ЖУРНАЛ АНАЛИТИЧЕСКОЙ ХИМИИ, 2015, том 70, № 5, с. 451-469
= ОБЗОРЫ
УДК 543.9
ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ БИОСЕНСОРЫ НА ОСНОВЕ ДЕНДРИМЕРОВ
© 2015 г. Г. А. Евтюгин1, Е. Е. Стойкова
Химический институт им. А.М. Бутлерова Казанского (Приволжского) федерального университета 420008 Казань, ул. Кремлевская, 18 1E-mail: gevtugyn@gmail.com Поступила в редакцию 19.11.2013 г., после доработки 10.03.2014 г.
Рассмотрены основные закономерности функционирования электрохимических биосенсоров, включающих в состав биочувствительного слоя дендримеры различного состава. Определены роль и значение дендримеров как матрицы для иммобилизации биологических компонентов биосенсоров, увеличения плотности рецепторов и медиаторов электронного переноса. Приведены примеры реализации различных типов биосенсоров на основе ферментов, иммунохимических реагентов и нуклеиновых кислот.
Ключевые слова: дендримеры, химически модифицированные электроды, биосенсоры, ДНК-сенсоры, иммуносенсоры.
Б01: 10.7868/80044450215050047
Разработка новых материалов — перспективное направление развития аналитической химии и других научно-технических отраслей [1]. Достижения нанотехнологий — наноразмерные и нанострукту-рированные материалы с уникальными характеристиками — находят все более широкое применение в решении задач разделения, концентрирования и распознавания различных соединений [2]. Сочетание особых свойств таких материалов с высокой избирательностью, характерной для биохимических методов анализа, позволяет создать принципиально новые аналитические устройства, востребованные для решения задач биомедицины (персонифицированная медицина, клинический анализ, внелабора-торные индивидуальные средства диагностики), фармацевтики (скрининг новых лекарственных препаратов, фармакокинетика) и экологического мониторинга (индивидуальное и групповое определение экотоксикантов). Это, в частности, нашло отражение в закреплении соответствующих направлений исследований в перечне критических технологий РФ (биокаталитические, биосинтетические и биосенсорные технологии, нано-, био-, информационные, когнитивные технологии). Вместе с тем, использование новых современных материалов не сводится к механическому совмещению отдельных биологических и вспомогательных компонентов. Размер наночастиц, наличие в них функциональных групп, необходимых для функ-
ционирования биосенсора, а также особенности внедрения наноматериалов в макроскопические системы, такие как модифицирующие слои сенсоров и биосенсоров, предъявляют особые требования как к процессам "сборки" чувствительных слоев, так и к их составу и особенностям изучения на этапах оптимизации и тестирования соответствующих аналитических устройств. Применительно к электрохимическим преобразователям сигнала особое внимание уделяется вопросам обеспечения электрической коммуникации первичного преобразователя и биохимического компонента. Она опосредована каскадами промежуточных реакций, включающих электронообменные процессы, сорбционно-каталитические стадии и собственно биохимическое распознавание молекул аналитов. Разнообразие поведения сложных гибридных структур обеспечивает высокую чувствительность определения аналитов и открывает новые возможности дизайна (био)сенсоров, направленные на их миниатюризацию, совместимость с имеющимися средствами измерения и на использование в специальных условиях, например, при имплантации датчика или удаленной регистрации его сигнала по радиоканалу. Все это определяет актуальность обобщения имеющихся литературных данных, посвященных отдельным аспектам применения таких "умных" материалов в составе биосенсоров.
НО йн
О
!2
+
О
О
НО,
' О
йн2
ОН ОН
(СН3)3№СН2СН2оССН3 + н20 ХолинэстеРаза (С^^+С^С^оН + ясоон
О
Ацетилхолин
^2СН20н + 02
Холин
(сн3)3№сн2сн2он + о2 Холиноксидаза (сн3)3№сн2сно + н2о2
Бетаин
н2й
Дендрон.
Периферийные
Н 'йчХх\/ N ---' 7 -------К--' ГН2
Ил^й^ ¡¡и Н2Г
Н2й
/V
О
N
ПАМАМ
Ядр^ ^
ППИ
N¡2
8
8
Рис. 1. Типичная структура дендримеров ПАМАМ и ППИ с тремя выделенными зонами: ядро, дендрон и периферийные группы.
Настоящий обзор посвящен применению в составе электрохимических биосенсоров дендримеров (от греч. "ёепёгоп" — дерево). Это гиперраз-ветвленные полимеры, содержащие центральное ядро, на котором посредством ветвления наращивают функционализированные повторяющиеся единицы [3]. Являясь индивидуальными соединениями, дендримеры в силу большой молекулярной массы, объемной структуры и значительного числа функциональных групп на поверхности проявляют свойства, более типичные для наночастиц, состоящих из агрегатов низкомолекулярных органических соединений и их комплексов. Дендримеры применяют в качестве сорбентов, стабилизаторов биологических препаратов, их вводят в состав катализаторов и модифицирующих добавок. Применение дендримеров в составе биосенсорных устройств отражено в ряде обзоров [2—5]. В настоящей работе основное внимание уделено принципам функционирования биосенсоров, включающих дендримеры, и аналитическим харак-
теристикам определения с их помощью органических соединений биологического значения.
Общая характеристика дендримеров. Дендримеры — это монодисперсные трехмерные сверх-разветвленные наноразмерные полимерные архитектуры с очень высокой плотностью поверхностных функциональных групп. Их получают, последовательно наращивая число слоев путем присоединения структурно однотипных элементов к так называемым точкам ветвления. Число таких слоев определяет генерацию (поколение) дендримера. Наиболее распространенные дендримеры на основе полиалкиленамидов и аминов относятся к четвертой генерации. Молекулы дендримера состоят из трех различных доменов: ядра, дендрона и концевых функциональных групп (рис. 1). Отдельные ветви молекулы формируют внутренние полости (дендримерные щели), в ряде случаев доступные для низкомолекулярных соединений, для которых дендримеры выступают в качестве молекулярных "контейне-
Дивергентный подход
Конвергентный подход
^_1 — ядро, (_) — дендрон 1-го поколения, с_ ) — дендрон 2-го поколения,
— дендрон 3-го поколения, г.. — функциональная группа
Рис. 2. Дивергентный и конвергентный рост дендримерной структуры.
ров". Свойства дендримеров и возможность применения в составе биосенсоров в большей степени определяются периферическими функциональными группами, хотя внутренняя функциональность дендримерных трещин и центрального ядра также имеют значение [2].
Синтез дендримеров на основе полифункциональных мономеров типа ЛЯВ2, где А и В реагируют только друг с другом, но не с себе подобными, теоретически предсказан еще в 1941 г. [6], а доступен стал лишь с 1980-х годов. Дендримеры получают с использованием двух подходов (дивергентного [7] и конвергентного [8]), в которых рост ответвлений достигается через последовательное сопряжение и/или реакции присоединения и снятия защитных групп (рис. 2). Дивергентный подход успешно используют для синтеза дендримеров полиамидоамина (ПАМАМ), полипропил еними-на (ППИ), поли^-лизина, меламина, лимонной кислоты и полиглицерина [9, 10]. Он разработан независимо несколькими исследовательскими группами [7]. Конвергентный подход, в котором рост молекулы идет "внутрь" за счет связывания концевых групп в каждом домене мономера, реализован при получении дендримеров полиэстера, полиэфира и меламина. На основе указанных базовых методов разработаны и иные подходы, такие как двухступенчатый конвергентный рост, двойной экспоненциальный рост и ортогональное связывание [11—14]. Всего существует более ста семейств дендримеров с различными внутренними и внешними функциональными группами.
Общими периферийными группами в дендри-мерах являются -КН2, -СООН, -ОН, -СНО. Их использовали для получения более чем 1000 типов биоконьюгатов с биохимическими компонентами, необходимыми для функционирования
биосенсоров. Помимо генерации дендримеры часто характеризуют особенностями пространственного строения молекулы, выделяя такие формы, как звезда, шар, конус, чаша, турбина, крест, снежинка, гантель и т.д. [15-22].
Несмотря на разнообразие синтезированных дендримеров, значительная часть публикаций посвящена ПАМАМ, коммерчески доступным в нескольких генерациях и модификациях периферических функциональных групп. Форма ПАМАМ зависит от поколения, физико-химических свойств ядра и дендрона. Они претерпевают конформационные изменения и, как правило, становятся более компактными с увеличением номера поколения. ПАМАМ 4-8 поколения имеют форму мягких сфер, для более высоких генераций - твердых сфер [23].
Применение дендримеров в составе электрохимических биосенсоров. Изначально стимулом для применения дендримеров в составе биосенсорных устройств было достижение высокой эффективности иммобилизации биомолекул. Это связано со стабилизирующим действием разветвленных полимеров на трехмерную структуру белков и нуклеиновых кислот. Благодаря большому числу полярных и ионизированных группировок на поверхности молекул дендримера они легко адсорбируют биополимеры с помощью многоточечных слабых взаимодействий на поверхности и в полостях. Поскольку дендримеры ограниченно растворимы в воде и полярных органических растворителях, после адсорбции дендримеры можно достаточно легко осадить на рабочей поверхности биосенсора, формируя, таким образом, его биочувствительный слой. Благодаря монодисперсности дендримеры обладают хорошо воспроизводимыми характеристиками модифицирующих покрытий,
что выгодно отличает их от полидисперсных материалов со сходными функциями, например, полимерами или наночастицами [2, 3].
Помимо стабилизации биополимеров выявлены и другие преимущества использования дендримеров в составе биосенсоров. К ним относятся высокая плотность функциональных групп, используемых для ковалентной иммобилизации белков и нуклеиновых кислот, сохранение диффузионной проницаемости слоя для низкомолекулярных носителей заряда, совместимость с традиционными модификаторами — медиаторами электронного переноса и кофакторами ферментов. Включение дендримеров в состав биосенсоров повышает чувствительность сигнала, снижает неспецифическое связывание мешающих ком
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.