DE69327277T2 - Nachweis eines Analyten in Gasphase oder Dampfphase mit bioelektrochemischen Reaktionen und Medien dafür - Google Patents

Nachweis eines Analyten in Gasphase oder Dampfphase mit bioelektrochemischen Reaktionen und Medien dafür

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft bioelektrochemische Reaktionen. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Überwachung eines Analyten unter Verwendung einer elektrochemischen Zelle, um die Reaktion eines gasförmigen oder dampfförmigen Substrats zu bestimmen. Die Erfindung betrifft auch neue Medien zur Durchführung bioelektrochemischer Reaktionen und deren Verwendung in Enzym-Elektroden.
  • Die Verwendung einer Enzym-Elektrode zur Durchführung und Überwachung bioelektrochemischer Reaktionen ist wohlbekannt. Im allgemeinen werden solche Reaktionen in wäßriger Lösung durchgeführt. Es ist auch bekannt, Enzym- Elektroden in organischen oder mikro-wäßrigen Lösungsmitteln einzusetzen, wie in WO 89/04364 zum Nachweis von Reaktionen von Substraten in der flüssigen Phase beschrieben.
  • Es sind Verfahren zur Überwachung von Reaktionen in der Gasphase bekannt. Die Eignung von Gassensoren zur Überwachung von gasförmigen Analyten wird klar, wenn man nicht nur die Anzahl der toxischen oder gefährlichen Gase, die aus natürlichen oder anthropogenen Quellen stammen, sondern auch Anwendungen bei der Prozeßsteuerung in Betracht zieht. Herkömmliche Gassensor-Vorrichtungen sind nicht-biologisch und verwenden im allgemeinen optische oder elektrochemische Metalloxid-Halbleiterbauelemente. Diese Gerätetypen können jedoch in einigen Fällen unempfindlich sein und können eine relativ schlechte Selektivität für einen Analyten, der in komplexen Mischungen, wie z. B. organischen Dämpfen, nachgewiesen werden soll, aufweisen. Obwohl ein höheres Maß elektronischer Verfeinerung eine gewisse Kompensation für diese Nachteile bieten könnte, kann dies zu erhöhten Produktionskosten führen.
  • Amperometrische elektrochemische Gassensoren sind ebenfalls bekannt. Sie werden gewöhnlich mit niedrigerer elektrischer Leistung als Halbleiter-Gassensoren betrieben und arbeiten bei Raumtemperatur. Wiederum kann diesen Sensoren die Selektivität für einen bestimmten Analyten fehlen.
  • Ein Beispiel eines solchen nicht-biologischen Gassensors wird in DE-A- 40 32 599 beschrieben. In dieser Referenz ist eine dreidimensionale Polyurethan- Matrix, die einen Elektrolyten und einen Katalysator enthält, an einer Testelektrode positioniert. Der zwischen der Testelektrode und einer zweiten Elektrode, Gegenelektrode, erzeugte Strom hängt von dem Partialdruck der Testkomponenten ab.
  • Diese Referenz betrifft jedoch keine bioelektrochemischen Reaktionen und deshalb werden die speziellen Anforderungen zur Erhaltung von Biorezeptoren oder Biomimetika in der festen oder halbfesten Phase, welche immer noch den Kontakt mit dem gasförmigen Substrat ermöglichen werden, nicht angesprochen.
  • In einem Versuch zur Erhöhung der Selektivität können nicht-biologische Sensoren einen sorgfältig ausgewählten flüssigen Elektrolyten verwenden, welcher eine gewisse Form der Selektion für einen Ziel-Analyten bietet. Beispielsweise können Parameter wie Löslichkeit von Gasen, pH-Wert des Elektrolyten, chemische Reaktionen oder Komplexbildung zwischen gelösten Stoffen und Analyt eingesetzt werden, um die Lösung einer Form einer Analyt-Spezies zu favorisieren.
  • Ein alternatives Verfahren zur Erhöhung der Selektivität bei Sensoren ist jedoch die Inkorporation eines biologischen Katalysators in den Sensor. Solche Sensoren sind bekannt, es ist jedoch gewöhnlich erforderlich, daß sich der gasförmige Analyt vor dem Nachweis in einer voluminösen mobilen flüssigen Phase löst. Hinsichtlich Beispiele siehe I. Karube et al., Analytica Chemica Acta, 135 (1982), 61-67; M. Hikuma et al., Anal: Chem. (1980) 52, 1020-1024; und L. H. Goodson und W. B. Jacobs in Enzyme Engineering, Bd. 2, Plenum Press, New York, 1974, S. 393, herausgegeben von E. K. Pye und L. B. Wingard Jr. Der flüssige Elektrolyt, der in diesem Gerätetyp eingesetzt wird, wird gewöhnlich durch die physiologischen Anforderungen des Biokatalysators definiert und Faktoren wie pH- Wert der Lösung, Ionenstärke etc. müssen in Betracht gezogen werden, wenn die Bedingungen für die Biokatalyse geeignet bleiben sollen.
  • Untersuchungen in der Elektrochemie wurden durchgeführt In J. Chem. Soc. 1988, 110, S. 2321-2322 berichten B. N. Oliver et al. über Untersuchungen bezüglich der Festphasen-Voltammetrie eines Proteins und eines Polymer-Lösungsmittels. Das Redoxprotein, Cytochrom C, wurde in einem halb-starren Polymer-Film gelöst. Bei Anfeuchtung oder Zugabe von flüssigen Mikrotröpfchen zu dünnen, ionisch leitenden Filmen wurde über Elektronentransfer und Diffusionseigenschaften von Cytochrom C in dem halb-starren Polymerfilm berichtet. Die Autoren regten an, daß diese Untersuchung verwendet werden könnte, um Festphasen-Biosensoren zu entwickeln, oder bei der Enzym-Katalyse in fester Phase, es wurde jedoch über keine weiteren Entwicklungen berichtet.
  • Es sind einige Gassensoren bekannt, welche biologische Reaktionen verwenden. Beispielsweise beschreibt WO 88/01299 ein Verfahren und eine Apparatur zum Nachweis chemischer Verbindungen in der Gasphase. Ein Enzym in Verbindung mit einem Farbindikator, welcher auf pH-Wert, Oxidation oder einen anderen chemischen Stimulus der in der Gasphase nachzuweisenden Verbindung reagieren kann, wird auf einem organischen oder anorganischen festen Träger immobilisiert und unter kontrollierten Bedingungen entwässert. Wenn das Enzym einem Gas ausgesetzt wird, welches die Substanz von Interesse enthält, tritt die Farbänderung ein. Der als Beispiel angegebene feste Träger für das Enzym ist mikrokristalline Cellulose. Diese Referenz bezieht sich jedoch nicht auf die Verwendung einer elektrochemischen Zelle zur Überwachung der Reaktion und deshalb wird dem Problem, einen geeigneten Elektrolyten für eine solche Überwachung bereitzustellen, nicht begegnet.
  • In US-4525704 wird ein enzymatischer Gassensor für ein toxisches Gas beschrieben. Er umfaßt ein Pufferreservoir, enthaltend eine Pufferlösung, welche dazu dient, das Enzym in seinem aktiven Zustand zu halten, wobei die Enzyme durch kovalente Bindung an Glasperlen immobilisiert sind. In dieser Vorrichtung wird das Substrat für die Reaktion mit dem Enzym in der Apparatur als ein mit dem Substrat getränktes Filterpapier bereitgestellt. In Anwesenheit eines Analyten, welcher ein toxisches Gas ist, wird die elektrochemische Reaktion des Flüssigphasen-Substrats mit dem Enzym inhibiert.
  • In "Microbial Gas Metabolism", herausgegeben von R. K. Poole und C. S. Daw, veröffentlicht von Academic Press 1985, Seiten 161 bis 170, beschreiben A. P. F. Turner et al. einen Kohlenmonoxid-Sensor, der auf Kohlenmonoxid sowohl in Lösung als auch als Gas reagiert. Der Sensor wird detaillierter in Analytica Chimica Acta, 163 (1984) 161-174 beschrieben. Bei diesen Studien findet die Umsetzung von Enzym und Substrat in flüssiger Phase statt.
  • Wie beschrieben, gibt es ferner Probleme hinsichtlich der Stabilität der Apparatur und es sind stabilere Verfahren erforderlich, um kommerziell geeignete Vorrichtungen herzustellen.
  • Elektrochemische Gassensoren auf Basis eines flüssigen Elektrolyten teilen jedoch die inhärenten Nachteile von flüssigen Systemen: begrenzte Gebrauchsfähigkeitsdauer aufgrund von Lösungsmittelverdampfung, Elektrodenkorrosion und Verlust von Sensorkomponenten. Elektrodenkorrosionsreaktionen können Gase erzeugen, welche Dichtungen beschädigen und schließlich einen Elektrolytaustritt verursachen können.
  • Obwohl Enzym-Elektroden wohlbekannt sind, ist derzeit kein brauchbares Verfahren beschrieben worden, welches die Überwachung eines Analyten unter Verwendung einer elektrochemischen Zelle ermöglichen wird, wenn der Analyt kein Inhibitor für die Enzymaktivität ist und wenn das Enzym nicht in der flüssigen Phase gehalten wird.
  • Die Erfinder fanden alternative Medien zur Überwachung eines gasförmigen oder dampfförmigen Analyten unter Verwendung einer Meßelektrode einer elektrochemischen Zelle. Diese neue Medien können eingesetzt werden, um Sensoren zur Verfügung zu stellen, welche die Probleme des Standes der Technik zu überwinden und eine verbesserte Stabilität und Langlebigkeit der Vorrichtung ermöglichen.
  • Die Erfinder haben festgestellt, daß es möglich ist, auf das Kontaktlösungsmittelmedium zu verzichten, welches zur Bildung der Elektrolyt/Enzym/Elektrode-Grenzfläche in gegenwärtigen Vorrichtungen eingesetzt wird. Die Erfinder fanden neue Verfahren, um den Elektrolyt und den biologischen Katalysator an den Elektroden zu halten und die Funktionsfähigkeit aufrechtzuerhalten.
  • Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Nachweis eines Analyten in der Gas- oder Dampfphase bereitgestellt, umfassend das Kontaktieren eines gasförmigen oder dampfförmigen Analyten mit einer Meßelektrode einer elektrochemischen Zelle, wobei ein biologisches Molekül, ausgewählt aus der Gruppe, die Synzyme, Antikörper, bindende Proteine und Enzyme umfaßt, auf einem Träger an der Meßelektrode gehalten wird und der Träger ein Elektrolytsalz umfaßt, so daß ein Substrat das biologische Molekül kontaktiert und unter Hervorrufung eines elektrischen Antwort reagiert; und das Messen dieser elektrischen Antwort der Zelle, wobei die Antwort zur Konzentration des Analyten in Beziehung gebracht werden kann und wobei das biologische Molekül in der festen oder halbfesten Phase vorliegt.
  • Somit wird ein Verfahren zur Überwachung bioelektrochemischer Reaktionen in der Gasphase bereitgestellt, welches sich zum Nachweis von Inhibitoren für das biologische Molekül eignet, sich jedoch insbesondere auch zur Überwachung von Reaktionen eignet, bei denen der Analyt kein Toxin für den Biorezeptor oder das Biomimetikum ist, und die nachgewiesene elektrische Antwort auf das Stattfinden einer Reaktion, nicht auf Inhibierung zurückzuführen ist. Dies erweitert das Anwendungsgebiet für Gassensoren beträchtlich, welche zum Nachweis verschiedener Gase mittels elektrochemischer Überwachung eingesetzt werden können. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung nimmt daher die elektrische Antwort der Zelle mit der Exposition gegenüber einer zunehmenden Analyt-Konzentration zu.
  • Bei biokatalytischer Elektrochemie in flüssiger Lösung können Lösungsionen, Reaktionssubstrat und Produkt in eine Substanz-Matrix ein- und austreten, sei es, daß das System eine poröse Elektrodenstruktur verwendet oder daß die Substanz- Matrix einen Elektrodenkörper umfaßt. In einem Lösungsmedium steht der Biokatalysator in Kontakt mit frei beweglichen Flüssigkeiten. Diese Erfindung ermöglicht es, daß kein Kontakt einer voluminösen Lösung mit dem biologischen Molekül auf dem Träger stattfindet.
  • Es wurde festgestellt, daß das Lösungsmittelmedium deshalb vollständig weggelassen werden kann, was eine ionisch leitende Matrix mit aktiver biologischer Komponente in direktem Kontakt mit der Gas- oder Dampfphase beläßt. Es wurde festgestellt, daß elektrochemische Reaktionen durch gasförmige Spezies bewirkt werden konnten, welche zur Elektrode diffundierten und dort eine Reaktion erfuhren, und daß ein inniger Kontakt biologischer Komponenten, wie z. B. Enzyme, mit der ionischen Matrix erzielt werden konnte, so daß die elektrochemische Reaktion an biochemische Reaktionen gasförmiger Reaktanten gekoppelt werden konnte.
  • Das biologische Molekül kann jedes biologische Molekül sein, welches an einen Reaktanten binden und eine nachweisbare elektrochemische Reaktion ergeben wird. Es kann ein synthetisch hergestelltes chemisches Analogon eines biologischen Rezeptors sein, z. B. Synzyme. Andere Beispiele des biologischen Moleküls sind Antikörper, bindende Proteine und biologische Katalysatoren, wie z. B. Enzyme.
  • Das biologische Molekül wird im allgemeinen ein biologischer Katalysator, wie z. B. ein Enzym, sein. Wenn das biologische Molekül ein Enzym ist oder ein synthetisches Äquivalent davon, kann das Substrat ein Enzym-Substrat oder ein Enzym-Cofaktor sein. Das biologische Molekül befindet sich im festen oder halbfesten Zustand. Dieser Ausdruck soll bedeuten, daß es nicht in der flüssigen Phase, insbesondere nicht in wäßriger Lösung, vorliegt. Das biologische Molekül wird im allgemeinen in einem im wesentlichen entwässerten Zustand vorliegen. Es wurde festgestellt, daß zur Aufrechterhaltung der Aktivität des biologischen Moleküls eine Hydrathülle um das biologische Molekül erforderlich ist. Diese ist notwendig, um die dreidimensionale Struktur des biologischen Moleküls zu erhalten, welche zur Aufrechterhaltung seiner Aktivität essentiell ist. Somit wird das biologische Molekül, obwohl es im wesentlichen entwässert sein kann, ausreichend hydratisiert sein, um den erforderlichen Hydratationsgrad zur Aufrechterhaltung der Aktivität zu erhalten, und wird nicht wasserfrei sein.
  • Die Erfindung eignet sich besonders zur Überwachung einer Reaktion, in der das Substrat für die Reaktion mit dem biologischen Molekül von dem Analyten stammt. Eine Möglichkeit besteht darin, daß der Analyt das Substrat für das biologische Molekül ist. Weitere Möglichkeiten bestehen darin, daß das biologische Molekül die Überführung eines Analyten in ein Produkt katalysiert, welches direkt an der Elektrode eine elektrochemische Reaktion erfährt; oder daß das biologische Molekül eines ist, welches die Oxidation oder Reduktion des Substrats bewirken kann, gegebenenfalls unter Beteiligung eines Vermittlers, und somit am Transfer von Elektronen zwischen dem Substrat und der Elektrode beteiligt ist; oder daß der Analyt auf dem Träger an der Elektrode mit beispielsweise einem Enzym reagiert, um ein Substrat für die Bindung mit dem biologischen Molekül zu erzeugen.
  • Alternativ kann der Analyt ein Inhibitor oder Vorläufer eines Inhibitors für das biologische Molekül sein.
  • Es sind verschiedene feste oder halbfeste Alternativen zur Verwendung von voluminösen flüssigen Lösungsmitteln als elektrochemische Medien bekannt, die eingesetzt werden können. Anorganische Materialien, welche untersucht wurden, sind β-Aluminiumoxid und Silbersalze. Von den organischen festen Alternativen oder Gel-Alternativen sind geeignete Medien Hydrogele, Ionomere und Polyelektrolyten oder solvatisierende Polymere.
  • Wie von M. Madou und T. Otagawa in "Solid state ionics" (1988), Bd. 28-30, S. 1653-1659, erläutert, können Hydrogele als wäßrige Elektrolytlösungen, die in einer polymeren Matrix eingefangen sind, betrachtet werden. Der Widerstand, den solche Medien aufweisen, ist typischerweise ähnlich dem der eingefangenen wäßrigen Elektrolytlösungen. Die Verdampfung des Lösungsmittels wird durch die Polymer-Matrix verlangsamt und kann weiter durch die Inkorporation von hygroskopischen Materialien, welche die Ionenbewegung innerhalb des Materials erleichtern, verlangsamt werden. Ein Beispiel wird in DE-A-40 32 599 (oben erörtert) beschrieben, worin eine dreidimensionale polymere Matrix von Polyurethan gebildet wird, welche ein organisches Leitersalz enthält. Ein fester Elektrolyt oder Gel- Elektrolyt kann auch aus Ionomeren und Polyelektrolyten gebildet werden, welche anionische (z. B. -CF&sub2;SO&sub3;) oder kationische (z. B. -R&sub3;N&spplus;) Gruppen an die Polymerkette gebunden enthalten, welche als Gegenionen für kleine ungebundene und potentiell bewegliche Ionen wirken. Ein geeignetes Beispiel ist Nafion, welches ein Copolymer von Teflon oder Polytetrafluorethylen (PTFE) und Polysulfenylfluoridvinylether, enthaltend chemisch an ein Fluorkohlenstoffgerüst gebundene Sulfonsäuregruppen, darstellt.
  • Es können auch solvatisierende Polymere eingesetzt werden. Hier besitzt das trockene Polymer selbst das Vermögen zur Lösung bestimmter Salze und zur Förderung der Ionenbeweglichkeit. Das Solvatisierungsvermögen ist eine wesentliche Vorbedingung für eine schnelle Ionenleitung in einem trockenen Polymer.
  • Beispiele für diesen Materialtyp umfassen Poly(propylenoxid) (PPO) mit gelösten Lithiumsalzen (siehe P. J. Smith, Electrochemical Science and Technology of Polymers (1987), S. 293, herausgegeben von R. G. Linford, Elsevier London).
  • Beim Einsatz sollten die Bedingungen an dem Trägermedium geeignet sein, um die Aktivität des Biorezeptors oder Biomimetikums aufrechtzuerhalten.
  • Obwohl feste oder Gel-Elektrolyt-Trägermedien, wie z. B. Enzym-redox- vermitteltes Gel, Hydroxyethylcellulose und Festpolymer-Elektrolyt-Enzym-Gel, in der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden können, können sie unter Problemen bezüglich abnehmender Ionenleitfähigkeit oder geringer Bioverträglichkeit im Verlauf relativ kurzer Zeiträume leiden. In der vorliegenden Erfindung werden Reaktionsmedien für bioelektrochemische Reaktionen eingesetzt, welche verbesserte Medien für bioelektrochemische Reaktionen ergeben und insbesondere verbesserte Medien für die Verwendung bei einer Enzym-Elektrode zur Verwendung in einem Sensor ergeben.
  • Das Trägermedium für die bioelektrochemische Reaktion umfaßt eine feste Matrix oder Gel-Matrix eines Elektrolytsalzes, wobei ein biologisches Molekül für die Reaktion auf dem Trägermedium gehalten wird und das Substrat für die Reaktion in Kontakt mit dem Träger gebracht werden kann, um die Reaktion hervorzurufen.
  • Die festen Medien oder Gel-Medien basieren nicht auf einer polymeren Matrixstruktur und sind im wesentlichen frei von organischem polymerem Material. Es handelt sich um Strukturen, die von dem Elektrolytsalz selbst gebildet werden. Es wird angenommen, daß die Medien in Form einer halbfesten, halbkristallinen Matrix vorliegen, die eine im wesentlichen stabile Struktur aufweist. Sie sind herstellbar durch Herstellung einer Lösung des Elektrolyten und Trocknen. Somit besteht die Trägerstruktur im wesentlichen nur aus dem Elektrolyten.
  • Die Medien bieten signifikante Vorteile, da die ionisch leitenden Materialien nicht in Lösung vorliegen. Die verringerte Wasser-Umgebung erhöht deutlich die Thermostabilität des Biokatalysators bei erhöhten Temperaturen. Ferner eignen sich die Medien zur Verwendung mit Reaktanten in der Gas- oder Dampfphase und die Diffusionskoeffizienten in der Gasphase sind um Größenordnungen höher als in Lösung und deshalb kann bei Verwendung solcher Medien eine empfindlichere und schnellere Überwachung erreicht werden. Die erhöhte Empfindlichkeit ermöglicht die Herstellung einer quantitativen Apparatur, wobei die Antwort zur molaren Menge des Analyten in dem Testgas oder -dampf in Beziehung steht.
  • Diese Medien können deshalb vorteilhafterweise in Sensoren, insbesondere Gassensoren, eingesetzt werden. Viele gasförmige Analyten zeigen schlechte Löslichkeit in Lösung, was zu verminderter Empfindlichkeit führen kann, wohingegen die in der vorliegenden Erfindung eingesetzten Medien dieses Problem verringern. Ferner kann die Elektrolyt-Matrix hinsichtlich eines speziellen Analyten von Interesse ausgewählt werden und deshalb bei Verwendung in einem Sensor die Empfindlichkeit der Vorrichtung erhöhen.
  • Ferner könnten solche Gassensoren, welche auf dem Einsatz von nichtflüssigen Elektrolyten beruhen, nicht unter einem Austritt von Sensorkomponenten leiden, wie er bei üblichen Flüssigphase-Sensoren angetroffen wird, da die ionisch leitende Matrix nur mit einer Gasphase in Kontakt gebracht wird, welche den Analyten zu dem Meßelement bringt.
  • Die in der Erfindung eingesetzten Trägermedien sind imstande, die Aktivität des biologischen Moleküls aufrechtzuerhalten, ergeben elektrische Leitfähigkeit und sind ausreichend durchlässig, um dem Reaktanten für die Reaktion mit dem biologischen Molekül das Erreichen des biologischen Moleküls und die Reaktion zu ermöglichen.
  • Es wurde festgestellt, daß bei Bildung einer Matrix eines Elektrolyten die Struktur der Matrix, die ein halbkristalliner Feststoff ist, dazu tendiert, die erforderlichen Wassermoleküle zur Aufrechterhaltung der Hydrathülle um das biologische Molekül einzuschließen. Somit sind die neuen Trägermedien der vorliegenden Erfindung im wesentlichen frei von Wasser, werden jedoch eine geringe Konzentration an Wasser enthalten, welche mindestens ausreicht, um die erforderliche Hydrathülle um das biologische Molekül aufrechtzuerhalten. Somit wird die Matrix nicht wasserfrei sein.
  • Bezüglich der elektrischen Leitfähigkeit dieser Trägermedien wird postuliert, daß diese auf die Mobilität von Wasserstoff und Hydroxylionen und/oder Pufferionen innerhalb der Matrix zurückzuführen ist.
  • Die Matrix ist auch ausreichend durchlässig, um dem Substrat den Kontakt mit dem biologischen Molekül und die Reaktion zu erlauben. Somit ermöglichen es die Massentransfer-Eigenschaften in der ganzen Matrix dem Gas, hindurchzutreten und das biologische Molekül zu kontaktieren.
  • Vorzugsweise bleibt die Durchlässigkeit für den Reaktanten konstant oder im wesentlichen konstant.
  • Die feste Matrix oder Gel-Matrix kann hergestellt werden, indem zunächst eine Lösung des Elektrolytsalzes in einem Lösungsmittel gebildet wird. Die Lösung des Salzes zur Herstellung der Matrix kann in einem organischen oder wäßrigen Lösungsmittel erfolgen, welches das biologische Molekül nicht deaktiviert. Beim Trocknen bildet sich die Elektrolyt-Matrix. Vorzugsweise wird das Trocknen bei Raumtemperatur durchgeführt.
  • Im allgemeinen wird die Lösung eine konzentrierte Lösung sein, da dies die erforderliche Trocknungszeit reduziert, obwohl die Trägermedien unter Verwendung einer beliebigen Lösungskonzentration hergestellt werden können. Das Lösungsmittel kann jedes Lösungsmittel sein, welches verdampft werden kann, um das Trocknen unter Bildung der festen Elektrolyt-Matrix oder Gel-Elektrolyt-Matrix zu ermöglichen.
  • Vorzugsweise wird das Trocknen bei Raumtemperatur durchgeführt. Vorzugsweise ist auch ein Puffer in der Lösung des Elektrolytsalzes eingeschlossen, um geeignete Bedingungen für die Aktivität des biologischen Moleküls bereitzustellen. Jedes andere Additiv, welches zur Aufrechterhaltung der Aktivität des biologischen Moleküls erforderlich ist, kann in diesem Stadium inkorporiert werden.
  • Eine Enzym-Vermittler-Verbindung und gegebenenfalls auch das biologische Molekül selbst kann vor dem Trocknen in die Lösung inkorporiert werden. Wenn das biologische Molekül eingeschlossen wird, darf die Trocknungstemperatur nicht so hoch sein, daß die Aktivität des biologischen Moleküls verlorengeht und das Lösungsmittel muß dementsprechend ausgewählt werden. Vorzugsweise sollte die Trocknungstemperatur unterhalb von 37ºC, besonders bevorzugt unterhalb von 30ºC, liegen.
  • Das Elektrolytsalz kann auch als Puffersalz oder Elektronenvermittler dienen. In solchen Fällen kann das Elektrolytsalz die doppelten Funktionen der Bildung der Elektrolyt-Matrix und der Bereitstellung von Puffer bzw. Vermittler erfüllen.
  • Alternativ kann das biologische Molekül auf dem Träger in einer Außenschicht angeordnet werden, beispielsweise durch Herstellen einer separaten Lösung des biologischen Moleküls, welche dann auf die vorgebildete feste Matrix oder Gel-Matrix gegossen und getrocknet werden kann.
  • Mit dem biologischen Molekül kann sogar eine Unterschicht gebildet werden, in Kontakt mit dem Trägermaterial, welches über dem biologischen Molekül gebildet werden kann.
  • Das biologische Molekül ist wie oben beschrieben.
  • Geeignete organische Salze zur Bildung der festen Matrix oder Gel-Matrix umfassen jedes anorganische Salz, welches Stabilität und ausreichend Feuchtigkeit behalten wird, um die erforderliche Hydrathülle für das biologische Molekül bereitzustellen. Bevorzugte Komponenten umfassen Puffersalze wie Natriumphosphat und Salze, welche auch als Elektronenvermittler dienen können, wie z. B. Kaliumhexacyanoferrat (II).
  • Bevorzugter wird die Matrix jedoch aus einem organischen Salzelektrolyten gebildet werden. Besonders bevorzugt sind quaternäre Ammoniumsalze wie Tetraalkylammoniumsalze, insbesondere Tetrabutylammoniumperchlorat, Tetrabutylammoniumtoluol-4-sulfonat, Tetrabutylammoniummethansulfonat, Tetrabutylammoniumphenolborat, Tetraethylammoniumtetrafluorborat, Tetrabutylammoniumchlorid und Tetrabutylammoniumiodid. Diese Salze sind besonders bevorzugt, da festgestellt wurde, daß sie relativ stabile Matrices ergeben, welche einen relativ konstanten inneren Wassergehalt aufrechterhalten. Ein besonders bevorzugtes Salz ist Tetrabutylammoniumtoluol-4-sulfonat.
  • Falls festgestellt wird, daß die Matrix dazu neigt, bis zu einem Grad entwässert zu werden, bei dem die Hydrathülle des biologischen Moleküls verlorengehen könnte, kann es vorteilhaft sein, ein hygroskopisches Salz einzusetzen. Tetrabutylammoniumtoluol-4-sulfonat ist ein Beispiel eines solchen Salzes. Alternativ kann auch ein hygroskopisches Material in die Medien eingeschlossen werden.
  • Beispiele geeigneter hygroskopischer Salze sind Lithiumsalze, wie z. B. Lithiumchlorid. Diese Additive können in die Matrix inkorporiert werden, indem sie zu der Lösung zugegeben werden, die zur Bildung der Trägermedien eingesetzt wird.
  • Die Medien können zur Bestimmung eines Analyten durch einen Sensor, insbesondere in der Gas- oder Dampfphase, eingesetzt werden.
  • Der Analyt kann das Substrat sein. Alternativ kann das biologische Molekül die Überführung des Analyten in ein Produkt katalysieren, welches dann eine elektrochemische Reaktion direkt an der Elektrode erfährt. Eine weitere Alternative besteht darin, daß das biologische Molekül eines ist, welches die Oxidation oder Reduktion des Substrats bewirken kann, gegebenenfalls unter Beteiligung eines Vermittlers, und somit an dem Transfer von Elektronen zwischen dem Substrat und der Elektrode beteiligt ist; oder daß der Analyt auf dem Träger mit beispielsweise einem Enzym reagiert, um ein Reaktionsprodukt zu erzeugen, welches an den Biorezeptor oder das Biomimetikum bindet.
  • Alternativ kann der Analyt ein Inhibitor für das biologische Molekül sein oder kann einen Inhibitor für das biologische Molekül bilden. Die Medien können auch für Reaktionen eingesetzt werden, in denen ein Strom zugeführt wird, um eine Reaktion innerhalb der Medien hervorzurufen.
  • Geeignete biologische Moleküle zur Verwendung in dem Verfahren der vorliegenden Erfindung sind wie oben beschrieben. Jedoch können biologische Moleküle, die von einem Analyten oder einem Reaktionsprodukt eines Analyten inhibiert werden, ebenfalls eingesetzt werden, insbesondere, wenn der Träger eine feste Matrix oder Gel-Matrix eines Elektrolyten umfaßt. Beispiele umfassen: Sulfitoxidase zum Nachweis von Schwefeldioxid; Polyphenoloxidase zum Nachweis von phenolischen Dämpfen, ein Oxigenase-Enzym zum Nachweis von Methan; Cytochrom P450 oder vorzugsweise synthetische Analoga zum Nachweis von Kohlenwasserstoffen wie Campher; Nitratreduktase zum Nachweis von NOx-Gasen; Kohlenmonoxidoxidoreduktase zum Nachweis von Kohlenmonoxid; Cytochromoxidase zum Nachweis von Cyanid; TNT-Oxidoreduktase zum Nachweis von TNT; und Enzyme, welche den Analyten metabolisieren können, oder Antikörper, z. B. für Pestizide, können eingesetzt werden.
  • Es wurde festgestellt, daß, wenn das biologische Molekül vor dem Trocknen zur Bildung des Trägers mit darauf gehaltenem biologischen Molekül in die Trägermedien-bildende Elektrolytlösung inkorporiert wird, eine Verzögerungsphase, d. h. Zeitverzögerung, zwischen der Exposition der Trägermedien gegenüber dem gasförmigen oder dampfförmigen Elektrolyten und der elektrochemischen Antwort auftreten kann. Die Erfinder haben postuliert, daß die Struktur der Trägermedien durch den Analyten selbst beeinflußt werden könnte.
  • Es wurde festgestellt, daß dieses Problem verringert und im wesentlichen bewältigt werden kann durch Verringerung der Dicke der Elektrolytschicht der Gel- Trägermedien oder durch Gießen der Schicht des biologischen Moleküls in einem zweiten Schritt als Außenschicht auf die vorbereitete Matrix.
  • Es wird angenommen, daß, wenn der Träger durch Inkorporation des biologischen Moleküls in die Lösung zur Bildung der Matrix gebildet wird, der geschwindigkeitsbegrenzende Schritt in der Reaktion des biologischen Moleküls und des Substrats die Diffusion des Analyten durch die Matrix ist, welche den Kontakt des Substrats mit dem biologischen Molekül ermöglicht. Das bedeutet, im allgemeinen sollte der Sensor bei einer Spannung betrieben werden, welche negativer ist als die Spannung des beobachteten Reaktionspeaks. Im Gegensatz dazu ist, wenn das biologische Molekül in einem zweiten Schritt als Außenschicht gegossen wird, die Diffusionsbarriere verringert. Jedoch kann das in einer Außenschicht auf die vorbereitete Matrix gegossene biologische Molekül aufgrund seiner relativ stärker exponierten Position eine verringerte Stabilität aufweisen. Deshalb wird das biologische Molekül vorzugsweise innerhalb der Matrix gebildet durch Inkorporation in die Lösung zur Bildung der Matrix und der Träger auf der Meßelektrode, welcher die Matrix umfaßt, wird vorzugsweise als Dünnschicht ausgebildet.
  • Das biologische Molekül kann in einem ersten Schritt auf oder in der Elektrodenstruktur ausgebildet werden und mit einer Schicht Matrix bedeckt werden.
  • Die Matrixschicht ist im allgemeinen weniger als 1 mm dick. Vorzugsweise sollte die Matrixschicht eine Dicke von nicht mehr als 100 um, am meisten bevorzugt nicht mehr als 50 um, aufweisen.
  • Jede elektrochemische Zelle eignet sich zur Verwendung in den Sensoren der vorliegenden Erfindung. Vorzugsweise werden die Elektroden durch eine mikrovoltammetrlsche Elektrode bereitgestellt. Eine solche Elektrode ist vorteilhaft, da sie den Zellwiderstand auf analytisch brauchbare Niveaus verringern kann.
  • Wird der Gassensor zum Nachweis eines Inhibitors für das biologische Molekül eingesetzt, könnte entschieden werden, daß der Biosensor nicht in dem begrenzenden Strombereich betrieben werden sollte, und stattdessen könnte der geschwindigkeitsbegrenzende Schritt die Katalysegeschwindigkeit sein. In diesem Fall wird für einen Inhibitor-Analyten die Inhibierungsgeschwindigkeit den geschwindigkeitsbegrenzenden Schritt ergeben und nicht die Geschwindigkeit des Massentransfers.
  • Einige Beispiele von Elektroden und der Überwachung von bioelektrochemischen Reaktionen werden nun unter Bezug auf die Begleitzeichnungen beschrieben.
  • BEISPIELE
  • Alle Experimente wurden bei Raumtemperatur (18ºC) unter Verwendung einer Gold-Mikroband-Elektrode mit 50 Paaren ineinandergreifender Elektroden mit einer Stiftbreite von 15 um und einem Stiftabstand von 15 um durchgeführt. Die akustische Öffnung der Elektrode betrug 4800 um und die Elektrodendicke 1000 Å ± 500 Å bei einem ausreichenden Kathodenpotential. Fig. 1 illustriert die verwendete Elektrode mit ineinandergreifenden Mikrobändern (bezogen von Mikrosensor Systems, Kentucky, USA), worin 1 und 2 die Meßelektrode bzw. die kombinierte Gegen- und Quasi-Referenz-Elektrode (CC + QRE) darstellen. Die ineinandergreifenden Bereiche der Elektroden sind klar bei 3 sichtbar. Die Elektrode wird von dem Quarz 4 getragen.
  • BEISPIEL 1. Reaktion von gasförmigem H&sub2;O&sub2; mit Meerrettichperoxidase-Elektronenvermittler-Gelen, welche auf eine Anordung von Elektroden mit ineinandergreifender Mikroband-Anordnung gegossen wurden
  • In diesem Beispiel demonstrieren wir die Reaktion von anorganischem H&sub2;O&sub2;-Gas mit dem Enzym Meerrettichperoxidase [E.C.1.11.1.7] und einem Elektronenvermittler. Das Enzym wird durch Wasserstoffperoxid oxidiert und verwendet den Ein- Elektronen-Donor Kaliumhexacyanoferrat (II). Die resultierende oxidierte Form des Vermittlers wird dann an einer Gold-Mikroband-Elektrode wie oben beschrieben reduziert.
  • In diesem Beispiel wurde das Gel, welches sich aus einer Lösung von Enzym, Elektronenvermittler und Citronensäurepuffer bildete, als ionisch leitende Matrix mit inkorporiertem Biokatalysator eingesetzt. Der reduzierte ohmsche Spannungsabfall an den Mikroelektroden erleichterte die Überwachung der biokatalytischen elektrochemischen Reaktion innerhalb der Gel-Matrix.
  • Methodik
  • Die Enzym-Vermittler-Gele wurden wie folgt hergestellt. Meerrettichperoxidase (2 mg) wurde zu einer 100-ul-Lösung von Kaliumhexacyanoferrat (II) (0,05 M) in Citronensäurepuffer (0,1 M, pH 6,5) zugegeben. Die Mischung wurde 1 Minute lang heftig auf einer Rotationsvorrichtung gerührt. Ein Volumen von 5 ul der resultierenden Lösung wurde dann auf den Abschnitt der Mikroelektrodenanordnung der Goldelektroden aufgetragen und in Luft bei Raumtemperatur 10 Minuten lang trocknengelassen. Nach dieser Zeitspanne hatte die Enzym-Vermittler-Lösung ein Gel gebildet, welches bei Elektroden-Inversion unbeweglich war. Ein zyklisches Voltammogramm mit 0,2 V/s, bei dem das Potential zyklisch von +1 V bis -1 V gegenüber den kombinierten Gegen- und Quasi-Referenz-Elektroden geführt wurde, offenbarte zwei Peaks, welche der Einelektronen-Oxidation und -Reduktion des Elektronenvermittlers entsprachen. Die Ergebnisse sind in Fig. 2 illustriert. Von Interesse war der Reduktionspeak bei etwa -0,5 V gegenüber der kombinierten Gegen- und Quasi-Referenz-Elektrode.
  • Zur Untersuchung der Aktivität der biokatalytischen elektrochemischen Medien wurden amperometrische Experimente in Gegenwart von gasförmigem H&sub2;O&sub2;- Substrat durchgeführt. Das Potential der Indikator-Elektroden wurde für die Reduktion der oxidierten Form des Vermittlers nach der Enzymreaktion mit H&sub2;O&sub2; auf -0,6 V gegenüber den CC + QRE eingestellt. Nachdem ein anfänglicher Gleichgewichtsstrom erhalten worden war, wurde ein 20-ml-Becherglas, enthaltend 10 ml 0,8 M H&sub2;O&sub2; in Wasser, periodisch der Elektrode in einer Entfernung von 5 mm von der Flüssigkeitsoberfläche präsentiert.
  • Die Ergebnisse sind in Fig. 3 illustriert. Die durchgezogenen Pfeile zeigen die Exposition gegenüber gasförmigem H&sub2;O&sub2; an. Die unterbrochenen Pfeile zeigen nichtvorhandene Exposition gegenüber gasförmigem H&sub2;O&sub2; an. Die Erhöhung des Kathodenstroms repräsentierte die biokatalytische elektrochemische Reaktion des Enzyms und Vermittlers und des gasförmigen H&sub2;O&sub2;. Kontrollelektroden ohne Enzym und/oder Vermittler ergaben wesentlich kleinere Stromerhöhungen und es wurde gefolgert, daß es sich bei diesen um ein Ergebnis von Leitfähigkeitsänderungen innerhalb der Gel-Matrix, induziert von dem Substrat, handelte.
  • Die Enzym-Vermittler-Gele waren für etwa 45 Minuten bei Raumtemperatur aktiv, nach welcher Zeit vernachlässigbare Stromerhöhungen aufgezeichnet wurden; dieser Stromverlust resultierte wahrscheinlich aus der verringerten ionischen Leitfähigkeit in der Gel-Matrix als Ergebnis von Lösungsverlust an die Atmosphäre.
  • BEISPIEL 2. Reaktion von phenolischen Dämpfen mit Polyphenoloxidase auf einem Festpolymer-Elektrolyten, der auf eine Anordnung von ineinandergreifenden Mikroband-Elektroden gegossen worden war
  • In diesem Beispiel wurde ein Festpolymer-Elektrolyt, Nafion, als ionisch leitende Matrix in der Gasphase eingesetzt, auf die das Enzym Polyphenoloxidase [E.C.1.14.18.1] gefällt wurde. Nafion ist ein Copolymer von Teflon oder Tetrafluorethylen (PTFE) und Polysulfonylfluoridvinylether mit Sulfonsäuregruppen. Die Sulfonsäuregruppen sind chemisch an ein Fluorkohlenstoffgerüst gebunden. Die Indikatorreaktion war die Reaktion von p-Cresol-Dämpfen mit Polyphenoloxidase und die anschließende Reduktion eines Chinon-Produkts an den Gold-Mikroband- Arbeitselektroden bei einem Kathodenpotential.
  • Dieses Experiment und alle Beispiele unter Verwendung von p-Cresol, die im folgenden ausgeführt sind, wurden auch unter Ersatz von p-Cresol durch Phenol durchgeführt. In jedem Fall waren die erhaltenen Ergebnisse qualitativ die gleichen, es wurden jedoch größere Stromgrößenordnungen erhalten.
  • Methodik
  • Eine 0,83 gew.%ige Lösung von Nafion in Isopropanol wurden 5 Minuten lang beschallt. Eine saubere Mikroband-Elektrode wurde dann vertikal in dieser Lösung für einen Zeitraum von 15 Minuten tauchbeschichtet. Die Elektrode wurde soweit eingetaucht, daß alle Mikrobänder vollständig von Nafion-Lösung bedeckt waren. Nach einer weiteren Zeitspanne von 5 Minuten Lufttrocknung bei Raumtemperatur wurde die Nafion-beschichtete Elektrode in eine Trockenkammer bei 72ºC für 30 Minuten untergebracht. Nach einer Abkühlperiode von 5 Minuten auf dem Labortisch war die modifizierte Elektrode einsatzbereit. Die Überprüfung der Elektrodenoberfläche offenbarte sichtbare Interferenzmuster, welche eine unebene Oberflächenbedeckung des Polymer-Elektrolyten anzeigten.
  • Fig. 4 zeigt die Ergebnisse eines zyklischen Voltammogramms mit 0,2 V/s der modifizierten Elektrode in Luft bei 18ºC. Das Potential wurde zyklisch von +1 V 1 bis -1 V gegenüber den CC + QRE geführt.
  • Eine Lösung von Polyphenoloxidase (1 mg/100 ul) in Natriumphosphatpuffer (0,1 M, pH 7) wurde dann hergestellt und auf einer Rotationsvorrichtung 2 Minuten lang heftig gerührt. Ein 5-ul-Volumen der Enzymlösung wurde dann sorgfältig auf den Mikroanordnungsabschnitt der modifizierten Elektrode aufgetragen und 15 Minuten lang trocknengelassen. Nach diesem Zeitraum hatte sich ein Gel auf der Elektrode gebildet, welches bei Elektroden-Inversion unbeweglich war. Eine kleine Glasflasche (35 mm Durchmesser und 35 mm Länge), enthaltend 500 mg p-Cresol- Kristalle, wurde dann der Elektrode präsentiert. Die modifizierte Elektrode drang in den Hals der Glasflasche bis zu einer Tiefe von 5 mm ein. Anschließend wurden zyklische Voltammogramme mit 0,005 V/s mit oder ohne p-Cresol-Exposition aufgezeichnet. Die Ergebnisse sind in Fig. 5 illustriert. (A) repräsentiert die Ergebnisse mit der Polyphenoloxidase-Nafion-Elektrode und (B) repräsentiert die Ergebnisse, welche mit der Elektrode mit nur Nafion in Gegenwart von p-Cresol- Dämpfen erhalten wurde. Das Potential wurde zyklisch von 0 V bis -1 V gegenüber den CC + QRE geführt. Der klare Reduktionspeak bei etwa -0,550 V gegenüber den CC + QRE entsprach der Reduktion des Chinon-Produkts der Enzymreaktion mit p- Cresol-Dampf.
  • Anschließend wurden amperometrische Experimente durchgeführt, welche Expositionen von 100 Sekunden gegenüber phenolischen Dämpfen mit einem ähnlichen Zeitraum ohne Exposition beinhalteten. Fig. 6 zeigt die amperometrische Kurve der Nafion-Polyphenoloxidase-Elektrode mit Expositionen gegenüber p-Cresol von etwa 100 Sekunden mit ähnlichen Zeitintervallen ohne Exposition. Die vertikalen Pfeile zeigen den Beginn der periodischen Expositionen an. Die horizontalen Pfeile zeigen nichtvorhandene Exposition an. Das Potential der Arbeitselektroden betrug -0,650 V gegenüber den CC + QRE. Kontrollelektroden ohne Enzym ergaben kleine Stromerhöhungen bei Exposition gegenüber p-Cresol.
  • Gleichgewichtsströme wurden gewöhnlich innerhalb von 30-60 Sekunden erhalten. Eine relativ kleine Stromerhöhung war in Abwesenheit von Enzym zu sehen, mutmaßlich ein Ergebnis von Leitfähigkeitsänderungen, welche durch den phenolischen Dampf auf dem Polymerfilm induziert wurden.
  • Enzym-Nafion-modifizierte Elektroden waren nur etwa 30 Minuten lang biokatalytisch aktiv. Das Enzym wurde mutmaßlich durch die sauren Gruppen des Nafion-Polymers und/oder übermäßige Dehydratation inaktiviert. Jedoch fuhr die Nafion-beschichtete Elektrode fort, die ionische Leitfähigkeit für mindestens 28 Stunden bei Raumtemperatur nach der ersten Herstellung aufrechtzuerhalten. In Abwesenheit von Nafion waren Enzym-Gele nach etwa 25 Minuten nicht mehr ionisch leitfähig.
  • BEISPIEL 3. Reaktion von phenolischen Dämpfen mit Polyphenoloxidase, inkorepriert in ein Hydroxyethylcellulose-Gel, das auf eine Anordnung von ineinandergreifenden Mikroband-Elektroden gegossen wurde
  • Hydroxyethylcellulose (HEC) ist ein wasserlösliches Material, das auf der Cellulose- Polymerstruktur basiert. In diesem Beispiel wurde ein aus HEC und Hepes-Puffer gebildetes Gel als bioverträgliche ionische Matrix eingesetzt. Die Indikatorreaktion war identisch mit der von Beispiel 2.
  • Methodik
  • Eine 2,5%ige Gew./Vol.-Lösung von HEC in Hepes-Puffer (pH 7, 0,1 M) wurde hergestellt und 24 Stunden lang vor der Verwendung bei 4ºC gelagert. Eine Enzym-HEC-Polymer-Lösung (1 mg/100 ul) wurde hergestellt und ein Volumen von 5 ul auf den Abschnitt der Mikrobandanordnung der Elektrode aufgetragen. Nach einer Trockenperiode von 15 Minuten hatte sich ein Gel gebildet, welches bei Elektroden-Inversion unbeweglich war. Zyklische Voltammogramme mit 0,005 V/s, wobei das Potential zyklisch von 0 V bis -1 V gegenüber den kombinierten Gegen- und Quasi-Referenz-Elektroden in Anwesenheit und Abwesenheit von p-Cresol- Dämpfen geführt wurde, zeigte einen deutlichen Peak bei etwa -0,6 V gegenüber den kombinierten Gegen- und Quasi-Referenz-Elektroden, entsprechend der Reduktion des Chinon-Produkts der Enzymreaktion mit p-Cresol. Fig. 7 zeigt das zyklische Voltammogramm mit 0,005 V/s von (A) einer Hydroxyethylcellulose- Polyphenoloxidase-Elektrode und (B) einer Elektrode mit nur Hydroxyethylcellulose in Gegenwart von p-Cresol-Dämpfen.
  • Amperometrische Experimente der HEC-Enzym-Gel-Elektroden beinhalteten, daß das Potential der Arbeitselektroden bei -0,7 V gegenüber den CC + QRE im Gleichgewicht gehalten wurde. Nach einer Trocknungsperiode von 15 Minuten wurde die Gel-Elektrode periodisch p-Cresol-Dämpfen ausgesetzt. Gleichgewichtsströme wurden normalerweise binnen etwa 100 Sekunden erhalten. Die Stromantwort auf die Exposition gegenüber p-Cresol lag im Bereich von 30 Sekunden. Antwortströme im Nichtgleichgewichtszustand wurden bei fortgesetzter periodischer Exposition gegenüber p-Cresol erhalten. Diese Ergebnisse sind in Fig. 8 illustriert, welche die amperometrische Kurve von (A) einer Hydroxyethylcellulose- Polyphenoloxidase-Gel-Elektrode und (B) einer Elektrode mit nur Hydroxyethylcellulose zeigt. Die durchgezogenen Pfeile zeigen p-Cresol-Exposition an; gestrichelte Pfeile zeigen nichtvorhandene Exposition an. Das Potential der Arbeitselektroden betrug -0,7 V gegenüber den CC + QRE.
  • HEC-Enzym-Gele verloren die ionische Leitfähigkeit nach 30 Minuten schnell. Beim Plazieren der Gel-Elektrode nach 30 Minuten Trocknungszeit in eine gerührte Lösung von Phosphatpuffer (pH 7, 0,1 M) und Zugabe von gelöstem p-Cresol wurden erneut amperometrische Stromerhöhungen beobachtet, welche aktives inkorporiertes Enzym anzeigten.
  • Trotz des aktiven Enzyms litt die HEC-Enzym-Elektrodenkonfiguration nach 30 Minuten unter verringerter ionischer Leitfähigkeit, mutmaßlich als Ergebnis von Lösungsmittelverlust an die Atmosphäre.
  • Neue Trägermedien, welche biokatalyltische elektrochemische Reaktionen in der Gasphase unterstützen
  • Enzym-Redoxvermittler-Gele, Hydroxyethylcellulose- und Festpolymer- Elektrolyt-Enzym-Gele demonstrierten klar das Prinzip der Durchführung von biokatalytischen elektrochemischen Reaktionen in der Gasphase. Die beschriebenen Verfahren litten jedoch unter den Problemen hinsichtlich entweder niedriger ionischer Leitfähigkeit oder Bioverträglichkeit im Laufe relativ kurzer Zeiträume. Die neuen Trägermedien dieser Erfindung, welche eine verlängerte ionische Leitfähigkeit und Bioverträglichkeit für relativ längere Zeiträume ermöglichen, werden nun exemplarisch dargestellt. Die Trägermedien der Erfindung erwiesen sich bezüglich ionischer Leitfähigkeit und biologischer Verträglichkeit als unerwartet günstig. Andere überraschende Merkmale des Materials werden ebenfalls erörtert werden.
  • BEISPIEL 4. Ionisch leitende Gele von Tetrabutylammoniumtoluol- 4-sulfonat mit inkorporierter Polyphenoloxidase, gegossen auf eine Anordnung von ineinandergreifenden Mikroband-Elektroden zur Reaktion mit phenolischen Dämpfen
  • In diesem Beispiel wird eine ionisch leitende Gel-Matrix, gebildet aus Tetrabutylammoniumtoluol-4-sulfonat und Natriumphosphatpuffer unter Inkorporation von Polyphenoloxidase, beschrieben. In diesem Beispiel erwies sich das Enzym für eine Anzahl von Stunden als relativ stabil innerhalb der Gel-Matrix. Die Indikatorreaktion war identisch mit der in Beispiel 2.
  • Methodik
  • Tetrabutylammoniumtoluol-4-sulfonat (TBATS), Toluol-4-sulfonsäuretetrabutylammoniumsalz, (CH&sub3;CH&sub2;CH&sub2;CH&sub2;)&sub4;N(CH&sub3;C&sub6;H&sub4;SO&sub3;), M 413,67, (500 mg) wurde mit Mörser und Pistill zerstoßen, um ein Pulver zu bilden, und dann in eine Glasflasche eingebracht, die ein 3-ml-Volumen von Natriumphosphatpuffer (0,1 M, pH 7) und Kaliumchlorid (0,05 M) enthielt. Die Mischung wurde sanft erwärmt, bis das TBATS- Material vollständig gelöst war. Die Mischung wurde dann für einen Zeitraum von 5 Minuten beschallt. Polyphenoloxidase (1 mg) wurde dann zu 100 ul TBATS-Lösung zugegeben und die resultierende Mischung 2 Minuten lang heftig auf einer Rotationsvorrichtung gerührt. 5 ul der TBATS-Enzym-Lösungsmischung wurde dann auf den Mikrobandabschnitt der Elektrode aufgebracht und 30 Minuten lang an Luft trocknen gelassen. Nach dieser Zeitspanne war das Gel, welches sich gebildet hatte, bei Elektroden-Inversion unbeweglich. Es wurden dann zyklische Voltammogramme mit 0,005 V/s in Abwesenheit und Anwesenheit von p-Cresol-Dämpfen aufgezeichnet. Das Potential wurde zyklisch von 0 V bis -1 V gegenüber den CC + QRE geführt. Die Ergebnisse sind in Fig. 9 illustriert. In Anwesenheit von phenolischen Dämpfen war ein Reduktionspeak bei etwa -0,5 V gegenüber den CC + QRE zu sehen, entsprechend der Reduktion des Chinon-Produkts der Enzymreaktion. (A) repräsentiert das zyklische Voltammogramm der TBATS-Polyphenoloxidase-Gel- Elektrode und (B) das der Elektrode mit nur TBATS-Gel in Gegenwart von p-Cresol- Dämpfen. Das Potential wurde zyklisch von 0 V bis - 1 V gegenüber den CC + QRE geführt.
  • Bei amperometrischen Experimenten wurde das Arbeitspotential auf -0,65 V gegenüber den kombinierten Gegen- und Quasi-Referenz-Elektroden eingestellt. Nach einer anfänglichen Trockenperiode von 30 Minuten nach dem Gießen des Gels wurde die modifizierte Elektrode p-Cresol-Dämpfen für Intervalle von 100 Sekunden mit ähnlichen Zeiträumen ohne Exposition ausgesetzt.
  • Diese Ergebnisse sind in Fig. 10 dargestellt, welche eine amperometrische Kurve von (A) der TBATS-Polyphenoloxidase-Gel-Elektrode und (B) der Elektrode mit nur TBATS-Gel mit Expositionen gegenüber p-Cresol von 100 Sekunden mit ähnlichen Zeitintervallen ohne Exposition zeigt. Der Pfeil zeigt den Beginn der Expositionen an. Das Potential der Arbeitselektroden betrug 0,650 V gegenüber den kombinierten Gegen- und Quasi-Referenz-Elektroden.
  • Zur Untersuchung der Stabilität der biokatalytischen elektrochemischen Gel- Medien wurde eine Elektrode hergestellt und dann 48 Stunden lang auf dem Labortisch bei Raumtemperatur vor dem amperometrischen Test bei 18ºC gelagert. Nach dieser Zeitspanne wurde ein amperometrisches Experiment mit kontinuierlicher Exposition gegenüber phenolischen Dämpfen durchgeführt. Die Ergebnisse sind in Fig. 11 dargestellt, welche die amperometrische Kurve (A) einer Elektrode mit nur TBATS-Gel, (B) einer TBATS-Polyphenoloxidase-Gel-Elektrode und (C) einer TBATS-Polyphenoloxidase-Gel-Elektrode nach 30 Minuten Trocknen bei Raumtemperatur nach dem Gelgießen zeigt. Der Pfeil gibt den Beginn der kontinuierlichen Exposition gegenüber p-Cresol-Dämpfen an. Das Potential der Arbeitselektroden bei allen Experimenten betrug - 0,650 V gegenüber den kombinierten Gegen- und Quasi-Referenz-Elektroden.
  • In weiteren Tests wurden zwei Mikroanordnungs-Elektroden entweder mit einem TBATS/Wasser-Gel oder einem TBATS-Isopropanol (IPA)-Gel beschichtet. Das letztere Gel wurde in einer geheizten Trockenkammer bei 72ºC 30 Minuten lang getrocknet, was einen Dünnfilm von TBATS auf der Oberfläche der Elektrode ergab.
  • Die modifizierten Elektroden wurden in eine transparente Petrischale auf dem Labortisch bei Raumtemperatur für eine Reihe von Wochen plaziert. Sowohl für die gegossenen TBATS/Wasser- als auch für die gegossenen TBATS-IPA-Gele war eine ähnliche Verringerung der Ionenströme nach 60 Tagen Lagerung zu beobachten. Es wurde kein Versuch gemacht, Temperatur, Licht, Feuchtigkeit etc. zu kontrollieren. Das Ergebnis wurde unter Berücksichtigung der unkontrollierten Umweltbedingungen als gut betrachtet. Es wurde angenommen, daß die hygroskopische Neigung von TBATS zu der elektrochemischen Stabilität beigetragen haben könnte. Nach dem Lagerungszeitraum hatte das Gel ein relativ starres Material gebildet, welches schwer von der Elektrodenoberfläche zu entfernen war.
  • BEISPIEL 5. Reaktion von gasförmigem H&sub2;O&sub2; mit Meerrettich- peroxidase und Kaliumhexacyanoferrat (II) in Tetrabutylammoniumtoluol-4-sulfonat-Gelen, die auf eine Anordnung von ineinandergreifenden Mikroband-Elektroden gegossen worden waren
  • Die Indikatorreaktion ist identisch mit der in Beispiel 1 beschriebenen.
  • Methodik
  • Ein ähnliches Verfahren wie das in dem Beispiel 4 eingesetzte wurde durchgeführt, jedoch unter Verwendung von 2 mg Meerrettichperoxidase und 500 mg TBATS/3 ml Citronensäurepuffer (0,1 M, pH 6,5). Ein 5-ul-Volumen der Enzym- TBATS (2 mg/100 ul)-Lösung wurde auf den Mikroband-Abschnitt der Elektrode gegossen und 10 Minuten lang bei Raumtemperatur an Luft trocknen gelassen. Nach dieser Trocknungsperiode bildete das Enzym ein Gel, welches bei Elektroden- Inversion unbeweglich war. Ein zyklisches Voltammogramm mit 0,2 V/s nach der Trocknungsperiode, bei dem das Potential zyklisch von +1 V bis -1 V gegenüber den CC + QRE geführt wurde, offenbarte einen Reduktionspeak bei etwa -0,25 V gegenüber den CC + QRE. Die Ergebnisse sind in Fig. 12 dargestellt.
  • Anschließend wurden amperometrische Experimente durchgeführt, bei denen die Gel-Elektrode in einer Entfernung von 5 mm von 10 ml einer Flüssigkeitslösung von H&sub2;O&sub2; in Wasser (0,8 M) in einem 25-ml-Becherglas plaziert wurde. Das Potential der Indikator-Elektrode wurde auf -0,350 V gegenüber den CC + QRE eingestellt. Durchgezogene Pfeile zeigen Exposition gegenüber gasförmigem H&sub2;O&sub2; an. Unterbrochene Pfeile zeigen nichtvorhandene Exposition an. Die Zunahme des kathodischen Stroms bei Exposition gegenüber gasförmigem H&sub2;O&sub2; zeigte die Reduktion der oxidierten Form des Vermittlers nach der Enzymreaktion mit H&sub2;O&sub2; an.
  • BEISPIEL 6. Durch die phenolische Verbindung induzierte Strukturänderungen in TBATS-Gelen
  • Die mit dem in Beispiel 4 beschriebenen TBATS-Enzym-Gel erhaltene amperometrische Kurve (Fig. 10) zeigte eine Verzögerung der ersten Antwort auf p-Cresol- Exposition zwischen 200-800 Sekunden. Das Experiment unter Verwendung von Phenol anstelle von p-Cresol zeigte ebenfalls diese Verzögerung. Die beobachtete "Verzögerungsphase" wurde für bedeutsam gehalten und war einer weiteren Untersuchung Wert. Experimente mit einem TBATS-Wasser-Gel, beladen mit dem Elektronenvermittler Ferrocen (0,0125 M), wurden verwendet, um die bei amperometrischen Bestimmungen beobachtete Verzögerungsphase zu untersuchen. Ein Volumen von 1,5 ul der TBATS-Wasser-Ferrocen-Lösung wurde auf den Mikroanordnungsabschnitt der Elektrode aufgetragen. Es wurde sofort ein zyklisches Voltammogramm mit 0,2 V/s und bei einem Potential von +1 V bis -1 V aufgezeichnet, was ein Voltammogramm ohne Peaks ergab, repräsentativ für die rapide Diffusion der elektroaktiven Sonde Ferrocen zu den Arbeitsmikroelektroden. Siehe Fig. 14.
  • Fig. 15 illustriert die zyklischen Voltammogramme mit 0,2 V/s, welche dann für ein Potential von +1 V bis -1 V der TBATS-Ferrocen-Gel-Elektrode nach (A) 7 Minuten Trocknen bei Raumtemperatur und (B) 30 Minuten Trocknen bei Raumtemperatur aufgezeichnet wurden. Zyklische Voltammogramme wurden auch nach Intervallen von 10, 16 und 24 Minuten aufgezeichnet, die Ergebnisse sind jedoch nicht dargestellt.
  • Die klare Änderung der voltammetrischen Gestalt von Fig. 14 bis Fig. 15 illustriert die verringerte Diffusion der elektroaktiven Sonde, als das Gel vermutlich Wasser verlor und starrer wurde.
  • Die besonders interessante Situation, wenn sich Phenol-Dampf in das Gel verteilt und eine biokatalytische Umwandlung erfährt, wurde ebenfalls untersucht. Ein ähnliches Verfahren wie das bei den amperometrischen Experimenten angewandte Verfahren wurde eingesetzt, jedoch unter Überwachung der Diffusion des Vermittlers mit Hilfe zyklischer Voltammetrie. Elektroaktive Sonden-Gel- Elektroden, wie sie in dem vorigen Experiment nach 30 Minuten Trocknen eingesetzt worden waren, wurden p-Cresol für Intervalle von 100 Sekunden, gefolgt von weiteren 100 Sekunden ohne Exposition, ausgesetzt. Unmittelbar nach einer Exposition gegenüber p-Cresol wurde ein zyklisches Voltammogramm mit 0,2 V/s und einem Potential von +1 V bis -1 V bei Raumtemperatur aufgezeichnet.
  • Fig. 16 zeigt eine Folge von zyklischen Voltammogrammen, die etwa alle 200 Sekunden bei 0, 200, 800, 1800 und 2200 Sekunden aufgezeichnet wurden. Die Buchstaben zeigen die ungefähren Zeitpunkte der aufgezeichneten Voltammogramme an: (A) anfängliches Voltammogramm nach 30 Minuten Trocknungszeit; (B) nach 200 Sek.; (C) nach 800 Sek.; (D) nach 1800 Sek.; und (E) nach 2200 Sek.
  • Die Peak-Ströme nahmen mit den aufeinanderfolgenden Voltammogrammen zu und stabilisierten sich nach etwa 2200 Sekunden. Unterscheidbare Peaks begannen sich nach etwa 800 Sekunden zu bilden, eine Zeit, die etwa dem Ende der Verzögerungsphase entspricht, die bei den amperometrischen Bestimmungen beobachtet wurde (Fig. 10). Die Ergebnisse legten nahe, daß das Gelmaterial eine Strukturänderung erfuhr, welche die erhöhte Mobilität der elektroaktiven Sonde bei fortgesetzter Exposition gegenüber p-Cresol förderte. Wiederum ergab die Wiederholung des Experiments unter Ersatz von p-Cresol durch Phenol qualitativ die gleichen Ergebnisse, es wurden jedoch größere Stromgrößenordnungen beobachtet. Obwohl Weichmachungseffekte bezüglich Polymere gut dokumentiert sind, war unklar, wie p-Cresol die Strukturänderung innerhalb des TBATS-Gels induzierte. Die präzise Struktur des TBATS-Gels war uns unbekannt, wir nehmen jedoch eine geordnete Matrix, bestehend aus kationischen und anionischen Gruppen von Tetrabutylammonium- bzw. Toluol-4-sulfonationen mit dazwischen verteilten Wassermolekülen an.
  • Eine weitere Annahme ist, daß p-Cresol die elektrostatischen Kräfte zwischen den geladenen Gruppen störte, was zu einer Lockerung der Matrixstruktur führte und so die Mobilität der elektroaktiven Sonde erhöhte. Bezüglich der amperometrischen Enzym-Elektroden-Kurve, die in Fig. 10 erhalten wurde, postulieren wir, daß der Diffusionskoeffizient des Produkts der Enzymreaktion bei fortgesetzter periodischer Exposition gegenüber p-Cresol-Dämpfen als Folge von Erhöhungen der Gelfluidität zunahm. Zweifellos erhöhte sich die Substrat-Diffusion innerhalb des Gels ebenfalls, der Effekt würde jedoch zufällig erscheinen, nachdem Kontrollelektroden ohne Enzym ziemlich konstante Stromerhöhungen als Ergebnis von nicht-spezifischen Leitfähigkeitsänderungen, die von p-Cresol induziert wurden, ergaben.
  • Lösungsmittelwirkungen auf die Träger-Matrix
  • Weitere Experimente, welche die Auswirkung des Gießlösungsmittels untersuchten, ergaben unerwartete und interessante Ergebnisse. TBATS-Material wurde in Isopropanol gelöst und dann auf die Elektrodenoberfläche gegossen und 30 Minuten lang bei 72ºC in einer Trockenkammer untergebracht. Nach weiteren 5 Minuten Trocknungszeit bei Raumtemperatur wurde das TBATS-Gel von einem 5-ul- Volumen einer Polyphenoloxidase-Natriumphosphatpuffer-Lösung (1 mg/100 ul) bedeckt und 15 Minuten lang an Luft trocknen gelassen. Als die Elektrode p-Cresol- Dämpfen ausgesetzt wurde, wurde eine sofortige Stromerhöhung aufgezeichnet. Dies wird illustriert durch Fig. 17, welche eine amperometrische Kurve einer lösungsmittelgegossenes-TBATS-Polyphenoloxidase-Elektrode bei -0,65 V zeigt. Der durchgezogene Pfeil zeigt den Beginn der Exposition gegenüber p-Cresol an.
  • Es wurde postuliert, daß das Gießlösungsmittel eine wichtige Rolle bei der Festlegung der Struktur der TBATS-Gel-Matrix spielte. Es scheint so, daß im letzteren Fall das Chinon-Produkt imstande war, schnell durch die Gel-Matrix zu diffundieren und an der Elektrode zu reagieren. Es wird angenommen, daß dies deshalb der Fall ist, weil die Verwendung des Isopropanol-Lösungsmittels eine dünnere Schicht des Matrix-Gels ergibt, so daß die Diffusion durch das Gel schneller ist. In dieser Situation war jedoch wahrscheinlich, daß nach dem Hochtemperatur- Trocknungsverfahren wenig Lösungsmittel in der Matrix verblieb, was möglicherweise zu einer hochdichten Gel-Struktur führte. Dieses Beispiel der Manipulation der Struktur und der Eigenschaften der TBATS-Gele weist darauf hin, wie schnell antwortende und stabile Matrices zur Inkorporation in analytischen Vorrichtungen für die qualitative und quantitative Bestimmung von gasförmigen Analyten geeigneterweise hergestellt werden können.

Claims (9)

1. Verfahren zum Nachweis eines Analyten in der Gas- oder Dampfphase, umfassend das Kontaktieren eines gasförmigen oder dampfförmigen Analyten mit einer Meßelektrode einer elektrochemischen Zelle, wobei ein biologisches Molekül, ausgewählt aus der Gruppe, die Synzyme, Antikörper, bindende Proteine und Enzyme umfaßt, auf einem Träger an der Meßelektrode gehalten wird, wobei der Träger ein Elektrolytsalz umfaßt, so daß ein Substrat das biologische Molekül kontaktiert und unter Hervorrufung einer elektrischen Antwort reagiert; und das Messen dieser elektrischen Antwort der Zelle, wobei die Antwort zur Konzentration des Analyten in Beziehung gebracht werden kann und wobei das biologische Molekül in einem festen oder halbfesten Zustand vorliegt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, worin das biologische Molekül in einem im wesentlichen entwässerten Zustand vorliegt und das Substrat von dem Analyten abgeleitet ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, worin der Träger eine feste Matrix oder Gel-Matrix eines Elektrolytsalzes umfaßt.
4. Verfahren nach Anspruch 3, worin der Elektrolyt ein organisches Salz ist.
5. Verfahren nach Anspruch 4, worin das organische Salz ein Tetraalkylammoniumsalz umfaßt.
6. Verfahren nach Anspruch 5, worin das Tetraalkylammoniumsalz aus Tetrabutylammoniumperchlorat, Tetrabutylammoniumtoluol-4-sulfonat, Tetrabutylammoniummethansulfonat, Tetrabutylammoniumphenolborat, Tetraethyl ammoniumtetrafluorborat, Tetrabutylammoniumchlorid und Tetrabutylammoniumiodid ausgewählt ist.
7. Verfahren nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, worin die Antwort mit der Exposition gegenüber einer zunehmenden Analyt- Konzentration zunimmt.
8. Verfahren nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, worin das biologische Molekül ein Enzym für eine Redox-Reaktion ist.
9. Verfahren nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, worin der Analyt das Substrat ist.
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