2.4.1 Адсорбция
Ферменты адсорбируются на поверхности многих материалов. В числе таких материалов — алюминий, уголь, глина, целлюлоза, каолин, силикагель, стекло, коллаген и др. Для адсорбции не требуется ни дополнительных реагентов, ни отдельной стадии очистки. Метод практически не нарушает нативной конформации фермента.
Адсорбция может быть физической или химической (хемосорбция). При физической адсорбции между биоматериалом и носителем образу- ются относительно непрочные связи. Она протекает главным образом благодаря взаимодействиям ван-дер-Ваальса, реже — с участием водо- родных связей и взаимодействий с переносом заряда. Существенно бо- лее прочно биоматериал связывается в результате хемосорбции, проте- кающей с образованием ковалентных связей.
Для описания адсорбционных процессов предложено несколько моделей, но наиболее часто пользуются изотермой адсорбции Лэнгмюра. Это уравнение связывает долю поверхности носителя, занятую адсор- бированным материалом (9), с рядом кинетических параметров. Оно выводится следующим образом:
Поскольку в равновесии скорости адсорбции и десорбции равны, получим:
где: ра— парциальное давление адсорбента; kа — константа скорости адсорбции; kd — константа скорости десорбции; К — константа, равная отношению ka/kd.
Адсорбированный биоматериал очень чувствителен к изменениям рН, температуры, ионной силы и концентрации субстрата. Однако ме- тодом адсорбции вполне можно пользоваться в исследовательских це- лях для получения сенсоров, от которых не требуется длительного срока эксплуатации.
2.4.2 Микрокапсулирование
Этот метод позволяет заключить биоматериал с внутренней стороны инертной мембраны вблизи трансдьюсера. С применением этого метода был получен первый глюкозный биосенсор на кислородном электроде. В числе достоинств метода можно назвать следующие:
1) Метод позволяет достичь тесного взаимодействия между биома- териалом и трансдьюсером;
2) Он обеспечивает высокую надежность и пригоден для разных ти- пов сенсоров;
3) Надежность работы биоматериала (фермента) определяется сле- дующими факторами:
■ сохранением высокой специфичности;
■ высокой стабильностью при изменениях температуры, рН, ион- ной силы, потенциала Е° и концентрации субстрата;
■ повышенной устойчивостью к загрязнениям и биодеструкции;
4) Биологический компонент может быть связан с проводящим по- лимером (например, с полипирролом).
При микрокапсулировании используют несколько типов мембран. Помимо мембран из ацетата целлюлозы (диализных), не пропускающих молекулы белков и замедляющих транспорт многих низкомолекулярных соединений (например, аскорбата), применяют также мембраны из по- ликарбоната (Nucleopore), природного белка коллагена и политетра- фторэтилена (Teflon) — синтетического полимера, проницаемого лишь для некоторых газов (например, для кислорода). Иногда используют так- же мембраны из полимера Nafion и полиуретанов.
2.4.3. Включение
В этом методе биоматериал включают внутрь полимерного геля. Чаще всего используют полимерные гели из полиакриламида, которые получают сополимеризацией акриламида и N,N'-метиленбисакриламида,например, под действием УФ-излучения в присутствии витамина В, в качестве фотосенсибилизатора. Использовали также гели из крахмала, нейлона, кремний-органических полимеров и проводящих полимеров (например, полипиррола).
К возможным недостаткам метода можно отнести следующие:
1) Диффузия субстрата через гель часто бывает затруднена, что сни- жает скорость ферментативной реакции, а, следовательно, и время от- клика биосенсора.
2) Фермент может постепенно вытекать через поры в геле. Во избе- жание вытекания фермент можно сшить глутаровым альдегидом или другим реагентом.