Электрохимические преобразователи – биосенсоры электрохимического типа

Субстратом или продуктом ферментативной реакции часто является соединение, распадающееся на ионы. Для измерения концентраций, свойств и состава таких веществ в качестве ИП используются электрохимические ячейки:

Электронный проводник А

Электролит В

Диссоциирующее вещество C

Электролит D

Электронный проводник E

В ячейках вещество С распадается в растворе на разнополярные ионы, образующие электролиты B и D. Концентрация ионов пропорциональна концентрации вещества в растворе. В ячейку погружены два электрода A и E из проводников с электронной проводимостью.

В различных типах электрохимических ИП получают зависимость между электрическими параметрами электродов и концентрацией анализируемого вещества (аналита) в ячейке.

При этом требуется учитывать основные электрохимические эффекты:

- возникновение на границах разных фаз (металл – электролит, исходное вещество – электролит) электрохимических потенциалов;

- зависимость величины потенциалов от температуры;

- возникновение на границах фаз двойных заряженных слоев, обладающих емкостью, подобно плоскому конденсатору (поэтому ячейка с веществом и электродами может быть описана эквивалентной схемой в виде резистивно-емкостной цепи);

- изменение величины потенциала между металлом и электролитом при протекании тока через электроды (эффект поляризации электродов);

- изменение величины тока, обусловленное разной шероховатостью электрода, т. е. его площадью контакта с электролитом;

- изменение потенциала электрода при окислении его электролитом;

- возникновение эффекта электролиза (выделения ионов в виде вещества на электроде) при протекании постоянного тока через раство, что уменьшает концентрацию ионов в растворе.

Для уменьшения эффекта окисления вещества электродов электролитом их выполняют из благородных металлов (платины, золота). Электроды всегда полируют, обеспечивая максимально гладкую поверхность. Чтобы минимизировать влияние температуры, все электрохимические измерения проводят в условиях термостатирования.

Electrochemical biosensors are normally based on enzymatic catalysis of a reaction that produces or consumes electrons (such enzymes are rightly called redox enzymes). The sensor substrate usually contains three electrodes; a reference electrode, a working electrode and a counter electrode. The target analyte is involved in the reaction that takes place on the active electrode surface, and the reaction may cause either electron transfer across the double layer (producing a current) or can contribute to the double layer potential (producing a voltage). We can either measure the current (rate of flow of electrons is now proportional to the analyte concentration) at a fixed potential or the potential can be measured at zero current (this gives a logarithmic response). Note that potential of the working or active electrode is space charge sensitive and this is often used. Further, the label-free and direct electrical detection of small peptides and proteins is possible by their intrinsic charges using biofunctionalized ion-sensitive field-effect transistors.

Электрод сравнения - Reference electrode. A reference electrode is an electrode which has a stable and well-known electrode potential. The high stability of the electrode potential is usually reached by employing a redox system with constant (buffered or saturated) concentrations of each participants of the redox reaction.

There are many ways reference electrodes are used. The simplest is when the reference electrode is used as a half cell to build an electrochemical cell. This allows the potential of the other half cell to be determined. An accurate and practical method to measure an electrode's potential in isolation (absolute electrode potential) has yet to be developed.

Another example, the potentiometric biosensor, (potential produced at zero current) gives a logarithmic response with a high dynamic range. Such biosensors are often made by screen printing the electrode patterns on a plastic substrate, coated with a conducting polymer and then some protein (enzyme or antibody) is attached. They have only two electrodes and are extremely sensitive and robust. They enable the detection of analytes at levels previously only achievable by HPLC and LC/MS and without rigorous sample preparation. All biosensors usually involve minimal sample preparation as the biological sensing component is highly selective for the analyte concerned. The signal is produced by electrochemical and physical changes in the conducting polymer layer due to changes occurring at the surface of the sensor. Such changes can be attributed to ionic strength, pH, hydration and redox reactions, the latter due to the enzyme label turning over a substrate. Field effect transistors, in which the gate region has been modified with an enzyme or antibody, can also detect very low concentrations of various analytes as the binding of the analyte to the gate region of the FET cause a change in the drain-source current.

Electrochemical biotransducers incorporate the relation between electrochemical transducer’s sensitivity and specificity of bio recognition process. Reactions in bio-electrochemistry generate measurable current, measurable potential or charge accumulation or they may change the conductive properties of the medium. Based on this fact, the electrochemical biotransducers can be classified as amperometric devices, potentiometric devices, and conductometric devices. In a biochemical reaction amperometric devices measure current resulting from oxidation or reduction of electroactive species. Potentiometric devices measure accumulation of charge potential at the working electrode. Conductometric devices measure the ability of an analyte to conduct electric current between electrodes.

Типа электрохимических преобразователей. Основанные на:

Дата добавления: 2014-01-07