Электрохимические биосенсоры представляют собой электрохимические преобразователи в сочетании с
ферментами (но не всегда). Ферментные электроды были первыми описанные в литературе и разработанные на коммерческом доступном уровне (10).
Ферментные реакции можно измерять используя амперометрические, потенциометрические и кондуктометрические биосенсоры. Амперометрические биосенсоры измеряют электрический ток, когда напряжение возникает между рабочим электродом и электродом сравнения. С химической стороны также влияют окислительно-восстановительные реакции, вызывающие ток. Наибольшее распространение примером такого рода анализа является определение глюкозы с использованием глюкозоксидазы:
Глюкоза + Кислород - Глюконолактон + Перекись водорода
Изменение концентрации кислорода можно определить с помощью кислородного электрода Кларка, на котором кислород проникает через полупроницаемую мембрану, чтобы восстановиться на платиновом электроде. Напротив, изменение концентрации перекиси водорода наблюдается при окислении на платиновом электроде. Оба эти подхода имеют фундаментальные недостатки. Атмосферный кислород может вносить погрешности, к тому же важно не допустить влияния других электроактивных компонентов.
Чтобы избежать ошибок, в ферментных реакциях, использующих альтернативные источники электронов. Эти акцепторы электронов известны как медиаторы, переносящих электроны между реагентами и электродом (5). Примером такого медиатора служит железо (Fe/Fe3 +):
Глюкоза + 2Fe + --- Глюконолактон + 2Fe + 2H + Железо окисляется на аноде, чтобы восстановиться в реакции. Сенсор не чувствителен к кислороду. Основные предел линейного ряда может быть повышена использованием мембраны, которая лимитировал уровень диффузии глюкозы к электроду так, что бы кинетика обратной реакции не зависела от константы сродства (Km) фермента. Принцип медиаторного биосенсора был использован для ряда анализов, измеряя спирт (1), СО (35), D-галактозу, гликолат и L-аминокислоты (14). Также есть данные об использовании амперометрического метода для иммуноанализа с использованием ферментного усиления. Этот иммуноанализа построен по типу "сэндвича", где второе антитело присоединена к щелочной фосфатазы. Щелочная фосфатаза претворюе NADP на NAD. NAD включается в восстановительного цикла, включая дегидрогеназу и диафоразы. Восстановительный цикл восстанавливает медиатор феррицианид, который определяется амперометрические (6).
Оксидоредуктазы часто вимогають никотинамиднуклеотиды в качестве кофакторов. Эти дорогие, нестабильные, растворимые компоненты делают структуру простых, надежных биосенсоров непрактичной.
Потенциометрический ферментный электрод характеризуется тем, что разность потенциалов формируется на чувствительном элементе и она измеряется чувствительным прибором, к тому же не возникает тока через мембрану и поэтому уровень диффузии не важно. Потенциометрические сенсоры, используемые в биосенсора, включают ионоселективные электроды, газочувствительные электроды и полевые транзисторы. Ионоселективные и газочувствительные электроды уже широко применяются в клиническом анализе (11) и нашли место в биосенсоры. Водородный ионоселективных электродов (рН-электрод) был использован для анализа пенициллина, с использованием фермента беталактамаз, которая превращает пенициллин на пеницилловой кислоту. Электрод рН определяет концентрацию кислоты (25). Аммонийный ионоселективных электродов была использована в сочетании с иммобилизованным уреазного мембраной для определения мочевины (39). G. Guilbault и FRShu (17) использовали СО2 чувствительный электрод для распознавания иного продукта уреазного реакции. Также известны йодид и фторид ионоселективные елекроды как компоненты биосенсоров.
Интересный потенциометрический иммуноанализа был описан для антител к дигоксина (18). Ионофор был химически связан с дигоксином. Этот конъюгат был присоединяли к мембране, которая была вмонтирована в чувствительный кончик обычного потенциометрического электрода (Рисунок 5). Когда получен электрод помещали в среде, содержащей ионы, способные проникать сквозь мембрану, наблюдалось изменение потенцал. К тому же, когда антитело к дигоксина присутствовало в сочетании с дигоксином, это приводило к изменению способности Ионофоры транспортировать маркерный ион. Это изменение потенциала измеренная пропорционально концентрации присутствующего антитела. Полевой транзистор (ПТ) - это преобразователь, в котором проводимость полупроводникового материала контролируется электрическим полем (Рисунок 6.). В норме здесь имеется лишь незначительный ток между источником и истоком, но изменение напряжения соответствующей полярности и величины на затворе приводят к возникновению тока между источником и истоком. Металл оксидный полупроводник ПТ с палладий / палладий оксидным затвором может быть использован для определения таких газов как водород, аммиак, сероводород. Эти газы распадаются на затворе с выделением ионов водорода. Биосенсор может базироваться на таком приборе, если фермент иммобилизованным на затворе. Уреаза, например, была использована, чтобы выделять аммиак из мочевины. Аммиак затем определялся на метал-оксидного полупроводника ПТ (12).
Ионоселективных полевой транзистор (ИСПТ) включает ионоселективные мембрану, которая позволяет проход только одному типу ионов. рН - чувствительный ПТ был использован в сочетании с ферментами, такими как беталактамаз и глюкозооксидаза, для распознавания пенициллина и глюкозы, как и ожидалось (34).
ПТ поддается миниатюризации и сохраняет высокую чувствительность, что делает этот прибор очень перспективным для использования in vivo (23).
Кондуктометрические биосенсоры редко описываются в деталях. В этих приборах используются две пары идентичных электродов. Мембрана, содержащая иммобилизованным фермент, располагается между одной парой электродов, когда "чистая" мембрана располагается между другой. Если есть ферментная активность, то наблюдается изменение электрического сопротивления.