2.2.3 Тонкопленочные электроды

Тонкопленочные электроды используют при изготовлении интегрированных кремниевых плат для «умных» электрохимических сенсоров. В тонкослойных ячейках с тонкопленочными электродами происходит быстрое и полное окисление или восстановление электроактивных веществ в небольших объемах, что позволяет проводить экспресс-анализ концентрации этих веществ методом кулонометрии.

Тонко пленочные электроды используются в твердых газовых сенсорах. Так, тонкая пленка оксида цинка реагирует на углекислый газ при 400 °С. Адсорбция газа на поверхности пленки вызывает изменение ее проводимости, которое может быть измерено. Подобный сенсор может использоваться и для детекции некоторых углеводородов (например, толуола пропана), а также паров этанола и диэтилового эфира, причем предел обнаружения составляет несколько частей на миллион (ч. н. млн). Сходным oбразом ведет себя и оксид олова. На рис. 2.12 показан газовый сенсор, содержащий пленку оксида олова с примесью палладия (толщиной 0,3 мкм). Пленка нанесена на тонкий кремниевый слой, находящийся в контакте с ферритовой подложкой. С обратной стороны подложки имеется толстый слой диоксида рутения, а по краям сенсора расположены золотые контакты. С помощью подобных сенсоров определяют монооксид углерода и этанол.

В присутствии газов может падать сопротивление полупроводников как р-, так и n-типа (чаще - последних). В этом случае газ выполняет роль донора электронов.

Полупроводник адсорбирует небольшое количество кислорода, который реагирует с избыточными электронами в соответствии с урав- нением:

Образовавшийся на поверхности оксид затем реагирует с газом:

В результате возрастает электропроводность оксида олова.

Рис. 2.12. Схема тонкопленочного газового сенсора на основе оксида олова

2.3 Биологическое распознавание молекул

Именно биологические объекты в основном используются в качестве распознающих элементов в биосенсорах. Главное требование к ним состоит в том, чтобы узнавать только один субстрат среди множества других. Этому требованию отвечают четыре типа объектов:

■ ферменты;

■ антитела;

■ нуклеиновые кислоты;

■ рецепторы.

Сенсоры на основе антител или рецепторов иногда называют аффинными биосенсорами.

В распознающих элементах биосенсоров чаще всего используют ферменты. Они могут присутствовать как в виде очищенной субстанции, так и в составе микроорганизмов или интактной ткани. Ферменты ускоряют протекание биохимических реакций и специфически связываются со своими субстратами. В биосенсорах их используют именно благодаря их каталитическому действию.

Антитела действуют по-другому. Они специфически связываются с определенными антигенами, но, как правило, не обладают каталитическим действием. Несмотря на это, они могут обеспечивать исключительно высокую селективность биосенсора. В подобных биосенсорах используются специальные методы регистрации сигнала, возникающие в результате связывания антитела с антигеном.

В гораздо меньшей степени в биосенсорах используют нуклеиноые кислоты. Селективность подобных биосенсоров основана на спаивании нуклеотидов. Возможно, они найдут применение в диагностике наследственных заболеваний, в особенности, у детей.

Для создания селективных биосенсоров можно использовать и клеточные рецепторы. Это — белки, которые часто пронизывают липидный бислой клеточной мембраны и характеризуются высокоспецифическим связыванием с лигандами. К сожалению, процедура их выделения в чистом виде очень трудоемка. Вместе с тем, они могут обеспечить тот же уровень аффинности и селективности, что и антитела.