eng
Содержание
Содержание
Введение научного редактора перевода.................................... 21
Введение к русскому изданию .................................................... 24
Благодарности ................................................................................. 27
Введение ........................................................................................... 27
Глава 1
Что такое химические сенсоры? ................................................. 30
1.1.
Химические сенсоры: определение и компоненты................................ 30
1.2.
Методы распознавания.................................................................... 32
1.2.1.
Общие аспекты ........................................................................ 32
1.2.2.
Ионное распознавание............................................................... 33
1.2.3.
Распознавание аффинным взаимодействием................................. 33
1.2.4.
Распознавание нуклеиновых кислот ............................................ 34
1.2.5.
Распознавание ферментами........................................................ 35
1.2.6.
Распознавание клетками и тканями биологического происхождения 36
1.2.7.
Газовая и паровая сорбция ........................................................ 36
1.3.
Методы преобразования .................................................................. 36
1.3.1.
Общие аспекты ........................................................................ 36
1.3.2.
Термометрическое преобразование .............................................. 37
1.3.3.
Преобразование, основанное на механических эффектах ................ 37
1.3.4.
Резистивное и емкостное преобразование ..................................... 37
1.3.5.
Электрохимическое преобразование ............................................ 38
1.3.6.
Оптическое преобразование ....................................................... 39
1.4.
Структура сенсоров и их производство.............................................. 40
1.5.
Калибровка сенсора ........................................................................ 41
1.6.
Показатели качества сенсора............................................................ 43
1.6.1.
Надежность измерений ............................................................. 44
1.6.2.
Селективность и специфика ....................................................... 45
1.6.3.
Способности обнаружения и определения количества .................... 45
1.6.4.
Время формирования ответного сигнала ..................................... 47
1.7.
Сенсорные матрицы........................................................................ 47
1.7.1.
Количественный анализ сенсорными матрицами с перекрестной
чувствительностью................................................................... 47
1.7.2.
Качественный анализ сенсорными матрицами с перекрестной
чувствительностью................................................................... 49
1.7.3.
Применения искусственной нервной сети в устройстве ¾искусствен-
ный нос/язык¿......................................................................... 51
1.7.4.
Перспективный обзор................................................................ 51
6
Содержание
1.8.
Сенсоры в проточно-аналитических системах ..................................... 52
1.9.
Применение химических сенсоров ..................................................... 53
1.9.1.
Применение химических сенсоров в экологии ............................... 53
1.9.2.
Применение химических сенсоров в здравоохранении .................... 55
1.9.3.
Применение химических сенсоров в пищевой промышленности,
сельском хозяйстве и биотехнологии ........................................... 55
1.9.4.
Химические сенсоры в оборонных применениях............................ 56
1.10.
Литература по химическим и биологическим сенсорам ........................ 57
1.10.1.
Организация текста книги ......................................................... 58
Литература ............................................................................................ 60
Глава 2
Структура и свойства протеинов................................................ 64
2.1.
Аминокислоты ............................................................................... 64
2.2.
Химическая структура протеинов ..................................................... 65
2.3.
Структура макромолекул протеина................................................... 66
2.4.
Нековалентные химические связи в молекулах протеина...................... 69
2.5.
Протеины в процессах распознавания ............................................... 70
2.6.
Перспективный обзор...................................................................... 71
Литература ............................................................................................ 73
Глава 3
Ферменты и ферментативные сенсоры ..................................... 74
3.1.
Общие положения .......................................................................... 74
3.2.
Номенклатура и классификация ферментов ....................................... 75
3.3.
Компоненты и кофакторы ферментов ............................................... 77
3.4.
Некоторые ферменты, имеющие отношение к биосенсорам................... 79
3.4.1.
Оксидазы................................................................................ 79
3.4.2.
Дегидрогеназы......................................................................... 82
3.4.3.
Гидролазы............................................................................... 83
3.4.4.
Лиазы..................................................................................... 85
3.4.5.
Перспективный обзор................................................................ 85
3.5.
Методы преобразования в ферментативных биосенсорах...................... 86
3.5.1.
Методы преобразования ............................................................ 86
3.5.2.
Многоферментативные сенсоры.................................................. 88
3.6.
Кинетика ферментативных реакций .................................................. 89
3.6.1.
Механизм Михаэлиса–Ментена ................................................... 89
3.6.2.
Другие механизмы.................................................................... 92
3.6.3.
Количественное определение ферментативной активности.............. 93
3.6.4.
Влияние pH-фактора на ферментативные реакции........................ 95
3.6.5.
Влияние температуры на ферментативные реакции....................... 95
3.6.6.
Перспективный обзор................................................................ 96
3.7.
Ингибирование ферментов............................................................... 97
3.7.1.
Обратимое ингибирование ......................................................... 97
3.7.2.
Необратимое ингибирование ...................................................... 99
3.7.3.
Ферментативные сенсоры ингибиторов: разработка и принцип дей-
ствия ...................................................................................... 99
3.7.4.
Применение ферментно-ингибированных сенсоров ........................ 101
3.8.
Заключительные замечания............................................................. 102
Литература ............................................................................................ 103
Глава 4
Математическое моделирование ферментативных сенсоров 106
4.1.
Введение ....................................................................................... 106
4.2.
Ферментативный сенсор при условиях внешней диффузии ................... 107
4.2.1.
Физическая модель ................................................................... 107
4.2.2.
Математическая модель ............................................................ 108
4.2.3.
Кинетический случай нулевого порядка....................................... 109
4.2.4.
Кинетический случай первого порядка ........................................ 110
4.2.5.
Динамический диапазон и предел обнаружения при условиях внеш-
ней диффузии.......................................................................... 111
4.3.
Ферментативный сенсор при управлении внутренней диффузией .......... 114
4.3.1.
Ответный сигнал в установившемся режиме................................. 114
4.3.2.
Переходный режим и время отклика при условиях внутренней диф-
фузии ..................................................................................... 117
4.4.
Общий случай................................................................................ 120
4.4.1.
Модель ................................................................................... 120
4.4.2.
Эффект числа Био ................................................................... 122
4.4.3.
Воздействие констант разделения и коэффициентов диффузии....... 124
4.4.4.
Экспериментальные тесты для кинетического режима фермента-
тивного датчика ....................................................................... 125
4.5.
Перспективный обзор...................................................................... 126
Литература ............................................................................................ 127
Глава 5
Материалы и методы производства химических сенсоров .. 128
5.1.
Введение ....................................................................................... 128
5.2.
Нековалентная иммобилизация на твердых поверхностях..................... 129
5.3.
Ковалентное сопряжение ................................................................. 131
5.3.1.
Сшиватели нулевой длины ........................................................ 131
5.3.2.
Бифункциональные сшиватели................................................... 132
5.3.3.
Иммобилизация протеиновым сшиванием .................................... 134
5.4.
Подложки и их модификации .......................................................... 135
5.4.1.
Основные аспекты.................................................................... 135
5.4.2.
Естественные полимеры ............................................................ 135
5.4.3.
Синтетические полимеры .......................................................... 137
5.4.4.
Связывание с активными полимерами......................................... 138
5.4.5.
Связывание с неактивными полимерами...................................... 139
5.4.6.
Неорганические подложки ......................................................... 141
5.4.7.
Углеродные материалы подложек............................................... 141
5.4.8.
Металлические подложки .......................................................... 142
5.4.9.
Полупроводниковые подложки ................................................... 144
5.5.
Связывание посредством аффинных реакций ..................................... 145
5.6.
Тонкие молекулярные слои .............................................................. 147
5.6.1.
Самоорганизация амфифильных соединений................................ 147
5.6.2.
Двухслойные липидные мембраны .............................................. 149
5.6.3.
Альтернативная сборка слоя за слоем.......................................... 150
5.7.
Методы золь-гелевой химии............................................................. 152
5.8.
Гидрогели ..................................................................................... 155
5.8.1.
Физически сшитые гидрогели .................................................... 155
5.8.2.
Химически сшитые гидрогели .................................................... 156
5.8.3.
Окислительно-восстановительные гидрогели ................................ 157
5.8.4.
Чувствительные гидрогели ........................................................ 157
5.9.
Электропроводящие полимеры ......................................................... 159
5.10.
Инкапсуляция................................................................................ 163
5.11.
Захват в мезопористых материалах .................................................. 164
5.12.
Полимерные мембраны ................................................................... 166
5.12.1.
Размещение полимеров на твердых поверхностях.......................... 166
5.12.2.
Проницаемо-селективные мембраны............................................ 167
5.13.
Методы микрообработки в технологии химических сенсоров ................ 169
5.13.1.
Капельные матрицы ................................................................. 170
5.13.2.
Толстопленочная технология...................................................... 171
5.13.3.
Тонкопленочная технология....................................................... 172
5.13.4.
Мягкая литография.................................................................. 174
5.13.5.
Микроконтактная печать биосоединений ..................................... 175
5.14.
Заключительные замечания............................................................. 177
Литература ............................................................................................ 178
Глава 6
Аффинное распознавание. ............................................................ 185
6.1.
Общие принципы ........................................................................... 185
6.2.
Иммуносенсоры ............................................................................. 186
6.2.1.
Антитела: структура и функция ................................................ 186
6.2.2.
Аффинность и авидность комплекса антитело–антиген.................. 188
6.2.3.
Аналитические применения ....................................................... 189
6.2.4.
Методы преобразования без меток в иммуносенсорах .................... 191
6.2.5.
Методы преобразования с метками в иммуносенсорах ................... 191
6.2.6.
Метки фермента в иммунологическом исследовании...................... 192
6.3.
Методы иммобилизации в иммуносенсорах ........................................ 194
6.4.
Форматы иммуноанализа ................................................................ 195
6.5.
Протеиновые и пептидные матрицы.................................................. 198
6.6.
Биологические рецепторы................................................................ 201
6.7.
Искусственные рецепторы ............................................................... 203
6.7.1.
Циклодекстрины и супрамолекулярная химия .............................. 203
6.7.2.
Каликсарены ........................................................................... 205
6.7.3.
Молекулярные импринтированные полимеры (МИП) .................... 206
6.8.
Перспективный обзор...................................................................... 208
Литература ............................................................................................ 210
Глава 7
Нуклеиновые кислоты в химических сенсорах....................... 213
7.1.
Структура и свойства нуклеиновых кислот ........................................ 213
7.2.
Аналоги нуклеиновых кислот........................................................... 218
7.3.
Нуклеиновые кислоты как рецепторы в процессах распознавания ......... 219
7.3.1.
Гибридизация: полинуклеотидное распознавание .......................... 219
7.3.2.
Распознавание ненуклеотидных соединений ................................. 221
7.3.3.
Распознавание аптамерами нуклеиновых кислот ........................... 223
7.4.
Иммобилизация нуклеиновых кислот ................................................ 225
7.4.1.
Адсорбция............................................................................... 225
7.4.2.
Иммобилизация самосборкой ..................................................... 226
7.4.3.
Иммобилизация полимеризацией ................................................ 227
7.4.4.
Ковалентная иммобилизация на функционализированных поверх-
ностях .................................................................................... 227
7.4.5.
Связывание аффинными реакциями ........................................... 229
7.4.6.
Гибриды полинуклеотидов и наночастиц ..................................... 229
7.5.
Методы преобразования в сенсорах нуклеиновых кислот ..................... 230
7.5.1.
Методы преобразования без меток .............................................. 230
7.5.2.
Преобразование на основе меток................................................. 230
7.5.3.
Усиление ДНК......................................................................... 232
7.6.
Микроматрицы ДНК ...................................................................... 234
7.7.
Перспективный обзор...................................................................... 235
Литература ............................................................................................ 237
Глава 8
Применение наноматериалов в химических сенсорах........... 241
8.1.
Общие аспекты .............................................................................. 241
8.2.
Металлические наноматериалы ........................................................ 243
8.2.1.
Синтез металлических наночастиц.............................................. 244
8.2.2.
Функционализация золотых наночастиц ...................................... 245
8.2.3.
Применение металлических наночастиц в химических сенсорах ...... 246
8.3.
Углеродные наноматериалы............................................................. 247
8.3.1.
Структура углеродных нанотрубок ............................................. 248
8.3.2.
Синтез кремниевых нанотрубок.................................................. 249
8.3.3.
Химическая реактивность и функционализация............................ 250
8.3.4.
Применение углеродных нанотрубок в химических сенсорах........... 252
8.3.5.
Углеродные нановолокна ........................................................... 253
8.4.
Полимерные и неорганические нановолокна ....................................... 255
8.5.
Магнитные микро- и наночастицы.................................................... 257
8.5.1.
Магнетизм и магнитные материалы............................................ 258
8.5.2.
Магнитные наночастицы ........................................................... 259
8.5.3.
Магнитные биосенсоры и биокристаллы ...................................... 260
8.5.4.
Магнитные наночастицы как вспомогательные компоненты в био-
сенсорах.................................................................................. 262
8.5.5.
Перспективный обзор................................................................ 263
8.6.
Полупроводниковые наноматериалы ................................................. 264
8.6.1.
Синтез и функционализация квантовых точек.............................. 264
8.6.2.
Применение квантовых точек..................................................... 266
8.7.
Кремниевые наночастицы................................................................ 267
8.7.1.
Синтез, свойства и применения .................................................. 267
8.8.
Дендримеры .................................................................................. 268
8.8.1.
Свойства и применения ............................................................. 268
8.8.2.
Краткое изложение................................................................... 270
Литература ............................................................................................ 271
Глава 9
Термохимические сенсоры ........................................................... 278
9.1.
Температурные преобразователи ...................................................... 278
9.1.1.
Резистивные температурные преобразователи .............................. 278
9.1.2.
Термоэлементы ........................................................................ 279
9.2.
Ферментативные термические сенсоры .............................................. 280
9.2.1.
Принципы термического преобразования в ферментативных сенсо-
рах......................................................................................... 280
9.2.2.
Ферментативные сенсоры на основе термисторов .......................... 281
9.2.3.
Ферментативные сенсоры на основе термоэлементов...................... 283
9.2.4.
Мультиферментативные термические сенсоры.............................. 283
9.2.5.
Перспективный обзор................................................................ 284
9.3.
Термокаталитические сенсоры горючих газов ..................................... 285
9.3.1.
Структура и принципы функционирования.................................. 285
Литература ............................................................................................ 288
Глава 10
Потенциометрические сенсоры ................................................... 290
10.1.
Введение ....................................................................................... 290
10.2.
Гальванический элемент в равновесном состоянии .............................. 291
10.2.1.
Термодинамика растворов электролитов ...................................... 291
10.2.2.
Термодинамика гальванического элемента.................................... 294
10.3.
Распределение ионов на границе растворов двух электролитов ............. 298
10.3.1.
Распределение заряда на переходе двух растворов электролитов.
Диффузионный потенциал ........................................................ 298
10.3.2.
Распределение ионов на границе вода / полупроницаемая мембрана 300
10.4.
Потенциометрические ионные сенсоры _ обобщение ........................... 302
10.4.1.
Конфигурация сенсора и функция отклика.................................. 302
10.4.2.
Селективность потенциометрических ионных сенсоров .................. 305
10.4.3.
Диапазон ответного сигнала потенциометрического ионного сенсора 307
10.4.4.
Помехи от химических реакций, протекающих в выборке............... 308
10.4.5.
Время отклика потенциометрических ионных сенсоров.................. 308
10.4.6.
Перспективный обзор................................................................ 309
10.5.
Слаборастворимые твердые соли как мембранные материалы............... 310
10.5.1.
Мембранные композиции........................................................... 310
10.5.2.
Функция ответного сигнала и селективность ................................ 310
10.6.
Ионные сенсоры со стеклянными мембранами .................................... 313
10.6.1.
Структура и свойства мембраны ................................................ 313
10.6.2.
Функция отклика и селективность .............................................. 315
10.6.3.
Халькогенидные стеклянные мембраны....................................... 316
10.7.
Ионные сенсоры на молекулярных рецепторах. Общие аспекты............ 318
10.8.
Жидкие ионные обменники как ионные рецепторы ............................. 319
10.8.1.
Ионное распознавание жидкими ионными обменниками................. 319
10.8.2.
Заряженные рецепторные мембраны ........................................... 320
10.8.3.
Функция отклика и селективность .............................................. 320
10.8.4.
Перспективный обзор................................................................ 322
10.9.
Нейтральные ионные рецепторы (ионофоры) ..................................... 323
10.9.1.
Общие принципы ..................................................................... 323
10.9.2.
Химия ионного распознавания нейтральными рецепторами............ 324
10.9.3.
Воздействие факторов множественности связей, стеричности и воз-
можностей приспособления........................................................ 326
10.9.4.
Нейтральные рецепторные ионоселективные мембраны: структура,
селективность и функция отклика .............................................. 327
10.9.5.
Нейтральные нециклические ионные рецепрторы.......................... 329
10.9.6.
Макроциклические катионные рецепторы .................................... 331
10.9.7.
Макроциклические анионные рецепторы ..................................... 333
10.9.8.
Нейтральные рецепторы для органических ионов ......................... 334
10.9.9.
Порфирины и фталоцианины в качестве анионного рецептора ........ 335
10.9.10.
Перспективный обзор................................................................ 336
10.10.
Молекулярные печатные полимеры как ионно-чувствительные матери-
алы .............................................................................................. 337
10.11.
Проводящие полимеры как ионно-чувствительные материалы .............. 339
10.12.
Твердые контакты потенциометрических ионных сенсоров ................... 340
10.13.
Миниатюризация потенциометрических ионных сенсоров .................... 341
10.14.
Анализ с помощью потенциометрических ионных сенсоров .................. 343
10.15.
Последние достижения в области потенциометрических ионных сенсоров 345
10.16.
Потенциометрические газовые сенсоры.............................................. 347
10.17.
Потенциометрические газовые сенсоры с твердым электролитом........... 349
10.17.1.
Общие принципы ..................................................................... 349
10.17.2.
Потенциометрические кислородные сенсоры с твердым электролитом 350
10.17.3.
Применение потенциометрических кислородных сенсоров .............. 352
10.17.4.
Виды потенциометрических газовых сенсоров с твердым электро-
литом ..................................................................................... 353
10.17.5.
Потенциометрические газовые сенсоры со смешанными потенциа-
лами....................................................................................... 355
10.17.6.
Перспективный обзор................................................................ 356
10.18.
Потенциометрические биокаталитические сенсоры .............................. 357
10.19.
Потенциометрические аффинные сенсоры.......................................... 360
10.20.
Краткое изложение......................................................................... 361
Литература ............................................................................................ 363
Глава 11
Химические сенсоры на полупроводниковых электронных
приборах ........................................................................................... 371
11.1.
Электронные полупроводниковые устройства ..................................... 372
12
Содержание
11.1.1.
Полупроводниковые материалы.................................................. 372
11.1.2.
Зонная теория полупроводников................................................. 373
11.1.3.
Конденсаторы со структурой металл – диэлектрик – полупроводник
(МДП) .................................................................................... 374
11.1.4.
Полевые транзисторы со структурой МДП .................................. 378
11.1.5.
Перспективный обзор................................................................ 382
11.2.
Ионные сенсоры на полевых приборах и их применение....................... 383
11.2.1.
Приборы со структурой электролит – диэлектрик – полупроводник... 383
11.2.2.
Полевые pH-сенсоры................................................................. 385
11.2.3.
Газовые зонды на основе pH ИЧПТ ............................................ 388
11.2.4.
ИЧПТ с мембранным покрытием ............................................... 389
11.2.5.
Свето-адресуемые потенциометрические сенсоры (САПС) .............. 392
11.2.6.
Эталонные электроды для ИЧПТ-сенсоров .................................. 393
11.2.7.
Ферментативные сенсоры на основе ПТ (ФПТ)............................. 394
11.2.8.
Перспективный обзор................................................................ 395
11.3.
Газовые сенсоры на ПТ................................................................... 397
11.3.1.
Водородные сенсоры на ПТ ....................................................... 397
11.3.2.
Сенсоры для других газов на ПТ с металлическим затвором.......... 400
11.3.3.
Органические полупроводники как газочувствительные материалы . 402
11.3.4.
Органические полупроводниковые газовые сенсоры на ПТ ............. 403
11.3.5.
Механизм ответа газовых сенсоров на ПТ.................................... 405
11.3.6.
Перспективный обзор................................................................ 406
11.4.
Газовые сенсоры на диодах Шоттки.................................................. 408
11.5.
Полевые транзисторы на углеродных нанотрубках .............................. 410
11.6.
Заключительные замечания............................................................. 412
Литература ............................................................................................ 413
Глава 12
Резистивные газовые сенсоры (хемирезисторы) ..................... 418
12.1.
Полупроводниковые металлооксидные газовые сенсоры ....................... 418
12.1.1.
Введение ................................................................................. 418
12.1.2.
Газоответный механизм............................................................. 418
12.1.3.
Ответный сигнал на влажность .................................................. 420
12.1.4.
Структура сенсора ................................................................... 421
12.1.5.
Синтез и напыление металлических оксидов ................................ 423
12.1.6.
Изготовление металлооксидных хемирезисторов ........................... 423
12.1.7.
Селективность и чувствительность ............................................. 424
12.1.8.
Перспективный обзор................................................................ 426
12.2.
Хемирезисторы на основе органических материалов ............................ 427
12.3.
Применение наноматериалов в резистивных газовых сенсорах .............. 429
12.4.
Резистивные газовые сенсорные матрицы .......................................... 431
12.5.
Итоговая информация .................................................................... 433
Литература ............................................................................................ 434
Глава 13
Методы динамического электрохимического преобразова-
ния...................................................................................................... 437
13.1.
Введение ....................................................................................... 437
13.2.
Электрохимические элементы в амперометрическом анализе ................ 438
13.3.
Электролитический ток и его аналитическое значение......................... 440
13.3.1.
Отношение ток/концентрация .................................................... 440
13.3.2.
Функция ток/потенциал: выбор рабочего потенциала.................... 444
13.3.3.
Необратимые электрохимические реакции ................................... 446
13.3.4.
Соглашение по обозначениям ..................................................... 447
13.3.5.
Геометрия диффузионных процессов........................................... 447
13.3.6.
Перспективный обзор................................................................ 448
13.4.
Электроды с мембранным покрытием ............................................... 449
13.5.
Нефарадеевские процессы ............................................................... 451
13.5.1.
Происхождение нефарадеевских токов ........................................ 451
13.5.2.
Двойной электрический слой на границе электрод/раствор ............ 451
13.5.3.
Зарядный ток .......................................................................... 453
13.5.4.
Применение емкостных измерений в химических сенсорах ............. 454
13.6.
Кинетика электрохимических реакций............................................... 455
13.6.1.
Реакционная скорость электрохимической реакции ....................... 455
13.6.2.
Отношения ток/потенциал ........................................................ 458
13.6.3.
Влияние массопереноса на кинетику электрохимических реакций ... 458
13.6.4.
Равновесные условия ................................................................ 460
13.6.5.
Электрохимическая реакция при отсутствии ограничений массопе-
реноса..................................................................................... 461
13.6.6.
Поляризующиеся и неполяризующиеся электроды......................... 463
13.6.7.
Достижение стационарных условий в электрохимических измерениях 464
13.6.8.
Перспективный обзор................................................................ 466
13.7.
Электрохимические методы ............................................................. 468
13.7.1.
Стационарные методы............................................................... 468
13.7.2.
Хроноамперометрия при постоянном потенциале .......................... 469
13.7.3.
Полярография ......................................................................... 471
13.7.4.
Вольтамперометрия с линейным сканированием (ВЛС) и цикличе-
ская вольтамперометрия (ЦВ) .................................................... 472
13.7.5.
Импульсная вольтамперометрия ................................................. 475
13.7.6.
Прямоугольно-волновая вольтамперометрия (ПВВ)....................... 477
13.7.7.
Вольтамперометрия переменного тока ......................................... 479
13.7.8.
Хронопотенциалометрические методы......................................... 481
13.7.9.
Электрохимия с ультрамикроэлектродами ................................... 482
13.7.10.
Усиление тока переработкой реагента.......................................... 485
13.7.11.
Сканирующая электрохимическая микроскопия............................ 486
13.7.12.
Перспективный обзор................................................................ 487
13.8.
Электродные материалы ................................................................. 490
13.8.1.
Углеродые электроды ............................................................... 490
13.8.2.
Электроды из благородных металлов .......................................... 493
13.8.3.
Металлооксидные пленки .......................................................... 494
13.8.4.
Изготовление электродов........................................................... 494
13.8.5.
Применение углеродных наноматериалов в электрохимии .............. 495
13.8.6.
Перспективный обзор................................................................ 497
13.9.
Катализ в электрохимических реакциях ............................................ 498
13.9.1.
Гомогенный окислительно-восстановительный катализ................... 498
14
Содержание
13.9.2.
Гомогенное посредничество в электрохимических ферментативных
реакциях................................................................................. 500
13.9.3.
Катализ иммобилизованными ферментами................................... 501
13.9.4.
Гетерогенный окислительно-восстановительный катализ ................ 503
13.9.5.
Поверхностная активация электрохимических реакций.................. 506
13.9.6.
Перспективный обзор................................................................ 507
13.10.
Амперометрические газовые сенсоры ................................................ 509
13.10.1.
Кислородный сенсор Кларка ...................................................... 509
13.10.2.
Сенсоры оксида азота ............................................................... 511
13.10.3.
Другие виды амперометрических газовых сенсоров ....................... 513
13.10.4.
Газовый сенсор гальванического типа.......................................... 514
13.10.5.
Амперометрические газовые сенсоры с твердым электролитом........ 515
Литература ............................................................................................ 516
Глава14
Амперометрическиеферментативные сенсоры....................... 522
14.1.
Амперометрические ферментативные сенсоры первого поколения ......... 522
14.2.
Амперометрические ферментативные сенсоры второго поколения ......... 525
14.2.1.
Принципы ............................................................................... 525
14.2.2.
Неорганические посредники....................................................... 527
14.2.3.
Органические посредники.......................................................... 527
14.2.4.
Производные ферроцена в качестве посредников .......................... 529
14.2.5.
Посредничество в переносе электрона окислительно-
восстановительными полимерами................................................ 531
14.2.6.
Ощущение организованными молекулярными многослойными
структурами............................................................................ 533
14.3.
Посредник как аналит..................................................................... 535
14.4.
Проводящие полимеры в амперометрических ферментативных сенсорах 537
14.5.
Прямой переноса электрона: 3-е поколение амперометрических фермен-
тативных сенсоров.......................................................................... 538
14.5.1.
Проводящие органические солевые электроды .............................. 538
14.5.2.
Прямая передача электрона с FAD-гем-ферментами...................... 539
14.5.3.
Получение прямого переноса электрона с помощью наноматериалов 540
14.6.
NAD/NADH+ в качестве посредника в биосенсорах............................. 542
14.7.
Обобщенная информация ................................................................ 543
Литература ............................................................................................ 545
Глава15
Математическое моделирование опосредованны хамперо-
метрических ферментативых сенсоров ................................... 550
15.1.
Условия внешней диффузии ............................................................ 550
15.1.1.
Формулировка модели............................................................... 551
15.1.2.
Отклик сенсора: предельные случаи ........................................... 553
15.1.3.
Динамический диапазон и предел обнаружения............................ 555
15.1.4.
Другие теоретические модели .................................................... 558
15.1.5.
Перспективный обзор................................................................ 558
Содержание 15
15.2.
Условия внутренней диффузии ........................................................ 560
15.2.1.
Создание модели ...................................................................... 560
15.2.2.
Безразмерные параметры и переменные ...................................... 562
15.2.3.
Граничные условия................................................................... 564
15.2.4.
Решение дифференциальных уравнений. Диаграмма вариантов ..... 565
15.2.5.
Кинетические токи ................................................................... 565
15.2.6.
Диффузионные токи................................................................. 566
15.2.7.
Перспективный обзор................................................................ 568
Литература ............................................................................................ 569
Глава16
Электрохимические аффинные и нуклеино-кислотные сенсоры.............................................................................................. 571
16.1.
Амперометрические аффинные сенсоры ............................................ 571
16.1.1.
Окислительно-восстановительные метки в амперометрических им-
муносенсорах ........................................................................... 571
16.1.2.
Ферментно-связанные амперометрические иммуносенсоры ............. 572
16.1.3.
Несепарационные амперометрические иммуносенсоры................... 574
16.1.4.
Применение наноматериалов в амперометрических иммуносенсорах 576
16.1.5.
Печатные полимеры в амперометрических аффинных сенсорах ...... 578
16.1.6.
Перспективный обзор................................................................ 581
16.2.
Электрохимические сенсоры на основе нуклеиновых кислот ................. 583
16.2.1.
Электрохимические реакции нуклеиновых оснований .................... 583
16.2.2.
Амперометрические сенсоры нуклеиновой кислоты на основе само-
индицирующейся гибридизации.................................................. 584
16.2.3.
Интеркалирующие окислительно-восстановительные индикаторы.... 587
16.2.4.
Ковалентно связанные окислительно-восстановительные индикато-
ры в сэндвич-технологии анализа ............................................... 588
16.2.5.
Ковалентно связанные окислительно-восстановительные индикато-
ры в пространственном преобразовании....................................... 589
16.2.6.
Ферментные метки в амперометрических нуклеино-кислотных
сенсорах.................................................................................. 590
16.2.7.
Электрохимические ДНК-матрицы............................................. 593
16.2.8.
Нуклеиновые кислоты как распознающие материалы ненуклеотид-
ных соединений........................................................................ 593
16.2.9.
Аптамерные амперометрические сенсоры..................................... 594
16.2.10.
Перспективный обзор................................................................ 596
Литература ............................................................................................ 598
Глава17
Сенсоры н а основе электрического импеданса....................... 602
17.1.
Электрический импеданс: термины и определения.............................. 603
17.2.
Электрохимическая импедансная спектрометрия ................................ 605
17.2.1.
Основные понятия и определения ............................................... 605
17.2.2.
Нефарадеевские процессы ......................................................... 608
17.2.3.
Фарадеевские процессы............................................................. 610
16
Содержание
17.2.4.
Зондирование поверхности электрода электрохимической
импедансной спектрометрией ..................................................... 612
17.3.
Электрохимические импедансные аффинные сенсоры.......................... 614
17.3.1.
Электрохимическое импедансное преобразование в аффинных сен-
сорах ...................................................................................... 614
17.3.2.
Структура импедометрических биосенсоров ................................. 616
17.3.3.
Емкостные биосенсоры.............................................................. 617
17.3.4.
Усиление сигнала ..................................................................... 619
17.3.5.
Импедометрические сенсоры на основе синтетических рецепторов... 620
17.3.6.
Применение импедиометрических аффинных сенсоров .................. 622
17.4.
Биокаталитические импедометрические сенсоры................................. 623
17.5.
Перспективный обзор...................................................................... 624
17.6.
Импедометрические сенсоры нуклеиновых кислот............................... 626
17.6.1.
Нефарадеевские импедометрические сенсоры ДНК....................... 626
17.6.2.
Фарадеевские импедометрические сенсоры ДНК........................... 627
17.6.3.
Импедометрические аптасенсоры................................................ 629
17.7.
Кондуктометрические сенсоры......................................................... 630
17.7.1.
Электропроводность растворов электролитов ............................... 630
17.7.2.
Измерение проводимости........................................................... 633
17.7.3.
Кондуктометрические преобразователи ....................................... 634
17.7.4.
Кондуктометрические ферментативные сенсоры........................... 635
17.7.5.
Кондуктометрическая трансдукция хеморезистивными материалами 638
17.7.6.
Кондуктометрические сенсоры на основе ионных каналов .............. 641
17.7.7.
Перспективный обзор................................................................ 642
17.8.
Импедометрические сенсоры для газов и паров .................................. 644
17.8.1.
Влажность: термины и определения ........................................... 644
17.8.2.
Резистивные сенсоры влажности ................................................ 645
17.8.3.
Емкостной сенсор влажности ..................................................... 648
17.8.4.
Емкостной газовый сенсор ......................................................... 649
17.8.5.
Интегрированные импедометрические газовые сенсоры и сенсорные
матрицы ................................................................................. 650
17.8.6.
Перспективный обзор................................................................ 651
Литература ............................................................................................ 653
Глава18
Оптические сенсоры основы....................................................... 658
18.1.
Электромагнитное излучение ........................................................... 658
18.2.
Оптические волноводы в химических сенсорах ................................... 661
18.2.1.
Оптические волокна: структура и распространение света............... 661
18.2.2.
Пассивные волоконно-оптические сенсорные платформы ............... 663
18.2.3.
Активные волоконно-оптические сенсорные платформы ................ 664
18.2.4.
Планарные волноводы............................................................... 665
18.2.5.
Капиллярные волноводы........................................................... 666
18.2.6.
Перспективный обзор................................................................ 666
18.3.
Спектрохимические методы преобразования ...................................... 667
18.3.1.
Поглощение света ..................................................................... 667
18.3.2.
Диффузная отражательная спектрометрия .................................. 668
18.3.3.
Люминесценция ....................................................................... 669
18.3.4.
Флуоресцентная спектрометрия.................................................. 670
18.3.5.
Измерения при стационарной флуоресценции ............................... 672
18.3.6.
Флуориметрия с временным разрешением.................................... 674
18.3.7.
Флуоресценция тушения............................................................ 676
18.3.8.
Резонансный перенос энергии..................................................... 678
18.3.9.
Хемилюминесценция и биолюминесценция ................................... 679
18.3.10.
Электрохимически генерированная хемилюминесценция................ 680
18.3.11.
Рамановская спектрометрия ...................................................... 681
18.3.12.
Перспективный обзор................................................................ 682
18.4.
Схемы преобразования в спектрохимических сенсорах......................... 685
18.4.1.
Прямое преобразование ............................................................. 685
18.4.2.
Косвенное (конкурентно-связывающее) преобразование ................. 687
18.4.3.
Перспективный обзор................................................................ 688
18.5.
Волоконно-оптические сенсорные матрицы ........................................ 689
18.6.
Преобразование без меток в оптических сенсорах ............................... 690
18.6.1.
Поверхностная плазмонная резонансая спектрометрия .................. 690
18.6.2.
Интерферометрическое преобразование ....................................... 692
18.6.3.
Резонансное зеркало ................................................................. 695
18.6.4.
Резонансная волноводная решетка .............................................. 696
18.6.5.
Перспективный обзор................................................................ 697
18.7.
Преобразование фотонными приборами............................................. 697
18.7.1.
Оптические микрорезонаторы.................................................... 698
18.7.2.
Фотонные кристаллы ................................................................ 699
18.7.3.
Перспективный обзор................................................................ 702
Литература ............................................................................................ 702
Глава19
Оптические сенсоры применения.............................................. 707
19.1.
Оптические сенсоры на основе кислотно-щелочных индикаторов........... 707
19.1.1.
Оптические сенсоры pH ............................................................ 707
19.1.2.
Оптические сенсоры для кислотных и щелочных газов .................. 710
19.2.
Оптические ионные сенсоры ............................................................ 712
19.2.1.
Оптические ионные сенсоры прямого действия............................. 712
19.2.2.
Оптические ионные сенсоры косвенного действия ......................... 713
19.3.
Оптические кислородные сенсоры..................................................... 716
19.4.
Оптические ферментативные сенсоры ............................................... 718
19.4.1.
Принципы и конструкция .......................................................... 718
19.4.2.
Оптический мониторинг реагентов или продуктов реакции ............ 719
19.4.3.
Оптическое преобразование на основе коферментов ...................... 720
19.4.4.
Перспективный обзор................................................................ 721
19.5.
Оптические аффинные сенсоры........................................................ 722
19.5.1.
Оптические иммуносенсоры....................................................... 722
19.5.2.
Оптические сенсоры на основе биологических рецепторов .............. 723
19.5.3.
Перспективный обзор................................................................ 725
19.6.
Оптические ДНК-сенсоры и матрицы................................................ 726
19.6.1.
Флуоресцентное преобразование в нуклеиново-кислотных сенсорах . 726
18
Содержание
19.6.2.
Волоконно-оптические нуклеиново-кислотные сенсоры .................. 728
19.6.3.
Волоконно-оптические нуклеиново-кислотные матрицы ................. 731
19.6.4.
Оптические ДНК-микроматрицы................................................ 732
19.6.5.
Перспективный обзор................................................................ 733
Литература ............................................................................................ 734
Глава20
Применение наноматериалов в оптическом преобразовании 738
20.1.
Полупроводниковые нанокристаллы (квантовые точки) ....................... 738
20.1.1.
Квантовые точки: структура и свойства ...................................... 738
20.1.2.
Применение квантовых точек в химической сенсорике................... 741
20.1.3.
Перспективный обзор................................................................ 749
20.2.
Углеродные нанотрубки в качестве оптических меток.......................... 751
20.2.1.
Поглощение и испускание света углеродными нанотрубками........... 751
20.2.2.
Рамановское рассеяние в УНТ ................................................... 753
20.2.3.
Оптические сенсоры и матрицы на УНТ...................................... 754
20.2.4.
Перспективный обзор................................................................ 756
20.3.
Металлические наночастицы в оптической сенсорике .......................... 756
20.3.1.
Оптические свойства металлических наночастиц .......................... 756
20.3.2.
Оптическое обнаружение на основе металлических наночастиц....... 758
20.3.3.
Металлические наночастицы в оптической сенсорике .................... 761
20.4.
Пористый кремний ......................................................................... 763
20.5.
Люминесцентные наноматериалы лантаноидных соединений ................ 764
20.6.
Обобщение .................................................................................... 764
Литература ............................................................................................ 765
Глава21
Акустоволновые сенсоры.............................................................. 769
21.1.
Пьезоэлектрический эффект ............................................................ 770
21.2.
Толщинно-сдвиговые моды пьезоэлектрических резонаторов ................ 771
21.2.1.
Кварцевые микровесы............................................................... 771
21.2.2.
Невозмущенный резонатор ........................................................ 773
21.2.3.
ККМ, нагруженные жестким верхним слоем. Уравнение Зауербрея 775
21.2.4.
ККМ в контакте с жидкостями .................................................. 777
21.2.5.
ККМ в контакте с ньютоновской жидкостью................................ 778
21.2.6.
ККМ в контакте с вязкоупругой жидкостью ................................ 779
21.2.7.
Моделирование нагруженного ТСМ-резонатора............................ 780
21.2.8.
Кварцевые кристаллические микровесы с контролируемым рассеи-
ванием (ККМ-Р) ...................................................................... 788
21.2.9.
Эксплуатация ККМ-сенсоров ..................................................... 789
21.2.10.
Калибровка ККМ..................................................................... 790
21.2.11.
Перспективный обзор................................................................ 791
21.3.
Газовые и паровые сенсоры на основе ККМ....................................... 793
21.4.
Аффинные сенсоры на основе ККМ.................................................. 794
21.4.1.
Иммуносенсоры на основе ККМ................................................. 794
21.4.2.
Усиление в ККМ-иммуносенсорах............................................... 795
Содержание 19
21.4.3.
Обнаружение малых молекул с использованием естественных ре-
цепторов ................................................................................. 797
21.4.4.
ККМ-сенсоры на основе молекулярных печатных полимеров.......... 798
21.4.5.
ККМ-сенсоры на основе малых синтетических рецепторов ............. 800
21.4.6.
Перспективный обзор................................................................ 802
21.5.
ККМ-сенсоры нуклеиновых кислот ................................................... 802
21.5.1.
Сенсоры гибридизации.............................................................. 802
21.5.2.
Пьезоэлектрические аптасенсоры................................................ 804
21.5.3.
Перспективный обзор................................................................ 805
21.6.
Сенсоры на поверхностных акустических волнах ................................ 806
21.6.1.
Принципы ............................................................................... 806
21.6.2.
Поверхностная акустическая волна ............................................. 806
21.6.3.
Пластинчато-модовые ПАВ-приборы........................................... 808
21.6.4.
Газовые и паровые ПАВ-сенсоры................................................ 809
21.6.5.
Жидкофазная ПАВ-сенсорика ................................................... 812
21.6.6.
Перспективный обзор................................................................ 815
21.7.
Основная информация .................................................................... 816
Литература ............................................................................................ 817
Глава22
Микрокантилеверные сенсоры.................................................... 822
22.1.
Принципы микрокантилеверного преобразования................................ 822
22.1.1.
Микрокантилевер ..................................................................... 822
22.1.2.
Статическое деформационное преобразование .............................. 824
22.1.3.
Резонансно-модовое преобразование ............................................ 826
22.2.
Измерение отклонений кантилевера .................................................. 828
22.2.1.
Оптические измерения отклонения кантилевера ........................... 828
22.2.2.
Электрическое измерение кантилеверного отклонения ................... 829
22.3.
Функционализация микрокантилеверов ............................................. 830
22.4.
Микрокантилеверные газовые и паровые сенсоры ............................... 831
22.5.
Микрокантилеверные аффинные сенсоры .......................................... 832
22.5.1.
Общие положения .................................................................... 832
22.5.2.
Микрокантилеверные протеиновые сенсоры ................................. 833
22.5.3.
Микрокантилеверные патогенные сенсоры ................................... 833
22.5.4.
Микрокантилеверные аффинные сенсоры на основе других рецеп-
торов распознавания................................................................. 834
22.6.
Ферментный анализ микрокантилеверными сенсорами ........................ 835
22.7.
Микрокантилеверные сенсоры нуклеиновых кислот............................. 835
22.8.
Перспективный обзор...................................................................... 836
Литература ............................................................................................ 837
Глава23
Химические сенсоры на основе микроорганизмов живых клеток и тканей............................................................................... 840
23.1.
Биосенсоры на основе живых материалов: общие принципы................. 840
23.2.
Принципы обнаружения в сенсорах на основе живых материалов ......... 841
20
Содержание
23.2.1.
Биокаталитические сенсоры....................................................... 841
23.2.2.
Биосенсоры на основе внешних раздражителей ............................ 842
23.3.
Иммобилизация живых клеток и микроорганизмов ............................. 843
23.4.
Электрохимические микробные биосенсоры ....................................... 844
23.4.1.
Амперометрические микробные биосенсоры ................................. 845
23.4.2.
Потенциометрические микробные биосенсоры .............................. 848
23.4.3.
Кондуктометрические микробные сенсоры................................... 849
23.4.4.
Электрическое импедансное преобразование ................................ 850
23.5.
Оптические цельноклеточные сенсоры............................................... 851
23.5.1.
Оптические респираторные биосенсоры ....................................... 851
23.5.2.
Оптические сенсоры на основе внешних раздражителей................. 852
23.5.3.
Биорепортеры.......................................................................... 853
23.6.
Улучшение избирательности биосенсоров микроорганизмов.................. 854
23.7.
Заключение ................................................................................... 855
Литература ............................................................................................ 856
Список символов ............................................................................. 859
Предметный указатель.................................................................. 871
Введение научного редактора перевода
Интенсивное развитие научных областей биотехнологии, микроэлектроники и ин-
форматики естественным образом привело к их взаимодействию в направлении
создания биоэлектронных устройств, позволяющих расширить возможности челове-
ка как в познании свойств окружающей среды, элементом которой следует считать
собственно человека, так и в получении средств управления обобщенной средой.
В части технических средств в последнее время ускоренно развивается новое на-
правление, называемое микросистемотехникой, которое ориентировано на использо-
вание достижений микроэлектроники и пограничных явлений различных сред, пред-
ставляемых оптоэлектроникой, акустоэлектроникой, магнитоэлектроникой, крио-
электроникой, хемотроникой и биоэлектроникой. Парадигма микросистемотехники
состоит в обнаружении и измерении заданного свойства физической, химической
или биологической среды, преобразовании полученной характеристики в электрон-
ное представление, обработке его средствами вычислительной техники с целью на-
правленного управления средой. Очевидно, что процедура метода микросистемо-
техники начинается с сенсорики состояния среды. В настоящее время достаточно
полно освоена не только разработка физических сенсоров, но и созданы системы
управления физическими средами, поскольку такая задача наиболее актуальна в
промышленном, транспортном и экологическом применении. Наиболее перспек-
тивными по технологическим, конструктивным, электрическим и климатическим
требованиям представляются сенсоры на основе акустоэлектронного эффекта
поверхностных акустических волн (ПАВ), с использованием которого созданы и про-
мышленно выпускаются ПАВ-сенсоры таких характеристик физических сред как
давление (жидкостей и газов), температура, деформация, механическое напряже-
ние, сила, перемещение, скорость, ускорение. Использование ПАВ-сенсоров пара-
метров физических сред позволило разработать системы управления стабилизацией
летательных аппаратов (ПАВ-гироскопы), подачи водяного потока на гидротурбины
большой мощности, управления работой высоковольтных энергетических установок,
обеспечения конструкционной безопасности промышленных и гражданских строи-
тельных сооружений и др.
Что же касается химических и биологических сред, то в этом направлении науч-
ный прогресс, преимущественно, ориентирован на исследовательские и аналитиче-
ские цели. Соответственно химическая и биологическая сенсорика, обогатившаяся
достаточным объемом методов и средств получения информации о состоянии сред,
объективно потребовала обобщения и осмысления накопленного опыта с целью выде-
ления наиболее перспективных направлений для промышленного освоения как соб-
ственно сенсоров, так и систем на их основе, среди которых первоочередными пред-
ставляются устройства искусственного носа и языка, естественно, в электронном
исполнении. И если последние устройства выполняют функцию селективного обна-
ружения заданных веществ и их композиций в выборке, то на основе химических
сенсоров, создающих выходной сигнал, пропорциональный концентрации целевого
вещества, возможна реализация систем управления средой. В дополнение актуаль-
ной стала еще одна задача: для борьбы с террористическими проявлениями необ-
ходимо создание технических средств, которые позволят с высокой достоверностью
обнаруживать опасные химические, биологические, взрывчатые и наркотические ве-
щества в сверхмалых концентрациях, а системы на их основе создадут возможность
локализации и обезвреживания носителей или источников опасных веществ.
22 Введение научного редактора перевода
Вышеназванные побудительные мотивы определили актуальность появления пред-
ставляемой российскому научно-техническому сообществу книги проф. Ф-Г Баника
"Химические и биологические сенсоры".
В книге достаточно полно представлена теория функционирования химических
и биологических сенсоров различных типов: ферментативных, иммунных, термохи-
мических, потенциометрических, полупроводниковых (химических), хемирезистив-
ных, амперометрических, электрохимических (аффинных и нуклеино-кислотных),
импедометрических, оптических (включая Рамановскую спектрометрию) и акусто-
волновых. Особое внимание уделено практическому аспекту проектирования и про-
изводства химических и биологических сенсоров применению элементов микро-
электронной технологии, методов золь-гель химии, нековалентной иммобилизации
и ковалентного сопряжения, инкапсуляции, а также самых передовых материалов:
естественных и синтетических полимеров, металлических наноматериалов, углерод-
ных и кремниевых нанотрубок, полимерных и неорганических волокон, магнитных
микро- и наночастиц, халькогенидных стекол, пористого кремния и люминисцент-
ных наноматериалов лантаноидных соединений. Рассмотренные технологии произ-
водства и используемые материалы подвергаются сравнительному анализу, ориен-
тированному на достижение конкурентных рыночных преимуществ.
Для оценки качества сенсора в целом предлагаются такие характеристики, как
надежность измерений, селективность, чувствительность (предел обнаружения), спо-
собность определения количества целевого вещества, интерференционная устойчи-
вость к воздействию сопутствующих веществ (специфика или помехоустойчивость),
динамический диапазон, разрешающая способность и время формирования ответ-
ного сигнала.
Достаточно большой объем книги посвящен методам преобразования химических
и биологических сред в электронный сигнал, то есть одному из начальных и суще-
ственному этапу в последовательности реализации функции сенсора. Среди методов
электрохимического преобразования рассматриваются: хроноамперометрия при по-
стоянном токе полярография, вольтамперометрии с линейным сканированием, цик-
лическая, импульсная, и прямоугольно-волновая разновидности вольтамперометрия
при постоянном токе, вольтамперометрия при переменном токе. Для сенсоров на ос-
нове электрического импеданса рассмотрены методы: электрохимической импеданс-
ной спектрометрии, электрохимического импедансного преобразования в аффинных
сенсорах, кондуктометрического преобразования в том числе хеморезистивными
материалами. В оптических сенсорах анализируются спектрохимичееские методы
преобразования на основе эффектов поглощения света, диффузной отражатель-
ной спектрометрии, люминисценции, флуоресцентной спектроскопии, резонансного
переноса энергии и Рамановской спектрометрии. Показано, что для целей хемооп-
тического преобразованя могут быть использованы некоторые физические приборы:
резонансное зеркало, резонансная волноводная решетка, оптические микрорезона-
торы и фотонные кристаллы.
В акустоэлектронных сенсорах результат хемотронного преобразования, как пра-
вило, отображается в измененнии частоты поверхностной акустической волны, тогда
как в случае вольтамперометрических, импедансных, кондуктометрических методов
электрохимического преобразования результат измерения состояния среды выража-
ется в микро- и наноамперах или микровольтах, поэтому электронная обработка сиг-
налов столь малых значений требует более сложного оборудования, чем определение
частоты акустической волны, и в этом отношении ориентация на акустоэлектронные
методы преобразования представляется весьма перспективной.
И, наконец, в микрокантилеверных сенсорах процедура преобразования завер-
шается измерением либо изменения частоты резонансных колебаний микроканти-
левера, либо отклонения кантилевера за счет нагрузки массой, причем последнее
измерение производится оптическими методами, свободными от влияния электро-
магнитных помех.
Следует заметить, что последние два типа сенсоров в основе используют тех-
нологии, достаточно хорошо освоенные микросистемотехникой для получения ин-
формации о состоянии физических сред. Поэтому такое обстоятельство позволяет
полагать, что это взаимодействие создает перспективу расширения применения ме-
тодов микросистемотехники на управление химическими и биологическими средами.
Сложившаяся тенденция определила актуальность публикации книги на русском
языке.
Первоначально предполагалось издать русскоязычный вариант книги в 2013 го-
ду, однако, проф. Ф.-Г. Баника, получив информацию о планах издателя РИЦ
"ТЕХНОСФЕРА" сделал предложение опубликовать в России сразу 2-е, исправ-
ленное и дополненное издание книги, которое в настоящее время подготавливается
издательством John Wiley & Sons, Ltd на английском языке для выпуска в 2016
году. По согласованию с обладателем прав на издание книги настоящий текст
представляет собой 2-е издание, которое будет полезным для разработчиков микро-
системотехнических устройств, а также преподавателям, аспирантам и студентам,
специализирующимся в областях сенсорики, в том числе интеллектуальных сенсор-
ных систем.
Научный редактор перевода приносит благодарность переводчику книги к.т.н.,
доц. И.М. Лазеру за плодотворную дискуссию относительно возможностей и пер-
спектив взаимодействия технологий микросистемотехники и химикобиологической
сенсорики с целью создания систем управления химическими и биологическими
средами. Также следует выразить признательность директору книгоиздательских
программ РИЦ "ТЕХНОСФЕРА" С.А. Орлову за конструктивность проведения
переговоров с издательством John Wiley & Sons, Ltd, результатом которых было
получение прав на перевод и выпуск книги сразу во 2-м издании.
Научный редактор перевода
д.т.н., проф. В.А. Шубарев
Введение к русскому изданию
Было приятным сюрпризом узнать в начале 2013 года, что русская версия этой
книги будет опубликована издательством "Техносфера" в Москве. Без сомнения,
для любого автора прямой доступ русскоговорящей аудитории ученых к его работе
является удовлетворением и вознаграждением за его усилия.
Развитие химических сенсоров было вызвано ростом спроса на недорогие устрой-
ства, которые могли бы обеспечить аналитическую информацию в режиме реаль-
ного масштаба времени для различных применений, таких как контроль промыш-
ленных процессов, тестирование загрязнения окружающей среды на месте выпол-
нения анализа, а также проведениение децентрализованных клинических анализов.
В соответствии с международной тенденцией, различные научно-исследовательские
группы в России вовлекаются в работу в области химической сенсорики. Следова-
тельно, в этом контексте может представлять интерес краткое освещение основных
элементов вклада российских ученых в развитие и прогресс науки и технологии
химической сенсорики.
Первым видом химических сенсоров, которые возбудили широкий интерес в при-
менении для рутинного химического анализа, были потенциометрические ионные
сенсоры. Эта тенденция находит свое отражение и в работе различных исследова-
тельских групп на территории бывшего СССР и нынешней Российской Федерации.
Начнем с вклада, связанного с кафедрой радиохимии Санкт-Петербургского госу-
дарственного университета. Широко известен и оценен результат проф. Ю.Г. Власо-
ва в области прогресса ионных сенсоров на основе халькогенидного стекла, начиная
от одночного сенсора и далее к сенсорным матрицам для создания искусственно-
го языка. Проф. К.Н. Михельсон и его коллеги (СПбГУ) активно работают в
области создания ионно-селективных электродов с непосредственным контактом,
разработки новых полимерных материалов для ионно-селективных мембран и ма-
тематического моделирования процесса распознавания ионов ионофором на основе
ионно-чувствительных мембран. В Московском государственном университете им.
М.В. Ломоносова, химический факультет, доц. Н.В. Шведене и ее группа решили
несколько аспектов в области ионно-селективных электродов, таких как развитие
потенциометрических сенсоров для органических ионов и применение ионных жид-
костей и фталоцианинов в качестве компонентов ионно-селективных мембран.
Исследования в области биосенсоров в России были начаты (насколько мне из-
вестно) в Институте физической химии и электрохимии (Российская академия наук,
Москва) в работах д.х.н. В.А. Богдановской и проф. М.Р. Тарасевича по электрохи-
мии окислительно-восстановительных ферментов и развития ферментных электро-
химических сенсоров.
Одновременно следует упомянуть группу кафедры химии Казанского государ-
ственного университета в лице проф. Г.А. Евтюгина и проф. Г.К. Будникова,
которые сделали свой вклад в области химических сенсоров для органических за-
грязнителей на основе ингибирования ферментов. Совсем недавно, эта группа при-
близилась к применению наноматериалов, биомиметических материалов и микро-
организмов в химической сенсорике.
Особого упоминания заслуживает работа проф. А.Н. Решетилова и его группы из
Института биохимии и физиологии микроорганизмов им Г.К. Скрябина (РАН). Этот
коллектив специализируется на использовании микроорганизмов и целых клеток как
чувствительных элементов в химических сенсорах.
К использованию химических сенсоров в качестве исследовательских инстру-
ментов в биомедицинских исследованиях с особым упором на биохимию протеинов
подошла группа в НИИ биомедицинской химии им В.Н. Ореховича (РАМН) в том
числе академик А.И. Арчаков, д.б.н. Ю.Д. Иванов, к.б.н. O.В Гнеденко и др.
В Институте биохимии им А.Н. Баха (РАН), д.х.н. С.В.Шлеев и проф. А.И. Яро-
полов в сотрудничестве с исследовательскими группами из других стран сделали су-
щественный вклад в продвижение химических сенсоров на основе медьсодержащих
ферментов и конструкции электрохимических сенсоров на основе прямого переноса
электрона между ферментом окислительно-восстановительного центра и электродом.
Область газовых сенсоров хорошо представлена группой д.х.н. М.Н. Румянце-
вой кафедры неорганической химии МГУ им. М.В. Ломоносова. Основная сфера
интересов этой группы ориентирована на резистивные газовые сенсороы на осно-
ве полупроводниковых оксидов металлов. В последнее время работы этой группы
сосредоточены на наноструктурированных материалах для газовой сенсорики.
Часто говорят, что современный мир превращается в большую деревню. Среди
многих других коннотаций, это заявление указывает также на мобильность че-
ловеческих ресурсов, причем ученые являются одной из самых мобильных кате-
горий. Российскому читателю должно быть интересно узнать о некоторых уче-
ных, воспитанных в Российской Федерации или на территории бывшего СССР,
которые дальнейшее успешное развитие исследований в области химической сен-
сорики продолжили за рубежом. Это далеко не исчерпывающий переченнь, но
следует упомянуть следующие персоналии: проф. Е. Кац (Clarkson University,
USA, интересы- биоэлектроника, биовычисления и наноматериалы как основа био-
сенсоров); В.М. Мирский (Бранденбургский технический университет, Германия,
интересы - проводящие полимеры, сенсорные микроматрицы, молекулярными пе-
чатные полимеры; поверхностно-плазмонные резонансные сенсоры); Г. Коротченков
(Кванджу, институт науки и технологии, Южная Коре, интересы газовые сен-
соры на основе металло-оксидных полупроводников); Р.А. Потырайло, (GE Global
Research, Niskayuna, USA, интересы - оптические сенсоры, микроаналитические при-
боры, и комбинаторное материаловедение); С.М. Борисов (Грац, технологический
университет, Австрия, интересы сенсоры на основе оптической флуоресценции)
Заслуживающим упоминания является вклад А.К. Гейма и К.С. Новоселова (Ман-
честерский университет, Великобритания), которые удостоены Нобелевской премии
по физике в 2010 году "за новаторские эксперименты, касающиеся двумерного ма-
териала графена". Среди других выдающихся результатов, группа во главе с этими
учеными продемонстрировала замечательные свойства графена в качестве газового
чувствительного материала.
По понятным причинам, указанный обзор является далеко не исчерпывающим.
Читателя, интересующегося более широкой перспективой упоминания серии недав-
них публикаций, посвященных достижению российских исследовательских групп в
области химических сенсоров, следует адресовать к следующим работам: по ионо-
селективным электродам [1], биосенсорам в общем аспекте [2], применениям биосен-
соров в мониторинге окружающей среды и биотехнологии [3], а также применению
наноматериалов в разработке химических сенсоров [4].
Флоринель-Габриель Баника
Литература
1. Mikhelson, K.N. (2012) Development of ion-selective electrodes in Russia in 1991-
2010, J. Anal. Chem. 67, 1-5.
2. Evtyugin, G.A. (2011) Biosensors in Russia: Twenty Years of Research, J. Anal.
Chem. 66, 1029-1034.
3. Reshetilov, A.N. (2005)Microbial, enzymatic, and immune biosensors for ecological
monitoring and control of biotechnological processes, Appl. Biochem. Microbiol.
41, 442-449.
4. Reshetilov, A.N., and Bezborodov, A.M. (2008) Nanobiotechnology and biosensor
research, Appl. Biochem. Microbiol. 44, 1-5.
Посвящается Анне и Ирине
Благодарности
Во-первых, я хотел бы поблагодарить профессора Арнольда Фогга, который любез-
но согласился лингвистически отредактировать начальный текст. Ответственность
за окончательный вариант, тем не менее, лежит на авторе и редакторах публика-
ции. Кроме того, я хотел бы принести благодарность коллегам из Норвежского
университета науки и технологии Тронхейма, Норвегия, за великодушную помощь,
выразившуюся в прочтении некоторых глав книги и формулировании ценных ком-
ментариев и предложений. Этими коллегами являются: профессор Торбьерн Ленес,
профессор Дэвид Г. Николсон и профессор Кэйлб Рази Нэкви. Я также благодарю
доктора Александру Опреа (университет Tюбинген, Германия) и доктора Мэриан
Флореску (университет Суррея, Великобритания) за аналогичную помощь.
Наконец, я особо благодарен всем тем ученым, которые способствовали прогрес-
су науки о химических сенсорах и соответствующей технологии, что и позволило
написать эту книгу. Многие из этих ученых процитированы в книге, но вследствие
объемных ограничений некоторая часть результатов в этой области не могла быть
включена в текст или процитирована.
Введение
Маршал МакЛюэн предположил, что СМИ в самом общем значении этого понятия
действуют как расширения функций человеческого сообщества [1]. Таким же об-
разом, как микрофон может рассматриваться в качестве расширения функций уха,
химические сенсоры представляются расширением органов химического восприя-
тия, реализуемого носом и языком.
Разработка химических сенсоров является реакцией на растущие требования
к химической информации, которой характеризуются различные сферы познания.
Одним из таких направлений может быть человеческое тело, психологическое со-
стояние которого однозначно оценивается физическими, химическими и биохимиче-
скими параметрами. Качество атмосферы и окружающей среды характеризуются
содержанием вредных химических ингридиентов. Не менее важно автоматически
управлять различными промышленными процессами, которые зависят от опреде-
ленных химических параметров.
В общем случае стандартные аналитические методы (например хроматография,
спектрометрия и электрофорез) могут обеспечить тот же самый вид информации,
как и химические сенсоры. Преимущество достижения результата на основе химиче-
ского сенсора состоит в том, что они специализированы, имеют небольшой размер,
портативны и недороги, а также представляют собой приборы, которые подходят
для анализа в полевых условиях и контроля химических параметров в реальном мас-
штабе времени. Достойна упоминания также способность специальных химических
сенсоров идентифицировать патогенные микроорганизмы и вирусы через характер-
ные составы, которые являются частями структуры целевых веществ.
"Там, внизу, полно места", сказал Ричард Фейнман в оригинальной лекции
в 1959 году, в которой предвосхищалось появление нанотехнологии. Это предложе-
ние можно перефразировать следующим образом: "Есть много новых возможностей
в основании", что хорошо применимо к разработке химических сенсоров. Действи-
тельно, самая важная тенденция в этой области состоит в применении наноматери-
алов, равно как в замене классических материалов и реактивов или во внедрении
абсолютно новых методов сенсорики и преобразования. Особо важной является
совместимость размеров наноматериалов с молекулами биополимера, что позволяет
производить бионанокомпозиты с многообещающим потенциалом для применения
в проектировании химических сенсоров. Новые технологии производства, осно-
ванные главным образом на микроэлектронике и нанотехнологии, как ожидается,
приведут к увеличению степени интеграции в химических сенсорных матрицах,
что позволит усовершенствовать производство и применение искусственных устрой-
ств носа/языка. Интеграция химических сенсоров с микрожидкостными система-
ми другая многообещающая тенденция, поскольку такие структуры позволяют
использовать чрезвычайно маленькие объемы выборки для автоматической обра-
ботки и анализа.
Регулярно издаются новые книги по химическим сенсорам, но большинство из
них представляют собой сборные тома, специализирующиеся на некоторых особых
видах химических сенсоров и их специальных применениях. Всесторонний обзор
химических сенсоров в одной-единственной книге необходим по двум причинам. Во-
первых, такая книга служила бы полезным учебным пособием для использования
в курсах, раскрывающих предмет химических сенсоров. Во-вторых, всестороннее
введение в эту область для ученых и инженеров, плохо знакомых с таким предметом,
было бы определенным достижением. В настоящее время существует серия изданий,
которые предназначены для достижения вышеупомянутых целей. Однако в связи
с интенсивным прогрессом в области сенсорики появление новой книги, в которой
раскрываются последние достижения, всегда приветствуется.
Разработка химического сенсора очень часто связана с синтезом и обработкой
материалов. Синтетические материалы (как неорганические, так и органические),
материалы биологического происхождения (белки, нуклеиновые кислоты, микроор-
ганизмы и живые клетки), так же как и биомиметические синтетические материалы,
широко используются в разработке химических сенсоров и в равной степени важ-
ности в технологии производства, потому что заключительная цель в исследовании
химических сенсоров это производство рыночного продукта. Именно поэтому
первые восемь глав в этом тексте посвящены главным видам материалов, использу-
емым в разработках химических сенсоров, так же как и типовым технологическим
процессам, созданным для производства химических сенсоров.
Следующие четырнадцать глав представляют различные классы химических сен-
соров, сгруппированных согласно методам преобразования. Последняя глава посвя-
щена химическим сенсорам, основанным на высокоорганизованном биологическом
материале, таком как микроорганизмы и живые клетки.
Эта книга была создана главным образом в качестве руководства в области хими-
ческих сенсоров с особым акцентом на балансе классических основ с современными
тенденциями. Очевидно, что, следуя содержанию этой области, книга не позволяет
составить обычный курс лекций. Однако преподаватель может выбрать темы, ко-
торые соответствуют уровню аудитории и интересу обучающихся студентов. Кроме
того, учебный план может быть персонифицированным, побуждая каждого студен-
та более глубоко исследовать определенные темы. В дополнение можно сравнить
изучение химических сенсоров с просветительской экскурсией по различным науч-
ным и технологическим областям, которая способствует существенному развитию
научных знаний студента.
Эта книга будет полезна для любого ученого, который нуждается во введении
в научную область химических сенсоров и их технологий. Поскольку химическая
сенсорика представляет собой междисциплинарную область, эта книга будет инте-
ресна инженерам, химикам, биохимикам, микробиологам и физикам, проводящим
исследовательскую работу в области химических сенсоров.
Ничто сделанное человечеством не может быть совершенным, но, по крайней
мере, оно должно быть совершенствуемо. Следовательно, любой критический ком-
ментарий или предложение приветствуется.
1. McLuhan, M. (2003). Understanding Media: The Extensions of Man, Gingko
Press, Corte Madera, Calif.
ГЛАВА 1
Что такое химические сенсоры?
1.1. Химические сенсоры: определение и компонентыОпределение электрохимических биосенсоров, данное в [1], может быть легко адап-
тировано, чтобы получить общее определение химического сенсора следующим об-
разом. Химический сенсор является автономным устройством, которое создает
информацию с определенной селективностью относительно конкретных химических
веществ (аналитов), присутствующих в выборках, производя измеримый выходной
сигнал, который коррелируется с концентрацией аналита1. Помимо химических
веществ могут быть обнаружены микроорганизмы и вирусы посредством опреде-
ленных биосоставов, таких как нуклеиновая кислота или мембранные компоненты.
В противоположность этому физический сенсор представляет собой устройство, ко-
торое создает величину конкретных физических параметров, таких как сила, дав-
ление, температура, скорость и многих других.
Первый (и также самый известный) химический сенсор это стеклянный элек-
трод для определения pH-фактора, который указывает на активность водородного
иона в растворе.
При функционировании химический сенсор выполняет две функции распо-
знавание и преобразование, которые качественно иллюстрируются на рис. 1.1. Во-
первых, аналит взаимодействует более или менее селективным способом с распо-
знающим (или сенсорным) элементом, который проявляет общность с аналитом.
Сенсорный элемент может быть составлен из однозначных молекулярных структур,
называемых рецепторами распознавания. Альтернативно элемент распознавания
может быть материалом, который включает в состав его композиции бесспорные
распознающие части. Более того, элемент распознавания может быть сформирован
из материала, не имеющего распознающей части, но способного к взаимодействию
с аналитом.
В химическом сенсоре распознающая и преобразующая функции объединены
в том же самом устройстве. Аналитическая структура, не содержащая функции
распознавания, не является химическим сенсором, но представляет собой типичный
преобразователь.
Биосенсоры это химические сенсоры, в которых система распознавания осно-
вана на биохимических или биологических механизмах. Следует напомнить о том
факте, что синтетические, биомиметические материалы, которые выступают ана-
логами материалов биологического происхождения, были созданы и использованы
в элементах распознавания.
В результате взаимодействия аналита с чувствительным элементом определен-
ные физические или химические свойства чувствительного элемента изменяются
как функция концентрации аналита. Чтобы позволить пользователю оценить это
изменение, химический сенсор преобразовывает вышеупомянутое изменение в изме-
ряемое физическое количество. Этот процесс называют преобразованием сигнала
(или просто преобразованием) или сигнализацией. Устройство, которое переводит
информацию из одной системы (например химической) в другую (например физи-
ческую), называют преобразователем [2].
Чувствительный элемент и преобразователь могут быть различными компонен-
тами, размещенными вместе, в прямом пространственном контакте, в одной и той
же конструктивной единице. В некоторых типах химических сенсоров возможно
отсутствие физических различий между чувствительным элементом и преобразова-
телем. Несмотря на это, различия между распознаванием и преобразованием как
отдельными функциями в действительности существуют, как и соответствующие им
физические или химические процессы.
Понятие молекулярного сенсора часто появляется в литературе. Молекулярный
сенсор это молекула, содержащая две отличные части. Одна из них в состоянии
связать аналит (например ион) селективным образом, в то время как вторая часть
изменяет некоторые физико-химические свойства (например поглощение света или
эмиссию) в ответ на закрепление аналита [3]. Поэтому распознавание и передача
сигналов выполняются той же самой молекулой и такие соединения также относятся
к хемосенсорам.
По аналогии с молекулярными сенсорами было принято понятие наносенсора,
описывающее субмикроскопическую гибридную композицию, включающую наноча-
стицы и молекулярные элементы, реализующие как распознавание, так и функцию
передачи сигналов.
Молекулярные сенсоры и наносенсоры в смысле вышеупомянутого определе-
ния не являются химическими сенсорами, потому что отсутствует преобразователь.
Скорее такие разновидности можно рассматривать как продвинутые аналитические
реактивы. Несмотря на это, молекулярные сенсоры и наносенсоры могут в принципе
использоваться, чтобы реализовать полный сенсор в интеграции с преобразователь-
ным устройством.
1.2. Методы распознования
1.2.1. Общие аспекты
Несмотря на то, что в химических сенсорах используется широкое разнообразие
методов распознавания, обобщенное описание этого процесса едва ли достижимо.
Детали различных методов распознавания даны в соответствующих главах. Здесь
представлено только итоговое приближение к этой теме.
Ряд процессов распознавания происходит согласно следующей реактивной схеме,
в которой A аналит, R рецептор распознавания (включенный в чувствительный
элемент) и P продукт взаимодействия системы аналит–рецептор:
A
выборка
+ R
чувствительный
элемент
⇄ P. (1.1)
Двойная стрелка обозначает, что процесс распознавания является обратимым
при равновесной реакции. Реверсивность процесса распознавания является резуль-
татом того, что продукт P вовлекает нековалентные химические связи, такие как
ионные, водородные и связи взаимодействия Ван-дер-Ваальса. Процесс распозна-
вания может быть охарактеризован его константой равновесия KA, которая опреде-
ляется как
KA =
cP
cAcR
, (1.2)
где символы c представляют концентрации веществ, обозначенных индексами. Эта
константа равновесия указывает на аффинность1 рецептора распознавания и ана-
лита. Большая аффинность приводит к высокому значению константы равновесия.
Если реакция сенсора будет зависеть от концентрации продукта, то сигнал будет
зависеть от концентрации аналита в образце (выборке).
Существенной характеристикой процесса распознавания является его селектив-
ность, которая состоит в способности сенсора обладать избирательностью к анали-
ту, а не к другому веществу B, также присутствующему в выборке и действующему
как помеха (интерферент)2. Взаимодействие рецептор–интерферент может быть
представлено следующим образом:
B + R ⇄ Q. (1.3)
Аффинность рецептора с веществом B обозначена следующей константой равно-
весия:
KB =
cQ
cBcR
. (1.4)
Селективность сенсора аналита определена в общем виде отношением вышеупо-
мянутых констант равновесия, и хорошая селективность получается, если KA/KB ≫ 1.
Более характерные определения селективности даны в главах, посвященных особым
классам химических сенсоров.
Важно отметить, что некоторые методы распознавания не позволяют получить
хороший результат, как показано в схеме (1.1). В таких случаях взаимодействие
аналита с чувствительным элементом имеет физическую природу, такую как газо-
вая сорбция на твердом теле без химической реакции. Тогда управление процессом
распознавания может быть выполнено измерением физических свойств чувствитель-
ного элемента, которые зависят от концентрации аналита в выборке.
Следующие разделы представляют в краткой форме некоторые общие методы
распознавания, использующиеся в химических сенсорах.
1.2.2. Ионное распознавание
Первым типом химических сенсоров, которые были разработаны и производились в
крупносерийном масштабе, были ионные сенсоры. Среди них стеклянный электрод
pH-фактора стал первым широко используемым ионным сенсором. Основанием для
этого явилась новаторская работа Ф. Хабера и З. Клеменсиевича (1908), а результат
стал коммерчески доступным к 1936 г. наряду с pH-метром Бекмана. В дальнейшем
были созданы сенсоры для других ионов (катионов или анионов).
Электрический заряд, который является отличительным свойством ионов, под-
ходит для ионного распознавания. Поэтому ионное распознавание может быть
выполнено различными материалами и реактивами, у которых имеется электри-
ческий заряд, противоположный заряду иона аналита.
Селективность электростатического ионного распознавания является результа-
том дополнительных свойств чувствительных материалов, таких как размер элемен-
та ионного рецептора, или некоторой особенности взаимодействия аналит–рецептор,
такой как частичный ковалентный характер связи системы аналит–рецептор.
Первоначально ионные сенсоры были созданы на твердотельных материалах,
таких как стекло или кристаллические структуры, включая элементы селективно-
го распознавания. В 1967–1968 годах появились молекулярные ионные рецепто-
ры, в качестве которых могут выступать ионы гидрофобной органики, встроенные
в гидрофобную полимерную мембрану. Как и ожидалось, этот подход приводит
к умеренному результату в отношении селективности. Превосходная селективность
была получена при помощи нейтральных ионных рецепторов, которые взаимодей-
ствуют с ионами аналита через множество поляризованных атомов, включенных
в их структуру.
Преобразование в ионных сенсорах может быть выполнено главным образом
посредством воздействия заряда иона на свойства ионно-распознающего элемента.
Соответственно преобразование в ионных сенсорах выполняется потенциометриче-
скими или оптическими методами.
1.2.3. Распознавание аффинным взаимодействием
Распознавание через аффинность вовлекает обратимые многократные связи двух
химических веществ через нековалентные связи, такие как ионные, водородные
и связи взаимодействия Ван-дер-Ваальса. Результат аффинного взаимодействия
выражается в молекулярном ассоциативном комплексе. Для того чтобы такой ком-
плекс сформировался, вовлеченные вещества должны быть комплементарны для
создания химической реактивности. Например, если одно вещество содержит по-
ложительно поляризованный водородный атом, то во втором должен быть элек-
тронно-донорный атом, размещенный таким образом, чтобы он был в состоянии
сформировать водородную связь в комплексе. Сила комплекса характеризуется его
константой стабильности, которая подобна константе равновесия в уравнении (1.2).
Вследствие разнообразия химических соединений ассоциативные комплексы этого
типа могут быть очень устойчивыми.
Аффинные взаимодействия весьма характерны для биологических систем. При-
мер такого вида представлен белками лектинового типа, которые распознают угле-
воды и формируют ассоциативные комплексы в таких составах.
Общий тип аффинного взаимодействия представлен структурой антиген–анти-
тело. Антитела, являющиеся гликопротеинами, производятся иммунной системой,
чтобы идентифицировать и нейтрализовать патогенные микроорганизмы, такие как
бактерии и вирусы. Часть болезнетворного микроорганизма, которая взаимодей-
ствует с определенным антителом, называют антигеном. Взаимодействие антиген–
антитело является иммунохимической реакцией. Антитела могут быть извлечены из
крови животных с привитым антигеном, но их также можно получить из клеточных
культур.
В клинической лаборатории иммунохимические реакции используются в диагно-
стических целях. С помощью определенных антител в качестве рецепторов рас-
познавания могут быть идентифицированы болезнетворные микроорганизмы. Ин-
версным образом, используя рецептор антигена, может быть идентифицировано
определенное антитело, что позволяет осуществить диагностику возможного зара-
жения специфическим болезнетворным микроорганизмом. Помимо обнаружения
болезнетворного микроорганизма или антитела, последние используются, чтобы рас-
познавать различные молекулы белка. Маленькие органические молекулы как та-
ковые не производят иммунной реакции. Однако антитело с маленькой молекулой,
произведенное организмом с привитым составом, формирует эту молекулу прило-
женной к белку. Таким образом, антитела, специфичные для некоторых маленьких
молекул, могут быть получены и использованы в аналитических целях.
Некоторые синтетические материалы подражают поведению аффинных реаген-
тов биологического происхождения. Сначала в этом отношении должны быть упо-
мянуты полимеры, отпечатанные на молекулярном уровне, которые представляют
собой материалы, содержащие впадины с размером и формой, соответствующи-
ми молекуле аналита. Кроме того, впадина включает функциональные группы,
которые могут обратимо связаться с аналитом. Другой класс синтетических аф-
финных рецепторов аптамеры нуклеиновых кислот, являющиеся синтетическими
молекулами нуклеиновой кислоты, созданные таким образом, чтобы сформировать
сильную ассоциативность с маленькими молекулами или белками.
Все вышеупомянутые методы аффинного распознавания нашли применение в раз-
работке химических сенсоров для широкого диапазона целевых веществ, включая
патогенные микроорганизмы, белки и органические молекулы.
1.2.4. Распознавание нуклеиновых кислот
В живых организмах нуклеиновые кислоты функционируют как средство обеспече-
ния хранения и передачи генетической информации. Вообще хранение генетической
информации выполняется дезоксирибонуклеиновыми кислотами (ДНК), в то время
как передача информации в пределах клетки осуществляется рибонуклеиновыми
кислотами (РНК).
Нуклеиновые кислоты состоят из полимерной основы, в которую встроены нук-
леиновые основания. В составах ДНК существуют четыре нуклеиновых основания,
а именно аденин (A), цитозин (C), гуанин (G) и тимин (T). В РНК тимин заме-
няется урацилом (U). Последовательность трех нуклеиновых оснований кодирует
аминокислоту, а последовательность троек нуклеиновых оснований кодирует основ-
ную структуру белка.
Существенно, что водородные связи могут сформироваться только между двумя
различными парами нуклеиновых оснований, которые представляются последова-
тельностями G-C и A-T в ДНК (или A-U в РНК). Это позволяет двум комплемен-
тарным нуклеиновым кислотам формировать двойной спиральный ассоциативный
комплекс, причем такой процесс называется репликацией и представляет собой осо-
бый вид аффинного взаимодействия, вовлекающего только водород, связывающий
точно определенные пары нуклеиновых оснований.
Репликация нуклеиновой кислоты является основой процесса распознавания в сен-
сорах на базе нуклеиновой кислоты. Короткая нуклеиновая кислота формирует
рецептор (обычно называемый захватывающим зондом), который в состоянии опо-
знавать посредством репликации особенности последовательности нуклеиновой кис-
лоты аналита.
Испытания нуклеиновой кислоты представляют интерес для клинического ди-
агноза в целях обнаружения генетических аномалий, а также в идентификации
патогенных микроорганизмов. В судебной медицине анализ ДНК помогает иден-
тифицировать людей по их особым профилям ДНК.
1.2.5. Распознавание ферментами
Ферменты это такие соединения белка, которые функционируют как катализа-
торы в некоторых химических реакциях, происходящих в живых системах. Состав,
преобразованный каталитическим действием фермента, называют ферментным суб-
стратом (основанием). Каталитические свойства фермента являются селективны-
ми в отношении некоторого особого основания или особой функциональной группы
в классе составов.
Большинство химических сенсоров реализуют процессы распознавания на основе
равновесности, как обозначено на схеме (1.1). Напротив, распознавание фермента-
ми это динамический процесс, в который включены три главных шага: во-первых,
целевой состав (основание) связан с активной частью фермента для формирования
комплекса фермент–основание в процессе, подобном тому, который соответствует
схеме (1.1). Далее связанное основание подвергается химическому преобразованию,
возможно, с участием другого реагента-соучастника. Наконец, продукты выделены
и активная часть фермента возвращается к его начальному состоянию. Эта после-
довательность повторяется с другой молекулой основания до тех пор, пока все еще
доступны основание и реагент-соучастник.
Многие ферменты сохраняют свою каталитическую активность после изоляции
от биологического материала и могут быть внедрены как агенты распознавания
в чувствительный элемент сенсора. Преобразование в ферментативных сенсорах
может быть достигнуто посредством измерения установившейся концентрации про-
дукта или реагента-соучастника, вовлеченного в ферментативный процесс.
Существует несколько возможных применений ферментов в химической сенсори-
ке. Во-первых, ферментативные сенсоры могут быть разработаны в целях определения
основания. Во-вторых, ферментативные сенсоры могут быть использованы для
определения ингибиторов, которые являются химическими разновидностями, ока-
зывающими влияние на деятельность фермента. В-третьих, ферменты могут ис-
пользовать метки преобразования в сенсорах, основанных на аффинном распозна-
вании. В этом случае соединение, участвующее в ферментативной реакции, служит
индикатором для меченого вещества. Следовательно, ферменты играют централь-
ную роль в структуре науки химических сенсоров.
1.2.6. Распознавание клетками и тканями
биологического происхождения
Как показано выше, ферменты создают важный класс рецепторов распознавания,
используемых в химических сенсорах. Хотя первоначально использовались отдель-
ные ферменты, вскоре стало понятно, что ферменты соединяются в биологические
материалы (такие как клетки или ткани) и могут функционировать лучше вслед-
ствие того, что они находятся в своей естественной окружающей среде. Это ведет
к развитию нового класса химических сенсоров, в котором распознавание выполня-
ется клетками или тканями биологического происхождения.
Применение биологических клеток и тканей является, однако, намного более ши-
роким, поскольку объекты могут реагировать на химические воздействия модифи-
кациями в их метаболических процессах, которые приводят к изменениям в потреб-
лении кислорода или к выделению особых химических веществ. Такие модификации
могут быть использованы в целях пребразования.
1.2.7. Газовая и паровая сорбция
Определение газов и паров представляет собой наиболее интересную тему для раз-
личных областей, включая контроль качества воздуха, мониторинг опасных газов
и паров в индустриальных, экологических и физиологических исследованиях. Об-
щие методы распознавания газов и паров основаны на сорбции либо поверхностью
(адсорбция), либо объемом твердого тела (абсорбция), используемого для распо-
знавания. В этом направлении в зависимости от целевого состава применяются
различные материалы, включая некоторые металлы, полимерные материалы и неор-
ганические материалы. Сорбция может быть чисто физическим явлением, а может
сопровождаться химическими реакциями, которые изменяют химическое состояние
аналита или самого распознающего материала. 1.3.Ìåòîäûïðåîáðàçîâàíèÿ
1.3.1. Общие аспекты
Следует различать две главных стратегии преобразования, а именно химическую и
физическую.
Химическое преобразование выполняется при помощи наблюдения за изменением
химического состава чувствительного элемента как реакцией на процесс распозна-
вания, подобный тому, который описывается уравнением (1.1). Другими словами,
контролируется изменение концентрации (или количества) продукта P, чтобы по-
лучить выходной сигнал. Если основной продукт P необнаружим, возможно обра-
титься к контролю другого сопровождающего реагента или вторичного продукта
процесса распознавания.
Если ни один из элементов, вовлеченных в процесс распознавания, необнаружим,
можно обратиться к маркировке продукта обнаружимыми элементами, называе-
мыми сигнальными метками (или метками преобразования). Метка может быть
простой молекулярной структурой или наночастицей, которые обнаруживаются до-
ступными физико-химическими методами. Широко используемыми метками явля-
ются некоторые ферменты, позволяющие производить косвенное преобразование.
Более определенно ферментная метка катализирует химическую реакцию, в резуль-
тате которой получаются легко обнаруживаемые элементы.
Физические преобразователи ориентируются не на химические составы, а на
определенные физические свойства сенсорного элемента, которые взаимодейству-
ют с аналитом. Общие физические методы преобразования основаны на измерении
массы, показателя преломления, диэлектрических свойств или электрического со-
противления. Такие методы осуществляют, как правило, преобразование без меток.
Краткий обзор методов преобразования, применяемых в химических сенсорах,
дается ниже.
1.3.2. Термометрическое преобразование
Метод прямого преобразования основан на тепловом эффекте процесса распозна-
вания, который приводит к изменению локальной температуры. Однако термо-
метрическое преобразование осуществимо только в том случае, если распознавание
сопровождается каталитическим процессом, как в случае ферментно-каталитиче-
ских реакций. Только каталитические процессы вырабатывают достаточно тепло-
вой энергии, чтобы возможно было получить измеримое изменение температуры.
Термометрическое преобразование также применимо в химических сенсорах для го-
рючих газов, которые реагируют с кислородом на поверхности соответствующего
катализатора.
1.3.3. Преобразование, основанное
на механических эффектах
Один из видов события преобразования может привести к изменению полной мас-
сы чувствительного элемента. Изменение массы может наблюдаться посредством
преобразователя, выполненного на пьезоэлектрическом кристалле, известном как
кварцевые кристаллические микровесы. Ответный сигнал этого преобразователя
заключается в частоте вибрации, которая зависит от полной массы устройства.
В более общем виде распространение механических колебаний (акустические вол-
ны) может воздействовать на изменение свойств чувствительного элемента как ответ
на процесс распознавания. Например, скорость акустической волны может быть из-
менена в результате взаимодействия аналита с чувствительным элементом.
Недавно был разработан новый класс механического преобразователя, а имен-
но микрокантилеверы (микроконсоли). Если интегрированный с чувствительным
элементом микрокантилевер подвергается изгибу, то этот процесс является функци-
ей степени распознавания. Альтернативно вибрирующий микрокантилевер создает
информацию о новом изменении массы в похожем способе с кварцевыми кристал-
лическими микровесами.
1.3.4. Резистивное и емкостное преобразование
Взаимодействие аналита с материалом для распознавания, отобранным должным
образом, может привести к изменениям в электрических свойствах этого матери-
ала. Например, взаимодействие горючих газов с полупроводниками типа оксидов
металлов вызывает изменение электрического сопротивления как функции концен-
трации аналита. На этом явлении основано резистивное преобразование.
Другое электрическое свойство, которое может быть использовано в качестве
процесса распознавания, это диэлектрическая постоянная, на основе которой из-
меряется емкость конденсатора с диэлектрической структурой из материала распо-
знавания. Таким образом достигается емкостное преобразование.
1.3.5. Электрохимическое преобразование
Сенсоры для выборок водного раствора могут быть созданы с использованием элек-
трохимических методов преобразования. Электрохимия имеет дело с перемещением
ионов, реакцией передачи электрона, распределением ионов и взаимодействием на
границе раздела с твердым проводником (электродом). Помимо растворов элек-
тролита, электрохимия также применима к процессам переноса заряда в систе-
мах, включающих ионизированные твердые тела, которые также имеют отношение
к некоторым типам химических сенсоров.
Обнаружение ионов может быть достигнуто посредством сенсоров, основанных
на потенциометрическом преобразовании. Чувствительный элемент в потенциомет-
рическом ионном сенсоре может быть представлен мембраной, включающей либо
ионно-селективные молекулярные рецепторы, либо рецепторные центры в твердом
теле. Эта мембрана помещается между двумя растворами, один из них является вы-
боркой, а другой содержит ионы аналита с постоянной концентрацией (эталонный
раствор). Ионный обмен в каждой стороне мембраны приводит к развитию разно-
сти потенциалов между двумя сторонами мембраны, которая может быть измерена
и увязана с концентрацией ионов аналита в выборке. Потенциометрические ионные
сенсоры (обычно, но ошибочно определяемые как ионно-селективные электроды)
формируют один из главных классов химических сенсоров.
Прогресс в потенциометрических ионных сенсорах был достигнут посредством
интегрирования ионно-селективных мембран с полупроводниковыми приборами ти-
па полевого транзистора. В таких сенсорах электрический потенциал, развиваю-
щийся в системе мембрана – раствор выборки, действует непосредственно на харак-
теристики полевого транзистора.
Аналогичный принцип используется в газовых сенсорах, основанных на поле-
вых приборах с известным исключением, состоящим в том, что газочувствительный
элемент сформирован из металла с каталитическими свойствами.
У потенциометрических ионных сенсоров есть другое важное применение в ка-
честве химических сенсоров, а именно то, что они могут действовать как преобра-
зователи в сенсорах, основанных на ионогенерирующих процессах распознавания.
Эти применения относятся к сенсорам для газов, таких как углекислый газ, амми-
ак, водородный цианид и водородный фторид, которые способствуют образованию
частных ионов после растворения в воде. Ионные сенсоры также широко использу-
ются в качестве преобразователей в ферментативных сенсорах, поскольку большин-
ство ферментных реакций производят или поглощают некоторые ионы (например
водородные или аммониевые ионы) или генерируют обнаружимый газ, такой как
углекислый газ или аммиак.
Измерение электрического тока формирует другой важный класс методов преоб-
разования в электрохимических сенсорах, общеизвестных как амперометрические
сенсоры, начало которым представлено кислородной пробой, введенной Лелэндом
К. Кларком мл. в 1956 году [4]. Это устройство указывает на концентрацию
растворенного кислорода, используя электрохимическое сокращение кислорода, свя-
занного с электролитическим током как сигналом отзыва. Открытие амперомет-
рического кислородного датчика определило путь к разработке амперометрических
ферментативных сенсоров, также введенных впервые Лелэндом К. Кларком мл. Ам-
перометрические ферментативные сенсоры основаны на существовании ферментов,
которые катализируют кислородно-редукционные реакции и вовлекают маленькую
неорганическую молекулу в качестве сопутствующего реагента. Кислород является
естественным сопутствующим реагентом в такой реакции, но его можно заменить
искусственным сопутствующим реагентом в более продвинутых структурах. Пря-
мой электронный обмен между рабочим электродом электрохимического элемента
и активной частью фермента типа оксидазы составляет альтернативный метод пре-
образования в амперометрических ферментативных сенсорах.
Амперометрическое преобразование также подходит для аффинных сенсоров
при условии, что электрохимически активный состав приложен к продукту распо-
знавания (P в реакции (1.1)) и действует как электрохимическая метка.
Некоторые нуклеобазы, включенные в структуру нуклеиновой кислоты, электро-
химически активны и их электрохимические реакции используются, чтобы управ-
лять распознаванием.
Группа электрохимических методов преобразования основана на понятии элек-
трохимического импеданса, который противодействует переменному току через элек-
трохимический элемент. Измерения электрохимического импеданса обеспечивают
большой объем информации о физико-химических процессах, происходящих в элек-
трохимическом элементе, таких как миграция иона, распределение заряда на гра-
нице электрод/электролит и скорость электрохимической реакции. Каждый из
вышеупомянутых процессов может быть связан со свойствами чувствительного эле-
мента, объединенного с электрохимическим элементом, использованным в целях
преобразования.
1.3.6. Оптическое преобразование
Взаимодействие электромагнитного излучения с веществом формирует базу широ-
кого диапазона аналитических методов, обычно известных как спектрохимические
методы анализа. Как правило, электромагнитное излучение в ультрафиолетовом,
видимом и инфракрасном диапазонах используется в аналитических целях. Неуди-
вительно, что большинство химических сенсоров было создано на основе взаимо-
действия чувствительного элемента с электромагнитным излучением. Сенсоры,
основанные на этом типе преобразования, называют оптическими.
Оптическое преобразование может использовать световое излучение или погло-
щение света чувствительным элементом. Такие процессы связаны с переходами
между энергетическими уровнями различных частиц (молекул или наночастиц),
включенных в чувствительный элемент. Легко отзывающиеся разновидности могут
быть меткой преобразования, сопутствующим реагентом или продуктом процесса
распознавания.
Оптическое преобразование может также быть достигнуто путем контроля фи-
зического количества носителей, легко распространяющихся через чувствительный
слой, критерием чего может быть показатель преломления. Рассеяние света позво-
ляет реализовать дополнительные методы оптического преобразования.
1.4.Структура сенсоров и их производство
Конечная цель разработки сенсоров состоит в том, чтобы получить рыночный про-
дукт, и для достижения такой цели сенсор должен быть простым, устойчивым
к различным воздействиям и удобным в применении. Переносные условия требу-
ют портативных сенсоров, в то время как для биомедицинских направлений часто
необходимы имплантируемые сенсоры, чтобы в естественных условиях контроли-
ровать химические элементы физиологического состояния. Миниатюризация в этом
случае является существенным фактором и особо важна для сокращения количества
элементов, требуемых для интеграции множества сенсоров в матрицах, чтобы уве-
личить информационную пропускную способность и облегчить вмешательства (см.
раздел 1.7).
Миниатюризация сенсора создает дополнительное преимущество, состоящее в
возможности конструирования интеллектуальных сенсоров, в которых собственно
сенсор объединен с микроэлектронными схемами, управляющими функциональны-
ми параметрами и выполняющими обработку данных, а также обеспечивающими
взаимодействие с внешним считывающим оборудованием.
Необходимая долговечность сенсора достигается, как правило, ценой использова-
ния более сложной технологии производства, применения дорогих материалов, что
определяет более высокую стоимость продукта. С другой стороны, эксплуатация
сенсоров с большим сроком службы требует предварительной калибровки и неко-
торой подстройки после каждого цикла работы, что является труднодостижимым
в полевых условиях или пунктах обслуживания. Именно поэтому предпочтитель-
но в некоторых случаях проектировать дешевые одноразовые сенсоры. Поскольку
калибровка такого сенсора невыполнима, существенно необходимо, чтобы техноло-
гия производства обеспечивала очень хорошую воспроизводимость характеристик
чувствительности в партии.
Низкая цена и воспроизводимость в партии могут быть получены исключением
использования ручной работы в производственном процессе. Передовые технологии
изготовления сенсоров, первоначально созданные в области технологии микроэлек-
тронных схем, основаны на методах микромеханической обработки, которая позво-
ляет реализовать миниатюризацию и прямую интеграцию большого числа сенсоров
в сенсорные матрицы.
Возможны различные сенсорные структуры. Так, химические сенсоры могут
быть созданы как исследовательские зонды, подобно известному стеклянному элек-
троду для определения pH-фактора.
Очень небольшие объемы выборок могут быть проверены путем ограниченного
применения сенсоров с плоской поверхностью, например сформированных как тон-
кий слой на пластмассовой полосе. Эта конструкция подходит для использования
в одноразовых сенсорах.
Поверхностное осуществление выборки обеспечивается капиллярно заполняемы-
ми сенсорами. Такие сенсоры формируются из двух листов стекла, удерживаемых
на расстоянии капиллярного размера. Сенсор образован тонким слоем на внутрен-
ней поверхности листа. Выборка выступает как устройство с восстанавливаемым
объемом и капиллярным подъемом. Пример такого сенсора приведен в [5].
Принципы тонкослойной хроматографии были применены, чтобы создать ка-
нально-поточные сенсоры, которые состоят из тонкого пористого слоя, размещен-
ного на полосе твердого тела. На полосе в определенной последовательности сфор-
мировано несколько различных зон: сначала имеется буферная зона выборки, затем
одна или более зон, содержащих реактивы для химического распознавания ана-
лита, и, наконец, чувствительная определяющая зона. Когда в буферной зоне
осуществлена выборка, она капиллярно и диффузионно дрейфует через химически
обусловленную зону и затем далее к зоне обнаружения, где накапливается эффект
воздействия и генерируется ответный сигнал.
Последовательные многократные анализы выборок наилучшим образом выпол-
няются интеграцией сенсора в систему поточного анализа (см. раздел 1.8).
Обобщенный сенсор или сенсорная платформа являются устройством, которое
позволяет производить простую интеграцию рецепторов распознавания определен-
ного класса, чтобы получить сенсоры для различных аналитов, принадлежащих
тому же самому классу. Как правило, обобщенный сенсор включает преобразо-
ватель и дополнительные элементы (например молекулярные линкеры), которые
способствуют интеграции чувствительных элементов легким и быстрым образом.
Подход на основе сенсорной платформы удобен, когда элемент распознавания недо-
статочно устойчив. В этом случае чувствительный элемент интегрирован с готовой
сенсорной платформой только для теста.
1.5.Калибровка сенсора
В аналитической химии калибровка предназначена для установления определенно-
го математического соотношения между измеренным показанием и концентрацией
аналита [6, 7].
Выход химического сенсора составляет некоторое измеримое физическое коли-
чество, названное ответным сигналом. Интенсивность сигнала (y) соответствует
концентрации аналита в выборке (c) и вычисляется согласно следующему обобщен-
ному соотношению:
y = F(c) + ey. (1.5)
Здесь F(c) представляет функцию калибровки, а ey ошибку измерения ответ-
ного сигнала. Следовательно, концентрация может быть найдена обратным пре-
образованием функции калибровки, которая называется аналитической функцией
или оценочной функцией:
c = F−1(y). (1.6)
Форма функции калибровки может быть получена математическим моделиро-
ванием сенсора или установлена как эмпирическая интерполированная функция.
Общая и очень удобная функция калибровки это прямо пропорциональное соот-
ношение
y = ac, (1.7)
где a показывает чувствительность сенсора. Прямо пропорциональная функция ха-
рактеризуется константой чувствительности. В более общем виде чувствительность
определена следующим уравнением:
a =
dy
dc
. (1.8)
В случае нелинейной калибровочной функции чувствительность не является кон-
стантой, но зависит от концентрации аналита.
Калиброчная функция может включать постоянные параметры, которые харак-
терны для сенсора, но независимы от свойств выборки. Если эти параметры могут
быть получены на основании фундаментальных физико-химических законов и ос-
новных констант (например газовая постоянная, константа Фарадея), то имеет место
абсолютный аналитический метод. Но такая ситуация возникает достаточно редко.
Часто ответ зависит также от специфических параметров аналита, таких как
молярный коэффициент поглощения в измерениях, основанных на поглощении све-
та. Когда известный определенный параметр аналита играет некоторую роль, воз-
можно, наряду с другими известными эмпирическими параметрами аналитический
метод становится точным измерительным методом.
Наиболее распространенная ситуация состоит в том, что в одном или нескольких
параметрах для функции калибровки не могут быть получены приоритеты. Если
математическая форма функции калибровки известна и ее параметры определены
измерениями на выборках с известной концентрацией, то обычно такая ситуация
соответствует термину "справочная выборка" или "стандартная выборка". Напри-
мер, в случае прямо пропорциональной функции чувствительность может быть най-
дена на основе измерения ответного сигнала при концентрации справочной выборки.
В этом случае чувствительность определяется измененным сигналом и известной
концентрацией. Более точно чувствительность определяется как наклон отношения
ответ/концентрация, полученный посредством усреднения измерений серии спра-
вочных выборок. Этот подход составляет прямое справочное измерение.
Общий случай заключается в том, что неизвестна математическая форма функ-
ции калибровки. Тогда ее форма получается в виде эмпирической интерполяционной
функции, которая определяется подбором данных y–c, измеренных на справочных
выборках, под некоторую функцию, такую как полином, или иную подходящую
функцию. Возможная функция интерполяции это линейная функция
y = a0 + a1c + ey, (1.9)
где a0 и a1 это эмпирические параметры, которые обычно оцениваются подгонкой
по наименьшим квадратам; a1 представляет здесь чувствительность сенсора. Если
линейная функция относится к концентрациям, близким к нулю, то a0 нулевой от-
ветный сигнал. Аналитическое измерение, основанное на этих принципах, является
косвенным справочным измерением.
Качество функции калибровки должно быть подтверждено выполнением измере-
ний на справочных выборках или сравнением исследовательских результатов, полу-
ченных с помощью сенсора, с результатами, полученными альтернативным анали-
тическим методом. Надежная калибровка достижима посредством использования
справочных выборок с определенным химическим составом настолько же близко,
как и с неизвестной выборкой. Таким образом корректируется воздействие матри-
цы выборки на ответный сигнал.
Ошибка измеренной концентрации зависит как от ошибок измерения, так и от
шага калибровки в анализируемой выборке. При использовании линейной функ-
ции калибровки ошибка калибровки минимальна в середине принятого диапазона
концентрации и увеличивается с отклонением от середины. Поэтому настоятельно
не рекомендуется выполнение измерения вне диапазона калибровки.
Если необходимые справочные выборки недоступны, можно обратиться к стан-
дартному дополнительному методу, который основан на измерении известной вы-
борки и выборок с концентрацией, изменяемой управляемым образом. Этот метод
1применим, когда ответный сигнал прямо пропорционален концентрации аналита.
Сигнал для выборки с измененяемой концентрацией представляется в виде
y = a(c + c), (1.10)
где c неизвестная концентрация и c известное изменение в концентрации.
Последовательное увеличение c дает ряд данных y– c, и неизвестная концентра-
ция может быть получена как точка пересечения координатной оси и наклонной
прямой линии y– c. Графически неизвестная концентрация может быть получена
как c = −( c)y=0, где ( c)y=0 является значением c, при котором продленная
линия y– c пересекает горизонтальную ось. Поскольку этот метод по существу ре-
ализуется экстраполяцией, то его точность хуже, чем при аналогичной операции,
основанной на справочных измерениях.
В вышеупомянутом подходе предполагалось, что ответный сигнал сенсора зави-
сит от концентрации одного-единственного вещества в растворе. Этот вид сенсора
известен как сенсор нулевого порядка, а вычисление концентрации выполнено од-
нофакторной калибровкой (или однокомпонентной калибровкой). Сенсоры более
высоких порядков приведены в разделе 1.7.
1.6.Показатели качества сенсора
Показатели качества сенсора демонстрируют, насколько сенсор в данном исполнении
соответствует ожидаемым результатам, таким как стабильность ответного сигнала
и устойчивость при хранении результатов и выполнении затронутых операций.
Поскольку химический сенсор является аналитическим устройством, его техни-
ческие характеристики могут быть определены параметрами, используемыми для
оценки аналитического метода. Систематическое представление этих параметров
дано в [8], рекомендуемом заинтересованному читателю для более детального озна-
комления. Большое количество технических характеристик, обусловленных ста-
тистическими параметрами, приведены в специализированных источниках (напри-
мер [6]).
Важным статистическим параметром, используемым в оценке качества анали-
тических результатов, является доверительный интервал, который указывает на
разброс измеренных значений. Доверительный интервал для серии повторяющихся
измерений со средним числом ¯c и стандартным отклонением значения s¯c определя-
ется выражением
cnf(¯c) = ¯c ± ¯c, (1.11)
где ¯c является доверительным пределом, задаваемым выражением
¯c = s¯ct1− , . (1.12)
Здесь t1− , квантиль t-распределения на уровне значения (0 < < 1) и для
степеней свободы. Соотношение P = 1 − указывает на вероятность того, что
истинное значение, вероятно, лежит в пределах доверительного интервала. Значе-
ния t сводятся в таблицу как функция 1 − и (см. [6]). Например, если = 0,05,
то вероятность нахождения среднего значения в пределах доверительного интерва-
ла составляет 0,95 (т. е. 95%). Как обозначено в уравнении (1.12), малая величина
стандартного отклонения вызывает сужение доверительного интервала, при кото-
ром подразумевается низкая дисперсия данных.
1.6.1. Надежность измерений
Термины "точность", "прецизионность" и "достоверность" определяют надежность
аналитических измерений.
Точность указывает на степень соответствия между концентрацией, полностью
определенной в единственном тесте, и истинной концентрацией (т. е. концентраци-
ей в гарантированном справочном материале). Различие между гарантированной
и измеренной концентрациями представляет отклонение
bias(c) = ctest − ctrue. (1.13)
Отклонение может произойти из-за систематических ошибок, произведенных
неправильной калибровкой или неправильной эксплуатацией сенсора. Человеческие,
инструментальные или вычислительные ошибки, известные как грубые ошибки, так-
же вызывают увеличение отклонения. Выброс это результат, появляющийся как
заметное отклонение от других членов ряда данных выборки. Выбросы должны
отбрасываться прежде, чем продолжится анализ данных.
Точность одного-единственного аналитического результата зависит от отклоне-
ния, а также предела достоверности и определена следующим соотношением:
acc(c) = 1 −
bias(c)
(¯c)
. (1.14)
Достоверность относится к большому количеству повторяющихся измерений на
одной и той же выборке, давая среднюю концентрацию ¯c. Достоверность подобна
точности средней концентрации
trn(c) = 1 −
bias(¯c)
¯c
= acc(¯c). (1.15)
Прецизионность указывает на степень соответствия между независимыми ре-
зультатами измерения, полученными при подобных условиях измерений. Прецизи-
онность аналитической процедуры представляется выражением
prec(c) = 1 −
sc
¯c
, (1.16)
где sc стандартное отклонение и ¯c среднее значение серии повторяющихся из-
мерений. Численное значение этого параметра увеличивается с уменьшением sc, то
есть ошибки. Для безошибочных измерений (при sc → 0) прецизионность становит-
ся равной 1. Прецизионность аналитического результата определена относитель-
ным доверительным интервалом в виде
prec(¯c) = 1 −
¯c
¯c
. (1.17)
Параметры, заданные уравнениями (1.14)–(1.17), имеют область определения,
простирающуюся от ноля до единицы. Для хорошего качества сенсора каждый
вышеупомянутый параметр должен быть близок к единице.
Поскольку сенсор может быть использован в анализе серии выборок, предполага-
ется поддержка калибровки его параметров на постоянном уровне. Если это условие
выполняется, сенсор имеет хорошую воспроизводимость, которая проверяется по-
следовательностью измерений на идентичных справочных выборках, выполненных
при тех же самых условиях измерений. Низкая воспроизводимость появляется, ко-
гда один или более параметров калибровки испытывают дрейф, который является
медленным событием во времени. Дрейф может произойти из-за изменения свойств
чувствительного элемента при повторном или длительном контакте с выборками.
Устранение дрейфа достигается корректным проектированием и производством чув-
ствительного элемента.
Воспроизводимость не должна быть перепутана с репродуктивностью, которая
указывает на возможность сенсора создавать подобный результат при различных
условиях, т. е. у различных операторов, в различной аппаратуре, в различных ла-
бораториях или после больших интервалов времени.
1.6.2. Селективность и специфика
Важным показателем качества является селективность сенсора, которая указывает
на степень, с которой сенсор может выделить некоторый аналит при существовании
влияния других компонентов выборки. Для обеспечения селективности функция
калибровки должна включать одно или более дополнительных качеств, которые
отображают влияние составов (сопутствующие обстоятельства), сопровождающих
аналит в выборке. Если воздействие таких качеств обеспечивает заданный уровень
ошибки, сенсор обладает удовлетворительной селективностью. Иначе сенсор пред-
ставляет неправильный результат.
Помеха, являющаяся результатом взаимодействия сопутствующего обстоятель-
ства с чувствительным элементом, создает специфические проблемы. Если сопут-
ствующее обстоятельство затрагивает ответный сигнал сенсора, взаимодействуя с
другими компонентами чувствительного элемента, то это приводит к неспецифи-
ческому эффекту. "Селективность" не следует путать с понятием ¾специфика¿,
поскольку термин "селективность" является, в конечном счете, абсолютным.
Селективность сенсора определяется главным образом характером взаимодей-
ствия системы аналит–рецептор. На ранних стадиях изучения химических сенсоров
селективность была важнейшей проблемой и главная цель исследования в этой
области состояла в том, чтобы найти материалы для чувствительного элемента,
максимально подходящие для заданного аналита. Как будет показано в разделе 1.7,
даже сборка сенсоров с плохой селективностью может обеспечить определение кон-
центрации различных аналитов соответствующими методами обработки данных.
В этом случае плохая селективность скорее преимущество, а не недостаток.
1.6.3. Способности обнаружения
и определения количества
Предполагается, что сенсоры, как правило, определяют концентрации выше задан-
ного уровня. Самый низкий уровень концентрации, при котором сенсор все еще
обеспечивает надежные результаты, представляется как предел обнаружения (limit
of detection LOD). LOD это самая низкая концентрация или количество веще-
ства, которое можно отличить от факта его отсутствия (пустое состояние) с установ-
ленным пределом достоверности. Толкование терминов, включенных в определение
LOD, продемонстрировано на рис. 1.2. Если yb и sb обозначают величину и стан-
дартное отклонение чистых измерений соответственно, то сигнал, дающий предел
обнаружения, определяется выражением
yLOD = yb + ksb, (1.18)
где k числовой множитель, выбранный согласно требуемому доверительному
уровню. Как правило, k = 3. LOD с точки зрения концентрации получен из ве-
личины yLOD с использованием функции калибровки сенсора. Определение LOD
46 Глава 1. Что такое химические сенсоры?
доказывает, что этот параметр зависит от двух факторов: чистоты ответного сиг-
нала при пустом состоянии выборки и его стандартного отклонения. Хороший (т. е.
очень низкий) LOD получен, если ответный сигнал чистой выборки очень низок
и сопровождающий шум (который определяет величину sb) также очень мал. LOD
сенсора может зависеть как от особых характеристик процесса опознавания, так и от
внутреннего LOD метода преобразования.
Blank LOD LOQ
3sb
sb
yb
10sb
Signal (y)
Рис. 1.2. Определение предела обнаруже-
ния (LOD) и предела определения количе-
ства (LOQ). Кривые представляют нормаль-
ное (гауссовское) распределение ошибок
Более надежные аналитические резуль-
таты получаются, когда существует кон-
центрация выше верхнего предела, назван-
ного пределом определения количества (li-
mit of quantification LOQ). Этот предел
соответствует сигналу, который отличает-
ся от сигнала чистой выборки в среднем на
10sb.
Ясно, что предел обнаружения зависит
от колебаний в сигнале чистой выборки,
которые могут явиться результатом веро-
ятностных процессов в функционировании
сенсора (шум сенсора), а также от элек-
тронного шума в оборудовании считыва-
ния1.
Каждый тип сенсора может обнару-
жить концентрации в пределах более или
менее широкого диапазона концентраций,
который известен как диапазон ответа
(или область концентрации). Самый низкий предел диапазона ответа LOD,
введенный ранее; более точное обозначение этого параметра формулируется как
нижний предел обнаружения. Верхний предел диапазона концентрации определя-
ется значением, при котором ответный сигнал начинает значительно отклоняться
от принятой функции калибровки. Например, отмеченное отклонение от линейной
функции калибровки определяет верхний предел обнаружения. Это отклонение
может быть определено различными факторами, такими как насыщенность чув-
ствительного элемента частицами аналита. Отношение между верхним и нижним
пределами обнаружения представляет динамический диапазон сенсора. Диапазон
ответного сигнала размером в один порядок (т. е. динамический диапазон прибли-
зительно 10) является минимально требуемым.
Другим показателем качества, связанным с чувствительностью, является раз-
решающая способность сенсора, которая определяется наименьшим обнаружимым
изменением в концентрации аналита. Этот показатель зависит от двух факторов:
шума и чувствительности. Шум определяет наименьшее обнаружимое изменение
в ответном сигнале, а разрешающая способность является отношением между этим
изменением ответного сигнала и чувствительностью. Высокая чувствительность
и низкий уровень шума создают высокую разрешающую способность. Хотя это
определение напоминает определение LOD, разрешающая способность не подобна
LOD потому, что шум при наличии аналита может отличаться от шума чистой вы-
борки.
1.6.4. Время формирования ответного сигнала
Как правило, сенсор используется, чтобы выполнить последовательный анализ се-
рии выборок. Производительность аналитического процесса определяется време-
нем, требуемым для дополнительных операций, таких как восстановление сенсора,
восстановление выборки и введение новой выборки. Время формирования ответ-
ного сигнала (отклика)1 сенсора может также определить до некоторой степени
производительность. Время отклика определяется промежутком от момента, ко-
гда аналит добавлен к хорошо размешенному, свободному от аналита раствору, до
момента, когда ответный сигнал сенсора становится фактически постоянной вели-
чиной. В течение этого интервала времени сенсор функционирует в переходном
режиме. Время отклика может быть определено скоростью распространения (диф-
фузии) аналита к чувствительному элементу или темпом взаимодействия аналита
с чувствительным элементом или обоими процессами одновременно. Время откли-
ка меньше 1 минуты превосходно, но и время отклика приблизительно в 10 минут
все еще удовлетворительно. Намного более длительное время отклика в диапазоне
десятков минут все еще приемлемо, если природа физико-химических процессов
в сенсоре не позволяет произвести улучшения. 1.7.Ñåíñîðíûåìàòðèöû
Сенсорная матрица это сборка множества сенсоров. Если все сенсоры в матрице
подобны и откликаются на один-единственный аналит, матрица применима для па-
раллельного анализа кратных выборок, причем каждая выборка взаимодействует с
одним из сенсоров.
Сенсорные матрицы могут быть разработаны для того, чтобы выполнять одно-
временное определение кратных аналитов в выборке (мультиплексирование). Если
каждый сенсор подобран к особому аналиту, его действия независимы от других
сенсоров, тогда обеспечивается исключительное сенсорное определение концентра-
ции. Однако есть необходимость в улучшенной селективности, которая может быть
достигнута только в ограниченном количестве методов распознавания.
Более общий подход основан на матрицах, составленных из сенсоров с плохой
селективностью (перекрестной чувствительностью). В этом случае каждый сенсор
отзывается больше чем на один компонент выборки и отзыв каждого сенсора сум-
мируется в эффектах, проявленных серией компонентов.
1.7.1. Количественный анализ сенсорными матрицами
с перекрестной чувствительностью
Перекрестно-чувствительные сенсорные матрицы являются полезными инструмен-
тами для осуществления одновременного количественного обнаружения нескольких
аналитов, принадлежащих к конкретному классу соединений (например летучих го-
рючих паров в воздухе). Каждый сенсор в матрице производит составной ответный
сигнал, который зависит от каждого превращения вещества аналита. Чтобы опре-
делить концентрацию конкретного аналита, композиционный отзыв должен быть
обработан статистическими методами, известными как многомерные методы ана-
лиза данных. Применение таких методов к аналитической химии является одной из
целей хемометрики [9]. Альтернативный подход к анализу данных, произведенных
сенсорной матрицей, основан на искусственных нервных сетях.
Этот раздел вводит некоторые элементы многомерного анализа данных. Пред-
положим, что матрица включает n сенсоров с перекрестной чувствительностью,
которые отзываются линейно на m аналитов в некоторой выборке k. Далее предпо-
ложим, что отзыв каждого сенсора к частному аналиту непосредственно пропорцио-
нален концентрации этого аналита (cjk) и константе (названной чувствительностью),
обозначенной aij . Наконец предположим, что полный сигнал, созданный одним сен-
сором (yjk), является суперпозицией отзывов на каждый аналит (aijcjk). Далее
отзывы сенсоров задаются следующим набором уравнений:
y1k = a11c1k + a12c2k + · · · + a1jcjk + · · · + a1mcmk,
y2k = a21c1k + a22c2k + · · · + a2jcjk + · · · + a2mcmk,
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
yik = ai1cik + ai2c2k + · · · + aijcjk + · · · + aimcmk,
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
ynk = an1cnk + an2c2k + · · · + anjcjk + · · · + anmcmk.
(1.19)
Если N выборок проанализированы той же самой матрицей, тогда могут быть со-
ставлены N подобных систем уравнений при k = 1, 2, . . . ,N. Эта композиция систем
уравнений, которая представляет математическую модель отзыва матрицы, может
быть записана в сжатой форме с использованием матричных обозначений следую-
щим образом:
Y
(n×N)
= A
(n×m)
× C
(m×N)
. (1.20)
Здесь Y является матрицей, включающей отзыв n сенсоров в N выборках. В этой
матрице каждая колонка включает отзывы, связанные с частным аналитом в дан-
ной выборке, в то время как каждый ряд представляет отзыв отдельного сенсора
к различным аналитам в той же самой выборке. A является матрицей чувстви-
тельности, составленной из aij термов, и C это матрица концентрации, которая
содержит известные концентрации m аналитов (ряды) в N выборках (колонки).
Уравнение (1.20) используется на стадии калибровки, чтобы получить матрицу чув-
ствительности, используя выборки с известными концентрациями. Концентрации
в множестве N′ неизвестных выборок могут быть предсказаны отзывами матрицы
сенсоров для неизвестных выборок Y s следующей матричной операцией:
Cs
(m×N′)
= B
(m×n)
× Y s
(n×N′)
+ e
(m×N′)
. (1.21)
Здесь e разностная матрица, отображающая остаток, являющийся отличием меж-
ду измеренными и образцовыми данными, B прогнозная матрица. Когда коли-
чество сенсоров в матрице превышает число аналитов, существующих в выборках
(т. е. n > m), матрица B получается из матрицы чувствительности A как
1.7. Сенсорные матрицы 49
B = AT (AAT )−1, (1.22)
где AT является транспонированной матрицей к матрице чувствительности. Хо-
тя могут быть использованы сенсорные матрицы при n = m, матрицы с n > m
позволяют производить более надежный расчет данных.
Уравнение (1.21) может быть обработано с помощью мультилинейного регрес-
сивного анализа (multilinear regression analysis MLR), но более надежные методы
основаны на сжатии данных. В таких методах количество переменных сокращено
посредством формирования новых переменных как линейных комбинаций из исход-
ных переменных. Новые переменные называют основными компонентами, и p-я
основная компонента может быть выражена как
Xp = 1py1j + 2py2j + · · · + ipyij + · · · + npynj . (1.23)
Коэффициенты ip подобраны так, чтобы посредством Xp представлялись опреде-
ленные статистические условия. Методы этого типа составляют основную компо-
нентную регрессию (principal component regression PCR) и частичную регрессию
наименьшего квадрата (partial least square regression PLS).
Поскольку отзыв матрицы на одну-единственную выборку является однораз-
мерной матрицей (т. е. вектором), сенсорная матрица формирует сенсор первого
порядка. Сенсор второго порядка может быть получен путем записи каждого сиг-
нала сенсора как функции времени, и тогда отзыв на одну-единственную выборку
собирается в форме двумерной матрицы. В трехмерном представлении отзыв мат-
рицы проявляется как поверхность, на которой каждая точка определена двумя
переменными: числовым идентификатором сенсора и временем измерения. Следо-
вательно, такая сенсорная матрица работает в переходном режиме. В стационарном
состоянии матрица функционирует как сенсор первого порядка. По сравнению с
сенсором нулевого порядка (т. е. один-единственный сенсор, отзывающийся на один-
единственный аналит) сенсоры высших порядков создают значительно большее ко-
личество информации.
Это обстоятельство представляет интерес для указания на преимущества много-
мерного анализа данных сравнительно с методом одномерного анализа [10]. В одно-
мерном методе предполагается, что каждый сенсор отзывается на один-единствен-
ный аналит. Однако отзыв может быть затронут интерференционными вмеша-
тельствами и шумом. Напротив, многомерный анализ обеспечивает достоверные
результаты, даже если вмешательства в процесс опознавания действительно про-
исходят. Эта особенность уменьшает строгую селективность сенсора, чего часто
трудно достигнуть. Кроме того, многомерный анализ способствует шумоподав-
лению и позволяет обнаруживать выбросы. В дополнение, что не менее важно,
многомерный анализ разрешает одновременное определение нескольких аналитов в
смеси, несмотря на перекрестную чувствительность. Всесторонний краткий обзор
калибровки сенсорных матриц представлен в [11].
1.7.2. Качественный анализ сенсорными матрицами с
перекрестной чувствительностью
Матрицы сенсоров с перекрестной чувствительностью могут использоваться, чтобы
идентифицировать особые смеси аналитов в соответствии с множеством ответных
сигналов на смесь. Такое устройство может имитировать ощущение запаха (искус-
50 Глава 1. Что такое химические сенсоры?
ственный нос [12, 13]) или вкуса (искусственный язык [14, 15]). Иными словами,
искусственный нос или искусственный язык выполняют классификацию серии вы-
борок согласно их подобию в химической композиции.
Distance
25
20
15
10
5
0
Cognac
Red
wine
Scotch
White
wine
Gin
Beer
Whisky
Sake
Рис. 1.3. Применения устройств "искусственный нос/язык": а) классификация различ-
ных видов итальянских минеральных вод с использованием искусственного языка.
Стрелки указывают на изменение кластеров в результате загрязнения органиче-
скими соединениями. б) Классификация ликеров (три выборки каждого бренда)
иерархическим кластерным анализом. а) Воспроизведено с разрешения [16]. Copy-
right 2000 Elsevier. б) Воспроизведено с разрешения [17]. Copyright 1991 Elsevier
Так, например, для классификации минеральных вод используют матрицу несе-
лективных ионных сенсоров, приведенных ниже. Используются отзывы сенсоров,
чтобы вычислить три основных компонента (PC1, PC2 и PC3). В трехмерном
графическом изображении каждая выборка представлена точкой, определенной зна-
чениями основных характерных компонентов, как показано на рис. 1.3, а. Степень
подобия двух образцов выражена расстоянием между соответствующими точками.
Очевидно, что различные выборки той же самой торговой марки сгруппированы
в четких кластерах. Если выборка загрязнена небольшим количеством органиче-
ского вещества, как это показано стрелкой на рис. 1.3, а, то загрязненные выборки
формируют новые кластеры, маркированные приставкой перед названием продукта.
Основной компонентный анализ выгоден в том, что небольшое количество пе-
ременных является представительным для большого набора оригинальных данных.
Это позволяет производить легкую визуализацию и интерпретацию данных, а также
надежную классификацию и идентификацию выборок.
Другое возможное представление данных, полученных искусственным носом или
языком, продемонстрировано на рис. 1.3, б.
Эти результаты получены ощущением паров различных спиртных напитков. С этой
целью использовалась матрица из шести неспецифицированных газовых сенсоров.
Для каждой выборки основные компоненты получаются и используются, чтобы вы-
числить расстояние от других выборок. Матричный выход представлен в этом слу-
чае посредством иерархического кластерного анализа, с помощью которого можно
сортировать выборки в форме дерева поиска (древовидной диаграммы) по рассто-
янию между ними. Подобная информация может быть получена анализом рас-
познавания выборок данных посредством газовой хроматографии, но по методу
искусственного носа это сделать проще и быстрее.
Методы обработки данных, представленные выше, составляют класс методов рас-
познавания образов [18], которые выполняют классификацию, определяя каждую
выборку в особый класс.
1.7.3. Применения искусственной нервной сети
в устройстве "искусственный нос/язык"
Искусственная нервная сеть является математической или вычислительной моде-
лью, которая имитирует структуру и функциональные особенности мозга [18, 19].
Нервная сеть состоит из связанной группы искусственных нейронов. Линия пере-
дачи между двумя нейронами это синапс. Одиночный нейрон получает серию
входных переменных, которые взвешиваются синапсами и затем суммируются. По-
лучающаяся сумма преобразуется применением передаточной функции (например
умножением с константой или применением нелинейной функции). Результат пре-
образования формирует выходной сигнал нейрона.
Чтобы получить нервную сеть, искусственные нейроны собраны в последователь-
ность слоев так, чтобы выходные сигналы от слоя питали нейроны в следующем слое.
Последний в последовательности слой обеспечивает сетевой выход.
В применениях искусственного носа входные сигналы создаются матричными
сенсорами. Прежде чем быть использованной, нервная сеть обучается посредством
многих известных составов. В этом процессе факторы взвешивания настраиваются
так, чтобы минимизировать различие между фактическим и предопределенным сиг-
налом выхода. После этого шага обучения сеть в состоянии определить эти составы.
По сравнению с методами, введенными в предыдущих разделах, искусственные
нервные сети имеют много возможных преимуществ, поскольку они являются адап-
тивными системами, которые изменяют свою структуру сообразно внешней или
внутренней информации, которая распространяется через сеть во время фазы обу-
чения. Сети обычно используются, чтобы моделировать сложные отношения между
входными и выходными сигналами или находить изображения по составу данных.
Неудобство нервных сетей состоит в длительном времени обучения, необходимом
большим сетям. Несмотря на это, искусственные нервные сети это очень ценные
инструменты для обработки данных в искусственных устройствах обоняния и дегу-
стации.
1.7.4. Перспективный обзор
Сенсорные матрицы позволяют реализовать мультиплексный анализ выборок. Осо-
бенным преимуществом матриц сенсоров с перекрестной чувствительностью явля-
ется обеспечение более точных и надежных результатов по сравнению с сенсорами,
ориентированными на некоторый отдельный аналит.
Матрицами сенсоров с перекрестной чувствительностьюможно управлять в устрой-
ствах искусственного носа/языка. Вместо обнаружения определенных компонентов
искусственный нос/язык назначает аналиту характерный образ, который зависит
от его полного химического состава. Таким образом, возможно выполнить типовую
идентификацию и классификацию.
Существует широкий диапазон применений искусственного носа/языка в раз-
личных областях [13]. Качество и органолептические свойства пищевых продуктов
и напитков, так же как и процессы старения или фальсификации, могут быть оце-
нены с помощью исследования особенности композиции химических компонентов.
В медицине искусственный нос может быть полезным для неразрушающего диа-
гностического испытания изменчивых составных смесей в дыхании, моче или поте.
Контроль загрязнения воздуха или воды составляет другое многообещающее приме-
нение искусственного обоняния. В области безопасности искусственный нос являет-
ся перспективным инструментом для обнаружения химического или биологического
оружия, а также наркотиков или взрывчатых веществ.
Детали распознавания и методы преобразования в искусственном носе/языке
представлены в следующей главе, где рассматриваются различные виды химиче-
ских сенсоров. Физико-химические принципы различных типов газовых сенсоров,
используемых в искусственных носах, рассмотрены в [12, 20]. Краткие обзоры ме-
тодов расчета для обработки данных в устройствах искусственного носа даны в [12, 21]. 1.8.Сенсоры в проточно-аналитических системах
Поскольку очень часто сенсор или сенсорная матрица используются при анализе
значительного числа выборок, автоматизация управления последовательностьюдей-
ствий существенна для получения высокой пропускной способности выборок и со-
кращения стоимости персонала.
Общий метод автоматизации при анализе жидких выборок называется проточ-
но-инжекционным анализом (flow injection analysis FIA) [22, 23]. В этом методе
сенсор установлен в поточную ячейку, через которую непрерывно качается жид-
кость. Выборка инжектируется посредством жидкостно-хроматографического кла-
пана (ротационного клапана) и переносится через разъем, вставленный в течение
несущего потока. Вследствие диффузии выборка рассеивается в стороны, произ-
водя изменение концентрации после разъема. Когда такая композиция достигает
сенсорного элемента, выборка создает сигнал, который изменяется во времени от
фонового уровня до максимального значения и затем уменьшается, поскольку вы-
борка прекращает поступать из разъема в сенсорный элемент. Как высота пика, так
и область кривой сигнал–время могут быть коррелированы концентрацией аналита.
FIA позволяет получить надежный результат, если поток жидкости является
ламинарным, для чего требуется, чтобы диаметр трубки составлял приблизительно
от 0,1 до 1 мм. Высокая степень автоматизации в FIA достигается интеграцией
устройств введения выборки и ее предварительной обработки.
Более того, FIA предлагает возможность управления последовательностью раз-
личных шагов, таких как испытание выборки, очистка сенсорной ячейки и восста-
новление сенсора.
Сенсор, разработанный для применения FIA, может быть либо плоской формы,
либо иметь форму проточного канала с сенсорным элементом на внутренней стенке.
Современные методы проточного анализа основаны на микрожидкостных сис-
темах [24], которые имеют дело с управлением и манипуляциями жидких объемов
в субмикролитровом диапазоне и поэтому ограничены каналами очень небольшого
размера. Поток жидкости может быть вызван приложенным давлением или яв-
лениями электрокинетики. Отличие микрожидкостных систем от традиционных
систем проточного анализа состоит в интеграции большой сети каналов и других
микроустройств (таких как актюаторы и клапаны) на небольшом кристалле. По-
этому микрожидкостные устройства позволяют осуществить крупномасштабную па-
раллельную обработку и мультиплексирование поточного анализа. Существенное
преимущество микрожидкостных устройств состоит в их совместимости с микроме-
ханическими технологиями.
Появление микрожидкостных устройств вызвало революцию в области автома-
тической аналитической химии развитием тотальных микроаналитических систем
(micro-total analytical system μTAS), также известных как системы ¾лаборатория-
на-кристалле¿ [25, 26], которые позволяют производить миниатюризацию и инте-
грацию сложных функций, включая физический и химический анализ выборки,
разделение и обнаружение аналита в пределах границ однокристальной схемы. Эти
системы могут быть точными, надежными, устойчивыми и недорогими, а поэтому
хорошо подходят для тестирования в пунктах экспресс-анализа или полевых условиях. 1.9.Применение химических сенсоров
В общем виде химические сенсоры были созданы, чтобы обеспечить альтернативу
стандартным аналитическим методам, основанным на таких методах, как спек-
трометрия, хроматография, биохимические или микробиологические технологии.
Химический сенсор может обеспечить дешевое решение частной аналитической про-
блемы без дорогого многофункционального аналитического оборудования.
Кроме того, химические сенсоры подходят для полевого химического анализа
в экологических исследованиях. В лекарственных применениях химические сенсоры
полезны для децентрализованных клинических исследований (применения в мед-
пунктах).
Химические сенсоры предполагают возможность мониторинга химических пара-
метров в промышленном, экологическом и иных применениях. Очень интересно
применение химических сенсоров в естественных условиях определения и монито-
ринга химических элементов в отношении физиологиии.
Использование сенсоров является более быстрым, чем обычное химическое, био-
химическое или микробиологическое исследование. Поэтому неудивительно, что
химические сенсоры нашли широкое применение в различных областях, таких как
контроль качества окружающей среды, клинические исследования, продовольствен-
ная технология и обнаружение элементов оружия. Следующие разделы выделяют
некоторые типичные аналитические проблемы, которыми возможно заниматься по-
средством химических сенсоров. Обзоры применений химических сенсоров доступ-
ны в [27, 28].
1.9.1. Применение химических сенсоров в экологии
Экологическое применение химических сенсоров сосредотачивается главным обра-
зом на оценке качества воды и загрязнения воздуха [29–31].
54 Глава 1. Что такое химические сенсоры?
Загрязнение воздуха автомобильным движением и промышленными воздействи-
ями определяется токсичными газами (сера, азот, окись углерода, цианид водорода
и т. д.), токсичными неорганическими парами (например ртуть), а также многими
другими токсичными парами. В частном отношении необходим контроль промыш-
ленного загрязнения окружающей среды, вызванного опасными газами и парами,
особенно теми, которые являются токсичными, огнеопасными или взрывчатыми.
Качество воздуха в помещении может быть оценено посредством сенсоров углекис-
лого газа и водного пара (влажность).
Загрязнение воды непосредственно затрагивает водные организмы и, в более об-
щем виде, любые организмы, которые нуждаются в воде для выживания. Главные
загрязнители воды, обнаруживаемые химическими сенсорами, являются токсичны-
ми ионами (например ртуть, свинец, кадмий и ионы цианида), а также ионами,
возникающими в результате сельскохозяйственных работ. Использование удобрений
может привести к загрязнению водных источников нитратами и ионами фосфата,
которые могут разрушить водные экологические системы. Сельское хозяйство
это также источник загрязнения воды токсичными остатками пестицидов.
Различные токсичные составы в воде могут быть оценены посредством их эф-
фектов подавления в реакциях, катализируемых ферментами [32]. Сенсоры орга-
нических загрязнителей также были разработаны с использованием специфических
антител в качестве реактивов опознавания.
Ионные определители могут быть выполнены в виде стандартных потенциомет-
рических ионных сенсоров, но из-за свойственных им высоких порогов обнаружения
такие сенсоры подходят только для анализа вод с большой степенью загрязнения.
Однако недавний прогресс в этой области привел к разработке ионных сенсоров с
очень низким порогом обнаружения, который может обеспечить определение ионов
металла ниже предела концентрации, заданного правовым регулированием по каче-
ству питьевой воды.
Сенсоры для токсинов были созданы на основе использования микроорганизмов
в качестве чувствительных элементов. Токсины выборки затрагивают метаболизм
микроорганизма, что позволяет произвести контроль концентрации токсина посред-
ством измерения потребления кислорода в процессе дыхания микроорганизма. Тот
же самый принцип использовался, чтобы разработать сенсоры для измерения содер-
жания полностью разложившегося органического материала в воде. В этом случае
разложившаяся органика стимулирует метаболизм и, следовательно, потребление
кислорода. Генотоксичность экологических выборок может быть оценена посред-
ством сенсоров нуклеиновой кислоты [33].
Определение возможных патогенных микроорганизмов в воде составляет дру-
гое важное применение, которое может быть выполнено посредством сенсоров на
антителах [34, 35].
Большой проблемой является кислотный дождь, вызванный производством энер-
гии, основанным на сгорании ископаемого топлива. Распространенные источники
кислотности это окиси азота и серы, которые приводят к увеличенной кислотности
после растворения в атмосферной воде.
Увеличенная кислотность может быть обнаружена косвенным способом, путем
контроля содержания определенных анионов, таких как нитрит и сульфат.
Решению аналитических проблем в науке о море хорошо способствует примене-
ние химических сенсоров [36, 37].
Типичными примерами представляются управление эвтрофикацией водоемов, на
которую оказывает влияние увеличенной концентрации нитрата и ионов фосфата
от удобрений или сточных вод, контроль загрязнения пестицидами или загрязнение
водных путей сбросами с платформ добычи нефти, а также определение следов
металлов.
1.9.2. Применение химических сенсоров
в здравоохранении
Одна из главных областей применения химических сенсоров это здравоохране-
ние, в котором химические сенсоры используются в пробирке или в естественных
условиях (в живом организме) для определения химизма физиологии [38]. Функ-
ционирование сенсоров в естественных условиях зависит в большой степени от их
биологической совместимости [39], поскольку в естественных условиях в общем слу-
чае необходимы миниатюризированные сенсоры, которые были разработаны именно
с этой целью. Кроме того, химические сенсоры могут быть использованы, чтобы об-
наружить патогенные микроорганизмы в клинических исследованиях.
Щелочь и щелочноземельные ионы, так же как неорганические газы (растворен-
ный кислород и углекислый газ, окись азота), могут быть определены посредством
отделенных сенсоров.
Определение глюкозы в крови очень важно при лечении диабета [40, 41]. В на-
стоящее время сенсоры глюкозы для самоконтроля ее в крови легко доступны,
и интенсивные научно-исследовательские работы посвящены развитию и улучше-
нию сенсоров глюкозы, работающих в естественных условиях [42]. Следующий шаг
в этой области заключается в интеграции сенсоров глюкозы с системами достав-
ки инсулина, чтобы автоматически поддерживать нормальный уровень инсулина
в крови.
Были также созданы сенсоры для большого числа биогенных составов. Сре-
ди многих целевых составов следует назвать L-лактат, пируват, мочевину, мочевые
и щавелевые кислоты, гистидин и гистамин, фенолические составы (L-допа, допа-
мин и адреналин); супероксиды и сульфатные желчные кислоты также могут быть
упомянуты. Названные сенсоры позволяют обеспечить контроль наркотиков в кро-
ви или моче. Обнаружение патогенных бактерий и вирусов другое применение
химических сенсоров в клинических исследованиях.
Болезнетворные микроорганизмы могут быть обнаружены иммунологическими
или нуклеино-кислотными сенсорами [35]. Нормальные биологические процессы, па-
тогенные процессы или фармакологические отзывы на терапевтическое вмешатель-
ство могут быть оценены посредством биомаркеров, которые являются веществами,
используемыми в качестве индикаторов патологических состояний. Химические сен-
соры для биомаркеров были созданы в целях диагностики различных форм рака,
сердечно-сосудистых заболеваний и гормональных проблем здоровья [43].
1.9.3. Применение химических сенсоров в пищевой
промышленности, сельском хозяйстве
и биотехнологии
Различные химические сенсоры были разработаны, чтобы оценивать качество пи-
щевых продуктов и напитков, а также для того, чтобы контролировать производ-
ственные процессы в пищевой промышленности и биотехнологии. Применение фер-
ментативных сенсоров в пищевой промышленности рассмотрено в [44, 45].
Качество пищи зависит в большой степени от содержания в ней питательных
веществ и витаминов. Сахариды (такие как глюкоза, фруктоза, сахароза и лактоза)
56 Глава 1. Что такое химические сенсоры?
могут быть определены посредством ферментативных сенсоров, основанных на опреде-
ленных ферментах, чтобы произвести химическое преобразование целевого состава.
Другие важные компоненты пищевых продуктов представляются молочной, яб-
лочной, лимонной и глутаминовой кислотой. Различные ферментативные сенсоры
для таких составов были созданы с использованием соответствующих ферментов.
Важным качественным параметром пищевых продуктов является их свежесть,
которая может быть оценена по величине концентрации типичных продуктов про-
цесса порчи. Порча мяса оценивается посредством ферментативного сенсора для
путресина (NH2(CH2)4NH2) и гипоксантина (производная пурина). Свежесть рыбы
определяется серией измерений для выявления продуктов порчи, таких как иноксин-
5-фосфат, инозин и гипоксантин [46].
Также были разработаны сенсоры для других составов, имеющих отношение
к качеству пищи (таких как холестерин, жирные кислоты, лецитин, холин и по-
лифенолы).
Особое значение в пищевой промышленности имеет контроль патогенных мик-
роорганизмов и микробных токсинов в продовольствии [34, 35, 47]. Химические сен-
соры для болезнетворных микроорганизмов могут быть созданы на основе исполь-
зования распознавания антигена-антитела или обнаружением определенной ДНК.
В промышленности напитков упомянутые химические сенсоры могут использо-
ваться, чтобы определить этанол и также глицерин, причем последний является
главным вторичным продуктом алкогольного брожения, и для каждой вышеупомя-
нутой разновидности были созданы ферментативные сенсоры. Содержание серни-
стокислого иона в вине может также быть определено посредством ферментативных
сенсоров.
В сельском хозяйстве химические сенсоры используются в анализе качества поч-
вы посредством контроля макропитательных веществ, таких как нитрат, фосфат
и ионы калия [48].
Биотехнология использует биологические системы, живые организмы или их
производные (например ферменты или живые клетки) для того, чтобы обрабо-
тать сырье. Различные химические сенсоры используются, чтобы контролировать
параметры процессов pH-фактор, растворенный кислород, углекислый газ и раз-
личные биоорганические составы, такие как сахариды и аминокислоты [49, 50].
Типовое применение химических сенсоров найдено в биотехнологии, в промышлен-
ности брожения и производстве некоторых антибиотиков.
1.9.4. Химические сенсоры в оборонных применениях
Оборона в общем случае и защита против террористических актов в частности в на-
стоящее время являются предметом большого беспокойства, по причине которого
ведется разработка химических сенсоров для взрывчатых веществ и боевых средств,
таких как патогенные микроорганизмы и токсичные газы. Быстрое по месту обна-
ружение этих средств удобно производить посредством химических сенсоров.
Взрывчатые вещества могут быть прослежены с использованием сенсоров, опре-
деляющих наличие их паров. Такие сенсоры были разработаны на основе естествен-
ных и синтетических реагентов, которые позволяют производить распознавание по
аффинности, по ферментам и по целым клеткам [51].
Реагенты биологической войны включают живые организмы, вирусы или ин-
фекционный материал, полученный от них, который может использоваться в целях
агрессии. Объектами биологической войны могут быть люди, животные и урожай на
плантациях. Такие реагенты могут размножаться в подвергшемся нападению орга-
низме и вызывать их болезнь или смерть. Патогенные бактерии, вирусы и некоторые
грибы являются типичными реагентами биологической войны.
Различные типы химических сенсоров для обнаружения реагентов биологиче-
ской войны были созданы на основе различных механизмов распознавания, таких
как аффинность, распознавание по антителам или синтетическим материалам, рас-
познавание ферментами или по целым клеткам, а также прослеживанием патогенной
ДНК посредством комплементарной последовательности ДНК [52, 53]. Применение
наноматериалов в сенсорах для распознавания реагентов биологической войны пред-
ставляет собой непрерывно увеличивающийся интенсивный
1.10.Литература по химическим и биологическим сенсорам Имеется значительное количество литературы, относящейся к химическим и био-
логическим сенсорам, в настоящем разделе перечислены только некоторые общие
тексты и часть соответствующих журналов, относящихся к названной тематике.
Ссылки по особым видам сенсоров включены в соответствующие главы.
Первая монография по химическим сенсорам была выпущена J. Janata в 1989 г. [55].
Исправленное издание этого текста стало доступным недавно [56].
К 1990 область биосенсоров достигла зрелости и была рассмотрена в серии издан-
ных монографий: E.A.H. Hall [57], F.W. Scheller, F. Schubert [58], A.J. Cunningham [59].
Статус науки и технологий химических сенсоров в 1985–1995 годах подробно рас-
смотрен в нескольких коллективных томах [60–64]. Несколько позже были изданы
всесторонние коллективные тома, посвященные биосенсорам [65, 66] и электрохими-
ческим сенсорам [67].
Краткие обзоры недавних достижений в химических сенсорах доступны в про-
должающихся сериях издательства Springer по химическим и биологическим сенсо-
рам под редакцией G. Urban. Прогресс материалов и технологий для химических
сенсоров достаточно полно рассмотрен в сериях под названием "Химические сенсо-
ры" под редакцией Г. Коротченкова, выпущенных издательством Momentum Press
(2010–2012).
Химические сенсоры достаточно представлены в энциклопедических текстах по
физическим и химическим сенсорам в [68].
Большой интерес представляют комплекты прокомментированной технической
документации процессов изготовления химических сенсоров, кроме того, стала до-
ступна документация для различных видов биосенсоров [69–71]. Комплекты до-
кументации, ориентированной на особые виды химических сенсоров, упомянуты
в соответствующих главах.
Развитие и расширение применений химических сенсоров вызвали публикацию
нескольких соответствующих текстов для образовательных целей (например [72–75]).
Всесторонний общий обзор различных видов элементов распознавания, используе-
мых в химических сенсорах, доступен в [76].
Научно-исследовательские работы и обзоры по химическим сенсорам в настоя-
щее время издаются в различных журналах. Два журнала, специализирующиеся
на химических сенсорах, должны быть упомянуты в первую очередь, а именно:
– Biosensors and Bioelectronics (Elsevier),
– Sensors and Actuators B: Chemical (Elsevier).
Существуют также некоторые журналы, представляющие и химические, и физиче-
ские сенсоры; например:
– IEEE Sensors Journal (Institute of Electrical and Electronics Engineers),
– Sensors-Open Access Journal (MDPI – Open Access Publishing).
Большое число вкладок по химическим сенсорам появляется в журналах, пред-
ставляющих общую аналитическую химию, таких как перечисленные ниже:
– Analytica Chimica Acta (Elsevier),
– Analytical Chemistry (American Chemical Society),
– Analytical and Bioanalytical Chemistry (Springer),
– Analytical Letters (Taylor & Francis),
– Analyst (The Royal Society of Chemistry),
– Talanta (Elsevier),
– TrAC Trends in Analytical Chemistry (Elsevier). Этот журнал издает только
обзоры.
Следующие журналы, представляющие электрохимию и электроаналитическую хи-
мию, часто публикуют работы по электрохимическим сенсорам:
– Bioelectrochemistry (Elsevier),
– Electroanalysis (Wiley-WCH),
– Electrochemistry Communications (Elsevier),
– Journal of Electroanalytical Chemistry (Elsevier).
1.10.1. Организация текста книги
Глава 1 вводит общие термины и понятия в науке и технологии химических сен-
соров. Далее главы 2–8 посвящены общим методам распознавания и материалам,
обычно используемым для химических сенсоров, так же как и методам и техноло-
гиям, реализуемым при производстве таких приборов.
Следующие главы ориентированы на различные виды химических сенсоров, клас-
сифицированных в соответствии с методом преобразования. Как правило, сначала
вводятся физические или физико-химические принципы рассматриваемого метода
преобразования. Далее представлены различные типы сенсоров, полученные объ-
единением по рассматриваемому методу преобразования с разнообразными схемами
преобразователей.
Белки широко используются в сенсорах в качестве элементов распознавания,
также как и ферменты, антитела или биологические рецепторы. По этой причине
вторая глава посвящена краткому обзору белковых структур и протеинов.
Глава 3 вводит ферменты и их применение в химических сенсорах для опре-
деления ферментых оснований и ингибиторов фермента, а также как сигнальные
маркеры в аффинных сенсорах. Главные стратегии преобразования в фермента-
тивных сенсорах также представлены в этой главе. Понимание функционирования
ферментативных сенсоров зависит в значительной степени от математического мо-
делирования таких сенсоров. Эта тема представлена в главе 4.
Понимание белка и химии фермента достаточно, чтобы оценить типичные ме-
тоды производства химических сенсоров, которые формируют содержание главы 5.
Общие методы для фиксации элементов распознавания, материалы, используемые
в качестве поддержки фиксации, другие материалы, относящиеся к технологии
сенсоров, так же как и микротехнологии, применяемые в производстве сенсоров,
приведены в этой главе. Другие методы и материалы, которые специфичны для
частных классов химических сенсоров, рассмотрены в последующих главах.
Главы 6 и 7 обращены к методам распознавания, основанным на реакциях аф-
финности. Глава 6 вводит методы опознавания, основанные на антителах и других
естественных и синтетических реактивах аффинности. Особый класс аффинного
взаимодействия включает нуклеиновые кислоты (глава 7). В этом случае взаи-
модействие системы аналит–рецептор основано только на двух типах водородных
связей между комплементарными нуклеобазами. В обеих главах 6 и 7 представлена
общая стратегия преобразования для каждого вида материала преобразования.
Поскольку применение наноматериалов в сенсорной технологии в настоящее вре-
мя является темой огромного интереса, глава 8 описывает структуру и свойства
различных классов наноматериалов и возможностей их применения при производ-
стве сенсоров.
Следующие главы вводят типичные методы преобразования и представляют раз-
личные химические сенсоры, основанные на рассмотренных методах.
Глава 9 вводит сенсоры, в которых преобразование основано на главном свойстве
химических реакций, то есть на тепловом эффекте. Два вида сенсоров рассмотре-
ны в этой главе, а именно ферментативные сенсоры и сенсоры с каталитическим
окислением горючих газов.
Глава 10 представляет методы ионного распознавания и потенциометрические
ионные сенсоры. Кроме того, эта глава вводит ряд химических сенсоров, осно-
ванных на процессах опознавания, приводящих к формированию ионов, таких как
сенсоры, основанные на ферментативной реакции или растворении газов в водных
растворах. Эти сенсоры используют ионные сенсоры как преобразовательные эле-
менты. Глава 11 посвящена продвинутому классу потенциометрических сенсоров,
которые основаны на интеграции полупроводниковых электронных устройств с со-
ответствующими чувствительными элементами.
Частное, но очень важное применение неорганических и органических полу-
проводниковых материалов относится к резистивному газовому восприятию темы,
которая рассматривается в главе 12. Общее свойство глав 11 и 12 заключается в при-
менении полупроводниковых материалов для распознавания и преобразования.
Следующие пять глав посвящены электрохимическим сенсорам, основанным на
динамическом электрохимическом преобразовании, фундаментальные принципы ко-
торых являются объектом главы 13. Содержание глав 14 и 15 составляют ам-
перометрические ферментативные сенсоры; предыдущая глава вводит принципы
разработки таких датчиков, в то время как последующая дает методы расчета ма-
тематического моделирования амперометрических ферментативных сенсоров.
Применение динамических электрохимических методов к аффинным сенсорам
и нуклеино-кислотным сенсорам составляет содержание главы 16. Поскольку в обо-
их случаях распознавание основано на формировании ассоциативных комплексов,
имеется много общих характеристик, привлекаемых из электрохимического преоб-
разования.
Всестороннее исследование динамики электрохимических процессов возможно
с помощью применения электрохимической импедансной спектрометрии. Этот об-
щий метод, так же как и более специализированные методы, являющиеся производ-
ными из него (такие как кондуктометрические и емкостные измерения), представ-
лены в главе 17.
Степень объема, уделенного электрохимическим сенсорам, определяется цен-
тральным положением, занятым этими сенсорами в контексте науки о химических
сенсорах.
Оптическим сенсорам посвящены главы 18–20. Глава 18 представляет общие
принципы химических чувствительных элементов, основанных на световодах. Гла-
ва 19 посвящена дизайну оптических сенсоров вместе с различными методами распо-
знавания и применениями, находящимися на стадии становления. Глава 20 обраще-
на на важную современную тенденцию в развитии оптических сенсоров, состоящую
в применении некоторых наноматериалов в оптических чувствительных элементах.
Глава 21 ориентирована на сенсоры, в основе которых лежит особый тип меха-
нического явления акустическая волна, распространяющаяся в твердых, жидких
и вязкоупругих материалах.
В настоящее время большой интерес вызывает применение микроэлектромеха-
нических систем (MЭМС) в химическом восприятии, и этой тематике посвящена
глава 22. Как в случае акустоволнового сенсора, MЭМС-сенсор реализует преобра-
зование механическими эффектами, полученными как событие распознавания.
Последняя глава, 23-я, вводит сенсоры, основанные на живом материале (клетки,
ткани), в качестве рецепторов распознавания. Эта глава была размещена в конце,
потому что живые материальные сенсоры используют серию методов преобразова-
ния, введенных в предыдущих главах.
Большинство глав и также некоторых разделов были организованы так, чтобы
ввести сначала существенные принципы рассматриваемого типа сенсора. Далее пер-
спективные темы представлены таким образом, чтобы заинтересованный читатель
мог приобрести более глубокие знания в этой области.
Каждая глава дает некоторые ключевые ссылки, чтобы помочь заинтересован-
ному читателю получить первый контакт с соответствующей литературой. Ëèòåðàòóðà
1. Thevenot, D.R., Toth, K., Durst, R.A. et al. (1999) ¾Electrochemical biosensors: Reco-
mmended definitions and classification¿ (Technical Report). Pure Appl. Chem., 71,
2333–2348.
2. Sinclair, I.R. (2001). Sensors and Transducers, Newnes, Boston.
3. Fabbrizzi, L. and Poggi, A. (1995). ¾Sensors and switches from supramolecular chemis-
try¿. Chem. Soc. Rev., 24, 197–202.
4. Heineman, W.R. and Jensen, W.B. (2006). ¾Leland C. Clark Jr. (1918–2005), Biosens¿.
Bioelectron., 21, 1403–1404.
5. Fogg, A.G., Scullion, S.P., Edmonds, T.E. et al. (1990). ¾Adaptation of online reactions
developed for use with flow-injection with amperometric detection for use in disposable
sensor devices reductive determination of phosphate as preformed 12-molybdophosphate
in a capillary-fill device¿. Analyst, 115, 1277–1281.
6. Miller, J.N. and Miller, J.C. (2010). Statistics and Chemometrics for Analytical Chemis-
try, Pearson Prentice Hall, Harlow.
Литература 61
7. Danzer, K. and Currie, L.A. (1998). ¾Guidelines for calibration in analytical chemist-
ry Part 1. Fundamentals and single component calibration (IUPAC recommendations
1998)¿. Pure Appl. Chem., 70, 993–1014.
8. Danzer, K. (2007). Analytical Chemistry: Theoretical and Metrological Fundamentals,
Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg.
9. Otto, M. (2007). Chemometrics: Statistics and Computer Application in Analytical Che-
mistry, Wiley-VCH, Weinheim.
10. Bro, R. (2003). "Multivariate calibration What is in chemometrics for the analytical
chemist?" Anal. Chim. Acta, 500, 185–194.
11. Carey, W.P. and Kowalski, B.R. (1996). "Sensor and sensor array calibration", in
Handbook of Chemical and Biological Sensors (eds R.S. Taylor and J.S. Schultz), Institute
of Physics Publ., Bristol, pp. 287–347.
12. Gardner, J.W. and Bartlett, P.N. (1999). Electronic Noses: Principles and Applications,
Oxford University Press, Oxford.
13. Pearce, T.C., Schiffman, S.S., Troy Nagle, H. et al. (eds) (2003). Handbook of Machine
Olfaction: Electronic Nose Technology, Wiley-VCH,Weinheim.
14. Citterio, D. and Suzuki, K. (2008). ¾Smart taste sensors¿. Anal. Chem., 80, 3965–3972.
15. Zeravik, J., Hlavacek, A., Lacina, K. et al. (2009). ¾State of the art in the field of
electronic and bioelectronic tongues–towards the analysis of wines¿. Electroanalysis, 21,
2509–2520.
16. Legin, A., Rudnitskaya, A., Vlasov, Y. et al. (2000). "Application of electronic tongue for
qualitative and quantitative analysis of complex liquid media". Sens. Actuators B-Chem.,
65, 232–234.
17. Aishima, T. (1991). ¾Discrimination of liquor aromas by pattern-recognition analysis of
responses from a gas sensor array¿. Anal. Chim. Acta, 243, 293–300.
18. Brereton, R. G. (2009). Chemometrics for pattern recognition, Wiley, Chichester.
19. Zupan, J. and Gasteiger, J. (1999). Neural Networks in Chemistry and Drug Design,
Wiley-VCH, Weinheim.
20. James, D., Scott, S.M., Ali, Z. et al. (2005). "Chemical sensors for electronic nose
systems". Microchim. Acta, 149, 1–17.
21. Hines, E.L., Llobet, E., and Gardner, J.W. (1999). "Electronic noses: a review of signal
processing techniques". IEE Proc.-Circuit Device Syst., 146, 297–310.
22. Ruˇziˇcka, J. and Hansen, E.H. (1988). Flow Injection Analysis, Wiley, New York.
23. Trojanowicz, M. (2000). Flow Injection Analysis: Instrumentation and Applications, World
Scientific, Singapore.
24. Ohno, K., Tachikawa, K., and Manz, A. (2008). "Microfluidics: Applications for analyti-
cal purposes in chemistry and biochemistry¿. Electrophoresis, 29, 4443–4453.
25. Ghallab, Y.H. and Badawy, W. (2010). Lab-on-a-Chip: Techniques, Circuits, and Bio-
medical Applications, Artech House, Norwood, MA.
26. Li, P.C.H. (2010). Fundamentals of Microfluidics and Lab on a Chip for Biological
Analysis and Discovery, CRC Press, Boca Raton, Fla.
27. Korotcenkov, G. (ed.) (2011). Chemical Sensors Applications, Momentum Press, High-
land Park, N.J.
28. Ramsay, G. (1998). Commercial Biosensors: Applications to Clinical, Bioprocess, and
Environmental Samples, J.Wiley, New York.
62 Глава 1. Что такое химические сенсоры?
29. Lieberzeit, P.A. and Dickert, F.L. (2007). "Sensor technology and its application in
environmental analysis". Anal. Bioanal. Chem., 387, 237–247.
30. Badihi-Mossberg, M., Buchner, V., and Rishpon, J. (2007). "Electrochemical biosensors
for pollutants in the environment". Electroanalysis, 19, 2015–2028.
31. Wanekaya, A.K., Chen, W., and Mulchandani, A. (2008). "Recent biosensing develop-
ments in environmental security". J. Environ. Monit., 10, 703–712.
32. Trojanowicz, M. (2002)."Determination of pesticides using electrochemical enzymatic
biosensors¿. Electroanalysis, 14, 1311–1328.
33. Palchetti, I. and Mascini, M. (2008). ¾Nucleic acid biosensors for environmental pollution
monitoring". Analyst, 133, 846–854.
34. Leonard, P., Hearty, S., Brennan, J. et al. (2003) Advances in biosensors for detection of
pathogens in food and water. Enzyme Microb. Technol., 32, 3–13.
35. Nayak, M., Kotian, A., Marathe, S. et al. (2009). "Detection of microorganisms using
biosensors-A smarter way towards detection techniques". Biosens. Bioelectron., 25, 661–
667.
36. Varney, M.S. (2000). Chemical Sensors in Oceanography, Gordon and Breach Science
Publishers, Amsterdam.
37. Kroger, S. and Law, R.J. (2005). "Biosensors for marine applications We all need the
sea, but does the sea need biosensors?" Biosens. Bioelectron., 20, 1903–1913.
38. D’Orazio, P. (2003)." Biosensors in clinical chemistry¿. Clin. Chim. Acta, 334, 41–69.
39. Vadgama, P. (2007). "Sensor biocompatibility: Final frontier in bioanalytical measure-
ment". Analyst, 132, 495–499.
40. Wang, J. (2001). "Glucose biosensors: 40 years of advances and challenges". Electroana-
lysis, 13, 983–988.
41. Wang, J. (2008). "Electrochemical glucose biosensors". Chem. Rev., 108, 814–825.
42. Cunningham, D.D. and Stenken, J.A. (eds) (2010). In Vivo Glucose Sensing, John Wiley
and Sons, Hooken N.J.
43. Mascini, M. and Tombelli, S. (2008). ¾Biosensors for biomarkers in medical diagnostics¿.
Biomarkers, 13, 637–657.
44. Prodromidis, M.I. (2010). ¾Impedimetric immunosensors-A review¿. Electrochim. Acta,
55, 4227–4233.
45. Mello, L.D. and Kubota, L.T. (2002). "Review of the use of biosensors as analytical tools
in the food and drink industries". Food Chem., 77, 237–256.
46. Venugopal, V. (2002). "Biosensors in fish production and quality control". Biosens.
Bioelectron., 17, 147–157.
47. Palchetti, I. and Mascini, M. (2008). "Electroanalytical biosensors and their potential for
food pathogen and toxin detection". Anal. Bioanal. Chem., 391, 455–471.
48. Sinfield, J.V., Fagerman, D., and Colic, O. (2010). "Evaluation of sensing technologies
for on-the-go detection of macronutrients in cultivated soils". Comput. Electron. Agric.,
70, 1–18.
49. Freitag, R. (ed.) (1996). Biosensors in Analytical Biotechnology, Academic Press, San
Diego, Calif.
50. Mulchandani, A. and Bassi, A.S. (1995). "Principles and applications of biosensors for
bioprocess monitoring and control". Crit. Rev. Biotechnol., 15, 105–124.
Литература 63
51. Smith, R.G., D’Souza, N., and Nicklin, S. (2008). "A review of biosensors and biologically-
inspired systems for explosives detection". Analyst, 133, 571–584.
52. Gooding, J.J. (2006). "Biosensor technology for detecting biological warfare agents:
Recent progress and future trends". Anal. Chim. Acta, 559, 137–151.
53. Shah, J. and Wilkins, E. (2003). "Electrochemical biosensors for detection of biological
warfare agents". Electroanalysis, 15, 157–167.
54. Tok, J.B.H. (ed.) (2008). Nano and Microsensors for Chemical and Biological Terrorism
Surveillance, RSC Publishing, Cambridge.
55. Janata, J. (1989). Principles of Chemical Sensors, Plenum Press, New York.
56. Janata, J. (2009). Principles of Chemical Sensors, Springer-Verlag US, Boston, MA.
57. Hall, E.A.H. (1990). Biosensors, Open University Press, Milton Keynes, England.
58. Scheller, F.W. and Schubert, F. (1992). Biosensors, Elsevier, Amsterdam.
59. Cunningham, A.J. (1998). Introduction to Bioanalytical Sensors, Wiley, New York.
60. Turner, A.P.F., Karube, I., and Wilson, G.S. (eds) (1987). Biosensors: Fundamentals
and Applications, Oxford University Press, Oxford.
61. Edmonds, T.E. (ed.) (1988). Chemical Sensors, Blackie, Glasgow.
62. G¨opel, W. (ed.) (1991). Chemical and Biochemical Sensors, vol. 1, 2, VCH Verlagsgesel-
lschaft, Weinheim.
63. Taylor, R.F. and Schultz, J.S. (eds) (1996). Handbook of Chemical and Biological Sensors,
Institute of Physics Publ., Bristol.
64. Kress-Rogers, E. (ed.) (1997). Handbook of Biosensors and Electronic Noses: Medicine,
Food, and the Environment, CRC Press, Boca Raton, Fla.
65. Gorton, L. (ed.) (2005). Biosensors and Modern Biospecific Analytical Techniques, Else-
vier, Amsterdam.
66. Knopf, G.K. and Bassi, A.S. (eds) (2007). Smart Biosensor Technology, CRC Press, Boca
Raton.
67. Alegret, S. and MerkoSci, A. (eds) (2007). Electrochemical Sensor Analysis, Elsevier,
Amsterdam.
68. Grimes, C.A., Dickey, E.C., and Pishko, M.V. (eds) (2006). Encyclopedia of Sensors,
American Scientific Publishers, Stevenson Ranch, Calif.
69. Cass, A.E.G. (ed.) (1990). Biosensors: A Practical Approach, IRL Press, Oxford.
70. Cooper, J.M. and Cass, A.E.G. (eds) (2004). Biosensors: A Practical Approach, Oxford
University Press, New York.
71. Rasooly, A. and Herold, K.E. (eds) (2009). Biosensors and Biodetection: Methods and
Protocols, Humana Press, New York.
72. Eggins, B.R. (1996). Biosensors: An Introduction, J. Wiley, Chichester.
73. Eggins, B.R. (2002). Chemical Sensors and Biosensors, J. Wiley, Chichester.
74. Diamond, D. (ed.) (1998). Principles of Chemical and Biological Sensors, Wiley, New
York.
75. Gr¨undler, P. (2007). Chemical Sensors: An Introduction for Scientists and Engineers,
Springer-Verlag, Berlin.
76. Zourob, M. (ed.) (2010). Recognition Receptors in Biosensors, Springer, New York.
ГЛАВА 2 Структура и свойства протеинов
Биосенсоры это химические сенсоры, которые распознают целевые молекулы
при помощи веществ биологического происхождения, включая протеины. Две кате-
гории протеинов особенным образом относятся к биосенсорам, а именно ферменты
и антитела.
Ферменты и антитела созданы природой для выполнения важных задач, осно-
ванных на специфическом взаимодействии с другими видами химических веществ.
Такие соединения преимущественно могут быть использованы для наделения сен-
соров на основе биологического материала свойством избирательности.
Эта глава дает краткий обзор структур и свойств протеинов, чтобы помочь по-
ниманию их поведения в случае применения в сенсорах.
Молекулы протеинов это полимеры, состоящие из последовательности остат-
ков -аминокислот. Такие молекулы показывают высокую степень организации,
включая слабые и сильные взаимосвязи между различными областями вдоль моле-
кулы, а также между отдельными молекулами.
2.1.Аминокислоты
-аминокислоты имеют общую структуру, приведенную на рис. 2.1. Каждая мо-
лекула отображает атом водорода и карбоксильную группу, связанную с централь-
ным атомом углерода. Аминокислоты отличаются друг от друга природой чет-
вертой группы, причем R боковая связь, свойственная этому атому углерода.
Простейшая аминокислота это глицин, в котором R является атомом водорода.
В других аминокислотах R может быть алифатической группой (например –CH3
в аланине), кислотной группой (например –CH2COOH в аспарагиновой кислоте),
щелочной группой (например –(CH2)4NH2 в лизине), неионной полярной группой
(например –CH2OH в серине, –CH2CONH2 в аспарагине) или гидрофобной арома-
тической группой (в тирозине и триптофане). Определенная боковая связь создает
в каждой аминокислоте специфичный размер и форму и вводит такие свойства, как
гидрофобность или гидрофильность, кислотный или щелочной характер, положи-
тельный или отрицательный заряд, а также полярный характер боковой связи.
Исключая глицин, -аминокислоты содержат асимметрично замещенный атом
углерода и проявляют оптическую изомерию. Все естественные -аминокислоты
имеют L-структуру.
Так как каждая молекула аминокислоты содержит как минимум две группы,
способных подвергаться реакции переноса протона, их состояние протонирования
в растворе зависит от уровня pH раствора (рис. 2.1). Константа ионизации (pKa)
Рис. 2.1. α-аминокислота и ее равновесие протонирования
карбоксильной группы (–COOH) равна примерно 2, тогда как значение констан-
ты ионизации протонированной аминогруппы (–NH+3
) численно находится между
9 и 10. Согласно индукционным электрическим эффектам константа ионизации
зависит от некоторой протяженности структуры боковой цепочки. Как следствие
равновесия протонирования/диссоциации при уровне pH > 2 карбоксил полностью
ионизируется до –COO−, в то время как аминогруппа полностью протонируется
до –NH+3
при уровне pH < 10. В нейтральных растворах обе группы находятся
в ионизированном состоянии и большинство молекул пребывают в форме гибридно-
го иона (цвиттер-ион) с нулевым суммарным зарядом. Уровень pH, при котором
все аминокислотные молекулы находятся в форме цвиттер-иона, называют изоэлек-
трической точкой (pI). Дополнительное равновесие протонирования наблюдается,
если боковая цепочка содержит ионизируемые группы.
Рис. 2.2. Цистино-окислительная димеризация, приводящая к цистиновой молекуле (дисуль-
фидный мост)
Аминокислота является элементом существенной важности в определении про-
теиновой структуры, которая является цистеином с R = –CH2–SH (рис. 2.2). Две
молекулы цистеина могут образовать дисульфидную связь (–S–S–) посредством ре-
акции окисления. Такая мостовая связь между остатками цистеина в основе проте-
ина благоприятствует стабилизации трехдимензиональной конфигурации молекулы
протеина. В дополнение дисульфидный мостик может служить средством соедине-
ния макромолекулярных цепочек двух отдельных индивидуальных протеинов. 2.2.
Химическая структура протеинов
Протеины образуются из аминокислот, используя информацию, зашифрованную
в генах. У каждого протеина своя уникальная последовательность аминокислот,
которая определяется последовательностью нуклеотидов уместных генов. Связь
двух молекул аминокислот происходит через реакцию конденсации, как показано
на рис. 2.3, и продукт, называемый дипептидом, образуется таким же образом,
а в дальнейшем он может образовать связь с другой аминокислотой и сформировать
трипептид.
Рис. 2.3. Уплотнение двух молекул аминокислот, приводящее к дипептиду
Последовательность реакций, подобная показанной на рис. 2.3, ведет к фор-
мированию полипептидов (рис. 2.4, а). В полипептидах и протеинах отдельные
аминокислотные остатки соединяются пептидными связями (т. е. группой –CO–
NH–). В этих группах одиночная пара электронов атома азота делокализована,
придавая связи C–N характер частичной двойной связи (рис. 2.4, б). Это блокирует
возможность ротации вокруг C–N-связи и придает пептидной связи плоскую форму.
Рис. 2.4. а) Полимерная структура полипептида; б) резонансная структура пептидной связи;
в) водородная связь между двумя пептидными связями 2.3.Ñòðóêòóðàìàêðîìîëåêóëïðîòåèíà
Молекулы протеина отличают несколько уровней организации. Первый уровень
определяет просто последовательность аминокислот. Более высокие уровни органи-
зации придают протеину его характерную объемную форму в трех измерениях.
Первичная структура протеина создается однокоординатным распространением
аминокисот вдоль полимерной цепи.
Решающим значением для протеиновой структуры является способность пептид-
ных связей формировать водородные связи между ними, как показано на рис. 2.4, в.
Водородные связи между пептидными связями содействуют в осуществлении про-
цесса самоорганизации протеиновой цепочки, который формирует вторичную струк-
туру протеина. Важнейшими конфигурациями этого типа являются -спираль и
-слой.
Для формирования -спирали полипептидная основа скручивается правовраща-
тельным витком, который позволяет боковым цепочкам располагаться на наружной
части цепочки (рис. 2.5, а). Стабильность данной структуры поддерживается во-
дородными связями между пептидными соединениями. Как правило, -спираль
представлена свернутой лентой (рис. 2.6), плоской полоской или трубкой. Один
оборот -спирали состоит из 3,6 аминокислот, которые располагают группу –C––
O
Рис. 2.5. Элементы вторичной структуры протеина: а) структура ¾α-спираль¿; б) β-нить;
в) β-слой. Использовано с разрешения [3]. Copyright 2010 Wiley, Hoboken
точно по линии с группой –N–H следующих четырех аминокислот вдоль молекулы,
что позволяет формироваться водородным связям.
-нить (рис. 2.5, б) является последовательностью аминокислот, чьи пептид-
ные боковые связи почти полностью вытянуты. Они, как правило, представлены
стрелкой, указывающей в сторону C-окончания молекулы (рис. 2.6). Совокупность
таких нитей, присоединенных водородными связями друг к другу, формирует -слой
(рис. 2.5, в). Два или более пограничных -слоев имеют возможность группировать-
ся в антипараллельной, параллельной или смешанной форме. -слой проявляет
явную склонность к закручиванию и сгибам, отсюда происходит отклонение от иде-
ально параллельной организации как таковой, показанной на рис. 2.5, в. Благодаря
эластичности водородных связей скручивание цепей и изгибы нисколько не препят-
ствуют образованию -слоев из -нитей.
Рис. 2.6. Сворачивание полипептидной ленты, иллюстриру-
ющее пошаговую самоорганизацию протеина от первичной до
вторичной к третичной структуе. Вторичная структура ста-
билизирована водородными связями между атомами N и O в
пептидных связях. Третичная
структура стабилизирована химическими связями, вовлекаю-
щими боковые цепи. Опубликовано с разрешения [2]. Copyright
2000 John Wiley & Sons, Inc.
Дополнительные взаимодействия отдаленных областей полипептида побужда-
ют элементы вторичной структуры присоединяться самостоятельно в определенном
порядке, который представляет собой третичную структуру протеина (рис. 2.6).
Такая структура может стабилизироваться дисульфидными мостиками и некова-
лентными связями, включающими функциональные возможности боковых цепочек.
Нековалентная химическая связность в протеинах обсуждается в разделе 2.4.
В третичной структуре соединение между организованными областями осуществ-
ляется посредством неорганизованных частей цепочки (петлями) или небольшими
поворотами, стабилизированными нековалентными связями.
Пример третичной структуры протеина с типичными элементами вторичной струк-
туры показан на рис. 2.7, а. Этот частный вид протеина также включает в се-
бя небольшие непротеиновые вещества (дигидрофолат и NADP+), присоединенные
нековалентными связями.
Рис. 2.7. а) Третичные структуры кишечной палочки фермента дигидрофолатредуктаза в ка-
честве третичной структуры с основой (дигидрофолат) и коферментом NADP+.
Взято из http://www.rcsb.org/pdb/explore/explore.do?structureId=1DRE. б) Четвер-
тичная структура гемоглобина. Также показаны группы гемо-железа. Взято из
http://www.rcsb.org/pdb/explore/explore.do?structureId=1A3N. Последний доступ:
15.05.2012
Некоторые молекулы протеина состоят из двух или более полипептидных це-
почек, связанных нековалентными связями, а иногда дисульфидными мостиками.
Части определенных пептидов также могут попасть во внутримолекулярный состав
-слоев. Принятая таким соединением формация молекул полипептидов образует
четвертичную структуру протеина.
В качестве примера рис. 2.8 отображает четвертичную структуру гемоглобина
тетрамер, состоящий из четырех отчетливых цепочек: двух схожих -цепочек и двух
похожих -цепочек.
Множество протеинов встречаются в смешанных с полисахаридами (гликопроте-
ины) или жирами (липопротеины) состояниях.
2.4. Нековалентные химические связи
На рис. 2.8 объединены главные виды нековалентных связей, которые определя-
ют соединение макромолекул протеина [4]. К ним относятся водородные связи (а),
ионные связи (б) и гидрофобные взаимодействия сил Ван-дер-Ваальса (в), при-
чем последние характерны для электромагнитного взаимодействия, возникающего
в результате колебаний распространения заряда в пределах атома. В отличие от ко-
валентных связей приведенные нековалентные связи не имеют определенной длины
и силы.
Рис. 2.8. Примеры нековалентных связей с включением боковых цепочек: а) водородная
связь; б) ионная связь (соляной мостик); в) гидрофобная связь (R гидрофобные
боковые цепочки); г) водяной мостик с водородной связью между карбоксильной и
аминной группой. Толстые линии представляют собой основы протеина
Главную роль в образовании ферментов также играет вода. Она может ста-
билизировать некоторые структуры посредством образования водородных связей,
которые соединяют две различных области (рис. 2.8, г). Более того, связь воды с
полярными и ионными группами вызывает сольватацию протеинов и ведет к рас-
творимости протеинов в воде, когда такие группы достигают внешней поверхности
молекулы.
Некоторые ионы металла также могут создавать специфические протеиновые
структуры (рис. 2.9) посредством взаимодействия с боковыми цепочками. Таким
образом, щелочные и щелочноземельные ионы связываются электростатическими
силами, вовлекая анионы (такие как карбоксилат в аспарагиновой кислоте) и отри-
цательные окончания диполей (такие как –C––
O в аспарагине и ––
NH в аргинине,
рис. 2.9, а). Так как электростатические взаимодействия не ориентированы про-
странственно, формирование электростатических связей сталкивается с небольшим
количеством ограничений, поскольку направление и протяженность ограничены.
Длина и сила таких связей может изменяться в широком диапазоне.
Ионы переходных металлов формируют координационные связи, которые спе-
циально строго пространственно ориентированы в соответствии с молекулярными
орбитами (рис. 2.9, б). К тому же протяженность и сила координационных связей
ограничены законами квантовой механики. Поэтому ионы переходных металлов
образуют жесткую структуру.
Рис. 2.9. Связь ионов металла в протеинах: а) ион кальция поддерживается электроста-
тическими связями в кадгерине 23. Взято из http://www.rcsb.org/pdb/explore/
explore.do?structureId=2WBX. б) Zn2+ в алкогольной дегидрогеназе. Координа-
ция металла выполняется двумя атомами серы из остатков цистеина и азотом из
имидазольного кольца в остатке гистидина. Кривые линии отображают основу
протеина. Взято из http://www.rcsb.org/pdb/explore/explore.do?structureId=1SBY.
Последнее посещение: 15.05.2012 2.5.Ïðîòåèíûâïðîöåññàõðàñïîçíàâàíèÿ
В живых организмах множество протеинов выполняют функцию рецепторов, свя-
зываясь с определенным лигандом в целях формирования соединения, называемого
комплексом (не путать с координационными соединениями ионов металла). Со-
единение в таком комплексе происходит нековалентными связями, которые обес-
печивают стабильность благодаря их большому количеству. Пример третичного
комплекса показан на рис. 2.7, а, в котором протеин соединен с двумя непротеинами
для формирования третичного комплекса. Детали связи в комплексе маленькой мо-
лекулы сахара с авидином показаны на рис. 2.10. Полученный в результате комплекс
стабилизируется гидрофобными и водородными связями. Высокая специфичность
образования таких комплексов обусловлена химической и пространственной ком-
плементарностью задействованных молекул. Однако идеальное пространственное
соответствие не всегда основополагающе, так как рецепторная область часто может
подвергнуться формационной реорганизации при взаимодействии с лигандом.
Особое отношение к применению в биосенсорах имеют ферменты и антитела.
Ферменты действуют как катализатор в биохимических реакциях. Первым шагом
в ферментной реакции является специфичное соединение лиганда с активной по-
верхностью фермента. Как только комплекс сформировался, лиганд подвергается
химической реакции. Продукты реакции покидают область рецептора и оставляют
ее свободной для дальнейшего взаимодействия со следующей молекулой лиганда.
Такой каталитический цикл повторяется, пока лиганд доступен. Комплекс, подвер-
гающийся каталитической перегруппировке под воздействием фермента, называют
ферментным субстратом (коротко субстратом). Очевидно, что взаимодействия
системы фермент–субстрат не находятся в равновесии, но все же они подчиняют-
ся законам химической кинетики. Когда в биосенсоре используют фермент как
распознающий элемент, всякое физическое или химическое последствие реакции тео-
ретически может быть использовано для контроля протекания реакции и в качестве
эффекта преобразования.
Рис. 2.10. Соединение сахарида (2-(ацетиламино)-2-
деокси-а-D-глюкопираноза)
с авидином. Сплошные прямые линии: гидрофобные свя-
зи;штриховая линия: водородные связи. Взято из: http://
www.rcsb.org/pdb/explore/ex-
plore.do?structureId=2AVI.
Последний доступ: 15.05.2012
Антитела являются протеинами, производящимися иммунной системой организ-
ма для его защиты от потенциально вредоносных веществ, называемых антиге-
нами. Антитело селективно связывает антиген нековалентными связями. Взаи-
модействие такого рода завершается в химическом равновесии, и, следовательно,
стабильность этого комплекса может быть описана терминами термодинамических
функций. В биосенсорах антитела могут быть использованы в качестве рецептора
лиганда, который является аналитом. Альтернативно антиген возможно применить
для определения присутствия антител. Физические явления (такие как изменение
массы) или сигнальные метки (например люминесцентные отметки, прикрепленные
к одному из реактивов) позволяют обнаружить комплекс в целях создания сигнала
преобразования.
2.6.Перспективный обзор
Аминокислоты могут формировать посредством реакций конденсации полимеры,
называемые протеинами. Молекула протеина состоит из линейной последователь-
ности аминокислот, соединенных друг с другом с помощью пептидных связей, со
свободной аминогруппой на одном конце молекулы и с карбоксильной группой на
другом. Последовательность аминокислот, осаждающаяся в протеине, определяет-
ся генетическим кодом организма. Эта последовательность формирует первичную
структуру молекулы протеина. Водородные связи между группами –NH и –C––
O в основе стабилизируют частные формирования, такие как -спирали и -слои,
которые представляют собой следующий уровень организации, называемый вторич-
ной структурой. Дальнейшая организация протеина включает пространственное
расположение этих элементов вторичной структуры, которые формируют третич-
ную структуру протеина и являются результатом образования химических связей с
использованием боковых цепочек. Некоторые молекулы протеина являются резуль-
татом реакции нескольких определенных цепочек полипептидов, которые возникают
за счет нековалентных связей, а иногда за счет формирования дисульфидных мо-
стиков. Эту окончательную организацию называют четвертичной структурой.
Всестороняя информация о структуре протеина доступна в специализированных
базах данных, таких как Protein Data Bank на сайте http://www.pdb.org/pdb/home/
home.do. Каждая структура в этой базе данных идентифицируется четырехзначным
индексом (например 2AVI для протеина по рис. 2.10).
Первичная структура основывается на стабильных ковалентных связях. В про-
тивоположность этому более высокие уровни организации преимущественно осно-
ваны на нековалентных связях, которые подвержены изменениям под воздействи-
ем различных факторов, таких как уровень pH, ионная сила, температура, состав
раствора. Отклонения в более высоких уровнях структуры приводят к денатура-
лизации протеинов, которая, в свою очередь, вызывает утрату природных свойств
самого протеина. Ввиду данного обстоятельства протеин считается относительно
чувствительным веществом при использовании в искусственных средах. В зависи-
мости от обстоятельств денатурализация может являться обратимым или необра-
тимым процессом.
Применение протеинов в биосенсорах зависит от свойств некоторых молекул
такого типа в целях присоединения определенного лиганда несколькими некова-
лентными связями для получения комплекса. Любые физические или химические
последствия формирования комплекса могут быть использованы в целях преобра-
зования.
Вопросы и упражнения
1. Что такое обобщенная структура -аминокислоты? Дайте обзор общих свойств ами-
нокислот. Прокомментируйте частные характеристики некоторых аминокислот и объ-
ясните причину их особого поведения.
2. Используйте интернет-ресурсы и подготовьте список протеиногенных -аминокислот,
сгруппированных согласно их характеристикам относительно боковых цепочек.
3. Напишите химическую формулу пептида, состоящего из последовательности глицина,
цистеина и лизина, и еще одну для пептида, состоящего из аспарагина, глицина, аспа-
рагиновой кислоты и цистеина. Возможно ли соединить упомянутые выше пептиды
ковалентной связью?
4. Почему протеин подвергается денатурализации, если уровень pH отклоняется от есте-
ственного значения?
5. Что может произойти, если водный раствор протеина смешать с неводяным раствори-
телем?
6. Водорастворимый протеин может быть осажден инертной солью (такой как суль-
фат аммония) благодаря эффекту высаливания. Каковы изменения на молекулярном
уровне, приводящие к изменению растворимости?
7. Присутствует ли взаимодействие системы рецептор–лиганд на рис. 2.7, а? Что явля-
ется рецептором, а что лигандами?
8. Зайдите на веб-сайт Protein Data Bank, откройте файлы структуры комплексов, изоб-
раженных на рис. 2.9 и 2.10, и проверьте внутриатомные расстояния. Найдите взаи-
мозависимость между природой химической связи и ее протяженностью.
9. Найдите структуру PDB ID: 2WDO в базе данных Protein Data Bank и изучите связь
глицерола и Mg2+ в этой молекуле протеина.
10. Откройте структуру PDB ID: 1E9Z (фермент уреазы) в базе данных Protein Data
Bank и скачайте структуру комплекса Ni(II) с помощью меню лиганда химического
компонента. Прокомментируйте связь ионов никеля в этом ферменте. Ëèòåðàòóðà
1. Whitford, D. (2005). Proteins: Structure and Function, John Wiley & Sons, Chichester.
2. Copeland, R.A. (2000). Enzymes: A Practical Introduction to Structure, Mechanism, and
Data Analysis, Wiley-VCH, New York.
3. Karp, G. (2010). Cell Biology, John Wiley & Sons, Hoboken, N.J.
4. Chang, R. and Chang, R. (2004). Intermolecular forces, in Physical Chemistry for the
Chemical and Biological Sciences, University Science Books, Sausalito, Calif, pp. 669–700.
Интенсивное развитие научных областей биотехнологии, микроэлектроники и ин-
форматики естественным образом привело к их взаимодействию в направлении
создания биоэлектронных устройств, позволяющих расширить возможности челове-
ка как в познании свойств окружающей среды, элементом которой следует считать
собственно человека, так и в получении средств управления обобщенной средой.
В части технических средств в последнее время ускоренно развивается новое на-
правление, называемое микросистемотехникой, которое ориентировано на использо-
вание достижений микроэлектроники и пограничных явлений различных сред, пред-
ставляемых оптоэлектроникой, акустоэлектроникой, магнитоэлектроникой, крио-
электроникой, хемотроникой и биоэлектроникой. Парадигма микросистемотехники
состоит в обнаружении и измерении заданного свойства физической, химической
или биологической среды, преобразовании полученной характеристики в электрон-
ное представление, обработке его средствами вычислительной техники с целью на-
правленного управления средой. Очевидно, что процедура метода микросистемо-
техники начинается с сенсорики состояния среды. В настоящее время достаточно
полно освоена не только разработка физических сенсоров, но и созданы системы
управления физическими средами, поскольку такая задача наиболее актуальна в
промышленном, транспортном и экологическом применении. Наиболее перспек-
тивными по технологическим, конструктивным, электрическим и климатическим
требованиям представляются сенсоры на основе акустоэлектронного эффекта
поверхностных акустических волн (ПАВ), с использованием которого созданы и про-
мышленно выпускаются ПАВ-сенсоры таких характеристик физических сред как
давление (жидкостей и газов), температура, деформация, механическое напряже-
ние, сила, перемещение, скорость, ускорение. Использование ПАВ-сенсоров пара-
метров физических сред позволило разработать системы управления стабилизацией
летательных аппаратов (ПАВ-гироскопы), подачи водяного потока на гидротурбины
большой мощности, управления работой высоковольтных энергетических установок,
обеспечения конструкционной безопасности промышленных и гражданских строи-
тельных сооружений и др.
Что же касается химических и биологических сред, то в этом направлении науч-
ный прогресс, преимущественно, ориентирован на исследовательские и аналитиче-
ские цели. Соответственно химическая и биологическая сенсорика, обогатившаяся
достаточным объемом методов и средств получения информации о состоянии сред,
объективно потребовала обобщения и осмысления накопленного опыта с целью выде-
ления наиболее перспективных направлений для промышленного освоения как соб-
ственно сенсоров, так и систем на их основе, среди которых первоочередными пред-
ставляются устройства искусственного носа и языка, естественно, в электронном
исполнении. И если последние устройства выполняют функцию селективного обна-
ружения заданных веществ и их композиций в выборке, то на основе химических
сенсоров, создающих выходной сигнал, пропорциональный концентрации целевого
вещества, возможна реализация систем управления средой. В дополнение актуаль-
ной стала еще одна задача: для борьбы с террористическими проявлениями необ-
ходимо создание технических средств, которые позволят с высокой достоверностью
обнаруживать опасные химические, биологические, взрывчатые и наркотические ве-
щества в сверхмалых концентрациях, а системы на их основе создадут возможность
локализации и обезвреживания носителей или источников опасных веществ.
22 Введение научного редактора перевода
Вышеназванные побудительные мотивы определили актуальность появления пред-
ставляемой российскому научно-техническому сообществу книги проф. Ф-Г Баника
"Химические и биологические сенсоры".
В книге достаточно полно представлена теория функционирования химических
и биологических сенсоров различных типов: ферментативных, иммунных, термохи-
мических, потенциометрических, полупроводниковых (химических), хемирезистив-
ных, амперометрических, электрохимических (аффинных и нуклеино-кислотных),
импедометрических, оптических (включая Рамановскую спектрометрию) и акусто-
волновых. Особое внимание уделено практическому аспекту проектирования и про-
изводства химических и биологических сенсоров применению элементов микро-
электронной технологии, методов золь-гель химии, нековалентной иммобилизации
и ковалентного сопряжения, инкапсуляции, а также самых передовых материалов:
естественных и синтетических полимеров, металлических наноматериалов, углерод-
ных и кремниевых нанотрубок, полимерных и неорганических волокон, магнитных
микро- и наночастиц, халькогенидных стекол, пористого кремния и люминисцент-
ных наноматериалов лантаноидных соединений. Рассмотренные технологии произ-
водства и используемые материалы подвергаются сравнительному анализу, ориен-
тированному на достижение конкурентных рыночных преимуществ.
Для оценки качества сенсора в целом предлагаются такие характеристики, как
надежность измерений, селективность, чувствительность (предел обнаружения), спо-
собность определения количества целевого вещества, интерференционная устойчи-
вость к воздействию сопутствующих веществ (специфика или помехоустойчивость),
динамический диапазон, разрешающая способность и время формирования ответ-
ного сигнала.
Достаточно большой объем книги посвящен методам преобразования химических
и биологических сред в электронный сигнал, то есть одному из начальных и суще-
ственному этапу в последовательности реализации функции сенсора. Среди методов
электрохимического преобразования рассматриваются: хроноамперометрия при по-
стоянном токе полярография, вольтамперометрии с линейным сканированием, цик-
лическая, импульсная, и прямоугольно-волновая разновидности вольтамперометрия
при постоянном токе, вольтамперометрия при переменном токе. Для сенсоров на ос-
нове электрического импеданса рассмотрены методы: электрохимической импеданс-
ной спектрометрии, электрохимического импедансного преобразования в аффинных
сенсорах, кондуктометрического преобразования в том числе хеморезистивными
материалами. В оптических сенсорах анализируются спектрохимичееские методы
преобразования на основе эффектов поглощения света, диффузной отражатель-
ной спектрометрии, люминисценции, флуоресцентной спектроскопии, резонансного
переноса энергии и Рамановской спектрометрии. Показано, что для целей хемооп-
тического преобразованя могут быть использованы некоторые физические приборы:
резонансное зеркало, резонансная волноводная решетка, оптические микрорезона-
торы и фотонные кристаллы.
В акустоэлектронных сенсорах результат хемотронного преобразования, как пра-
вило, отображается в измененнии частоты поверхностной акустической волны, тогда
как в случае вольтамперометрических, импедансных, кондуктометрических методов
электрохимического преобразования результат измерения состояния среды выража-
ется в микро- и наноамперах или микровольтах, поэтому электронная обработка сиг-
налов столь малых значений требует более сложного оборудования, чем определение
частоты акустической волны, и в этом отношении ориентация на акустоэлектронные
методы преобразования представляется весьма перспективной.
И, наконец, в микрокантилеверных сенсорах процедура преобразования завер-
шается измерением либо изменения частоты резонансных колебаний микроканти-
левера, либо отклонения кантилевера за счет нагрузки массой, причем последнее
измерение производится оптическими методами, свободными от влияния электро-
магнитных помех.
Следует заметить, что последние два типа сенсоров в основе используют тех-
нологии, достаточно хорошо освоенные микросистемотехникой для получения ин-
формации о состоянии физических сред. Поэтому такое обстоятельство позволяет
полагать, что это взаимодействие создает перспективу расширения применения ме-
тодов микросистемотехники на управление химическими и биологическими средами.
Сложившаяся тенденция определила актуальность публикации книги на русском
языке.
Первоначально предполагалось издать русскоязычный вариант книги в 2013 го-
ду, однако, проф. Ф.-Г. Баника, получив информацию о планах издателя РИЦ
"ТЕХНОСФЕРА" сделал предложение опубликовать в России сразу 2-е, исправ-
ленное и дополненное издание книги, которое в настоящее время подготавливается
издательством John Wiley & Sons, Ltd на английском языке для выпуска в 2016
году. По согласованию с обладателем прав на издание книги настоящий текст
представляет собой 2-е издание, которое будет полезным для разработчиков микро-
системотехнических устройств, а также преподавателям, аспирантам и студентам,
специализирующимся в областях сенсорики, в том числе интеллектуальных сенсор-
ных систем.
Научный редактор перевода приносит благодарность переводчику книги к.т.н.,
доц. И.М. Лазеру за плодотворную дискуссию относительно возможностей и пер-
спектив взаимодействия технологий микросистемотехники и химикобиологической
сенсорики с целью создания систем управления химическими и биологическими
средами. Также следует выразить признательность директору книгоиздательских
программ РИЦ "ТЕХНОСФЕРА" С.А. Орлову за конструктивность проведения
переговоров с издательством John Wiley & Sons, Ltd, результатом которых было
получение прав на перевод и выпуск книги сразу во 2-м издании.
Научный редактор перевода
д.т.н., проф. В.А. Шубарев
Введение к русскому изданию
Было приятным сюрпризом узнать в начале 2013 года, что русская версия этой
книги будет опубликована издательством "Техносфера" в Москве. Без сомнения,
для любого автора прямой доступ русскоговорящей аудитории ученых к его работе
является удовлетворением и вознаграждением за его усилия.
Развитие химических сенсоров было вызвано ростом спроса на недорогие устрой-
ства, которые могли бы обеспечить аналитическую информацию в режиме реаль-
ного масштаба времени для различных применений, таких как контроль промыш-
ленных процессов, тестирование загрязнения окружающей среды на месте выпол-
нения анализа, а также проведениение децентрализованных клинических анализов.
В соответствии с международной тенденцией, различные научно-исследовательские
группы в России вовлекаются в работу в области химической сенсорики. Следова-
тельно, в этом контексте может представлять интерес краткое освещение основных
элементов вклада российских ученых в развитие и прогресс науки и технологии
химической сенсорики.
Первым видом химических сенсоров, которые возбудили широкий интерес в при-
менении для рутинного химического анализа, были потенциометрические ионные
сенсоры. Эта тенденция находит свое отражение и в работе различных исследова-
тельских групп на территории бывшего СССР и нынешней Российской Федерации.
Начнем с вклада, связанного с кафедрой радиохимии Санкт-Петербургского госу-
дарственного университета. Широко известен и оценен результат проф. Ю.Г. Власо-
ва в области прогресса ионных сенсоров на основе халькогенидного стекла, начиная
от одночного сенсора и далее к сенсорным матрицам для создания искусственно-
го языка. Проф. К.Н. Михельсон и его коллеги (СПбГУ) активно работают в
области создания ионно-селективных электродов с непосредственным контактом,
разработки новых полимерных материалов для ионно-селективных мембран и ма-
тематического моделирования процесса распознавания ионов ионофором на основе
ионно-чувствительных мембран. В Московском государственном университете им.
М.В. Ломоносова, химический факультет, доц. Н.В. Шведене и ее группа решили
несколько аспектов в области ионно-селективных электродов, таких как развитие
потенциометрических сенсоров для органических ионов и применение ионных жид-
костей и фталоцианинов в качестве компонентов ионно-селективных мембран.
Исследования в области биосенсоров в России были начаты (насколько мне из-
вестно) в Институте физической химии и электрохимии (Российская академия наук,
Москва) в работах д.х.н. В.А. Богдановской и проф. М.Р. Тарасевича по электрохи-
мии окислительно-восстановительных ферментов и развития ферментных электро-
химических сенсоров.
Одновременно следует упомянуть группу кафедры химии Казанского государ-
ственного университета в лице проф. Г.А. Евтюгина и проф. Г.К. Будникова,
которые сделали свой вклад в области химических сенсоров для органических за-
грязнителей на основе ингибирования ферментов. Совсем недавно, эта группа при-
близилась к применению наноматериалов, биомиметических материалов и микро-
организмов в химической сенсорике.
Особого упоминания заслуживает работа проф. А.Н. Решетилова и его группы из
Института биохимии и физиологии микроорганизмов им Г.К. Скрябина (РАН). Этот
коллектив специализируется на использовании микроорганизмов и целых клеток как
чувствительных элементов в химических сенсорах.
К использованию химических сенсоров в качестве исследовательских инстру-
ментов в биомедицинских исследованиях с особым упором на биохимию протеинов
подошла группа в НИИ биомедицинской химии им В.Н. Ореховича (РАМН) в том
числе академик А.И. Арчаков, д.б.н. Ю.Д. Иванов, к.б.н. O.В Гнеденко и др.
В Институте биохимии им А.Н. Баха (РАН), д.х.н. С.В.Шлеев и проф. А.И. Яро-
полов в сотрудничестве с исследовательскими группами из других стран сделали су-
щественный вклад в продвижение химических сенсоров на основе медьсодержащих
ферментов и конструкции электрохимических сенсоров на основе прямого переноса
электрона между ферментом окислительно-восстановительного центра и электродом.
Область газовых сенсоров хорошо представлена группой д.х.н. М.Н. Румянце-
вой кафедры неорганической химии МГУ им. М.В. Ломоносова. Основная сфера
интересов этой группы ориентирована на резистивные газовые сенсороы на осно-
ве полупроводниковых оксидов металлов. В последнее время работы этой группы
сосредоточены на наноструктурированных материалах для газовой сенсорики.
Часто говорят, что современный мир превращается в большую деревню. Среди
многих других коннотаций, это заявление указывает также на мобильность че-
ловеческих ресурсов, причем ученые являются одной из самых мобильных кате-
горий. Российскому читателю должно быть интересно узнать о некоторых уче-
ных, воспитанных в Российской Федерации или на территории бывшего СССР,
которые дальнейшее успешное развитие исследований в области химической сен-
сорики продолжили за рубежом. Это далеко не исчерпывающий переченнь, но
следует упомянуть следующие персоналии: проф. Е. Кац (Clarkson University,
USA, интересы- биоэлектроника, биовычисления и наноматериалы как основа био-
сенсоров); В.М. Мирский (Бранденбургский технический университет, Германия,
интересы - проводящие полимеры, сенсорные микроматрицы, молекулярными пе-
чатные полимеры; поверхностно-плазмонные резонансные сенсоры); Г. Коротченков
(Кванджу, институт науки и технологии, Южная Коре, интересы газовые сен-
соры на основе металло-оксидных полупроводников); Р.А. Потырайло, (GE Global
Research, Niskayuna, USA, интересы - оптические сенсоры, микроаналитические при-
боры, и комбинаторное материаловедение); С.М. Борисов (Грац, технологический
университет, Австрия, интересы сенсоры на основе оптической флуоресценции)
Заслуживающим упоминания является вклад А.К. Гейма и К.С. Новоселова (Ман-
честерский университет, Великобритания), которые удостоены Нобелевской премии
по физике в 2010 году "за новаторские эксперименты, касающиеся двумерного ма-
териала графена". Среди других выдающихся результатов, группа во главе с этими
учеными продемонстрировала замечательные свойства графена в качестве газового
чувствительного материала.
По понятным причинам, указанный обзор является далеко не исчерпывающим.
Читателя, интересующегося более широкой перспективой упоминания серии недав-
них публикаций, посвященных достижению российских исследовательских групп в
области химических сенсоров, следует адресовать к следующим работам: по ионо-
селективным электродам [1], биосенсорам в общем аспекте [2], применениям биосен-
соров в мониторинге окружающей среды и биотехнологии [3], а также применению
наноматериалов в разработке химических сенсоров [4].
Флоринель-Габриель Баника
Литература
1. Mikhelson, K.N. (2012) Development of ion-selective electrodes in Russia in 1991-
2010, J. Anal. Chem. 67, 1-5.
2. Evtyugin, G.A. (2011) Biosensors in Russia: Twenty Years of Research, J. Anal.
Chem. 66, 1029-1034.
3. Reshetilov, A.N. (2005)Microbial, enzymatic, and immune biosensors for ecological
monitoring and control of biotechnological processes, Appl. Biochem. Microbiol.
41, 442-449.
4. Reshetilov, A.N., and Bezborodov, A.M. (2008) Nanobiotechnology and biosensor
research, Appl. Biochem. Microbiol. 44, 1-5.
Посвящается Анне и Ирине
Благодарности
Во-первых, я хотел бы поблагодарить профессора Арнольда Фогга, который любез-
но согласился лингвистически отредактировать начальный текст. Ответственность
за окончательный вариант, тем не менее, лежит на авторе и редакторах публика-
ции. Кроме того, я хотел бы принести благодарность коллегам из Норвежского
университета науки и технологии Тронхейма, Норвегия, за великодушную помощь,
выразившуюся в прочтении некоторых глав книги и формулировании ценных ком-
ментариев и предложений. Этими коллегами являются: профессор Торбьерн Ленес,
профессор Дэвид Г. Николсон и профессор Кэйлб Рази Нэкви. Я также благодарю
доктора Александру Опреа (университет Tюбинген, Германия) и доктора Мэриан
Флореску (университет Суррея, Великобритания) за аналогичную помощь.
Наконец, я особо благодарен всем тем ученым, которые способствовали прогрес-
су науки о химических сенсорах и соответствующей технологии, что и позволило
написать эту книгу. Многие из этих ученых процитированы в книге, но вследствие
объемных ограничений некоторая часть результатов в этой области не могла быть
включена в текст или процитирована.
Введение
Маршал МакЛюэн предположил, что СМИ в самом общем значении этого понятия
действуют как расширения функций человеческого сообщества [1]. Таким же об-
разом, как микрофон может рассматриваться в качестве расширения функций уха,
химические сенсоры представляются расширением органов химического восприя-
тия, реализуемого носом и языком.
Разработка химических сенсоров является реакцией на растущие требования
к химической информации, которой характеризуются различные сферы познания.
Одним из таких направлений может быть человеческое тело, психологическое со-
стояние которого однозначно оценивается физическими, химическими и биохимиче-
скими параметрами. Качество атмосферы и окружающей среды характеризуются
содержанием вредных химических ингридиентов. Не менее важно автоматически
управлять различными промышленными процессами, которые зависят от опреде-
ленных химических параметров.
В общем случае стандартные аналитические методы (например хроматография,
спектрометрия и электрофорез) могут обеспечить тот же самый вид информации,
как и химические сенсоры. Преимущество достижения результата на основе химиче-
ского сенсора состоит в том, что они специализированы, имеют небольшой размер,
портативны и недороги, а также представляют собой приборы, которые подходят
для анализа в полевых условиях и контроля химических параметров в реальном мас-
штабе времени. Достойна упоминания также способность специальных химических
сенсоров идентифицировать патогенные микроорганизмы и вирусы через характер-
ные составы, которые являются частями структуры целевых веществ.
"Там, внизу, полно места", сказал Ричард Фейнман в оригинальной лекции
в 1959 году, в которой предвосхищалось появление нанотехнологии. Это предложе-
ние можно перефразировать следующим образом: "Есть много новых возможностей
в основании", что хорошо применимо к разработке химических сенсоров. Действи-
тельно, самая важная тенденция в этой области состоит в применении наноматери-
алов, равно как в замене классических материалов и реактивов или во внедрении
абсолютно новых методов сенсорики и преобразования. Особо важной является
совместимость размеров наноматериалов с молекулами биополимера, что позволяет
производить бионанокомпозиты с многообещающим потенциалом для применения
в проектировании химических сенсоров. Новые технологии производства, осно-
ванные главным образом на микроэлектронике и нанотехнологии, как ожидается,
приведут к увеличению степени интеграции в химических сенсорных матрицах,
что позволит усовершенствовать производство и применение искусственных устрой-
ств носа/языка. Интеграция химических сенсоров с микрожидкостными система-
ми другая многообещающая тенденция, поскольку такие структуры позволяют
использовать чрезвычайно маленькие объемы выборки для автоматической обра-
ботки и анализа.
Регулярно издаются новые книги по химическим сенсорам, но большинство из
них представляют собой сборные тома, специализирующиеся на некоторых особых
видах химических сенсоров и их специальных применениях. Всесторонний обзор
химических сенсоров в одной-единственной книге необходим по двум причинам. Во-
первых, такая книга служила бы полезным учебным пособием для использования
в курсах, раскрывающих предмет химических сенсоров. Во-вторых, всестороннее
введение в эту область для ученых и инженеров, плохо знакомых с таким предметом,
было бы определенным достижением. В настоящее время существует серия изданий,
которые предназначены для достижения вышеупомянутых целей. Однако в связи
с интенсивным прогрессом в области сенсорики появление новой книги, в которой
раскрываются последние достижения, всегда приветствуется.
Разработка химического сенсора очень часто связана с синтезом и обработкой
материалов. Синтетические материалы (как неорганические, так и органические),
материалы биологического происхождения (белки, нуклеиновые кислоты, микроор-
ганизмы и живые клетки), так же как и биомиметические синтетические материалы,
широко используются в разработке химических сенсоров и в равной степени важ-
ности в технологии производства, потому что заключительная цель в исследовании
химических сенсоров это производство рыночного продукта. Именно поэтому
первые восемь глав в этом тексте посвящены главным видам материалов, использу-
емым в разработках химических сенсоров, так же как и типовым технологическим
процессам, созданным для производства химических сенсоров.
Следующие четырнадцать глав представляют различные классы химических сен-
соров, сгруппированных согласно методам преобразования. Последняя глава посвя-
щена химическим сенсорам, основанным на высокоорганизованном биологическом
материале, таком как микроорганизмы и живые клетки.
Эта книга была создана главным образом в качестве руководства в области хими-
ческих сенсоров с особым акцентом на балансе классических основ с современными
тенденциями. Очевидно, что, следуя содержанию этой области, книга не позволяет
составить обычный курс лекций. Однако преподаватель может выбрать темы, ко-
торые соответствуют уровню аудитории и интересу обучающихся студентов. Кроме
того, учебный план может быть персонифицированным, побуждая каждого студен-
та более глубоко исследовать определенные темы. В дополнение можно сравнить
изучение химических сенсоров с просветительской экскурсией по различным науч-
ным и технологическим областям, которая способствует существенному развитию
научных знаний студента.
Эта книга будет полезна для любого ученого, который нуждается во введении
в научную область химических сенсоров и их технологий. Поскольку химическая
сенсорика представляет собой междисциплинарную область, эта книга будет инте-
ресна инженерам, химикам, биохимикам, микробиологам и физикам, проводящим
исследовательскую работу в области химических сенсоров.
Ничто сделанное человечеством не может быть совершенным, но, по крайней
мере, оно должно быть совершенствуемо. Следовательно, любой критический ком-
ментарий или предложение приветствуется.
1. McLuhan, M. (2003). Understanding Media: The Extensions of Man, Gingko
Press, Corte Madera, Calif.
ГЛАВА 1
Что такое химические сенсоры?
1.1. Химические сенсоры: определение и компонентыОпределение электрохимических биосенсоров, данное в [1], может быть легко адап-
тировано, чтобы получить общее определение химического сенсора следующим об-
разом. Химический сенсор является автономным устройством, которое создает
информацию с определенной селективностью относительно конкретных химических
веществ (аналитов), присутствующих в выборках, производя измеримый выходной
сигнал, который коррелируется с концентрацией аналита1. Помимо химических
веществ могут быть обнаружены микроорганизмы и вирусы посредством опреде-
ленных биосоставов, таких как нуклеиновая кислота или мембранные компоненты.
В противоположность этому физический сенсор представляет собой устройство, ко-
торое создает величину конкретных физических параметров, таких как сила, дав-
ление, температура, скорость и многих других.
Первый (и также самый известный) химический сенсор это стеклянный элек-
трод для определения pH-фактора, который указывает на активность водородного
иона в растворе.
При функционировании химический сенсор выполняет две функции распо-
знавание и преобразование, которые качественно иллюстрируются на рис. 1.1. Во-
первых, аналит взаимодействует более или менее селективным способом с распо-
знающим (или сенсорным) элементом, который проявляет общность с аналитом.
Сенсорный элемент может быть составлен из однозначных молекулярных структур,
называемых рецепторами распознавания. Альтернативно элемент распознавания
может быть материалом, который включает в состав его композиции бесспорные
распознающие части. Более того, элемент распознавания может быть сформирован
из материала, не имеющего распознающей части, но способного к взаимодействию
с аналитом.
В химическом сенсоре распознающая и преобразующая функции объединены
в том же самом устройстве. Аналитическая структура, не содержащая функции
распознавания, не является химическим сенсором, но представляет собой типичный
преобразователь.
Биосенсоры это химические сенсоры, в которых система распознавания осно-
вана на биохимических или биологических механизмах. Следует напомнить о том
факте, что синтетические, биомиметические материалы, которые выступают ана-
логами материалов биологического происхождения, были созданы и использованы
в элементах распознавания.
В результате взаимодействия аналита с чувствительным элементом определен-
ные физические или химические свойства чувствительного элемента изменяются
как функция концентрации аналита. Чтобы позволить пользователю оценить это
изменение, химический сенсор преобразовывает вышеупомянутое изменение в изме-
ряемое физическое количество. Этот процесс называют преобразованием сигнала
(или просто преобразованием) или сигнализацией. Устройство, которое переводит
информацию из одной системы (например химической) в другую (например физи-
ческую), называют преобразователем [2].
Чувствительный элемент и преобразователь могут быть различными компонен-
тами, размещенными вместе, в прямом пространственном контакте, в одной и той
же конструктивной единице. В некоторых типах химических сенсоров возможно
отсутствие физических различий между чувствительным элементом и преобразова-
телем. Несмотря на это, различия между распознаванием и преобразованием как
отдельными функциями в действительности существуют, как и соответствующие им
физические или химические процессы.
Понятие молекулярного сенсора часто появляется в литературе. Молекулярный
сенсор это молекула, содержащая две отличные части. Одна из них в состоянии
связать аналит (например ион) селективным образом, в то время как вторая часть
изменяет некоторые физико-химические свойства (например поглощение света или
эмиссию) в ответ на закрепление аналита [3]. Поэтому распознавание и передача
сигналов выполняются той же самой молекулой и такие соединения также относятся
к хемосенсорам.
По аналогии с молекулярными сенсорами было принято понятие наносенсора,
описывающее субмикроскопическую гибридную композицию, включающую наноча-
стицы и молекулярные элементы, реализующие как распознавание, так и функцию
передачи сигналов.
Молекулярные сенсоры и наносенсоры в смысле вышеупомянутого определе-
ния не являются химическими сенсорами, потому что отсутствует преобразователь.
Скорее такие разновидности можно рассматривать как продвинутые аналитические
реактивы. Несмотря на это, молекулярные сенсоры и наносенсоры могут в принципе
использоваться, чтобы реализовать полный сенсор в интеграции с преобразователь-
ным устройством.
1.2. Методы распознования
1.2.1. Общие аспекты
Несмотря на то, что в химических сенсорах используется широкое разнообразие
методов распознавания, обобщенное описание этого процесса едва ли достижимо.
Детали различных методов распознавания даны в соответствующих главах. Здесь
представлено только итоговое приближение к этой теме.
Ряд процессов распознавания происходит согласно следующей реактивной схеме,
в которой A аналит, R рецептор распознавания (включенный в чувствительный
элемент) и P продукт взаимодействия системы аналит–рецептор:
A
выборка
+ R
чувствительный
элемент
⇄ P. (1.1)
Двойная стрелка обозначает, что процесс распознавания является обратимым
при равновесной реакции. Реверсивность процесса распознавания является резуль-
татом того, что продукт P вовлекает нековалентные химические связи, такие как
ионные, водородные и связи взаимодействия Ван-дер-Ваальса. Процесс распозна-
вания может быть охарактеризован его константой равновесия KA, которая опреде-
ляется как
KA =
cP
cAcR
, (1.2)
где символы c представляют концентрации веществ, обозначенных индексами. Эта
константа равновесия указывает на аффинность1 рецептора распознавания и ана-
лита. Большая аффинность приводит к высокому значению константы равновесия.
Если реакция сенсора будет зависеть от концентрации продукта, то сигнал будет
зависеть от концентрации аналита в образце (выборке).
Существенной характеристикой процесса распознавания является его селектив-
ность, которая состоит в способности сенсора обладать избирательностью к анали-
ту, а не к другому веществу B, также присутствующему в выборке и действующему
как помеха (интерферент)2. Взаимодействие рецептор–интерферент может быть
представлено следующим образом:
B + R ⇄ Q. (1.3)
Аффинность рецептора с веществом B обозначена следующей константой равно-
весия:
KB =
cQ
cBcR
. (1.4)
Селективность сенсора аналита определена в общем виде отношением вышеупо-
мянутых констант равновесия, и хорошая селективность получается, если KA/KB ≫ 1.
Более характерные определения селективности даны в главах, посвященных особым
классам химических сенсоров.
Важно отметить, что некоторые методы распознавания не позволяют получить
хороший результат, как показано в схеме (1.1). В таких случаях взаимодействие
аналита с чувствительным элементом имеет физическую природу, такую как газо-
вая сорбция на твердом теле без химической реакции. Тогда управление процессом
распознавания может быть выполнено измерением физических свойств чувствитель-
ного элемента, которые зависят от концентрации аналита в выборке.
Следующие разделы представляют в краткой форме некоторые общие методы
распознавания, использующиеся в химических сенсорах.
1.2.2. Ионное распознавание
Первым типом химических сенсоров, которые были разработаны и производились в
крупносерийном масштабе, были ионные сенсоры. Среди них стеклянный электрод
pH-фактора стал первым широко используемым ионным сенсором. Основанием для
этого явилась новаторская работа Ф. Хабера и З. Клеменсиевича (1908), а результат
стал коммерчески доступным к 1936 г. наряду с pH-метром Бекмана. В дальнейшем
были созданы сенсоры для других ионов (катионов или анионов).
Электрический заряд, который является отличительным свойством ионов, под-
ходит для ионного распознавания. Поэтому ионное распознавание может быть
выполнено различными материалами и реактивами, у которых имеется электри-
ческий заряд, противоположный заряду иона аналита.
Селективность электростатического ионного распознавания является результа-
том дополнительных свойств чувствительных материалов, таких как размер элемен-
та ионного рецептора, или некоторой особенности взаимодействия аналит–рецептор,
такой как частичный ковалентный характер связи системы аналит–рецептор.
Первоначально ионные сенсоры были созданы на твердотельных материалах,
таких как стекло или кристаллические структуры, включая элементы селективно-
го распознавания. В 1967–1968 годах появились молекулярные ионные рецепто-
ры, в качестве которых могут выступать ионы гидрофобной органики, встроенные
в гидрофобную полимерную мембрану. Как и ожидалось, этот подход приводит
к умеренному результату в отношении селективности. Превосходная селективность
была получена при помощи нейтральных ионных рецепторов, которые взаимодей-
ствуют с ионами аналита через множество поляризованных атомов, включенных
в их структуру.
Преобразование в ионных сенсорах может быть выполнено главным образом
посредством воздействия заряда иона на свойства ионно-распознающего элемента.
Соответственно преобразование в ионных сенсорах выполняется потенциометриче-
скими или оптическими методами.
1.2.3. Распознавание аффинным взаимодействием
Распознавание через аффинность вовлекает обратимые многократные связи двух
химических веществ через нековалентные связи, такие как ионные, водородные
и связи взаимодействия Ван-дер-Ваальса. Результат аффинного взаимодействия
выражается в молекулярном ассоциативном комплексе. Для того чтобы такой ком-
плекс сформировался, вовлеченные вещества должны быть комплементарны для
создания химической реактивности. Например, если одно вещество содержит по-
ложительно поляризованный водородный атом, то во втором должен быть элек-
тронно-донорный атом, размещенный таким образом, чтобы он был в состоянии
сформировать водородную связь в комплексе. Сила комплекса характеризуется его
константой стабильности, которая подобна константе равновесия в уравнении (1.2).
Вследствие разнообразия химических соединений ассоциативные комплексы этого
типа могут быть очень устойчивыми.
Аффинные взаимодействия весьма характерны для биологических систем. При-
мер такого вида представлен белками лектинового типа, которые распознают угле-
воды и формируют ассоциативные комплексы в таких составах.
Общий тип аффинного взаимодействия представлен структурой антиген–анти-
тело. Антитела, являющиеся гликопротеинами, производятся иммунной системой,
чтобы идентифицировать и нейтрализовать патогенные микроорганизмы, такие как
бактерии и вирусы. Часть болезнетворного микроорганизма, которая взаимодей-
ствует с определенным антителом, называют антигеном. Взаимодействие антиген–
антитело является иммунохимической реакцией. Антитела могут быть извлечены из
крови животных с привитым антигеном, но их также можно получить из клеточных
культур.
В клинической лаборатории иммунохимические реакции используются в диагно-
стических целях. С помощью определенных антител в качестве рецепторов рас-
познавания могут быть идентифицированы болезнетворные микроорганизмы. Ин-
версным образом, используя рецептор антигена, может быть идентифицировано
определенное антитело, что позволяет осуществить диагностику возможного зара-
жения специфическим болезнетворным микроорганизмом. Помимо обнаружения
болезнетворного микроорганизма или антитела, последние используются, чтобы рас-
познавать различные молекулы белка. Маленькие органические молекулы как та-
ковые не производят иммунной реакции. Однако антитело с маленькой молекулой,
произведенное организмом с привитым составом, формирует эту молекулу прило-
женной к белку. Таким образом, антитела, специфичные для некоторых маленьких
молекул, могут быть получены и использованы в аналитических целях.
Некоторые синтетические материалы подражают поведению аффинных реаген-
тов биологического происхождения. Сначала в этом отношении должны быть упо-
мянуты полимеры, отпечатанные на молекулярном уровне, которые представляют
собой материалы, содержащие впадины с размером и формой, соответствующи-
ми молекуле аналита. Кроме того, впадина включает функциональные группы,
которые могут обратимо связаться с аналитом. Другой класс синтетических аф-
финных рецепторов аптамеры нуклеиновых кислот, являющиеся синтетическими
молекулами нуклеиновой кислоты, созданные таким образом, чтобы сформировать
сильную ассоциативность с маленькими молекулами или белками.
Все вышеупомянутые методы аффинного распознавания нашли применение в раз-
работке химических сенсоров для широкого диапазона целевых веществ, включая
патогенные микроорганизмы, белки и органические молекулы.
1.2.4. Распознавание нуклеиновых кислот
В живых организмах нуклеиновые кислоты функционируют как средство обеспече-
ния хранения и передачи генетической информации. Вообще хранение генетической
информации выполняется дезоксирибонуклеиновыми кислотами (ДНК), в то время
как передача информации в пределах клетки осуществляется рибонуклеиновыми
кислотами (РНК).
Нуклеиновые кислоты состоят из полимерной основы, в которую встроены нук-
леиновые основания. В составах ДНК существуют четыре нуклеиновых основания,
а именно аденин (A), цитозин (C), гуанин (G) и тимин (T). В РНК тимин заме-
няется урацилом (U). Последовательность трех нуклеиновых оснований кодирует
аминокислоту, а последовательность троек нуклеиновых оснований кодирует основ-
ную структуру белка.
Существенно, что водородные связи могут сформироваться только между двумя
различными парами нуклеиновых оснований, которые представляются последова-
тельностями G-C и A-T в ДНК (или A-U в РНК). Это позволяет двум комплемен-
тарным нуклеиновым кислотам формировать двойной спиральный ассоциативный
комплекс, причем такой процесс называется репликацией и представляет собой осо-
бый вид аффинного взаимодействия, вовлекающего только водород, связывающий
точно определенные пары нуклеиновых оснований.
Репликация нуклеиновой кислоты является основой процесса распознавания в сен-
сорах на базе нуклеиновой кислоты. Короткая нуклеиновая кислота формирует
рецептор (обычно называемый захватывающим зондом), который в состоянии опо-
знавать посредством репликации особенности последовательности нуклеиновой кис-
лоты аналита.
Испытания нуклеиновой кислоты представляют интерес для клинического ди-
агноза в целях обнаружения генетических аномалий, а также в идентификации
патогенных микроорганизмов. В судебной медицине анализ ДНК помогает иден-
тифицировать людей по их особым профилям ДНК.
1.2.5. Распознавание ферментами
Ферменты это такие соединения белка, которые функционируют как катализа-
торы в некоторых химических реакциях, происходящих в живых системах. Состав,
преобразованный каталитическим действием фермента, называют ферментным суб-
стратом (основанием). Каталитические свойства фермента являются селективны-
ми в отношении некоторого особого основания или особой функциональной группы
в классе составов.
Большинство химических сенсоров реализуют процессы распознавания на основе
равновесности, как обозначено на схеме (1.1). Напротив, распознавание фермента-
ми это динамический процесс, в который включены три главных шага: во-первых,
целевой состав (основание) связан с активной частью фермента для формирования
комплекса фермент–основание в процессе, подобном тому, который соответствует
схеме (1.1). Далее связанное основание подвергается химическому преобразованию,
возможно, с участием другого реагента-соучастника. Наконец, продукты выделены
и активная часть фермента возвращается к его начальному состоянию. Эта после-
довательность повторяется с другой молекулой основания до тех пор, пока все еще
доступны основание и реагент-соучастник.
Многие ферменты сохраняют свою каталитическую активность после изоляции
от биологического материала и могут быть внедрены как агенты распознавания
в чувствительный элемент сенсора. Преобразование в ферментативных сенсорах
может быть достигнуто посредством измерения установившейся концентрации про-
дукта или реагента-соучастника, вовлеченного в ферментативный процесс.
Существует несколько возможных применений ферментов в химической сенсори-
ке. Во-первых, ферментативные сенсоры могут быть разработаны в целях определения
основания. Во-вторых, ферментативные сенсоры могут быть использованы для
определения ингибиторов, которые являются химическими разновидностями, ока-
зывающими влияние на деятельность фермента. В-третьих, ферменты могут ис-
пользовать метки преобразования в сенсорах, основанных на аффинном распозна-
вании. В этом случае соединение, участвующее в ферментативной реакции, служит
индикатором для меченого вещества. Следовательно, ферменты играют централь-
ную роль в структуре науки химических сенсоров.
1.2.6. Распознавание клетками и тканями
биологического происхождения
Как показано выше, ферменты создают важный класс рецепторов распознавания,
используемых в химических сенсорах. Хотя первоначально использовались отдель-
ные ферменты, вскоре стало понятно, что ферменты соединяются в биологические
материалы (такие как клетки или ткани) и могут функционировать лучше вслед-
ствие того, что они находятся в своей естественной окружающей среде. Это ведет
к развитию нового класса химических сенсоров, в котором распознавание выполня-
ется клетками или тканями биологического происхождения.
Применение биологических клеток и тканей является, однако, намного более ши-
роким, поскольку объекты могут реагировать на химические воздействия модифи-
кациями в их метаболических процессах, которые приводят к изменениям в потреб-
лении кислорода или к выделению особых химических веществ. Такие модификации
могут быть использованы в целях пребразования.
1.2.7. Газовая и паровая сорбция
Определение газов и паров представляет собой наиболее интересную тему для раз-
личных областей, включая контроль качества воздуха, мониторинг опасных газов
и паров в индустриальных, экологических и физиологических исследованиях. Об-
щие методы распознавания газов и паров основаны на сорбции либо поверхностью
(адсорбция), либо объемом твердого тела (абсорбция), используемого для распо-
знавания. В этом направлении в зависимости от целевого состава применяются
различные материалы, включая некоторые металлы, полимерные материалы и неор-
ганические материалы. Сорбция может быть чисто физическим явлением, а может
сопровождаться химическими реакциями, которые изменяют химическое состояние
аналита или самого распознающего материала. 1.3.Ìåòîäûïðåîáðàçîâàíèÿ
1.3.1. Общие аспекты
Следует различать две главных стратегии преобразования, а именно химическую и
физическую.
Химическое преобразование выполняется при помощи наблюдения за изменением
химического состава чувствительного элемента как реакцией на процесс распозна-
вания, подобный тому, который описывается уравнением (1.1). Другими словами,
контролируется изменение концентрации (или количества) продукта P, чтобы по-
лучить выходной сигнал. Если основной продукт P необнаружим, возможно обра-
титься к контролю другого сопровождающего реагента или вторичного продукта
процесса распознавания.
Если ни один из элементов, вовлеченных в процесс распознавания, необнаружим,
можно обратиться к маркировке продукта обнаружимыми элементами, называе-
мыми сигнальными метками (или метками преобразования). Метка может быть
простой молекулярной структурой или наночастицей, которые обнаруживаются до-
ступными физико-химическими методами. Широко используемыми метками явля-
ются некоторые ферменты, позволяющие производить косвенное преобразование.
Более определенно ферментная метка катализирует химическую реакцию, в резуль-
тате которой получаются легко обнаруживаемые элементы.
Физические преобразователи ориентируются не на химические составы, а на
определенные физические свойства сенсорного элемента, которые взаимодейству-
ют с аналитом. Общие физические методы преобразования основаны на измерении
массы, показателя преломления, диэлектрических свойств или электрического со-
противления. Такие методы осуществляют, как правило, преобразование без меток.
Краткий обзор методов преобразования, применяемых в химических сенсорах,
дается ниже.
1.3.2. Термометрическое преобразование
Метод прямого преобразования основан на тепловом эффекте процесса распозна-
вания, который приводит к изменению локальной температуры. Однако термо-
метрическое преобразование осуществимо только в том случае, если распознавание
сопровождается каталитическим процессом, как в случае ферментно-каталитиче-
ских реакций. Только каталитические процессы вырабатывают достаточно тепло-
вой энергии, чтобы возможно было получить измеримое изменение температуры.
Термометрическое преобразование также применимо в химических сенсорах для го-
рючих газов, которые реагируют с кислородом на поверхности соответствующего
катализатора.
1.3.3. Преобразование, основанное
на механических эффектах
Один из видов события преобразования может привести к изменению полной мас-
сы чувствительного элемента. Изменение массы может наблюдаться посредством
преобразователя, выполненного на пьезоэлектрическом кристалле, известном как
кварцевые кристаллические микровесы. Ответный сигнал этого преобразователя
заключается в частоте вибрации, которая зависит от полной массы устройства.
В более общем виде распространение механических колебаний (акустические вол-
ны) может воздействовать на изменение свойств чувствительного элемента как ответ
на процесс распознавания. Например, скорость акустической волны может быть из-
менена в результате взаимодействия аналита с чувствительным элементом.
Недавно был разработан новый класс механического преобразователя, а имен-
но микрокантилеверы (микроконсоли). Если интегрированный с чувствительным
элементом микрокантилевер подвергается изгибу, то этот процесс является функци-
ей степени распознавания. Альтернативно вибрирующий микрокантилевер создает
информацию о новом изменении массы в похожем способе с кварцевыми кристал-
лическими микровесами.
1.3.4. Резистивное и емкостное преобразование
Взаимодействие аналита с материалом для распознавания, отобранным должным
образом, может привести к изменениям в электрических свойствах этого матери-
ала. Например, взаимодействие горючих газов с полупроводниками типа оксидов
металлов вызывает изменение электрического сопротивления как функции концен-
трации аналита. На этом явлении основано резистивное преобразование.
Другое электрическое свойство, которое может быть использовано в качестве
процесса распознавания, это диэлектрическая постоянная, на основе которой из-
меряется емкость конденсатора с диэлектрической структурой из материала распо-
знавания. Таким образом достигается емкостное преобразование.
1.3.5. Электрохимическое преобразование
Сенсоры для выборок водного раствора могут быть созданы с использованием элек-
трохимических методов преобразования. Электрохимия имеет дело с перемещением
ионов, реакцией передачи электрона, распределением ионов и взаимодействием на
границе раздела с твердым проводником (электродом). Помимо растворов элек-
тролита, электрохимия также применима к процессам переноса заряда в систе-
мах, включающих ионизированные твердые тела, которые также имеют отношение
к некоторым типам химических сенсоров.
Обнаружение ионов может быть достигнуто посредством сенсоров, основанных
на потенциометрическом преобразовании. Чувствительный элемент в потенциомет-
рическом ионном сенсоре может быть представлен мембраной, включающей либо
ионно-селективные молекулярные рецепторы, либо рецепторные центры в твердом
теле. Эта мембрана помещается между двумя растворами, один из них является вы-
боркой, а другой содержит ионы аналита с постоянной концентрацией (эталонный
раствор). Ионный обмен в каждой стороне мембраны приводит к развитию разно-
сти потенциалов между двумя сторонами мембраны, которая может быть измерена
и увязана с концентрацией ионов аналита в выборке. Потенциометрические ионные
сенсоры (обычно, но ошибочно определяемые как ионно-селективные электроды)
формируют один из главных классов химических сенсоров.
Прогресс в потенциометрических ионных сенсорах был достигнут посредством
интегрирования ионно-селективных мембран с полупроводниковыми приборами ти-
па полевого транзистора. В таких сенсорах электрический потенциал, развиваю-
щийся в системе мембрана – раствор выборки, действует непосредственно на харак-
теристики полевого транзистора.
Аналогичный принцип используется в газовых сенсорах, основанных на поле-
вых приборах с известным исключением, состоящим в том, что газочувствительный
элемент сформирован из металла с каталитическими свойствами.
У потенциометрических ионных сенсоров есть другое важное применение в ка-
честве химических сенсоров, а именно то, что они могут действовать как преобра-
зователи в сенсорах, основанных на ионогенерирующих процессах распознавания.
Эти применения относятся к сенсорам для газов, таких как углекислый газ, амми-
ак, водородный цианид и водородный фторид, которые способствуют образованию
частных ионов после растворения в воде. Ионные сенсоры также широко использу-
ются в качестве преобразователей в ферментативных сенсорах, поскольку большин-
ство ферментных реакций производят или поглощают некоторые ионы (например
водородные или аммониевые ионы) или генерируют обнаружимый газ, такой как
углекислый газ или аммиак.
Измерение электрического тока формирует другой важный класс методов преоб-
разования в электрохимических сенсорах, общеизвестных как амперометрические
сенсоры, начало которым представлено кислородной пробой, введенной Лелэндом
К. Кларком мл. в 1956 году [4]. Это устройство указывает на концентрацию
растворенного кислорода, используя электрохимическое сокращение кислорода, свя-
занного с электролитическим током как сигналом отзыва. Открытие амперомет-
рического кислородного датчика определило путь к разработке амперометрических
ферментативных сенсоров, также введенных впервые Лелэндом К. Кларком мл. Ам-
перометрические ферментативные сенсоры основаны на существовании ферментов,
которые катализируют кислородно-редукционные реакции и вовлекают маленькую
неорганическую молекулу в качестве сопутствующего реагента. Кислород является
естественным сопутствующим реагентом в такой реакции, но его можно заменить
искусственным сопутствующим реагентом в более продвинутых структурах. Пря-
мой электронный обмен между рабочим электродом электрохимического элемента
и активной частью фермента типа оксидазы составляет альтернативный метод пре-
образования в амперометрических ферментативных сенсорах.
Амперометрическое преобразование также подходит для аффинных сенсоров
при условии, что электрохимически активный состав приложен к продукту распо-
знавания (P в реакции (1.1)) и действует как электрохимическая метка.
Некоторые нуклеобазы, включенные в структуру нуклеиновой кислоты, электро-
химически активны и их электрохимические реакции используются, чтобы управ-
лять распознаванием.
Группа электрохимических методов преобразования основана на понятии элек-
трохимического импеданса, который противодействует переменному току через элек-
трохимический элемент. Измерения электрохимического импеданса обеспечивают
большой объем информации о физико-химических процессах, происходящих в элек-
трохимическом элементе, таких как миграция иона, распределение заряда на гра-
нице электрод/электролит и скорость электрохимической реакции. Каждый из
вышеупомянутых процессов может быть связан со свойствами чувствительного эле-
мента, объединенного с электрохимическим элементом, использованным в целях
преобразования.
1.3.6. Оптическое преобразование
Взаимодействие электромагнитного излучения с веществом формирует базу широ-
кого диапазона аналитических методов, обычно известных как спектрохимические
методы анализа. Как правило, электромагнитное излучение в ультрафиолетовом,
видимом и инфракрасном диапазонах используется в аналитических целях. Неуди-
вительно, что большинство химических сенсоров было создано на основе взаимо-
действия чувствительного элемента с электромагнитным излучением. Сенсоры,
основанные на этом типе преобразования, называют оптическими.
Оптическое преобразование может использовать световое излучение или погло-
щение света чувствительным элементом. Такие процессы связаны с переходами
между энергетическими уровнями различных частиц (молекул или наночастиц),
включенных в чувствительный элемент. Легко отзывающиеся разновидности могут
быть меткой преобразования, сопутствующим реагентом или продуктом процесса
распознавания.
Оптическое преобразование может также быть достигнуто путем контроля фи-
зического количества носителей, легко распространяющихся через чувствительный
слой, критерием чего может быть показатель преломления. Рассеяние света позво-
ляет реализовать дополнительные методы оптического преобразования.
1.4.Структура сенсоров и их производство
Конечная цель разработки сенсоров состоит в том, чтобы получить рыночный про-
дукт, и для достижения такой цели сенсор должен быть простым, устойчивым
к различным воздействиям и удобным в применении. Переносные условия требу-
ют портативных сенсоров, в то время как для биомедицинских направлений часто
необходимы имплантируемые сенсоры, чтобы в естественных условиях контроли-
ровать химические элементы физиологического состояния. Миниатюризация в этом
случае является существенным фактором и особо важна для сокращения количества
элементов, требуемых для интеграции множества сенсоров в матрицах, чтобы уве-
личить информационную пропускную способность и облегчить вмешательства (см.
раздел 1.7).
Миниатюризация сенсора создает дополнительное преимущество, состоящее в
возможности конструирования интеллектуальных сенсоров, в которых собственно
сенсор объединен с микроэлектронными схемами, управляющими функциональны-
ми параметрами и выполняющими обработку данных, а также обеспечивающими
взаимодействие с внешним считывающим оборудованием.
Необходимая долговечность сенсора достигается, как правило, ценой использова-
ния более сложной технологии производства, применения дорогих материалов, что
определяет более высокую стоимость продукта. С другой стороны, эксплуатация
сенсоров с большим сроком службы требует предварительной калибровки и неко-
торой подстройки после каждого цикла работы, что является труднодостижимым
в полевых условиях или пунктах обслуживания. Именно поэтому предпочтитель-
но в некоторых случаях проектировать дешевые одноразовые сенсоры. Поскольку
калибровка такого сенсора невыполнима, существенно необходимо, чтобы техноло-
гия производства обеспечивала очень хорошую воспроизводимость характеристик
чувствительности в партии.
Низкая цена и воспроизводимость в партии могут быть получены исключением
использования ручной работы в производственном процессе. Передовые технологии
изготовления сенсоров, первоначально созданные в области технологии микроэлек-
тронных схем, основаны на методах микромеханической обработки, которая позво-
ляет реализовать миниатюризацию и прямую интеграцию большого числа сенсоров
в сенсорные матрицы.
Возможны различные сенсорные структуры. Так, химические сенсоры могут
быть созданы как исследовательские зонды, подобно известному стеклянному элек-
троду для определения pH-фактора.
Очень небольшие объемы выборок могут быть проверены путем ограниченного
применения сенсоров с плоской поверхностью, например сформированных как тон-
кий слой на пластмассовой полосе. Эта конструкция подходит для использования
в одноразовых сенсорах.
Поверхностное осуществление выборки обеспечивается капиллярно заполняемы-
ми сенсорами. Такие сенсоры формируются из двух листов стекла, удерживаемых
на расстоянии капиллярного размера. Сенсор образован тонким слоем на внутрен-
ней поверхности листа. Выборка выступает как устройство с восстанавливаемым
объемом и капиллярным подъемом. Пример такого сенсора приведен в [5].
Принципы тонкослойной хроматографии были применены, чтобы создать ка-
нально-поточные сенсоры, которые состоят из тонкого пористого слоя, размещен-
ного на полосе твердого тела. На полосе в определенной последовательности сфор-
мировано несколько различных зон: сначала имеется буферная зона выборки, затем
одна или более зон, содержащих реактивы для химического распознавания ана-
лита, и, наконец, чувствительная определяющая зона. Когда в буферной зоне
осуществлена выборка, она капиллярно и диффузионно дрейфует через химически
обусловленную зону и затем далее к зоне обнаружения, где накапливается эффект
воздействия и генерируется ответный сигнал.
Последовательные многократные анализы выборок наилучшим образом выпол-
няются интеграцией сенсора в систему поточного анализа (см. раздел 1.8).
Обобщенный сенсор или сенсорная платформа являются устройством, которое
позволяет производить простую интеграцию рецепторов распознавания определен-
ного класса, чтобы получить сенсоры для различных аналитов, принадлежащих
тому же самому классу. Как правило, обобщенный сенсор включает преобразо-
ватель и дополнительные элементы (например молекулярные линкеры), которые
способствуют интеграции чувствительных элементов легким и быстрым образом.
Подход на основе сенсорной платформы удобен, когда элемент распознавания недо-
статочно устойчив. В этом случае чувствительный элемент интегрирован с готовой
сенсорной платформой только для теста.
1.5.Калибровка сенсора
В аналитической химии калибровка предназначена для установления определенно-
го математического соотношения между измеренным показанием и концентрацией
аналита [6, 7].
Выход химического сенсора составляет некоторое измеримое физическое коли-
чество, названное ответным сигналом. Интенсивность сигнала (y) соответствует
концентрации аналита в выборке (c) и вычисляется согласно следующему обобщен-
ному соотношению:
y = F(c) + ey. (1.5)
Здесь F(c) представляет функцию калибровки, а ey ошибку измерения ответ-
ного сигнала. Следовательно, концентрация может быть найдена обратным пре-
образованием функции калибровки, которая называется аналитической функцией
или оценочной функцией:
c = F−1(y). (1.6)
Форма функции калибровки может быть получена математическим моделиро-
ванием сенсора или установлена как эмпирическая интерполированная функция.
Общая и очень удобная функция калибровки это прямо пропорциональное соот-
ношение
y = ac, (1.7)
где a показывает чувствительность сенсора. Прямо пропорциональная функция ха-
рактеризуется константой чувствительности. В более общем виде чувствительность
определена следующим уравнением:
a =
dy
dc
. (1.8)
В случае нелинейной калибровочной функции чувствительность не является кон-
стантой, но зависит от концентрации аналита.
Калиброчная функция может включать постоянные параметры, которые харак-
терны для сенсора, но независимы от свойств выборки. Если эти параметры могут
быть получены на основании фундаментальных физико-химических законов и ос-
новных констант (например газовая постоянная, константа Фарадея), то имеет место
абсолютный аналитический метод. Но такая ситуация возникает достаточно редко.
Часто ответ зависит также от специфических параметров аналита, таких как
молярный коэффициент поглощения в измерениях, основанных на поглощении све-
та. Когда известный определенный параметр аналита играет некоторую роль, воз-
можно, наряду с другими известными эмпирическими параметрами аналитический
метод становится точным измерительным методом.
Наиболее распространенная ситуация состоит в том, что в одном или нескольких
параметрах для функции калибровки не могут быть получены приоритеты. Если
математическая форма функции калибровки известна и ее параметры определены
измерениями на выборках с известной концентрацией, то обычно такая ситуация
соответствует термину "справочная выборка" или "стандартная выборка". Напри-
мер, в случае прямо пропорциональной функции чувствительность может быть най-
дена на основе измерения ответного сигнала при концентрации справочной выборки.
В этом случае чувствительность определяется измененным сигналом и известной
концентрацией. Более точно чувствительность определяется как наклон отношения
ответ/концентрация, полученный посредством усреднения измерений серии спра-
вочных выборок. Этот подход составляет прямое справочное измерение.
Общий случай заключается в том, что неизвестна математическая форма функ-
ции калибровки. Тогда ее форма получается в виде эмпирической интерполяционной
функции, которая определяется подбором данных y–c, измеренных на справочных
выборках, под некоторую функцию, такую как полином, или иную подходящую
функцию. Возможная функция интерполяции это линейная функция
y = a0 + a1c + ey, (1.9)
где a0 и a1 это эмпирические параметры, которые обычно оцениваются подгонкой
по наименьшим квадратам; a1 представляет здесь чувствительность сенсора. Если
линейная функция относится к концентрациям, близким к нулю, то a0 нулевой от-
ветный сигнал. Аналитическое измерение, основанное на этих принципах, является
косвенным справочным измерением.
Качество функции калибровки должно быть подтверждено выполнением измере-
ний на справочных выборках или сравнением исследовательских результатов, полу-
ченных с помощью сенсора, с результатами, полученными альтернативным анали-
тическим методом. Надежная калибровка достижима посредством использования
справочных выборок с определенным химическим составом настолько же близко,
как и с неизвестной выборкой. Таким образом корректируется воздействие матри-
цы выборки на ответный сигнал.
Ошибка измеренной концентрации зависит как от ошибок измерения, так и от
шага калибровки в анализируемой выборке. При использовании линейной функ-
ции калибровки ошибка калибровки минимальна в середине принятого диапазона
концентрации и увеличивается с отклонением от середины. Поэтому настоятельно
не рекомендуется выполнение измерения вне диапазона калибровки.
Если необходимые справочные выборки недоступны, можно обратиться к стан-
дартному дополнительному методу, который основан на измерении известной вы-
борки и выборок с концентрацией, изменяемой управляемым образом. Этот метод
1применим, когда ответный сигнал прямо пропорционален концентрации аналита.
Сигнал для выборки с измененяемой концентрацией представляется в виде
y = a(c + c), (1.10)
где c неизвестная концентрация и c известное изменение в концентрации.
Последовательное увеличение c дает ряд данных y– c, и неизвестная концентра-
ция может быть получена как точка пересечения координатной оси и наклонной
прямой линии y– c. Графически неизвестная концентрация может быть получена
как c = −( c)y=0, где ( c)y=0 является значением c, при котором продленная
линия y– c пересекает горизонтальную ось. Поскольку этот метод по существу ре-
ализуется экстраполяцией, то его точность хуже, чем при аналогичной операции,
основанной на справочных измерениях.
В вышеупомянутом подходе предполагалось, что ответный сигнал сенсора зави-
сит от концентрации одного-единственного вещества в растворе. Этот вид сенсора
известен как сенсор нулевого порядка, а вычисление концентрации выполнено од-
нофакторной калибровкой (или однокомпонентной калибровкой). Сенсоры более
высоких порядков приведены в разделе 1.7.
1.6.Показатели качества сенсора
Показатели качества сенсора демонстрируют, насколько сенсор в данном исполнении
соответствует ожидаемым результатам, таким как стабильность ответного сигнала
и устойчивость при хранении результатов и выполнении затронутых операций.
Поскольку химический сенсор является аналитическим устройством, его техни-
ческие характеристики могут быть определены параметрами, используемыми для
оценки аналитического метода. Систематическое представление этих параметров
дано в [8], рекомендуемом заинтересованному читателю для более детального озна-
комления. Большое количество технических характеристик, обусловленных ста-
тистическими параметрами, приведены в специализированных источниках (напри-
мер [6]).
Важным статистическим параметром, используемым в оценке качества анали-
тических результатов, является доверительный интервал, который указывает на
разброс измеренных значений. Доверительный интервал для серии повторяющихся
измерений со средним числом ¯c и стандартным отклонением значения s¯c определя-
ется выражением
cnf(¯c) = ¯c ± ¯c, (1.11)
где ¯c является доверительным пределом, задаваемым выражением
¯c = s¯ct1− , . (1.12)
Здесь t1− , квантиль t-распределения на уровне значения (0 < < 1) и для
степеней свободы. Соотношение P = 1 − указывает на вероятность того, что
истинное значение, вероятно, лежит в пределах доверительного интервала. Значе-
ния t сводятся в таблицу как функция 1 − и (см. [6]). Например, если = 0,05,
то вероятность нахождения среднего значения в пределах доверительного интерва-
ла составляет 0,95 (т. е. 95%). Как обозначено в уравнении (1.12), малая величина
стандартного отклонения вызывает сужение доверительного интервала, при кото-
ром подразумевается низкая дисперсия данных.
1.6.1. Надежность измерений
Термины "точность", "прецизионность" и "достоверность" определяют надежность
аналитических измерений.
Точность указывает на степень соответствия между концентрацией, полностью
определенной в единственном тесте, и истинной концентрацией (т. е. концентраци-
ей в гарантированном справочном материале). Различие между гарантированной
и измеренной концентрациями представляет отклонение
bias(c) = ctest − ctrue. (1.13)
Отклонение может произойти из-за систематических ошибок, произведенных
неправильной калибровкой или неправильной эксплуатацией сенсора. Человеческие,
инструментальные или вычислительные ошибки, известные как грубые ошибки, так-
же вызывают увеличение отклонения. Выброс это результат, появляющийся как
заметное отклонение от других членов ряда данных выборки. Выбросы должны
отбрасываться прежде, чем продолжится анализ данных.
Точность одного-единственного аналитического результата зависит от отклоне-
ния, а также предела достоверности и определена следующим соотношением:
acc(c) = 1 −
bias(c)
(¯c)
. (1.14)
Достоверность относится к большому количеству повторяющихся измерений на
одной и той же выборке, давая среднюю концентрацию ¯c. Достоверность подобна
точности средней концентрации
trn(c) = 1 −
bias(¯c)
¯c
= acc(¯c). (1.15)
Прецизионность указывает на степень соответствия между независимыми ре-
зультатами измерения, полученными при подобных условиях измерений. Прецизи-
онность аналитической процедуры представляется выражением
prec(c) = 1 −
sc
¯c
, (1.16)
где sc стандартное отклонение и ¯c среднее значение серии повторяющихся из-
мерений. Численное значение этого параметра увеличивается с уменьшением sc, то
есть ошибки. Для безошибочных измерений (при sc → 0) прецизионность становит-
ся равной 1. Прецизионность аналитического результата определена относитель-
ным доверительным интервалом в виде
prec(¯c) = 1 −
¯c
¯c
. (1.17)
Параметры, заданные уравнениями (1.14)–(1.17), имеют область определения,
простирающуюся от ноля до единицы. Для хорошего качества сенсора каждый
вышеупомянутый параметр должен быть близок к единице.
Поскольку сенсор может быть использован в анализе серии выборок, предполага-
ется поддержка калибровки его параметров на постоянном уровне. Если это условие
выполняется, сенсор имеет хорошую воспроизводимость, которая проверяется по-
следовательностью измерений на идентичных справочных выборках, выполненных
при тех же самых условиях измерений. Низкая воспроизводимость появляется, ко-
гда один или более параметров калибровки испытывают дрейф, который является
медленным событием во времени. Дрейф может произойти из-за изменения свойств
чувствительного элемента при повторном или длительном контакте с выборками.
Устранение дрейфа достигается корректным проектированием и производством чув-
ствительного элемента.
Воспроизводимость не должна быть перепутана с репродуктивностью, которая
указывает на возможность сенсора создавать подобный результат при различных
условиях, т. е. у различных операторов, в различной аппаратуре, в различных ла-
бораториях или после больших интервалов времени.
1.6.2. Селективность и специфика
Важным показателем качества является селективность сенсора, которая указывает
на степень, с которой сенсор может выделить некоторый аналит при существовании
влияния других компонентов выборки. Для обеспечения селективности функция
калибровки должна включать одно или более дополнительных качеств, которые
отображают влияние составов (сопутствующие обстоятельства), сопровождающих
аналит в выборке. Если воздействие таких качеств обеспечивает заданный уровень
ошибки, сенсор обладает удовлетворительной селективностью. Иначе сенсор пред-
ставляет неправильный результат.
Помеха, являющаяся результатом взаимодействия сопутствующего обстоятель-
ства с чувствительным элементом, создает специфические проблемы. Если сопут-
ствующее обстоятельство затрагивает ответный сигнал сенсора, взаимодействуя с
другими компонентами чувствительного элемента, то это приводит к неспецифи-
ческому эффекту. "Селективность" не следует путать с понятием ¾специфика¿,
поскольку термин "селективность" является, в конечном счете, абсолютным.
Селективность сенсора определяется главным образом характером взаимодей-
ствия системы аналит–рецептор. На ранних стадиях изучения химических сенсоров
селективность была важнейшей проблемой и главная цель исследования в этой
области состояла в том, чтобы найти материалы для чувствительного элемента,
максимально подходящие для заданного аналита. Как будет показано в разделе 1.7,
даже сборка сенсоров с плохой селективностью может обеспечить определение кон-
центрации различных аналитов соответствующими методами обработки данных.
В этом случае плохая селективность скорее преимущество, а не недостаток.
1.6.3. Способности обнаружения
и определения количества
Предполагается, что сенсоры, как правило, определяют концентрации выше задан-
ного уровня. Самый низкий уровень концентрации, при котором сенсор все еще
обеспечивает надежные результаты, представляется как предел обнаружения (limit
of detection LOD). LOD это самая низкая концентрация или количество веще-
ства, которое можно отличить от факта его отсутствия (пустое состояние) с установ-
ленным пределом достоверности. Толкование терминов, включенных в определение
LOD, продемонстрировано на рис. 1.2. Если yb и sb обозначают величину и стан-
дартное отклонение чистых измерений соответственно, то сигнал, дающий предел
обнаружения, определяется выражением
yLOD = yb + ksb, (1.18)
где k числовой множитель, выбранный согласно требуемому доверительному
уровню. Как правило, k = 3. LOD с точки зрения концентрации получен из ве-
личины yLOD с использованием функции калибровки сенсора. Определение LOD
46 Глава 1. Что такое химические сенсоры?
доказывает, что этот параметр зависит от двух факторов: чистоты ответного сиг-
нала при пустом состоянии выборки и его стандартного отклонения. Хороший (т. е.
очень низкий) LOD получен, если ответный сигнал чистой выборки очень низок
и сопровождающий шум (который определяет величину sb) также очень мал. LOD
сенсора может зависеть как от особых характеристик процесса опознавания, так и от
внутреннего LOD метода преобразования.
Blank LOD LOQ
3sb
sb
yb
10sb
Signal (y)
Рис. 1.2. Определение предела обнаруже-
ния (LOD) и предела определения количе-
ства (LOQ). Кривые представляют нормаль-
ное (гауссовское) распределение ошибок
Более надежные аналитические резуль-
таты получаются, когда существует кон-
центрация выше верхнего предела, назван-
ного пределом определения количества (li-
mit of quantification LOQ). Этот предел
соответствует сигналу, который отличает-
ся от сигнала чистой выборки в среднем на
10sb.
Ясно, что предел обнаружения зависит
от колебаний в сигнале чистой выборки,
которые могут явиться результатом веро-
ятностных процессов в функционировании
сенсора (шум сенсора), а также от элек-
тронного шума в оборудовании считыва-
ния1.
Каждый тип сенсора может обнару-
жить концентрации в пределах более или
менее широкого диапазона концентраций,
который известен как диапазон ответа
(или область концентрации). Самый низкий предел диапазона ответа LOD,
введенный ранее; более точное обозначение этого параметра формулируется как
нижний предел обнаружения. Верхний предел диапазона концентрации определя-
ется значением, при котором ответный сигнал начинает значительно отклоняться
от принятой функции калибровки. Например, отмеченное отклонение от линейной
функции калибровки определяет верхний предел обнаружения. Это отклонение
может быть определено различными факторами, такими как насыщенность чув-
ствительного элемента частицами аналита. Отношение между верхним и нижним
пределами обнаружения представляет динамический диапазон сенсора. Диапазон
ответного сигнала размером в один порядок (т. е. динамический диапазон прибли-
зительно 10) является минимально требуемым.
Другим показателем качества, связанным с чувствительностью, является раз-
решающая способность сенсора, которая определяется наименьшим обнаружимым
изменением в концентрации аналита. Этот показатель зависит от двух факторов:
шума и чувствительности. Шум определяет наименьшее обнаружимое изменение
в ответном сигнале, а разрешающая способность является отношением между этим
изменением ответного сигнала и чувствительностью. Высокая чувствительность
и низкий уровень шума создают высокую разрешающую способность. Хотя это
определение напоминает определение LOD, разрешающая способность не подобна
LOD потому, что шум при наличии аналита может отличаться от шума чистой вы-
борки.
1.6.4. Время формирования ответного сигнала
Как правило, сенсор используется, чтобы выполнить последовательный анализ се-
рии выборок. Производительность аналитического процесса определяется време-
нем, требуемым для дополнительных операций, таких как восстановление сенсора,
восстановление выборки и введение новой выборки. Время формирования ответ-
ного сигнала (отклика)1 сенсора может также определить до некоторой степени
производительность. Время отклика определяется промежутком от момента, ко-
гда аналит добавлен к хорошо размешенному, свободному от аналита раствору, до
момента, когда ответный сигнал сенсора становится фактически постоянной вели-
чиной. В течение этого интервала времени сенсор функционирует в переходном
режиме. Время отклика может быть определено скоростью распространения (диф-
фузии) аналита к чувствительному элементу или темпом взаимодействия аналита
с чувствительным элементом или обоими процессами одновременно. Время откли-
ка меньше 1 минуты превосходно, но и время отклика приблизительно в 10 минут
все еще удовлетворительно. Намного более длительное время отклика в диапазоне
десятков минут все еще приемлемо, если природа физико-химических процессов
в сенсоре не позволяет произвести улучшения. 1.7.Ñåíñîðíûåìàòðèöû
Сенсорная матрица это сборка множества сенсоров. Если все сенсоры в матрице
подобны и откликаются на один-единственный аналит, матрица применима для па-
раллельного анализа кратных выборок, причем каждая выборка взаимодействует с
одним из сенсоров.
Сенсорные матрицы могут быть разработаны для того, чтобы выполнять одно-
временное определение кратных аналитов в выборке (мультиплексирование). Если
каждый сенсор подобран к особому аналиту, его действия независимы от других
сенсоров, тогда обеспечивается исключительное сенсорное определение концентра-
ции. Однако есть необходимость в улучшенной селективности, которая может быть
достигнута только в ограниченном количестве методов распознавания.
Более общий подход основан на матрицах, составленных из сенсоров с плохой
селективностью (перекрестной чувствительностью). В этом случае каждый сенсор
отзывается больше чем на один компонент выборки и отзыв каждого сенсора сум-
мируется в эффектах, проявленных серией компонентов.
1.7.1. Количественный анализ сенсорными матрицами
с перекрестной чувствительностью
Перекрестно-чувствительные сенсорные матрицы являются полезными инструмен-
тами для осуществления одновременного количественного обнаружения нескольких
аналитов, принадлежащих к конкретному классу соединений (например летучих го-
рючих паров в воздухе). Каждый сенсор в матрице производит составной ответный
сигнал, который зависит от каждого превращения вещества аналита. Чтобы опре-
делить концентрацию конкретного аналита, композиционный отзыв должен быть
обработан статистическими методами, известными как многомерные методы ана-
лиза данных. Применение таких методов к аналитической химии является одной из
целей хемометрики [9]. Альтернативный подход к анализу данных, произведенных
сенсорной матрицей, основан на искусственных нервных сетях.
Этот раздел вводит некоторые элементы многомерного анализа данных. Пред-
положим, что матрица включает n сенсоров с перекрестной чувствительностью,
которые отзываются линейно на m аналитов в некоторой выборке k. Далее предпо-
ложим, что отзыв каждого сенсора к частному аналиту непосредственно пропорцио-
нален концентрации этого аналита (cjk) и константе (названной чувствительностью),
обозначенной aij . Наконец предположим, что полный сигнал, созданный одним сен-
сором (yjk), является суперпозицией отзывов на каждый аналит (aijcjk). Далее
отзывы сенсоров задаются следующим набором уравнений:
y1k = a11c1k + a12c2k + · · · + a1jcjk + · · · + a1mcmk,
y2k = a21c1k + a22c2k + · · · + a2jcjk + · · · + a2mcmk,
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
yik = ai1cik + ai2c2k + · · · + aijcjk + · · · + aimcmk,
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
ynk = an1cnk + an2c2k + · · · + anjcjk + · · · + anmcmk.
(1.19)
Если N выборок проанализированы той же самой матрицей, тогда могут быть со-
ставлены N подобных систем уравнений при k = 1, 2, . . . ,N. Эта композиция систем
уравнений, которая представляет математическую модель отзыва матрицы, может
быть записана в сжатой форме с использованием матричных обозначений следую-
щим образом:
Y
(n×N)
= A
(n×m)
× C
(m×N)
. (1.20)
Здесь Y является матрицей, включающей отзыв n сенсоров в N выборках. В этой
матрице каждая колонка включает отзывы, связанные с частным аналитом в дан-
ной выборке, в то время как каждый ряд представляет отзыв отдельного сенсора
к различным аналитам в той же самой выборке. A является матрицей чувстви-
тельности, составленной из aij термов, и C это матрица концентрации, которая
содержит известные концентрации m аналитов (ряды) в N выборках (колонки).
Уравнение (1.20) используется на стадии калибровки, чтобы получить матрицу чув-
ствительности, используя выборки с известными концентрациями. Концентрации
в множестве N′ неизвестных выборок могут быть предсказаны отзывами матрицы
сенсоров для неизвестных выборок Y s следующей матричной операцией:
Cs
(m×N′)
= B
(m×n)
× Y s
(n×N′)
+ e
(m×N′)
. (1.21)
Здесь e разностная матрица, отображающая остаток, являющийся отличием меж-
ду измеренными и образцовыми данными, B прогнозная матрица. Когда коли-
чество сенсоров в матрице превышает число аналитов, существующих в выборках
(т. е. n > m), матрица B получается из матрицы чувствительности A как
1.7. Сенсорные матрицы 49
B = AT (AAT )−1, (1.22)
где AT является транспонированной матрицей к матрице чувствительности. Хо-
тя могут быть использованы сенсорные матрицы при n = m, матрицы с n > m
позволяют производить более надежный расчет данных.
Уравнение (1.21) может быть обработано с помощью мультилинейного регрес-
сивного анализа (multilinear regression analysis MLR), но более надежные методы
основаны на сжатии данных. В таких методах количество переменных сокращено
посредством формирования новых переменных как линейных комбинаций из исход-
ных переменных. Новые переменные называют основными компонентами, и p-я
основная компонента может быть выражена как
Xp = 1py1j + 2py2j + · · · + ipyij + · · · + npynj . (1.23)
Коэффициенты ip подобраны так, чтобы посредством Xp представлялись опреде-
ленные статистические условия. Методы этого типа составляют основную компо-
нентную регрессию (principal component regression PCR) и частичную регрессию
наименьшего квадрата (partial least square regression PLS).
Поскольку отзыв матрицы на одну-единственную выборку является однораз-
мерной матрицей (т. е. вектором), сенсорная матрица формирует сенсор первого
порядка. Сенсор второго порядка может быть получен путем записи каждого сиг-
нала сенсора как функции времени, и тогда отзыв на одну-единственную выборку
собирается в форме двумерной матрицы. В трехмерном представлении отзыв мат-
рицы проявляется как поверхность, на которой каждая точка определена двумя
переменными: числовым идентификатором сенсора и временем измерения. Следо-
вательно, такая сенсорная матрица работает в переходном режиме. В стационарном
состоянии матрица функционирует как сенсор первого порядка. По сравнению с
сенсором нулевого порядка (т. е. один-единственный сенсор, отзывающийся на один-
единственный аналит) сенсоры высших порядков создают значительно большее ко-
личество информации.
Это обстоятельство представляет интерес для указания на преимущества много-
мерного анализа данных сравнительно с методом одномерного анализа [10]. В одно-
мерном методе предполагается, что каждый сенсор отзывается на один-единствен-
ный аналит. Однако отзыв может быть затронут интерференционными вмеша-
тельствами и шумом. Напротив, многомерный анализ обеспечивает достоверные
результаты, даже если вмешательства в процесс опознавания действительно про-
исходят. Эта особенность уменьшает строгую селективность сенсора, чего часто
трудно достигнуть. Кроме того, многомерный анализ способствует шумоподав-
лению и позволяет обнаруживать выбросы. В дополнение, что не менее важно,
многомерный анализ разрешает одновременное определение нескольких аналитов в
смеси, несмотря на перекрестную чувствительность. Всесторонний краткий обзор
калибровки сенсорных матриц представлен в [11].
1.7.2. Качественный анализ сенсорными матрицами с
перекрестной чувствительностью
Матрицы сенсоров с перекрестной чувствительностью могут использоваться, чтобы
идентифицировать особые смеси аналитов в соответствии с множеством ответных
сигналов на смесь. Такое устройство может имитировать ощущение запаха (искус-
50 Глава 1. Что такое химические сенсоры?
ственный нос [12, 13]) или вкуса (искусственный язык [14, 15]). Иными словами,
искусственный нос или искусственный язык выполняют классификацию серии вы-
борок согласно их подобию в химической композиции.
Distance
25
20
15
10
5
0
Cognac
Red
wine
Scotch
White
wine
Gin
Beer
Whisky
Sake
Рис. 1.3. Применения устройств "искусственный нос/язык": а) классификация различ-
ных видов итальянских минеральных вод с использованием искусственного языка.
Стрелки указывают на изменение кластеров в результате загрязнения органиче-
скими соединениями. б) Классификация ликеров (три выборки каждого бренда)
иерархическим кластерным анализом. а) Воспроизведено с разрешения [16]. Copy-
right 2000 Elsevier. б) Воспроизведено с разрешения [17]. Copyright 1991 Elsevier
Так, например, для классификации минеральных вод используют матрицу несе-
лективных ионных сенсоров, приведенных ниже. Используются отзывы сенсоров,
чтобы вычислить три основных компонента (PC1, PC2 и PC3). В трехмерном
графическом изображении каждая выборка представлена точкой, определенной зна-
чениями основных характерных компонентов, как показано на рис. 1.3, а. Степень
подобия двух образцов выражена расстоянием между соответствующими точками.
Очевидно, что различные выборки той же самой торговой марки сгруппированы
в четких кластерах. Если выборка загрязнена небольшим количеством органиче-
ского вещества, как это показано стрелкой на рис. 1.3, а, то загрязненные выборки
формируют новые кластеры, маркированные приставкой перед названием продукта.
Основной компонентный анализ выгоден в том, что небольшое количество пе-
ременных является представительным для большого набора оригинальных данных.
Это позволяет производить легкую визуализацию и интерпретацию данных, а также
надежную классификацию и идентификацию выборок.
Другое возможное представление данных, полученных искусственным носом или
языком, продемонстрировано на рис. 1.3, б.
Эти результаты получены ощущением паров различных спиртных напитков. С этой
целью использовалась матрица из шести неспецифицированных газовых сенсоров.
Для каждой выборки основные компоненты получаются и используются, чтобы вы-
числить расстояние от других выборок. Матричный выход представлен в этом слу-
чае посредством иерархического кластерного анализа, с помощью которого можно
сортировать выборки в форме дерева поиска (древовидной диаграммы) по рассто-
янию между ними. Подобная информация может быть получена анализом рас-
познавания выборок данных посредством газовой хроматографии, но по методу
искусственного носа это сделать проще и быстрее.
Методы обработки данных, представленные выше, составляют класс методов рас-
познавания образов [18], которые выполняют классификацию, определяя каждую
выборку в особый класс.
1.7.3. Применения искусственной нервной сети
в устройстве "искусственный нос/язык"
Искусственная нервная сеть является математической или вычислительной моде-
лью, которая имитирует структуру и функциональные особенности мозга [18, 19].
Нервная сеть состоит из связанной группы искусственных нейронов. Линия пере-
дачи между двумя нейронами это синапс. Одиночный нейрон получает серию
входных переменных, которые взвешиваются синапсами и затем суммируются. По-
лучающаяся сумма преобразуется применением передаточной функции (например
умножением с константой или применением нелинейной функции). Результат пре-
образования формирует выходной сигнал нейрона.
Чтобы получить нервную сеть, искусственные нейроны собраны в последователь-
ность слоев так, чтобы выходные сигналы от слоя питали нейроны в следующем слое.
Последний в последовательности слой обеспечивает сетевой выход.
В применениях искусственного носа входные сигналы создаются матричными
сенсорами. Прежде чем быть использованной, нервная сеть обучается посредством
многих известных составов. В этом процессе факторы взвешивания настраиваются
так, чтобы минимизировать различие между фактическим и предопределенным сиг-
налом выхода. После этого шага обучения сеть в состоянии определить эти составы.
По сравнению с методами, введенными в предыдущих разделах, искусственные
нервные сети имеют много возможных преимуществ, поскольку они являются адап-
тивными системами, которые изменяют свою структуру сообразно внешней или
внутренней информации, которая распространяется через сеть во время фазы обу-
чения. Сети обычно используются, чтобы моделировать сложные отношения между
входными и выходными сигналами или находить изображения по составу данных.
Неудобство нервных сетей состоит в длительном времени обучения, необходимом
большим сетям. Несмотря на это, искусственные нервные сети это очень ценные
инструменты для обработки данных в искусственных устройствах обоняния и дегу-
стации.
1.7.4. Перспективный обзор
Сенсорные матрицы позволяют реализовать мультиплексный анализ выборок. Осо-
бенным преимуществом матриц сенсоров с перекрестной чувствительностью явля-
ется обеспечение более точных и надежных результатов по сравнению с сенсорами,
ориентированными на некоторый отдельный аналит.
Матрицами сенсоров с перекрестной чувствительностьюможно управлять в устрой-
ствах искусственного носа/языка. Вместо обнаружения определенных компонентов
искусственный нос/язык назначает аналиту характерный образ, который зависит
от его полного химического состава. Таким образом, возможно выполнить типовую
идентификацию и классификацию.
Существует широкий диапазон применений искусственного носа/языка в раз-
личных областях [13]. Качество и органолептические свойства пищевых продуктов
и напитков, так же как и процессы старения или фальсификации, могут быть оце-
нены с помощью исследования особенности композиции химических компонентов.
В медицине искусственный нос может быть полезным для неразрушающего диа-
гностического испытания изменчивых составных смесей в дыхании, моче или поте.
Контроль загрязнения воздуха или воды составляет другое многообещающее приме-
нение искусственного обоняния. В области безопасности искусственный нос являет-
ся перспективным инструментом для обнаружения химического или биологического
оружия, а также наркотиков или взрывчатых веществ.
Детали распознавания и методы преобразования в искусственном носе/языке
представлены в следующей главе, где рассматриваются различные виды химиче-
ских сенсоров. Физико-химические принципы различных типов газовых сенсоров,
используемых в искусственных носах, рассмотрены в [12, 20]. Краткие обзоры ме-
тодов расчета для обработки данных в устройствах искусственного носа даны в [12, 21]. 1.8.Сенсоры в проточно-аналитических системах
Поскольку очень часто сенсор или сенсорная матрица используются при анализе
значительного числа выборок, автоматизация управления последовательностьюдей-
ствий существенна для получения высокой пропускной способности выборок и со-
кращения стоимости персонала.
Общий метод автоматизации при анализе жидких выборок называется проточ-
но-инжекционным анализом (flow injection analysis FIA) [22, 23]. В этом методе
сенсор установлен в поточную ячейку, через которую непрерывно качается жид-
кость. Выборка инжектируется посредством жидкостно-хроматографического кла-
пана (ротационного клапана) и переносится через разъем, вставленный в течение
несущего потока. Вследствие диффузии выборка рассеивается в стороны, произ-
водя изменение концентрации после разъема. Когда такая композиция достигает
сенсорного элемента, выборка создает сигнал, который изменяется во времени от
фонового уровня до максимального значения и затем уменьшается, поскольку вы-
борка прекращает поступать из разъема в сенсорный элемент. Как высота пика, так
и область кривой сигнал–время могут быть коррелированы концентрацией аналита.
FIA позволяет получить надежный результат, если поток жидкости является
ламинарным, для чего требуется, чтобы диаметр трубки составлял приблизительно
от 0,1 до 1 мм. Высокая степень автоматизации в FIA достигается интеграцией
устройств введения выборки и ее предварительной обработки.
Более того, FIA предлагает возможность управления последовательностью раз-
личных шагов, таких как испытание выборки, очистка сенсорной ячейки и восста-
новление сенсора.
Сенсор, разработанный для применения FIA, может быть либо плоской формы,
либо иметь форму проточного канала с сенсорным элементом на внутренней стенке.
Современные методы проточного анализа основаны на микрожидкостных сис-
темах [24], которые имеют дело с управлением и манипуляциями жидких объемов
в субмикролитровом диапазоне и поэтому ограничены каналами очень небольшого
размера. Поток жидкости может быть вызван приложенным давлением или яв-
лениями электрокинетики. Отличие микрожидкостных систем от традиционных
систем проточного анализа состоит в интеграции большой сети каналов и других
микроустройств (таких как актюаторы и клапаны) на небольшом кристалле. По-
этому микрожидкостные устройства позволяют осуществить крупномасштабную па-
раллельную обработку и мультиплексирование поточного анализа. Существенное
преимущество микрожидкостных устройств состоит в их совместимости с микроме-
ханическими технологиями.
Появление микрожидкостных устройств вызвало революцию в области автома-
тической аналитической химии развитием тотальных микроаналитических систем
(micro-total analytical system μTAS), также известных как системы ¾лаборатория-
на-кристалле¿ [25, 26], которые позволяют производить миниатюризацию и инте-
грацию сложных функций, включая физический и химический анализ выборки,
разделение и обнаружение аналита в пределах границ однокристальной схемы. Эти
системы могут быть точными, надежными, устойчивыми и недорогими, а поэтому
хорошо подходят для тестирования в пунктах экспресс-анализа или полевых условиях. 1.9.Применение химических сенсоров
В общем виде химические сенсоры были созданы, чтобы обеспечить альтернативу
стандартным аналитическим методам, основанным на таких методах, как спек-
трометрия, хроматография, биохимические или микробиологические технологии.
Химический сенсор может обеспечить дешевое решение частной аналитической про-
блемы без дорогого многофункционального аналитического оборудования.
Кроме того, химические сенсоры подходят для полевого химического анализа
в экологических исследованиях. В лекарственных применениях химические сенсоры
полезны для децентрализованных клинических исследований (применения в мед-
пунктах).
Химические сенсоры предполагают возможность мониторинга химических пара-
метров в промышленном, экологическом и иных применениях. Очень интересно
применение химических сенсоров в естественных условиях определения и монито-
ринга химических элементов в отношении физиологиии.
Использование сенсоров является более быстрым, чем обычное химическое, био-
химическое или микробиологическое исследование. Поэтому неудивительно, что
химические сенсоры нашли широкое применение в различных областях, таких как
контроль качества окружающей среды, клинические исследования, продовольствен-
ная технология и обнаружение элементов оружия. Следующие разделы выделяют
некоторые типичные аналитические проблемы, которыми возможно заниматься по-
средством химических сенсоров. Обзоры применений химических сенсоров доступ-
ны в [27, 28].
1.9.1. Применение химических сенсоров в экологии
Экологическое применение химических сенсоров сосредотачивается главным обра-
зом на оценке качества воды и загрязнения воздуха [29–31].
54 Глава 1. Что такое химические сенсоры?
Загрязнение воздуха автомобильным движением и промышленными воздействи-
ями определяется токсичными газами (сера, азот, окись углерода, цианид водорода
и т. д.), токсичными неорганическими парами (например ртуть), а также многими
другими токсичными парами. В частном отношении необходим контроль промыш-
ленного загрязнения окружающей среды, вызванного опасными газами и парами,
особенно теми, которые являются токсичными, огнеопасными или взрывчатыми.
Качество воздуха в помещении может быть оценено посредством сенсоров углекис-
лого газа и водного пара (влажность).
Загрязнение воды непосредственно затрагивает водные организмы и, в более об-
щем виде, любые организмы, которые нуждаются в воде для выживания. Главные
загрязнители воды, обнаруживаемые химическими сенсорами, являются токсичны-
ми ионами (например ртуть, свинец, кадмий и ионы цианида), а также ионами,
возникающими в результате сельскохозяйственных работ. Использование удобрений
может привести к загрязнению водных источников нитратами и ионами фосфата,
которые могут разрушить водные экологические системы. Сельское хозяйство
это также источник загрязнения воды токсичными остатками пестицидов.
Различные токсичные составы в воде могут быть оценены посредством их эф-
фектов подавления в реакциях, катализируемых ферментами [32]. Сенсоры орга-
нических загрязнителей также были разработаны с использованием специфических
антител в качестве реактивов опознавания.
Ионные определители могут быть выполнены в виде стандартных потенциомет-
рических ионных сенсоров, но из-за свойственных им высоких порогов обнаружения
такие сенсоры подходят только для анализа вод с большой степенью загрязнения.
Однако недавний прогресс в этой области привел к разработке ионных сенсоров с
очень низким порогом обнаружения, который может обеспечить определение ионов
металла ниже предела концентрации, заданного правовым регулированием по каче-
ству питьевой воды.
Сенсоры для токсинов были созданы на основе использования микроорганизмов
в качестве чувствительных элементов. Токсины выборки затрагивают метаболизм
микроорганизма, что позволяет произвести контроль концентрации токсина посред-
ством измерения потребления кислорода в процессе дыхания микроорганизма. Тот
же самый принцип использовался, чтобы разработать сенсоры для измерения содер-
жания полностью разложившегося органического материала в воде. В этом случае
разложившаяся органика стимулирует метаболизм и, следовательно, потребление
кислорода. Генотоксичность экологических выборок может быть оценена посред-
ством сенсоров нуклеиновой кислоты [33].
Определение возможных патогенных микроорганизмов в воде составляет дру-
гое важное применение, которое может быть выполнено посредством сенсоров на
антителах [34, 35].
Большой проблемой является кислотный дождь, вызванный производством энер-
гии, основанным на сгорании ископаемого топлива. Распространенные источники
кислотности это окиси азота и серы, которые приводят к увеличенной кислотности
после растворения в атмосферной воде.
Увеличенная кислотность может быть обнаружена косвенным способом, путем
контроля содержания определенных анионов, таких как нитрит и сульфат.
Решению аналитических проблем в науке о море хорошо способствует примене-
ние химических сенсоров [36, 37].
Типичными примерами представляются управление эвтрофикацией водоемов, на
которую оказывает влияние увеличенной концентрации нитрата и ионов фосфата
от удобрений или сточных вод, контроль загрязнения пестицидами или загрязнение
водных путей сбросами с платформ добычи нефти, а также определение следов
металлов.
1.9.2. Применение химических сенсоров
в здравоохранении
Одна из главных областей применения химических сенсоров это здравоохране-
ние, в котором химические сенсоры используются в пробирке или в естественных
условиях (в живом организме) для определения химизма физиологии [38]. Функ-
ционирование сенсоров в естественных условиях зависит в большой степени от их
биологической совместимости [39], поскольку в естественных условиях в общем слу-
чае необходимы миниатюризированные сенсоры, которые были разработаны именно
с этой целью. Кроме того, химические сенсоры могут быть использованы, чтобы об-
наружить патогенные микроорганизмы в клинических исследованиях.
Щелочь и щелочноземельные ионы, так же как неорганические газы (растворен-
ный кислород и углекислый газ, окись азота), могут быть определены посредством
отделенных сенсоров.
Определение глюкозы в крови очень важно при лечении диабета [40, 41]. В на-
стоящее время сенсоры глюкозы для самоконтроля ее в крови легко доступны,
и интенсивные научно-исследовательские работы посвящены развитию и улучше-
нию сенсоров глюкозы, работающих в естественных условиях [42]. Следующий шаг
в этой области заключается в интеграции сенсоров глюкозы с системами достав-
ки инсулина, чтобы автоматически поддерживать нормальный уровень инсулина
в крови.
Были также созданы сенсоры для большого числа биогенных составов. Сре-
ди многих целевых составов следует назвать L-лактат, пируват, мочевину, мочевые
и щавелевые кислоты, гистидин и гистамин, фенолические составы (L-допа, допа-
мин и адреналин); супероксиды и сульфатные желчные кислоты также могут быть
упомянуты. Названные сенсоры позволяют обеспечить контроль наркотиков в кро-
ви или моче. Обнаружение патогенных бактерий и вирусов другое применение
химических сенсоров в клинических исследованиях.
Болезнетворные микроорганизмы могут быть обнаружены иммунологическими
или нуклеино-кислотными сенсорами [35]. Нормальные биологические процессы, па-
тогенные процессы или фармакологические отзывы на терапевтическое вмешатель-
ство могут быть оценены посредством биомаркеров, которые являются веществами,
используемыми в качестве индикаторов патологических состояний. Химические сен-
соры для биомаркеров были созданы в целях диагностики различных форм рака,
сердечно-сосудистых заболеваний и гормональных проблем здоровья [43].
1.9.3. Применение химических сенсоров в пищевой
промышленности, сельском хозяйстве
и биотехнологии
Различные химические сенсоры были разработаны, чтобы оценивать качество пи-
щевых продуктов и напитков, а также для того, чтобы контролировать производ-
ственные процессы в пищевой промышленности и биотехнологии. Применение фер-
ментативных сенсоров в пищевой промышленности рассмотрено в [44, 45].
Качество пищи зависит в большой степени от содержания в ней питательных
веществ и витаминов. Сахариды (такие как глюкоза, фруктоза, сахароза и лактоза)
56 Глава 1. Что такое химические сенсоры?
могут быть определены посредством ферментативных сенсоров, основанных на опреде-
ленных ферментах, чтобы произвести химическое преобразование целевого состава.
Другие важные компоненты пищевых продуктов представляются молочной, яб-
лочной, лимонной и глутаминовой кислотой. Различные ферментативные сенсоры
для таких составов были созданы с использованием соответствующих ферментов.
Важным качественным параметром пищевых продуктов является их свежесть,
которая может быть оценена по величине концентрации типичных продуктов про-
цесса порчи. Порча мяса оценивается посредством ферментативного сенсора для
путресина (NH2(CH2)4NH2) и гипоксантина (производная пурина). Свежесть рыбы
определяется серией измерений для выявления продуктов порчи, таких как иноксин-
5-фосфат, инозин и гипоксантин [46].
Также были разработаны сенсоры для других составов, имеющих отношение
к качеству пищи (таких как холестерин, жирные кислоты, лецитин, холин и по-
лифенолы).
Особое значение в пищевой промышленности имеет контроль патогенных мик-
роорганизмов и микробных токсинов в продовольствии [34, 35, 47]. Химические сен-
соры для болезнетворных микроорганизмов могут быть созданы на основе исполь-
зования распознавания антигена-антитела или обнаружением определенной ДНК.
В промышленности напитков упомянутые химические сенсоры могут использо-
ваться, чтобы определить этанол и также глицерин, причем последний является
главным вторичным продуктом алкогольного брожения, и для каждой вышеупомя-
нутой разновидности были созданы ферментативные сенсоры. Содержание серни-
стокислого иона в вине может также быть определено посредством ферментативных
сенсоров.
В сельском хозяйстве химические сенсоры используются в анализе качества поч-
вы посредством контроля макропитательных веществ, таких как нитрат, фосфат
и ионы калия [48].
Биотехнология использует биологические системы, живые организмы или их
производные (например ферменты или живые клетки) для того, чтобы обрабо-
тать сырье. Различные химические сенсоры используются, чтобы контролировать
параметры процессов pH-фактор, растворенный кислород, углекислый газ и раз-
личные биоорганические составы, такие как сахариды и аминокислоты [49, 50].
Типовое применение химических сенсоров найдено в биотехнологии, в промышлен-
ности брожения и производстве некоторых антибиотиков.
1.9.4. Химические сенсоры в оборонных применениях
Оборона в общем случае и защита против террористических актов в частности в на-
стоящее время являются предметом большого беспокойства, по причине которого
ведется разработка химических сенсоров для взрывчатых веществ и боевых средств,
таких как патогенные микроорганизмы и токсичные газы. Быстрое по месту обна-
ружение этих средств удобно производить посредством химических сенсоров.
Взрывчатые вещества могут быть прослежены с использованием сенсоров, опре-
деляющих наличие их паров. Такие сенсоры были разработаны на основе естествен-
ных и синтетических реагентов, которые позволяют производить распознавание по
аффинности, по ферментам и по целым клеткам [51].
Реагенты биологической войны включают живые организмы, вирусы или ин-
фекционный материал, полученный от них, который может использоваться в целях
агрессии. Объектами биологической войны могут быть люди, животные и урожай на
плантациях. Такие реагенты могут размножаться в подвергшемся нападению орга-
низме и вызывать их болезнь или смерть. Патогенные бактерии, вирусы и некоторые
грибы являются типичными реагентами биологической войны.
Различные типы химических сенсоров для обнаружения реагентов биологиче-
ской войны были созданы на основе различных механизмов распознавания, таких
как аффинность, распознавание по антителам или синтетическим материалам, рас-
познавание ферментами или по целым клеткам, а также прослеживанием патогенной
ДНК посредством комплементарной последовательности ДНК [52, 53]. Применение
наноматериалов в сенсорах для распознавания реагентов биологической войны пред-
ставляет собой непрерывно увеличивающийся интенсивный
1.10.Литература по химическим и биологическим сенсорам Имеется значительное количество литературы, относящейся к химическим и био-
логическим сенсорам, в настоящем разделе перечислены только некоторые общие
тексты и часть соответствующих журналов, относящихся к названной тематике.
Ссылки по особым видам сенсоров включены в соответствующие главы.
Первая монография по химическим сенсорам была выпущена J. Janata в 1989 г. [55].
Исправленное издание этого текста стало доступным недавно [56].
К 1990 область биосенсоров достигла зрелости и была рассмотрена в серии издан-
ных монографий: E.A.H. Hall [57], F.W. Scheller, F. Schubert [58], A.J. Cunningham [59].
Статус науки и технологий химических сенсоров в 1985–1995 годах подробно рас-
смотрен в нескольких коллективных томах [60–64]. Несколько позже были изданы
всесторонние коллективные тома, посвященные биосенсорам [65, 66] и электрохими-
ческим сенсорам [67].
Краткие обзоры недавних достижений в химических сенсорах доступны в про-
должающихся сериях издательства Springer по химическим и биологическим сенсо-
рам под редакцией G. Urban. Прогресс материалов и технологий для химических
сенсоров достаточно полно рассмотрен в сериях под названием "Химические сенсо-
ры" под редакцией Г. Коротченкова, выпущенных издательством Momentum Press
(2010–2012).
Химические сенсоры достаточно представлены в энциклопедических текстах по
физическим и химическим сенсорам в [68].
Большой интерес представляют комплекты прокомментированной технической
документации процессов изготовления химических сенсоров, кроме того, стала до-
ступна документация для различных видов биосенсоров [69–71]. Комплекты до-
кументации, ориентированной на особые виды химических сенсоров, упомянуты
в соответствующих главах.
Развитие и расширение применений химических сенсоров вызвали публикацию
нескольких соответствующих текстов для образовательных целей (например [72–75]).
Всесторонний общий обзор различных видов элементов распознавания, используе-
мых в химических сенсорах, доступен в [76].
Научно-исследовательские работы и обзоры по химическим сенсорам в настоя-
щее время издаются в различных журналах. Два журнала, специализирующиеся
на химических сенсорах, должны быть упомянуты в первую очередь, а именно:
– Biosensors and Bioelectronics (Elsevier),
– Sensors and Actuators B: Chemical (Elsevier).
Существуют также некоторые журналы, представляющие и химические, и физиче-
ские сенсоры; например:
– IEEE Sensors Journal (Institute of Electrical and Electronics Engineers),
– Sensors-Open Access Journal (MDPI – Open Access Publishing).
Большое число вкладок по химическим сенсорам появляется в журналах, пред-
ставляющих общую аналитическую химию, таких как перечисленные ниже:
– Analytica Chimica Acta (Elsevier),
– Analytical Chemistry (American Chemical Society),
– Analytical and Bioanalytical Chemistry (Springer),
– Analytical Letters (Taylor & Francis),
– Analyst (The Royal Society of Chemistry),
– Talanta (Elsevier),
– TrAC Trends in Analytical Chemistry (Elsevier). Этот журнал издает только
обзоры.
Следующие журналы, представляющие электрохимию и электроаналитическую хи-
мию, часто публикуют работы по электрохимическим сенсорам:
– Bioelectrochemistry (Elsevier),
– Electroanalysis (Wiley-WCH),
– Electrochemistry Communications (Elsevier),
– Journal of Electroanalytical Chemistry (Elsevier).
1.10.1. Организация текста книги
Глава 1 вводит общие термины и понятия в науке и технологии химических сен-
соров. Далее главы 2–8 посвящены общим методам распознавания и материалам,
обычно используемым для химических сенсоров, так же как и методам и техноло-
гиям, реализуемым при производстве таких приборов.
Следующие главы ориентированы на различные виды химических сенсоров, клас-
сифицированных в соответствии с методом преобразования. Как правило, сначала
вводятся физические или физико-химические принципы рассматриваемого метода
преобразования. Далее представлены различные типы сенсоров, полученные объ-
единением по рассматриваемому методу преобразования с разнообразными схемами
преобразователей.
Белки широко используются в сенсорах в качестве элементов распознавания,
также как и ферменты, антитела или биологические рецепторы. По этой причине
вторая глава посвящена краткому обзору белковых структур и протеинов.
Глава 3 вводит ферменты и их применение в химических сенсорах для опре-
деления ферментых оснований и ингибиторов фермента, а также как сигнальные
маркеры в аффинных сенсорах. Главные стратегии преобразования в фермента-
тивных сенсорах также представлены в этой главе. Понимание функционирования
ферментативных сенсоров зависит в значительной степени от математического мо-
делирования таких сенсоров. Эта тема представлена в главе 4.
Понимание белка и химии фермента достаточно, чтобы оценить типичные ме-
тоды производства химических сенсоров, которые формируют содержание главы 5.
Общие методы для фиксации элементов распознавания, материалы, используемые
в качестве поддержки фиксации, другие материалы, относящиеся к технологии
сенсоров, так же как и микротехнологии, применяемые в производстве сенсоров,
приведены в этой главе. Другие методы и материалы, которые специфичны для
частных классов химических сенсоров, рассмотрены в последующих главах.
Главы 6 и 7 обращены к методам распознавания, основанным на реакциях аф-
финности. Глава 6 вводит методы опознавания, основанные на антителах и других
естественных и синтетических реактивах аффинности. Особый класс аффинного
взаимодействия включает нуклеиновые кислоты (глава 7). В этом случае взаи-
модействие системы аналит–рецептор основано только на двух типах водородных
связей между комплементарными нуклеобазами. В обеих главах 6 и 7 представлена
общая стратегия преобразования для каждого вида материала преобразования.
Поскольку применение наноматериалов в сенсорной технологии в настоящее вре-
мя является темой огромного интереса, глава 8 описывает структуру и свойства
различных классов наноматериалов и возможностей их применения при производ-
стве сенсоров.
Следующие главы вводят типичные методы преобразования и представляют раз-
личные химические сенсоры, основанные на рассмотренных методах.
Глава 9 вводит сенсоры, в которых преобразование основано на главном свойстве
химических реакций, то есть на тепловом эффекте. Два вида сенсоров рассмотре-
ны в этой главе, а именно ферментативные сенсоры и сенсоры с каталитическим
окислением горючих газов.
Глава 10 представляет методы ионного распознавания и потенциометрические
ионные сенсоры. Кроме того, эта глава вводит ряд химических сенсоров, осно-
ванных на процессах опознавания, приводящих к формированию ионов, таких как
сенсоры, основанные на ферментативной реакции или растворении газов в водных
растворах. Эти сенсоры используют ионные сенсоры как преобразовательные эле-
менты. Глава 11 посвящена продвинутому классу потенциометрических сенсоров,
которые основаны на интеграции полупроводниковых электронных устройств с со-
ответствующими чувствительными элементами.
Частное, но очень важное применение неорганических и органических полу-
проводниковых материалов относится к резистивному газовому восприятию темы,
которая рассматривается в главе 12. Общее свойство глав 11 и 12 заключается в при-
менении полупроводниковых материалов для распознавания и преобразования.
Следующие пять глав посвящены электрохимическим сенсорам, основанным на
динамическом электрохимическом преобразовании, фундаментальные принципы ко-
торых являются объектом главы 13. Содержание глав 14 и 15 составляют ам-
перометрические ферментативные сенсоры; предыдущая глава вводит принципы
разработки таких датчиков, в то время как последующая дает методы расчета ма-
тематического моделирования амперометрических ферментативных сенсоров.
Применение динамических электрохимических методов к аффинным сенсорам
и нуклеино-кислотным сенсорам составляет содержание главы 16. Поскольку в обо-
их случаях распознавание основано на формировании ассоциативных комплексов,
имеется много общих характеристик, привлекаемых из электрохимического преоб-
разования.
Всестороннее исследование динамики электрохимических процессов возможно
с помощью применения электрохимической импедансной спектрометрии. Этот об-
щий метод, так же как и более специализированные методы, являющиеся производ-
ными из него (такие как кондуктометрические и емкостные измерения), представ-
лены в главе 17.
Степень объема, уделенного электрохимическим сенсорам, определяется цен-
тральным положением, занятым этими сенсорами в контексте науки о химических
сенсорах.
Оптическим сенсорам посвящены главы 18–20. Глава 18 представляет общие
принципы химических чувствительных элементов, основанных на световодах. Гла-
ва 19 посвящена дизайну оптических сенсоров вместе с различными методами распо-
знавания и применениями, находящимися на стадии становления. Глава 20 обраще-
на на важную современную тенденцию в развитии оптических сенсоров, состоящую
в применении некоторых наноматериалов в оптических чувствительных элементах.
Глава 21 ориентирована на сенсоры, в основе которых лежит особый тип меха-
нического явления акустическая волна, распространяющаяся в твердых, жидких
и вязкоупругих материалах.
В настоящее время большой интерес вызывает применение микроэлектромеха-
нических систем (MЭМС) в химическом восприятии, и этой тематике посвящена
глава 22. Как в случае акустоволнового сенсора, MЭМС-сенсор реализует преобра-
зование механическими эффектами, полученными как событие распознавания.
Последняя глава, 23-я, вводит сенсоры, основанные на живом материале (клетки,
ткани), в качестве рецепторов распознавания. Эта глава была размещена в конце,
потому что живые материальные сенсоры используют серию методов преобразова-
ния, введенных в предыдущих главах.
Большинство глав и также некоторых разделов были организованы так, чтобы
ввести сначала существенные принципы рассматриваемого типа сенсора. Далее пер-
спективные темы представлены таким образом, чтобы заинтересованный читатель
мог приобрести более глубокие знания в этой области.
Каждая глава дает некоторые ключевые ссылки, чтобы помочь заинтересован-
ному читателю получить первый контакт с соответствующей литературой. Ëèòåðàòóðà
1. Thevenot, D.R., Toth, K., Durst, R.A. et al. (1999) ¾Electrochemical biosensors: Reco-
mmended definitions and classification¿ (Technical Report). Pure Appl. Chem., 71,
2333–2348.
2. Sinclair, I.R. (2001). Sensors and Transducers, Newnes, Boston.
3. Fabbrizzi, L. and Poggi, A. (1995). ¾Sensors and switches from supramolecular chemis-
try¿. Chem. Soc. Rev., 24, 197–202.
4. Heineman, W.R. and Jensen, W.B. (2006). ¾Leland C. Clark Jr. (1918–2005), Biosens¿.
Bioelectron., 21, 1403–1404.
5. Fogg, A.G., Scullion, S.P., Edmonds, T.E. et al. (1990). ¾Adaptation of online reactions
developed for use with flow-injection with amperometric detection for use in disposable
sensor devices reductive determination of phosphate as preformed 12-molybdophosphate
in a capillary-fill device¿. Analyst, 115, 1277–1281.
6. Miller, J.N. and Miller, J.C. (2010). Statistics and Chemometrics for Analytical Chemis-
try, Pearson Prentice Hall, Harlow.
Литература 61
7. Danzer, K. and Currie, L.A. (1998). ¾Guidelines for calibration in analytical chemist-
ry Part 1. Fundamentals and single component calibration (IUPAC recommendations
1998)¿. Pure Appl. Chem., 70, 993–1014.
8. Danzer, K. (2007). Analytical Chemistry: Theoretical and Metrological Fundamentals,
Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg.
9. Otto, M. (2007). Chemometrics: Statistics and Computer Application in Analytical Che-
mistry, Wiley-VCH, Weinheim.
10. Bro, R. (2003). "Multivariate calibration What is in chemometrics for the analytical
chemist?" Anal. Chim. Acta, 500, 185–194.
11. Carey, W.P. and Kowalski, B.R. (1996). "Sensor and sensor array calibration", in
Handbook of Chemical and Biological Sensors (eds R.S. Taylor and J.S. Schultz), Institute
of Physics Publ., Bristol, pp. 287–347.
12. Gardner, J.W. and Bartlett, P.N. (1999). Electronic Noses: Principles and Applications,
Oxford University Press, Oxford.
13. Pearce, T.C., Schiffman, S.S., Troy Nagle, H. et al. (eds) (2003). Handbook of Machine
Olfaction: Electronic Nose Technology, Wiley-VCH,Weinheim.
14. Citterio, D. and Suzuki, K. (2008). ¾Smart taste sensors¿. Anal. Chem., 80, 3965–3972.
15. Zeravik, J., Hlavacek, A., Lacina, K. et al. (2009). ¾State of the art in the field of
electronic and bioelectronic tongues–towards the analysis of wines¿. Electroanalysis, 21,
2509–2520.
16. Legin, A., Rudnitskaya, A., Vlasov, Y. et al. (2000). "Application of electronic tongue for
qualitative and quantitative analysis of complex liquid media". Sens. Actuators B-Chem.,
65, 232–234.
17. Aishima, T. (1991). ¾Discrimination of liquor aromas by pattern-recognition analysis of
responses from a gas sensor array¿. Anal. Chim. Acta, 243, 293–300.
18. Brereton, R. G. (2009). Chemometrics for pattern recognition, Wiley, Chichester.
19. Zupan, J. and Gasteiger, J. (1999). Neural Networks in Chemistry and Drug Design,
Wiley-VCH, Weinheim.
20. James, D., Scott, S.M., Ali, Z. et al. (2005). "Chemical sensors for electronic nose
systems". Microchim. Acta, 149, 1–17.
21. Hines, E.L., Llobet, E., and Gardner, J.W. (1999). "Electronic noses: a review of signal
processing techniques". IEE Proc.-Circuit Device Syst., 146, 297–310.
22. Ruˇziˇcka, J. and Hansen, E.H. (1988). Flow Injection Analysis, Wiley, New York.
23. Trojanowicz, M. (2000). Flow Injection Analysis: Instrumentation and Applications, World
Scientific, Singapore.
24. Ohno, K., Tachikawa, K., and Manz, A. (2008). "Microfluidics: Applications for analyti-
cal purposes in chemistry and biochemistry¿. Electrophoresis, 29, 4443–4453.
25. Ghallab, Y.H. and Badawy, W. (2010). Lab-on-a-Chip: Techniques, Circuits, and Bio-
medical Applications, Artech House, Norwood, MA.
26. Li, P.C.H. (2010). Fundamentals of Microfluidics and Lab on a Chip for Biological
Analysis and Discovery, CRC Press, Boca Raton, Fla.
27. Korotcenkov, G. (ed.) (2011). Chemical Sensors Applications, Momentum Press, High-
land Park, N.J.
28. Ramsay, G. (1998). Commercial Biosensors: Applications to Clinical, Bioprocess, and
Environmental Samples, J.Wiley, New York.
62 Глава 1. Что такое химические сенсоры?
29. Lieberzeit, P.A. and Dickert, F.L. (2007). "Sensor technology and its application in
environmental analysis". Anal. Bioanal. Chem., 387, 237–247.
30. Badihi-Mossberg, M., Buchner, V., and Rishpon, J. (2007). "Electrochemical biosensors
for pollutants in the environment". Electroanalysis, 19, 2015–2028.
31. Wanekaya, A.K., Chen, W., and Mulchandani, A. (2008). "Recent biosensing develop-
ments in environmental security". J. Environ. Monit., 10, 703–712.
32. Trojanowicz, M. (2002)."Determination of pesticides using electrochemical enzymatic
biosensors¿. Electroanalysis, 14, 1311–1328.
33. Palchetti, I. and Mascini, M. (2008). ¾Nucleic acid biosensors for environmental pollution
monitoring". Analyst, 133, 846–854.
34. Leonard, P., Hearty, S., Brennan, J. et al. (2003) Advances in biosensors for detection of
pathogens in food and water. Enzyme Microb. Technol., 32, 3–13.
35. Nayak, M., Kotian, A., Marathe, S. et al. (2009). "Detection of microorganisms using
biosensors-A smarter way towards detection techniques". Biosens. Bioelectron., 25, 661–
667.
36. Varney, M.S. (2000). Chemical Sensors in Oceanography, Gordon and Breach Science
Publishers, Amsterdam.
37. Kroger, S. and Law, R.J. (2005). "Biosensors for marine applications We all need the
sea, but does the sea need biosensors?" Biosens. Bioelectron., 20, 1903–1913.
38. D’Orazio, P. (2003)." Biosensors in clinical chemistry¿. Clin. Chim. Acta, 334, 41–69.
39. Vadgama, P. (2007). "Sensor biocompatibility: Final frontier in bioanalytical measure-
ment". Analyst, 132, 495–499.
40. Wang, J. (2001). "Glucose biosensors: 40 years of advances and challenges". Electroana-
lysis, 13, 983–988.
41. Wang, J. (2008). "Electrochemical glucose biosensors". Chem. Rev., 108, 814–825.
42. Cunningham, D.D. and Stenken, J.A. (eds) (2010). In Vivo Glucose Sensing, John Wiley
and Sons, Hooken N.J.
43. Mascini, M. and Tombelli, S. (2008). ¾Biosensors for biomarkers in medical diagnostics¿.
Biomarkers, 13, 637–657.
44. Prodromidis, M.I. (2010). ¾Impedimetric immunosensors-A review¿. Electrochim. Acta,
55, 4227–4233.
45. Mello, L.D. and Kubota, L.T. (2002). "Review of the use of biosensors as analytical tools
in the food and drink industries". Food Chem., 77, 237–256.
46. Venugopal, V. (2002). "Biosensors in fish production and quality control". Biosens.
Bioelectron., 17, 147–157.
47. Palchetti, I. and Mascini, M. (2008). "Electroanalytical biosensors and their potential for
food pathogen and toxin detection". Anal. Bioanal. Chem., 391, 455–471.
48. Sinfield, J.V., Fagerman, D., and Colic, O. (2010). "Evaluation of sensing technologies
for on-the-go detection of macronutrients in cultivated soils". Comput. Electron. Agric.,
70, 1–18.
49. Freitag, R. (ed.) (1996). Biosensors in Analytical Biotechnology, Academic Press, San
Diego, Calif.
50. Mulchandani, A. and Bassi, A.S. (1995). "Principles and applications of biosensors for
bioprocess monitoring and control". Crit. Rev. Biotechnol., 15, 105–124.
Литература 63
51. Smith, R.G., D’Souza, N., and Nicklin, S. (2008). "A review of biosensors and biologically-
inspired systems for explosives detection". Analyst, 133, 571–584.
52. Gooding, J.J. (2006). "Biosensor technology for detecting biological warfare agents:
Recent progress and future trends". Anal. Chim. Acta, 559, 137–151.
53. Shah, J. and Wilkins, E. (2003). "Electrochemical biosensors for detection of biological
warfare agents". Electroanalysis, 15, 157–167.
54. Tok, J.B.H. (ed.) (2008). Nano and Microsensors for Chemical and Biological Terrorism
Surveillance, RSC Publishing, Cambridge.
55. Janata, J. (1989). Principles of Chemical Sensors, Plenum Press, New York.
56. Janata, J. (2009). Principles of Chemical Sensors, Springer-Verlag US, Boston, MA.
57. Hall, E.A.H. (1990). Biosensors, Open University Press, Milton Keynes, England.
58. Scheller, F.W. and Schubert, F. (1992). Biosensors, Elsevier, Amsterdam.
59. Cunningham, A.J. (1998). Introduction to Bioanalytical Sensors, Wiley, New York.
60. Turner, A.P.F., Karube, I., and Wilson, G.S. (eds) (1987). Biosensors: Fundamentals
and Applications, Oxford University Press, Oxford.
61. Edmonds, T.E. (ed.) (1988). Chemical Sensors, Blackie, Glasgow.
62. G¨opel, W. (ed.) (1991). Chemical and Biochemical Sensors, vol. 1, 2, VCH Verlagsgesel-
lschaft, Weinheim.
63. Taylor, R.F. and Schultz, J.S. (eds) (1996). Handbook of Chemical and Biological Sensors,
Institute of Physics Publ., Bristol.
64. Kress-Rogers, E. (ed.) (1997). Handbook of Biosensors and Electronic Noses: Medicine,
Food, and the Environment, CRC Press, Boca Raton, Fla.
65. Gorton, L. (ed.) (2005). Biosensors and Modern Biospecific Analytical Techniques, Else-
vier, Amsterdam.
66. Knopf, G.K. and Bassi, A.S. (eds) (2007). Smart Biosensor Technology, CRC Press, Boca
Raton.
67. Alegret, S. and MerkoSci, A. (eds) (2007). Electrochemical Sensor Analysis, Elsevier,
Amsterdam.
68. Grimes, C.A., Dickey, E.C., and Pishko, M.V. (eds) (2006). Encyclopedia of Sensors,
American Scientific Publishers, Stevenson Ranch, Calif.
69. Cass, A.E.G. (ed.) (1990). Biosensors: A Practical Approach, IRL Press, Oxford.
70. Cooper, J.M. and Cass, A.E.G. (eds) (2004). Biosensors: A Practical Approach, Oxford
University Press, New York.
71. Rasooly, A. and Herold, K.E. (eds) (2009). Biosensors and Biodetection: Methods and
Protocols, Humana Press, New York.
72. Eggins, B.R. (1996). Biosensors: An Introduction, J. Wiley, Chichester.
73. Eggins, B.R. (2002). Chemical Sensors and Biosensors, J. Wiley, Chichester.
74. Diamond, D. (ed.) (1998). Principles of Chemical and Biological Sensors, Wiley, New
York.
75. Gr¨undler, P. (2007). Chemical Sensors: An Introduction for Scientists and Engineers,
Springer-Verlag, Berlin.
76. Zourob, M. (ed.) (2010). Recognition Receptors in Biosensors, Springer, New York.
ГЛАВА 2 Структура и свойства протеинов
Биосенсоры это химические сенсоры, которые распознают целевые молекулы
при помощи веществ биологического происхождения, включая протеины. Две кате-
гории протеинов особенным образом относятся к биосенсорам, а именно ферменты
и антитела.
Ферменты и антитела созданы природой для выполнения важных задач, осно-
ванных на специфическом взаимодействии с другими видами химических веществ.
Такие соединения преимущественно могут быть использованы для наделения сен-
соров на основе биологического материала свойством избирательности.
Эта глава дает краткий обзор структур и свойств протеинов, чтобы помочь по-
ниманию их поведения в случае применения в сенсорах.
Молекулы протеинов это полимеры, состоящие из последовательности остат-
ков -аминокислот. Такие молекулы показывают высокую степень организации,
включая слабые и сильные взаимосвязи между различными областями вдоль моле-
кулы, а также между отдельными молекулами.
2.1.Аминокислоты
-аминокислоты имеют общую структуру, приведенную на рис. 2.1. Каждая мо-
лекула отображает атом водорода и карбоксильную группу, связанную с централь-
ным атомом углерода. Аминокислоты отличаются друг от друга природой чет-
вертой группы, причем R боковая связь, свойственная этому атому углерода.
Простейшая аминокислота это глицин, в котором R является атомом водорода.
В других аминокислотах R может быть алифатической группой (например –CH3
в аланине), кислотной группой (например –CH2COOH в аспарагиновой кислоте),
щелочной группой (например –(CH2)4NH2 в лизине), неионной полярной группой
(например –CH2OH в серине, –CH2CONH2 в аспарагине) или гидрофобной арома-
тической группой (в тирозине и триптофане). Определенная боковая связь создает
в каждой аминокислоте специфичный размер и форму и вводит такие свойства, как
гидрофобность или гидрофильность, кислотный или щелочной характер, положи-
тельный или отрицательный заряд, а также полярный характер боковой связи.
Исключая глицин, -аминокислоты содержат асимметрично замещенный атом
углерода и проявляют оптическую изомерию. Все естественные -аминокислоты
имеют L-структуру.
Так как каждая молекула аминокислоты содержит как минимум две группы,
способных подвергаться реакции переноса протона, их состояние протонирования
в растворе зависит от уровня pH раствора (рис. 2.1). Константа ионизации (pKa)
Рис. 2.1. α-аминокислота и ее равновесие протонирования
карбоксильной группы (–COOH) равна примерно 2, тогда как значение констан-
ты ионизации протонированной аминогруппы (–NH+3
) численно находится между
9 и 10. Согласно индукционным электрическим эффектам константа ионизации
зависит от некоторой протяженности структуры боковой цепочки. Как следствие
равновесия протонирования/диссоциации при уровне pH > 2 карбоксил полностью
ионизируется до –COO−, в то время как аминогруппа полностью протонируется
до –NH+3
при уровне pH < 10. В нейтральных растворах обе группы находятся
в ионизированном состоянии и большинство молекул пребывают в форме гибридно-
го иона (цвиттер-ион) с нулевым суммарным зарядом. Уровень pH, при котором
все аминокислотные молекулы находятся в форме цвиттер-иона, называют изоэлек-
трической точкой (pI). Дополнительное равновесие протонирования наблюдается,
если боковая цепочка содержит ионизируемые группы.
Рис. 2.2. Цистино-окислительная димеризация, приводящая к цистиновой молекуле (дисуль-
фидный мост)
Аминокислота является элементом существенной важности в определении про-
теиновой структуры, которая является цистеином с R = –CH2–SH (рис. 2.2). Две
молекулы цистеина могут образовать дисульфидную связь (–S–S–) посредством ре-
акции окисления. Такая мостовая связь между остатками цистеина в основе проте-
ина благоприятствует стабилизации трехдимензиональной конфигурации молекулы
протеина. В дополнение дисульфидный мостик может служить средством соедине-
ния макромолекулярных цепочек двух отдельных индивидуальных протеинов. 2.2.
Химическая структура протеинов
Протеины образуются из аминокислот, используя информацию, зашифрованную
в генах. У каждого протеина своя уникальная последовательность аминокислот,
которая определяется последовательностью нуклеотидов уместных генов. Связь
двух молекул аминокислот происходит через реакцию конденсации, как показано
на рис. 2.3, и продукт, называемый дипептидом, образуется таким же образом,
а в дальнейшем он может образовать связь с другой аминокислотой и сформировать
трипептид.
Рис. 2.3. Уплотнение двух молекул аминокислот, приводящее к дипептиду
Последовательность реакций, подобная показанной на рис. 2.3, ведет к фор-
мированию полипептидов (рис. 2.4, а). В полипептидах и протеинах отдельные
аминокислотные остатки соединяются пептидными связями (т. е. группой –CO–
NH–). В этих группах одиночная пара электронов атома азота делокализована,
придавая связи C–N характер частичной двойной связи (рис. 2.4, б). Это блокирует
возможность ротации вокруг C–N-связи и придает пептидной связи плоскую форму.
Рис. 2.4. а) Полимерная структура полипептида; б) резонансная структура пептидной связи;
в) водородная связь между двумя пептидными связями 2.3.Ñòðóêòóðàìàêðîìîëåêóëïðîòåèíà
Молекулы протеина отличают несколько уровней организации. Первый уровень
определяет просто последовательность аминокислот. Более высокие уровни органи-
зации придают протеину его характерную объемную форму в трех измерениях.
Первичная структура протеина создается однокоординатным распространением
аминокисот вдоль полимерной цепи.
Решающим значением для протеиновой структуры является способность пептид-
ных связей формировать водородные связи между ними, как показано на рис. 2.4, в.
Водородные связи между пептидными связями содействуют в осуществлении про-
цесса самоорганизации протеиновой цепочки, который формирует вторичную струк-
туру протеина. Важнейшими конфигурациями этого типа являются -спираль и
-слой.
Для формирования -спирали полипептидная основа скручивается правовраща-
тельным витком, который позволяет боковым цепочкам располагаться на наружной
части цепочки (рис. 2.5, а). Стабильность данной структуры поддерживается во-
дородными связями между пептидными соединениями. Как правило, -спираль
представлена свернутой лентой (рис. 2.6), плоской полоской или трубкой. Один
оборот -спирали состоит из 3,6 аминокислот, которые располагают группу –C––
O
Рис. 2.5. Элементы вторичной структуры протеина: а) структура ¾α-спираль¿; б) β-нить;
в) β-слой. Использовано с разрешения [3]. Copyright 2010 Wiley, Hoboken
точно по линии с группой –N–H следующих четырех аминокислот вдоль молекулы,
что позволяет формироваться водородным связям.
-нить (рис. 2.5, б) является последовательностью аминокислот, чьи пептид-
ные боковые связи почти полностью вытянуты. Они, как правило, представлены
стрелкой, указывающей в сторону C-окончания молекулы (рис. 2.6). Совокупность
таких нитей, присоединенных водородными связями друг к другу, формирует -слой
(рис. 2.5, в). Два или более пограничных -слоев имеют возможность группировать-
ся в антипараллельной, параллельной или смешанной форме. -слой проявляет
явную склонность к закручиванию и сгибам, отсюда происходит отклонение от иде-
ально параллельной организации как таковой, показанной на рис. 2.5, в. Благодаря
эластичности водородных связей скручивание цепей и изгибы нисколько не препят-
ствуют образованию -слоев из -нитей.
Рис. 2.6. Сворачивание полипептидной ленты, иллюстриру-
ющее пошаговую самоорганизацию протеина от первичной до
вторичной к третичной структуе. Вторичная структура ста-
билизирована водородными связями между атомами N и O в
пептидных связях. Третичная
структура стабилизирована химическими связями, вовлекаю-
щими боковые цепи. Опубликовано с разрешения [2]. Copyright
2000 John Wiley & Sons, Inc.
Дополнительные взаимодействия отдаленных областей полипептида побужда-
ют элементы вторичной структуры присоединяться самостоятельно в определенном
порядке, который представляет собой третичную структуру протеина (рис. 2.6).
Такая структура может стабилизироваться дисульфидными мостиками и некова-
лентными связями, включающими функциональные возможности боковых цепочек.
Нековалентная химическая связность в протеинах обсуждается в разделе 2.4.
В третичной структуре соединение между организованными областями осуществ-
ляется посредством неорганизованных частей цепочки (петлями) или небольшими
поворотами, стабилизированными нековалентными связями.
Пример третичной структуры протеина с типичными элементами вторичной струк-
туры показан на рис. 2.7, а. Этот частный вид протеина также включает в се-
бя небольшие непротеиновые вещества (дигидрофолат и NADP+), присоединенные
нековалентными связями.
Рис. 2.7. а) Третичные структуры кишечной палочки фермента дигидрофолатредуктаза в ка-
честве третичной структуры с основой (дигидрофолат) и коферментом NADP+.
Взято из http://www.rcsb.org/pdb/explore/explore.do?structureId=1DRE. б) Четвер-
тичная структура гемоглобина. Также показаны группы гемо-железа. Взято из
http://www.rcsb.org/pdb/explore/explore.do?structureId=1A3N. Последний доступ:
15.05.2012
Некоторые молекулы протеина состоят из двух или более полипептидных це-
почек, связанных нековалентными связями, а иногда дисульфидными мостиками.
Части определенных пептидов также могут попасть во внутримолекулярный состав
-слоев. Принятая таким соединением формация молекул полипептидов образует
четвертичную структуру протеина.
В качестве примера рис. 2.8 отображает четвертичную структуру гемоглобина
тетрамер, состоящий из четырех отчетливых цепочек: двух схожих -цепочек и двух
похожих -цепочек.
Множество протеинов встречаются в смешанных с полисахаридами (гликопроте-
ины) или жирами (липопротеины) состояниях.
2.4. Нековалентные химические связи
На рис. 2.8 объединены главные виды нековалентных связей, которые определя-
ют соединение макромолекул протеина [4]. К ним относятся водородные связи (а),
ионные связи (б) и гидрофобные взаимодействия сил Ван-дер-Ваальса (в), при-
чем последние характерны для электромагнитного взаимодействия, возникающего
в результате колебаний распространения заряда в пределах атома. В отличие от ко-
валентных связей приведенные нековалентные связи не имеют определенной длины
и силы.
Рис. 2.8. Примеры нековалентных связей с включением боковых цепочек: а) водородная
связь; б) ионная связь (соляной мостик); в) гидрофобная связь (R гидрофобные
боковые цепочки); г) водяной мостик с водородной связью между карбоксильной и
аминной группой. Толстые линии представляют собой основы протеина
Главную роль в образовании ферментов также играет вода. Она может ста-
билизировать некоторые структуры посредством образования водородных связей,
которые соединяют две различных области (рис. 2.8, г). Более того, связь воды с
полярными и ионными группами вызывает сольватацию протеинов и ведет к рас-
творимости протеинов в воде, когда такие группы достигают внешней поверхности
молекулы.
Некоторые ионы металла также могут создавать специфические протеиновые
структуры (рис. 2.9) посредством взаимодействия с боковыми цепочками. Таким
образом, щелочные и щелочноземельные ионы связываются электростатическими
силами, вовлекая анионы (такие как карбоксилат в аспарагиновой кислоте) и отри-
цательные окончания диполей (такие как –C––
O в аспарагине и ––
NH в аргинине,
рис. 2.9, а). Так как электростатические взаимодействия не ориентированы про-
странственно, формирование электростатических связей сталкивается с небольшим
количеством ограничений, поскольку направление и протяженность ограничены.
Длина и сила таких связей может изменяться в широком диапазоне.
Ионы переходных металлов формируют координационные связи, которые спе-
циально строго пространственно ориентированы в соответствии с молекулярными
орбитами (рис. 2.9, б). К тому же протяженность и сила координационных связей
ограничены законами квантовой механики. Поэтому ионы переходных металлов
образуют жесткую структуру.
Рис. 2.9. Связь ионов металла в протеинах: а) ион кальция поддерживается электроста-
тическими связями в кадгерине 23. Взято из http://www.rcsb.org/pdb/explore/
explore.do?structureId=2WBX. б) Zn2+ в алкогольной дегидрогеназе. Координа-
ция металла выполняется двумя атомами серы из остатков цистеина и азотом из
имидазольного кольца в остатке гистидина. Кривые линии отображают основу
протеина. Взято из http://www.rcsb.org/pdb/explore/explore.do?structureId=1SBY.
Последнее посещение: 15.05.2012 2.5.Ïðîòåèíûâïðîöåññàõðàñïîçíàâàíèÿ
В живых организмах множество протеинов выполняют функцию рецепторов, свя-
зываясь с определенным лигандом в целях формирования соединения, называемого
комплексом (не путать с координационными соединениями ионов металла). Со-
единение в таком комплексе происходит нековалентными связями, которые обес-
печивают стабильность благодаря их большому количеству. Пример третичного
комплекса показан на рис. 2.7, а, в котором протеин соединен с двумя непротеинами
для формирования третичного комплекса. Детали связи в комплексе маленькой мо-
лекулы сахара с авидином показаны на рис. 2.10. Полученный в результате комплекс
стабилизируется гидрофобными и водородными связями. Высокая специфичность
образования таких комплексов обусловлена химической и пространственной ком-
плементарностью задействованных молекул. Однако идеальное пространственное
соответствие не всегда основополагающе, так как рецепторная область часто может
подвергнуться формационной реорганизации при взаимодействии с лигандом.
Особое отношение к применению в биосенсорах имеют ферменты и антитела.
Ферменты действуют как катализатор в биохимических реакциях. Первым шагом
в ферментной реакции является специфичное соединение лиганда с активной по-
верхностью фермента. Как только комплекс сформировался, лиганд подвергается
химической реакции. Продукты реакции покидают область рецептора и оставляют
ее свободной для дальнейшего взаимодействия со следующей молекулой лиганда.
Такой каталитический цикл повторяется, пока лиганд доступен. Комплекс, подвер-
гающийся каталитической перегруппировке под воздействием фермента, называют
ферментным субстратом (коротко субстратом). Очевидно, что взаимодействия
системы фермент–субстрат не находятся в равновесии, но все же они подчиняют-
ся законам химической кинетики. Когда в биосенсоре используют фермент как
распознающий элемент, всякое физическое или химическое последствие реакции тео-
ретически может быть использовано для контроля протекания реакции и в качестве
эффекта преобразования.
Рис. 2.10. Соединение сахарида (2-(ацетиламино)-2-
деокси-а-D-глюкопираноза)
с авидином. Сплошные прямые линии: гидрофобные свя-
зи;штриховая линия: водородные связи. Взято из: http://
www.rcsb.org/pdb/explore/ex-
plore.do?structureId=2AVI.
Последний доступ: 15.05.2012
Антитела являются протеинами, производящимися иммунной системой организ-
ма для его защиты от потенциально вредоносных веществ, называемых антиге-
нами. Антитело селективно связывает антиген нековалентными связями. Взаи-
модействие такого рода завершается в химическом равновесии, и, следовательно,
стабильность этого комплекса может быть описана терминами термодинамических
функций. В биосенсорах антитела могут быть использованы в качестве рецептора
лиганда, который является аналитом. Альтернативно антиген возможно применить
для определения присутствия антител. Физические явления (такие как изменение
массы) или сигнальные метки (например люминесцентные отметки, прикрепленные
к одному из реактивов) позволяют обнаружить комплекс в целях создания сигнала
преобразования.
2.6.Перспективный обзор
Аминокислоты могут формировать посредством реакций конденсации полимеры,
называемые протеинами. Молекула протеина состоит из линейной последователь-
ности аминокислот, соединенных друг с другом с помощью пептидных связей, со
свободной аминогруппой на одном конце молекулы и с карбоксильной группой на
другом. Последовательность аминокислот, осаждающаяся в протеине, определяет-
ся генетическим кодом организма. Эта последовательность формирует первичную
структуру молекулы протеина. Водородные связи между группами –NH и –C––
O в основе стабилизируют частные формирования, такие как -спирали и -слои,
которые представляют собой следующий уровень организации, называемый вторич-
ной структурой. Дальнейшая организация протеина включает пространственное
расположение этих элементов вторичной структуры, которые формируют третич-
ную структуру протеина и являются результатом образования химических связей с
использованием боковых цепочек. Некоторые молекулы протеина являются резуль-
татом реакции нескольких определенных цепочек полипептидов, которые возникают
за счет нековалентных связей, а иногда за счет формирования дисульфидных мо-
стиков. Эту окончательную организацию называют четвертичной структурой.
Всестороняя информация о структуре протеина доступна в специализированных
базах данных, таких как Protein Data Bank на сайте http://www.pdb.org/pdb/home/
home.do. Каждая структура в этой базе данных идентифицируется четырехзначным
индексом (например 2AVI для протеина по рис. 2.10).
Первичная структура основывается на стабильных ковалентных связях. В про-
тивоположность этому более высокие уровни организации преимущественно осно-
ваны на нековалентных связях, которые подвержены изменениям под воздействи-
ем различных факторов, таких как уровень pH, ионная сила, температура, состав
раствора. Отклонения в более высоких уровнях структуры приводят к денатура-
лизации протеинов, которая, в свою очередь, вызывает утрату природных свойств
самого протеина. Ввиду данного обстоятельства протеин считается относительно
чувствительным веществом при использовании в искусственных средах. В зависи-
мости от обстоятельств денатурализация может являться обратимым или необра-
тимым процессом.
Применение протеинов в биосенсорах зависит от свойств некоторых молекул
такого типа в целях присоединения определенного лиганда несколькими некова-
лентными связями для получения комплекса. Любые физические или химические
последствия формирования комплекса могут быть использованы в целях преобра-
зования.
Вопросы и упражнения
1. Что такое обобщенная структура -аминокислоты? Дайте обзор общих свойств ами-
нокислот. Прокомментируйте частные характеристики некоторых аминокислот и объ-
ясните причину их особого поведения.
2. Используйте интернет-ресурсы и подготовьте список протеиногенных -аминокислот,
сгруппированных согласно их характеристикам относительно боковых цепочек.
3. Напишите химическую формулу пептида, состоящего из последовательности глицина,
цистеина и лизина, и еще одну для пептида, состоящего из аспарагина, глицина, аспа-
рагиновой кислоты и цистеина. Возможно ли соединить упомянутые выше пептиды
ковалентной связью?
4. Почему протеин подвергается денатурализации, если уровень pH отклоняется от есте-
ственного значения?
5. Что может произойти, если водный раствор протеина смешать с неводяным раствори-
телем?
6. Водорастворимый протеин может быть осажден инертной солью (такой как суль-
фат аммония) благодаря эффекту высаливания. Каковы изменения на молекулярном
уровне, приводящие к изменению растворимости?
7. Присутствует ли взаимодействие системы рецептор–лиганд на рис. 2.7, а? Что явля-
ется рецептором, а что лигандами?
8. Зайдите на веб-сайт Protein Data Bank, откройте файлы структуры комплексов, изоб-
раженных на рис. 2.9 и 2.10, и проверьте внутриатомные расстояния. Найдите взаи-
мозависимость между природой химической связи и ее протяженностью.
9. Найдите структуру PDB ID: 2WDO в базе данных Protein Data Bank и изучите связь
глицерола и Mg2+ в этой молекуле протеина.
10. Откройте структуру PDB ID: 1E9Z (фермент уреазы) в базе данных Protein Data
Bank и скачайте структуру комплекса Ni(II) с помощью меню лиганда химического
компонента. Прокомментируйте связь ионов никеля в этом ферменте. Ëèòåðàòóðà
1. Whitford, D. (2005). Proteins: Structure and Function, John Wiley & Sons, Chichester.
2. Copeland, R.A. (2000). Enzymes: A Practical Introduction to Structure, Mechanism, and
Data Analysis, Wiley-VCH, New York.
3. Karp, G. (2010). Cell Biology, John Wiley & Sons, Hoboken, N.J.
4. Chang, R. and Chang, R. (2004). Intermolecular forces, in Physical Chemistry for the
Chemical and Biological Sciences, University Science Books, Sausalito, Calif, pp. 669–700.