Биосенсоры на основе нанотрубок

Нанотрубки все прочнее завоевывают свое место в биологии. Был создан первый биосенсор на индивидуальной одностенной углеродной нанотрубке (ОСНТ - SWNT). Среди электрохимических сенсоров, т.е. устройств, предназначенных для анализа химических соединений в жидких и газообразных средах, отдельно выделяют электрохимические сенсоры для анализа биологических сред, или иначе биосенсоры. Биосенсоры позволяют быстро и с высокой селективностью проводить автоматизированный анализ сложных по составу объектов, определяя глюкозу, холестерин, мочевину, аминокислоты и другие вещества, содержание которых может изменяться от 0.05мкг/л до 1мг/л. Основа биосенсоров - ферментные электроды. Ферменты, или энзимы, это белковые макромолекулы, которые выполняют роль катализаторов в живых организмах. Они делятся на классы в зависимости от катализируемой реакции. Например, ферменты, о которых пойдет речь ниже, катализируют окислительно-восстановительные реакции и относятся к оксидоредуктазам. В электродах чаще всего используют так называемые иммобилизованные ферменты. Понятно, что иммобилизованный - это неподвижный, а достигается эта "неподвижность" (иммобилизация) связыванием фермента с носителем, например, включением ферментов в полимерные или гелевые пленки или ковалентным присоединением их к поверхности полупроницаемых мембран (целлюлозных, поликарбонатных). Это дает ряд преимуществ, например, существенно повышается стабильность, достигается многократное использование. При разработке биосенсоров желательно также уменьшить размер электродов до 10 - 100нм, т.е. приблизиться к размерам биомолекул. Эти задачи были решены. Был создан биосенсор на основе полупроводниковой ОСНТ. Исследователи сумели иммобилизовать фермент глюкозооксидазу GO_x на единичной ОСНТ полупроводникового типа, выращенной методом CVD на Si/SiO₂ подложке (рис.5). Наблюдения в атомном силовом микроскопе показали, что примерно половина поверхности ОСНТ была покрыта ферментом. Ученые использовали следующую методику: с помощью связующей молекулы иммобилизуют белки на боковой поверхности ОСНТ, сформировали электроды из 30нм - слоя Au и 5нм - слоя Ti на вершине нанотрубки (методом электронно-лучевой литографии). Электрические измерения проводили в водных растворах при комнатной температуре.

Рис.5. Биосенсор на основе углеродной нанотрубки

Выяснилось, что иммобилизация GO_x существенно уменьшила проводимость ОСНТ. Более того, ОСНТ, покрытые GO_x, в отличие от исходных, оказались очень чувствительными к рН среды в диапазоне 4 - 5.5. При рН=5.5 их проводимость значительно повышается, причем изменения проводимости обратимы. Такие нанотрубки могут быть отличными сенсорами, измеряющими изменения в рН до 0.1. Также выяснилось, что покрытые GO_x полупроводниковые ОСНТ чувствительны к b-D-глюкозе - при ее добавлении в раствор их проводимость увеличивается (для исходных нанотрубок без GO_x такой эффект отсутствует). Проводимость ОСНТ меняется из-за того, что при каталитической реакции превращения глюкозы в глюконолактон GO_x претерпевает конформационные изменения, группы на GO_x меняют свое зарядовое состояние, молекулы кислорода используются для образования молекул другого продукта - перекиси водорода. Для уточнения механизма требуются дальнейшие исследования, их работа безусловно открывает дорогу к биомолекулярной диагностике. В других научных лабораториях на боковой поверхности и на концах нанотрубок иммобилизовали некоторые металлопротеиды (сложные белки, включающие ионы металла) и ферменты. При этом их исходная биологическая структура сохранилась, что важно для создания в будущем устройств на их основе. Полученные "био-ОСНТ" электроды проявляют электрические свойства, которые могут быть использованы в вольтамперометрических исследованиях. В будущем возможно создание высокочувствительного мультианализатора, состоящего из набора ОСНТ, каждая из которых несет свой определенный фермент. Это позволит одновременно определять множество различных соединений.