- •Министерство образования и науки Российской Федерации
- •Институт холода и биотехнологий
- •Методы и средства аналитических измерений Учебное пособие
- •Санкт-Петербург
- •1. Классификация методов анализа
- •Терминоэлементы аналитических методов
- •2. Аналитические методы измерений
- •2.1. Анализ на основе химических реакций
- •2.2. Анализ на основе электрохимических реакций
- •2.2.1. Виды анализа на основе неспецифических электродных процессов
- •2.2.2. Виды анализа на основе специфических электродных процессов
- •2.2.3. Виды анализа на основе свойств двойного электрического слоя
- •2.3. Анализ на основе термических процессов
- •2.4. Анализ на основе взаимодействия с электромагнитным или корпускулярным излучением
- •2.4.1. Виды анализа на основе упругих и квазиупругих взаимодействий
- •2.4.2. Виды анализа на основе молекулярной спектроскопии
- •2.4.3. Виды анализа атомных спектров
- •3. Аналитические методы и методы разделения
- •3.1. Аналитические методы
- •3.2. Методы разделения
- •Классификация методов разделения
- •Хроматографические методы
- •4. Теплофизические методы
- •4.1. Термофизические методы для анализа состава вещества
- •4.2. Теплофизические методы для измерения влажности вещества
- •5. Электрохимические и электрические методы
- •5.1. Кондуктометрический метод
- •5.2. Диэлькометрический метод
- •5.3. Полярографический метод
- •5.4. Потенциометрический метод
- •Ионоселективные электроды
- •5.5. Измерение рН жидкостей
- •Индикаторы
- •5.6. Ионометрия
- •5.7. Основы капиллярного электрофореза
- •6. Методы, основанные на взаимодействии вещества и электромагнитного излучения
- •6.1. Методы спектрального анализа. Спектроскопия
- •6.2. Оптические методы
- •6.2.1. Рефрактометрические методы
- •6.2.2. Интерферометры
- •6.3. Фотометрический метод
- •6.4. Фурье-спектрометры
- •6.5. Оптические датчики
- •6.6. Радиометрические методы
- •6.6.1. Релаксационные методы ядерного магнитного резонанса
- •6.6.2. Методы квадрупольного резонанса
- •6.6.3. Масс-спектрометрия
- •6.6.4. Масс-спектрометрический метод
- •6.6.5. Методы электронного парамагнитного резонанса
- •6.6.6. Метод протонного магнитного резонанса
- •7. Биологические методы
- •7.1. Биосенсоры
- •Биологические элементы и преобразователи
- •7.2. Биоэлементы
- •7.3. Преобразователи
- •7.4. Люминесцентный метод
- •8. Акустические методы
- •Содержание
- •Институт холода и биотехнологий
- •Методы и средства аналитических измерений Учебное пособие
7.1. Биосенсоры
Биосенсоры – это измерительные устройства, в состав которых входит биологический элемент, специфически взаимодействующий с определяемыми молекулами.
Молекулы анализируемого вещества взаимодействуют с биомолекулярным элементом, расположенным (иммобилизованным) непосредственно на преобразователе (табл. 7.1). При этом взаимодействии генерируется поток электронов или изменяются физические свойства биомолекул, что преобразуется в электрический сигнал, который затем усиливается и выводится на индикатор.
Таблица 7.1
Биологические элементы и преобразователи
|
Биологические элементы (биологические катализаторы) |
Преобразователи
|
|
Ферменты Антитела Рецепторы Клетки микроорганизмов Срезы тканей ДНК Другие биополимеры |
Электрохимические: потенциометрический электрод, амперометрическая ячейка, кондуктометрическая ячейка, ионоселективный полевой транзистор. Термические – терморезистор, микрокалориметр.
|
Окончание табл. 7.1
|
Биологические элементы (биологические катализаторы) |
Преобразователи
|
|
|
Оптические: оптическое волокно, ячейка поверхностных электромагнитных волн, ячейка поверхностных плазмонов. Пьезоэлектрические – пьезокварцевый датчик. На поверхностных акустических волнах (ПАВ) – ячейка ПАВ |
7.2. Биоэлементы
При действии ферментов происходит превращение молекул определяемого органического вещества. В среднем молекула фермента катализирует превращение приблизительно 100 молекул анализируемого вещества в секунду. При монослойном заполнении поверхности преобразователя молекулами фермента возможна генерация плотностью до 0,1 мА/см2.
Применяемые в качестве биологических элементов клетки микроорганизмов или срезы тканей выполняют функции специфических биокатализаторов. Известен пример использования микроорганизмов в качестве биодатчиков. Предпринята попытка применить инфузории для определения токсичности жидких отходов (бульонов) рыбоперерабатывающего предприятия. Количественный учет инфузорий показал их нормальный рост и размножение в присутствии бульонов. Проверка действия на тетрахимену разрешенных антиокислителей и консервантов показала, что эти вещества в допустимых значениях концентрации не сдерживают рост и размножение инфузорий. Этот результат позволяет рекомендовать тетрахимену для определения токсичности жидких отходов. Сорбиновая кислота даже в разрешенном интервале значений концентрации вызывала гибель инфузорий. Механизм генерации сигнала при действии антител, рецепторов или биополимеров отличаются от действия ферментов. Этим биологическим элементам свойственно высокое сродство к определяемым молекулам, константы диссоциации образующихся комплексов достигают 10–7–10–14 моль/л. В результате такого сильного молекулярного взаимодействия меняются физические свойства биоэлемента, что преобразуется посредством преобразователя в электрический сигнал.