Electrochemistry

ตัวอย่างของไบโอเซนเซอร์เกิดขึ้นในปี ค.ศ. 1962 ลีแลนด์ คลาค (Leland C. Clark) นักวิทยาศาสตร์ชาวสหรัฐ ได้ตีพิมพ์ผลงานในการประยุกต์ใช้ไบโอเซนเซอร์(ตอนนั้นเรียกเอนไซม์เซนเซอร์) เพื่อตรวจวัด ปริมาณกลูโคสในเลือดมนุษย์ได้เป็นผลสำเร็จครั้งแรก นั่นเป็นเหตุการณ์ที่นักวิทยาศาสตร์รู้จักคำว่าไบโอเซนเซอร์เป็นครั้งแรก ในการศึกษาของเขานั้น เขาสนใจในการตรวจวัดปริมาณแก๊สออกซิเจนก่อนเป็นอันดับแรก เขาได้อธิบายว่า สามารถติดตามการทำงานของเอนไซม์โดยการตรวจวัดระดับออกซิเจนที่เอนไซม์นั้นใช้ไปโดยใช้อิเล็กโทรดแพลทินัม (platinum electrode) เอนไซม์แต่ละชนิดจะมีความจำเพาะเจาะจงกับสารเคมีตั้งต้นหรือสับสเตรท (substrate) อย่างใดอย่างหนึ่งเท่านั้น ในการเปลี่ยนสารตั้งต้นไปเป็นสารผลิตภัณฑ์ในสิ่งมีชีวิต จำเป็นต้องอาศัยเอนไซม์เพื่อมาลดพลังงานกระตุ้นลง การทำงานของเอนไซม์เป็นอย่างไร ในตอนแรกเอนไซม์เมื่ออยู่ในสภาวะที่เหมาะสำหรับทำงานแล้วก็จะจับกับสับสเตรท หลังจากที่เอนไซม์จับกับสับสเตรทแล้วเกิดการเปลี่ยน สับสเตรทไปเป็นผลิตภัณฑ์ และได้เอนไซม์ซึ่งอยู่ในอีกสภาวะหนึ่งซึ่งไม่เหมาะที่จะจับกับสับสเตรท ก็จะต้องมีการถ่ายโอนพลังงานบางชนิดให้เอนไซม์เพื่อให้เอนไซม์กลับมาสู่สภาวะที่เหมาะสมสำหรับการทำงานใหม่ วิธีการอย่างหนึ่งคือการถ่ายโอนอิเล็กตรอน เราสามารถนำเอนไซม์มาทำปฏิกิริยากับสับสเตรทตัวใหม่ได้โดยการถ่ายโอนอิเล็กตรอนที่เกิดขึ้นในระบบนั้น เมื่อเอนไซม์อยู่ในภาวะเหมาะสมที่จะกระตุ้นสับสเตรทอันใหม่มันก็สามารถทำงานได้ต่อไป ในการทำงานของเอนไซม์กับสับสเตรทต้องใช้แก๊สบางชนิดหรือ อาศัยน้ำ ซึ่งการใช้แก๊สเหล่านี้จะขึ้นกับปริมาณสับสเตรทที่เอนไซม์ทำปฏิกิริยาด้วย จากหลักการนี้ ถ้าเรามีเซนเซอร์ที่สามารถวัดปริมาณแก๊สที่เอนไซม์ใช้ไปเราก็สามารถที่จะรู้ปริมาณสารเคมีที่เราต้องการวัดได้

ในการวัดปริมาณกลูโคสในเลือดของ ตามวิธีของคลาค เขาได้ใช้เอนไซม์ชนิดหนึ่งเรียกว่าเอนไซม์กลูโคสออกซิเดส (glucose oxidase) หรือใช้ตัวย่อ GOD เนื่องจากเอนไซม์กลูโคสออกซิเดสจะมีความจำเพาะเฉพาะกับกลูโคสเท่านั้น เพราะฉะนั้นปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นก็เป็นผลมาจากเอนไซม์กลูโคสออกซิเดสทำกับกลูโคส อิเล็กโทรดที่เขาใช้มีลักษณะเป็นดังรูป 3

รูปที่ 3 แสดงขั้วไฟฟ้าของกลูโคสเซนเซอร์

- ขั้วบวกทำจากโลหะแพลทินัม ขั้วลบทำจากโลหะเงิน ตรงส่วนรับสัญญาณก็จะบรรจุเอนไซม์กลูโคสออกซิเดสที่ตรึงบนพอลิเมอร์ โดยหุ้มไว้ด้วยเยื่อ 2 ข้างด้านที่ติดกับขั้วไฟฟ้าเป็นเยื่อเทฟลอน แต่ด้านที่ติดกับสารที่ต้องการวิเคราะห์ (analyte) จะเป็นเยื่อเซลโลเฟน ดังรูปที่ 3

รูปที่ 4 แสดงกระบวนการที่ขั้วไฟฟ้ากลูโคสเซนเซอร์

หลักการในการตรวจวัดกลูโคสของคลาคมีลักษณะดังภาพ

เริ่มต้นจากเมื่อ กลูโคส แทรกผ่านเยื่อเซลโลเฟนเข้ามา ทำปฏิกิริยากับเอนไซม์กลูโคสออกซิเดสทีในรูปที่มีอิเล็กตรอนอยู่มาก กลูโคสจะกลายเป็น กรดกลูโคนิก ส่วนเอนไซม์กลูโคสออกซิเดสเมื่อถูกออกซิไดซ์ด้วยกลูโคส จะให้ 2 อิเล็กตรอนและ 2 ไฮโดรเจนไอออนหรือ 2 โปรตอน แล้วกลายเป็นอยู่อีกรูปหนี่ง ต่อมาออกซิเจนที่ละลายอยู่ในสารละลายจะแทรกผ่านเยื่อเทฟลอนรับเอา 2 อิเล็กตรอนและ 2 โปรตอน กลายไปเป็น แก๊สไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ ที่ขั้วบวก เกิดเป็นสัญญาณไฟฟ้าต่อไป ส่วนกลูโคสตัวใหม่ก็สามารถเกิดการเปลี่ยนแปลงได้อีกเช่นเดียวกันเรื่อยไป
เมื่อนำอิเล็กโทรดไปวัดสารตัวอย่างเพื่อหาปริมาณกลูโคส ปริมาณออกซิเจนที่ใช้ไปจะสัมพันธ์กับปริมาณของเอนไซม์ที่จับกับกลูโคส ดังนั้นปริมาณกลูโคสที่มีอยู่ก็สามารถวัดได้โดยการวัดปริมาณแก๊สออกซิเจนที่เอนไซม์ใช้ไปนั่นเอง
ปฏิกิริยารวมที่เกิดขึ้นทั้งหมดคือ

โดยมีตัวเร่งปฏิกิริยาคือเอนไซม์กลูโคสออกซิเดส และที่ขั้วบวก จะเกิดปฏิกิริยาไฟฟ้าเคมีดังนี้

จากสมการ จะพบว่า ออกซิเจนมีเลขออกซิเดชันเปลี่ยนจาก 0 เป็น -1 นั่นแสดงว่าที่อิเล็กโทรดมีการเปลี่ยนแปลงทางไฟฟ้าเคมีเกิดขึ้น จากการเปลี่ยนแปลงนี้เราก็สามารถวัดปริมาณกระแสไฟฟ้าที่เกิดขึ้นหรือปริมาณศักย์ไฟฟ้าที่เปลี่ยนแปลงได้ ถ้าเป็นการวัดกระแส ทรานดิวเซอร์ของเซนเซอร์ชนิดนี้ก็จะเป็น amperometric transducer แต่ถ้าเป็นการวัดความต่างศักย์ก็จะเป็น potentiometric transducer

นอกจากเซนเซอร์ที่ทำจากเอนไซม์ชนิดต่างๆ แล้ว สารเคมีชนิดอื่นก็สามารถใช้แทนเอนไซม์ได้ ถ้าสารเคมีชนิดนั้นมีความจำเพาะกับสารที่เราต้องการวัด โดยที่ไม่มีปัจจัยอื่นมากระทบ หมายความว่า สารเคมีชนิดนั้นตอบสนองเฉพาะต่อสารที่เราสนใจเท่านั้นไม่ไปทำปฏิกิริยากับสารชนิดอื่นที่เราไม่สนใจ ซึ่งจะทำให้การวัดไม่ถูกต้อง
สารเคมีตัวอื่นที่สามารถตรวจวัดด้วยไบโอเซนเซอร์ ตัวอย่างเช่น

                      - เลกเตส (lactate)
                      - คลอเลสเตอรอล (cholesterol)
                      - ฟอสเฟต (phosphate)
                      - เอทานอล (ethanol)
                      - คาร์บอน มอนอกไซด์ (carbon monoxide)
                      - แอสไพริน (aspirin)
                      - พาราเซตามอล (paracetamol)

ตัวอย่างของการประยุกต์ใช้ไบโอเซนเซอร์ เช่น

                      - ใช้ในการควบคุมกระบวนการผลิตในโรงงานอุตสาหกรรม
                      - ใช้ในการควบคุมกระบวนการหมักต่างๆ
                      - ใช้ในการวิเคราะห์อาหารและน้ำดื่ม
                      - ใช้ในการตรวจวัดคุณภาพสิ่งแวดล้อม
                      - ใช้ในการตรวจรักษาทางการแพทย์
                      - ใช้ในอุตสาหกรรมการรักษาความปลอดภัยและความมั่นคง