Вольтамперометрические и хроноамперометрические сенсоры. Примеры интеллектуальных электрохимических сенсоров

17.3.6. Биохимические экспресс-анализаторы крови CardioChek

Биохимические экспресс-анализаторы крови CardioChek ( рис. 17.11) являются еще одним примером диагностического оборудования типа "point-of-care" – диагностики на дому, на работе или в любом другом месте наблюдения пациента. Они позволяют врачу быстро провести самые необходимые биохимические исследования крови пациента, оперативно диагностировать состояние его здоровья и принять обоснованные решения о необходимых лечебных мероприятиях.

Рис. 17.11. Биохимический экспресс-анализатор крови CardioChek (слева) и пояснения по его применению (справа)

Анализатор вместе с набором необходимых тестовых панелек легко помещается в карман или в сумку врача. Он позволяет за считанные минуты провести исследование крови пациента на целый ряд очень важных биохимических параметров – в зависимости от имеющегося набора тестовых панелек. Стадии тестирования показаны на рис. 17.11 справа вверху. Это – забор необходимого количества крови пациента; дозированное нанесение необходимого объема крови на вставленную в анализатор тестовую панельку; через несколько десятков секунд считывание результата тестирования. Каждая тестовая панелька представляет собой биоселективный электрохимический электрод, нацеленный на измерение соответствующего биохимического показателя крови или одновременно нескольких показателей. Набор панелек (показан на рис. 17.11 справа внизу) достаточно широк и включает:

• "Общий холестерин" (диапазон измерений: 2,59-10,36 ммоль/л; требуемый объем крови 15 мкл);
• "Глюкоза" (диапазон измерений: 1,11-33,3 ммоль/л; требуемый объем крови 15 мкл);
• "Креатинин" (диапазон измерений: 17,7-884 мкмоль/л; требуемый объем крови 20 мкл);
• "Кетоновые тела" (диапазон измерений: 0,19-6,72 ммоль/л; требуемый объем крови 15 мкл);
• "Триглицериды" (диапазон измерений: 0,56-5,65 ммоль/л; требуемый объем крови 15 мкл);
• "Липопротеиды высокой плотности" (диапазон измерений: 0,39-2,59 ммоль/л; требуемый объем крови 15 мкл);
• "Липопротеиды низкой плотности" (диапазон измерений: 1,29-5,18 ммоль/л; требуемый объем крови 15 мкл);
• "Липидный спектр" (диапазоны измерений указаны выше; требуемый объем крови 40 мкл);
• "Метаболический синдром" (глюкоза, триглицериды, липопротеиды высокой плотности; требуемый объем крови 40 мкл).

Экспресс-анализаторы крови CardioChek используются врачами скорой и неотложной помощи, сельскими и семейными врачами, а также в медсанчастях, фельдшерских пунктах, не имеющих собственной лаборатории, и даже в лабораториях лечебных учреждений с небольшой тестовой нагрузкой порядка 100-1000 анализов в год. Для таких лечебных учреждений приобретение экспресс-анализатора крови CardioChek и наборов тестовых панелек к нему оказывается дешевле, чем создавать и содержать собственную лабораторию.

17.3.7. "Лаборатории на чипе"

С использованием ХЧПТ в ряде передовых фирм разрабатываются так называемые "лаборатории на чипе" ("lab-on-a-chip"). Например, исследователи Калифорнийского технологического института, университета Калифорнии в Лос-Анджелесе и компании IRIS International совместно разработали портативный интеллектуальный сенсор размером с мобильный телефон, который автоматически выполняет анализ крови человека, используя лишь 1-2 капли. Сенсор предназначен, в первую очередь, для космонавтов во время их продолжительных полетов в космос. Можно, правда, использовать там анализатор крови типа описанного выше. Но в космосе приходится экономить каждый лишний грамм массы, особенно при продолжительных путешествиях, например, к Марсу или Венере.

Интеллектуальный сенсор для автоматического проведения за 2-3 мин. анализа крови непосредственно в космосе показан на рис. 17.12. Внутри кристалла кремния с помощью микросистемной технологии сформированы не только микроминиатюрные быстродействующие электрохимические анализаторы, но также и крохотные жидкостные насосы, вентили и электронные схемы, которые нужны для управления ходом анализа и для обработки результатов измерений. Когда капля крови попадает в небольшой приемный резервуар, к ней для предотвращения свертывания крови автоматически добавляются антикоагулянты. Затем она перекачивается в контейнер для разбавления, а из него – в сепаратор. Там клетки крови автоматически сортируются по размерам с использованием законов гидродинамики.

Рис. 17.12. Портативный интеллектуальный сенсор для проведения анализа крови

Каждая фракция через свой канал прокачивается в оптоэлектронный счетчик, который подсчитывает число проходящих сквозь него клеток (телец) крови – лейкоцитов, эритроцитов и т.д. Определяются концентрация гемоглобина, РОЕ. А затем с помощью биоселективных МДП транзисторов, на затворах которых иммобилизованы соответствующие ферменты или антитела, определяется наличие и концентрация ряда важных биохимических веществ, вирусов, бактерий.

Разработчики считают, что созданный чип довольно гибок, и с помощью соответствующих модификаций его можно будет настроить даже на выполнение онкологических тестов с целью раннего выявления раковых заболеваний, если иммобилизовать на затворах МДП транзисторов белковые маркеры раковых клеток.

Аэрокосмический центр им. Маршала (NASA) разработал миниатюрную "лабораторию на чипе", предназначенную для выявления следов жизни на Марсе путем анализа в биоселективных электрохимических элементах растворов марсианского грунта или льда на наличие аминокислот, ДНК, РНК, бактерий, спор.

Немецкая фирма STMicroelectronics вместе с сингапурской медицинской фирмой Veredus Laboratories разработала специализированные одноразовые сенсорные микросхемы для распознавания разных штаммов вируса птичьего гриппа H5N1 ( рис. 17.13). Сенсорная микросхема содержит ХЧПТ, на затворах которых высажены антитела различных штаммов вируса. Если в контролируемом растворе имеются вирусы того или иного штамма, то антитела распознают их, присоединяют, и на выходе соответствующего ХЧПТ появляется сигнал.

Рис. 17.13. Специализированные одноразовые сенсорные микросхемы для распознавания разных штаммов вируса птичьего гриппа H5N1

В то время как при использовании прежних методов для получения результата требовалось несколько дней плюс время на транспортировку в спецлабораторию, анализ с помощью разработанной сенсорной микросхемы можно выполнить на месте в течение одного часа. И тем самым можно сберечь жизнь тысячам домашних птиц, которые до сих пор становились жертвами преждевременных "профилактических зачисток".

17.3.8. Сканирующий электрохимический микроскоп

В таком микроскопе гальванический электрод с очень острым концом сканирует под управлением компьютера вдоль поверхности исследуемого образца, покрытой специальным вспомогательным раствором. В зависимости от электрохимических свойств локального участка поверхности образца изменяется разность потенциалов между электродом и образцом (или вспомогательным электродом сравнения) либо электрический ток, протекающий через электрод при приложенном извне напряжении. Запоминая получаемый сигнал, компьютер строит увеличенное изображение поверхности образца. На этом изображении хорошо видны "электрохимические неоднородности", обусловленные наличием вкраплений различных веществ.

Разработаны различные варианты получения сигналов, позволяющие, меняя состав раствора, модифицируя электрод, применяя вспомогательный электрод и соответствующие редокс системы, настраиваться на выявление на поверхности образца мест расположения различных аналитов.

Краткие итоги

Вольтамперометрический сенсор отслеживает зависимость электрического тока через исследуемый раствор от приложенного напряжения. Разработано много разных вариантов вольтамперометрии, позволяющих повысить информационные возможности сенсора и чувствительность к различным аналитам. В методе циклической вольтамперометрии, например, приложенное к электродам напряжение сначала линейно возрастает, а потом уменьшается до исходного значения. Вольтамперограмма имеет вид замкнутой кривой, вид которой зависит от всех особенностей электрохимических реакций. Это может давать исследователю много ценной информации не только о его составе, но и о кинетике электрохимических процессов в исследуемом растворе. При вольтамперометрии переменного тока на линейно или ступенчато нарастающий потенциал измерительного электрода накладывается переменное измерительное напряжение малой амплитуды, и измеряется только соответствующая переменная составляющая тока. Такой метод позволил повысить чувствительность обнаружения аналита почти на 2 порядка.

Метод хроноамперометрии основан на анализе зависимости тока через электрохимический элемент от времени при различных способах изменения приложенного напряжения. Используют и наложение на постоянное напряжение смещения периодических импульсов напряжения разной формы и амплитуды либо небольшого измерительного переменного напряжения. Для получения дополнительной информации применяют также такие внешние воздействия на электрохимический элемент, как изменение условий перемешивания исследуемого раствора, дозированное добавление по каплям других растворов, быстрая замена измерительного электрода на другой (из другого материала) и т.п. Чувствительность описанных методов можно дополнительно повысить, стимулируя различными методами предварительное накопление аналита возле измерительного электрода. Благодаря всему этому, с помощью вольтамперометрических и хроноамперометрических сенсоров можно определять наличие и концентрацию в растворе почти всех видов ионов и многих органических молекул в широком диапазоне концентраций (от 10^–10 моль/л до 1 моль/л), исследовать природу и подробные кинетические характеристики соответствующих химических реакций.

В настоящее время разработаны и широко применяются многие виды интеллектуальных электрохимических сенсоров. Среди них: электрохимические анализаторы широкого профиля и полярографы, анализаторы воды, напитков и тестеры алкогольного опьянения, анализаторы дымовых газов и портативные глюкометры, экспресс-анализаторы крови и даже "лаборатории на чипе". Имеется большой потенциал и для создания новых, еще более совершенных интеллектуальных электрохимических сенсоров.