как для хорошей иммобилизации конкретного
фермента с сохранением его биокаталитической активности необходимо
использовать определенные вещества в качестве темплатных слоев и
равномерное с приемлемой плотностью распределение фермента
достигается за длительное время (около 8-10 часов).
Наиболее надежен метод ковалентного связывания, но наиболее
простым является метод послойной адсорбции заряженных слоев из
раствора. Кроме этого, последний метод имеет такие преимущества, как
точный контроль состава и толщины пленки, широкий выбор материалов,
возможность прямого переноса электрона между ферментом и электродом
[4].
Однако
GOx
плохо
закрепляется
на
поверхности
монокристаллического кремния и из-за этого при данном методе
иммобилизации невелик срок службы такого сенсора (1 сутки).
Ранее нами было показано, что можно существенно увеличить
однородность адсорбции GOx и её количество на поверхности Si датчика,
если адсорбцию проводить на буферный слой полиэтиленимина (ПЭИ) и
освещать полупроводник при адсорбции фермента [5]. Кроме того, если
адсорбцию буферного слоя также проводить при освещении пластины
кремния со стороны раствора длинами волн из области собственного
поглощения Si, то буферный слой ПЭИ становится более тонким, плотным
и однородным, чем слой ПЭИ, адсорбированный в темноте. Это связано с
тем, что при освещении в Si генерируются носители заряда, которые
разделяются полем приповерхностной области пространственного заряда
(ОПЗ), что изменяет заряд поверхностных уровней и, соответственно,
поверхностную плотность заряда, которая увеличивает электростатическое
взаимодействие между адсорбируемым полиэлектролитом и Si [6, 7].
Таким образом, при помощи освещения можно добиться
эффективной иммобилизации фермента GOx на поверхности гибридной
структуры ПЭИ/SiO2/Si, так как достигается максимально возможное
электростатическое взаимодействие молекул фермента и подложки,
увеличивая
срок
эксплуатации,
увеличивается
поверхностная
концентрация фермента, уменьшая время отклика и растет
чувствительность. Наличие туннельно тонких плотных слоев SiO2 и ПЭИ
способствует быстрому переносу электрона от фермента к трансдьюсеру,
что также уменьшает время отклика прибора. Перспективным является
эффект изменения морфологии буферного слоя при фотостимулированной
адсорбции, так как это позволяет добиться наиболее оптимальных
размеров неровностей для адсорбции молекул GOx с желаемой
ориентацией относительно подложки.
Таким образом, фотостимулированная адсорбция, примененная на
разных этапах технологии электрохимического сенсора, обеспечивает
улучшение наиболее важных характеристик биосенсора от десятков до
сотен процентов.
Работа выполнена при поддержке РФФИ (грант № 14-02-31089
мол_а).
Библиографический список
1. Эггинс Б. Химические и биологические сенсоры. – М.: Техносфера, 2005г. – 336 с.
2. R. Monošík, M. Streďanský, E. Šturdík Biosensors - classification, characterization and
new trends // Acta Chimica Slovaca. 2012. Vol. 5 (1). P. 109-120.
3. K.-H. Wang et al. // Sensors and Actuators B. 2012. Vol. 164. P.29-36.
4. S. Komathi et al. // Biosensors and Bioelectronics. 2009. Vol. 24. P. 3131–3134.
5. Козловский А.В., Маляр И.В., Стецюра С.В. Изменение морфологии наноразмерных
слоев и конформации молекул при фотостимулированной адсорбции
полиэлектролитов на полупроводниковую подложку // Наноматериалы и
нанотехнологии: проблемы и перспективы: сборник материалов III Всерос. заочной
науч. конф. - Москва: Прондо, 2014. С. 146-152.
6. Маляр И.В., Santer S., Стецюра С.В. Влияние освещения на параметры полимерного
покрытия, осаждаемого из раствора на полупроводниковую подложку // Письма в
ЖТФ. 2013. том 39 (14). С. 69-76.
7. I.V. Malyar, D.A. Gorin, S. Santer, S.V. Stetsyura Photocontrolled Adsorption of
Polyelectrolyte Molecules on a Silicon Substrate // Langmuir. 2013. V. 29 (52). Р. 16058.
Сведения об авторах
Стецюра Светлана Викторовна – к.ф.-м.н, доцент кафедры
материаловедения, технологии и управления качеством СГУ им. Н.Г.
Чернышевского, дата рождения: 27.09.1966
Козловский Александр Валерьевич – студент 4 курса кафедры
материаловедения, технологии и управления качеством СГУ им. Н.Г.
Чернышевского, дата рождения: 08.12.1992
Маляр Иван Владиславович – к.т.н., доцент кафедры материаловедения,
технологии и управления качеством СГУ им. Н.Г. Чернышевского, дата
рождения: 14.01.1986
Вид доклада устный/стендовый