Таким образом, наблюдаемый электрохимический процесс на электроде с иммобилизованной лакказои определяется реакцией четырех электрон¬ного восстановления кислорода до воды:

О2 + 4е- + 4Н+ → 2Н2О.

Кислородные электроды на основе иммобилизованнои лакказы достаточно стабильны. Прямой электрокаталитический механизм переноса электронов обнаружен и исследован для лакказы, пероксидазы, гидрогеназы. При конструировании биосенсоров наибольшее применение нашел феномен электровосстановления перекиси водорода с помощью иммобилизованной пероксидазы. Приведем несколько примеров.

Определение ряда ключевых метаболитов

Многие ферменты осушествляют оксидазную реакцию с различными веществами (глюкоза, аминокислоты) с образованием перекиси водорода. В этом случае пероксидазный электрод используется для трансформации концентрационного сигнала в электрическую форму. В условиях, когда лимитирующей является первая стадия, величина тока линейно связана с концентрацией метаболита АН2.

Определение супертоксинов и боевых отравляющих веществ

Большая группа фосфоорганических соединений выступает в роли сильных ядов, блокируя в центральной нервной системе фермент ацетилхолинэстеразу. По аналогичному механизму действуют большинство пестицидов. Были разработаны биосенсоры для детекции такого рода соединений с необходимой высокой чувствительностью. Ингибитор (зарин, зоман, Vх) блокирует активность ацетилхолинэстеразы, в конечном итоге уменьшая пероксидазный электрокаталитический ток через поверхность электрода. Чувствительность биосенсора доведена до 10-12 М нейротоксина. Один из подходов к осуществлению переноса электронов между активным центром фермента и электродом заключается в использовании для иммобилизации ферментов матриц проводникового и полупроводникового характера.

Большой класс потенциальных носителей при создании биокатализаторов составляют органические полимерные полупроводники. Электропроводность полупроводниковых полимеров может изменяться в широком интервале (10-5—104Ом-1 см-1) и приближаться к электропроводности металлов. Для иммобилизации ферментов интерес представляют по крайней мере два класса органических полупроводников.

1. Полимеры с системой сопряженных связей, обладающие длинной цепью сопряжения. Они имеют сравнительно высокую электропроводность и представляют собой электронно-неоднородные системы, в которых области полисопряжений, характеризуемые "металлической" проводимостью, разделены диэлектрическими участками. Перенос электронов через диэлектрические участки определяет общий барьер транспорта электронов.

Термически обработанный полиакрилонитрил является достаточно хорошо изученным полимерным полупроводником. Электропроводность образцов зависит от температуры термической обработки. Носители были химически модифицированы окислением концентрированной азотной кислотой (введение нитро- и гидроксигрупп), обработкой гидразином и восстановлением с образованием аминогрупп. Иммобилизацию ферментов проводили на окисленных образцах термически обработанного полиакрилонитрила после гидрогенолиза и восстановления с использованием бифункционального реагента - глутарового альдегида. Интересно отметить, что между степенью окисления термически обработанного полиакрилонитрила и активностью иммобилизованного фермента существует определенная корреляция: емкость носителя до 100 мг белка на 1 г полимера. В последние годы широкое распространение получили органические полупроводники при электрохимической полимеризации ароматических соединений непосредственно на электроде (полипирол, полианилин, полимер метиленовый синий).

2. Полимеры с комплексами переноса заряда (КПЗ). Предельным вариантом сильных КПЗ являются ион-радикальные пары. В системах с КПЗ, так же как и в системах с полисопряжением, электропроводность обеспечивается за счет π-электронов, но делокализация их происходит к плоскостях, перпендикулярных плоскостям, упакованных в пачки молекул. Механизм проводимости обусловлен ион-радикальным диспропорционированием в пачках, состоящих из доноров и акцепторов электронов. Классическим примером проводников, действующих по ион-радикальному механизму, являются соли на основе тетрацианхинодиметана (TCNQ). Проводимость в таких системах обычно связывают с образованием КПЗ между молекулами TCNQ.

Способ получения таких иммобилизованных ферментов заключается в соосаждении поликатионов с ферментами под действием полувосстановленной соли TCNQ. Фермент иммобилизуется в водопроницаемые полимеры с высокой электропроводностью (вплоть до 10-2 Ом-1 см-1). Емкость носителей - до 500 мг белка на 1 г носителя. Использование новых материалов органических полупроводников с включенными в них ферментами позволило создать новое поколение биосенсоров. В некоторых случаях электрохимические биосенсоры удобно реализовывать в форме потенциометрических ячеек с измерением смешения потенциала электрода, возникающего за счет электрохимической реакции. Калибровочная кривая в этом случае коррелирует смещение потенциала и логарифмическое значение концентрации аналита.