Биосенсоры

Введение 

Биосенсор - это устройство, включающее биологический чувствительный элемент, тесно связанный с преобразователем либо интегрированный с ним. Обычно биосенсор предназначен для формирования цифрового электрического сигнала, пропорционального концентрации определенного химического соединения или ряда соединений. Современная концепция биосенсора в значительной степени связана с идеями Лиланда Кларка-младшего и соавторов, развитыми в 1962г. Авторы предположили, что если бы ферменты можно было иммобилизовать на электрохимических датчиках, то такие "ферментные электроды" расширили бы диапазон аналитических возможностей базового датчика. Последовавшая затем грандиозная работа с бесконечными вариациями этой темы постепенно раздвинула горизонты этой области. Ее нынешнее состояние в какой-то степени характеризуют перечисленные ниже потенциальные чувствительные элементы и преобразователи, которые можно использовать при конструировании биосенсоров: биологические компоненты (целые организмы, ткани, клетки, органеллы, ферменты и тд), преобразователи (потенциометрические, амперометрические, кондуктометрические, оптические, калориметрические, механические, акустические, химические).

Развитие биосенсоров обусловлено  усилием исследователей в нескольких направлений. Весьма перспективно е  направление исследований - создание новых материалов для конструирования  преобразователей или более эффективной  связи между компонентами сенсора. Движущей силой в исследовании сенсоров было ярко выраженное инстинктивное  понимание возможности их широких  практических приложений. Эти исследования стимулировались прежде всего потребностями медицины. Возможность немедленного анализа клинических препаратов, очевидно, одинаково привлекает и врачей, и пациентов, хотя некоторые национальные службы здравоохранения испытывают трудности с внедрением этой философии. Более привлекательной является возможность непрерывного in vivo мониторинга метаболитов, лекарственных препаратов и белков с помощью миниатюрных и портативных систем. Отличным примером клинического приложения является сенсор глюкозы для больных диабетом, ставший классическим объектом исследований в области биосенсоров.

В последние годы возрастает интерес  к другим возможным использованиям биосенсоров. Клинические исследования повернулись в сторону ветеринарии  и животноводства. Все больше внимания придается качеству продуктов в  пищевой промышленности. В этой области  давно признано значение быстрых  методов оценки сроков хранения, порчи  и загрязнения продуктов. Развитие биотехнологии стимулирует разработку методов мониторинга процессов  ферментации, что также расширяет  возможности непрерывного контроля этих процессов. Проблемы охраны окружающей и промышленной среды стимулировали  разработку сенсоров для определения  таких вредных веществ, как оксид  углерода и гербициды. В то же время  интересы военных неизменно сосредоточены  на специальных требованиях биологической  и химической защиты.

 

1.Теоретическая часть

1.1 Определение биосенсоров

Биосенсор  – это интегральная система, которая способна воспринимать и преобразовывать специфичную  количественную или полуколичественную аналитическую информацию с использованием биологического распознающего элемента (биохимического рецептора), находящегося в тесном контакте с преобразователем. Биосенсор отличается от любой биоаналитической системы прежде всего тем, что при его использовании в анализе нет необходимости в дополнительных процедурах, таких как добавление реагентов к анализируемой системе.

1.2 Принцип работы.

Принцип детекции, реализованный в биосенсорах, основан на том, что биоматериал, иммобилизованный (англ. "immobilization" - фиксация, закрепление) на физическом датчике (преобразователе), при взаимодействии с определяемым соединением генерирует зависимый от его концентрации сигнал, который регистрируется преобразователем того или иного типа и после обработки данных представляется в численном виде.. Согласно общепринятой терминологии, биосенсор состоит из следующих составных частей:

 Биорецептор, биорецепторный элемент, биораспознающий элемент– основной, анализирующий элемент сенсора, содержащий биологический материал, реакция которого регистрируется преобразователем.

Преобразователь, трансдуктор, электрод– физический сенсор регистрирующий изменение физико-химических свойств биоматериала, составляющего биорецептор.

Блок регистрации и  обработки данных – аналоговый или цифровой блок(и), производящий регистрацию сигналов преобразователя (биорецептора), его предварительную обработку (сглаживание, выделение сигнала из шума) и оценку основных параметров. Функциями этого блока является также построение калибровочной зависимости сенсора, вычисление концентрации анализируемого соединения и представление результатов измерения на индикаторном устройстве.

Биосенсоры состоят  из трёх частей:

биоселективного элемента (биологический материал, например ткани, микроорганизмы, органеллы, клеточные рецепторы, ферменты, антитела, нуклеиновые кислоты, и т. д.), материал биологического происхождения или биомимик). Чувствительный элемент может быть создан с помощью биоинженерии.

преобразователя (работает на физико-химических принципах; оптический, пьезоэлектрический, электрохимический, и т. д.), который  преобразует сигнал, появляющийся в  результате взаимодействия аналита с биоселективным элементом, в другой сигнал, который проще измерить;

связанная электроника, которая отвечает в первую очередь за отображение  результатов в удобном для  пользователя виде.

 

 

1.3.Классификация биосенсоров по типу преобразователя и биорецепторного элемента

Биосенсоры можно разделить  на разные группы в соответствии с  типом используемого преобразователя  или биологического распознающего  элемента.

 

По типу преобразователя биосенсоры можно разделить на основные группы:

• Оптические;
• Акустические;
• Калориметрические;
• Термические;
• Электрохимические;

• Потенциометрические;
• Амперометрические;
• Кондуктометрические;

Оптические  биосенсоры

Значительная часть оптических биосенсоров основаны на явлении  поверхностного плазмонного резонанса и используют свойство золотых и других материалов, а именно то, что тонкий слой золота, нанесенный на имеющую высокий коэффициент преломления стеклянную поверхность может абсорбировать лазерный свет, создавая электронные волны (поверхностные плазмоны) на золотой поверхности. Это происходит только при определенном угле падения и длине волны падающего света и в такой степени зависит от поверхности золотого слоя, что присоединение аналита к биологическому рецептору на поверхности этого слоя генерирует заметный сигнал. Сенсоры на основе поверхностного плазмонного резонанса представляют собой сенсорный чип, который состоит из пластиковой кассеты, несущей стеклянную тарелку, одна сторона которой покрыта микроскопическим слоем золота. Эта сторона взаимодействует с оптической распознающей аппаратурой прибора. Противоположная сторона тарелки соединяется с жидкостной проточной системой. Растворенные в жидкости реагенты могут непосредственно контактировать с поверхностью тарелки. Эта сторона стеклянного сенсорного чипа может быть различными путями модифицирована, позволяя легко присоединять интересующие молекулы. Обычно она покрыта карбоксиметилдекстраном или подобным веществом.

Свет с фиксированной длиной волны отражается от покрытой золотом  стороны чипа под углом полного  внутреннего отражения, и детектируется  внутри прибора. Этот свет индуцирует исчезающую волну, которая проникает  сквозь стеклянную тарелку в раствор  вблизи её поверхности.

Коэффициент преломления проточной  стороны сенсорного чипа прямо влияет на поведение света, отраженного  от покрытой золотом стороны. Связывание веществ с поверхностью проточной  стороны чипа влияет на коэффициент  преломления, что можно зарегистрировать оптической аппаратурой; таким образом биологические взаимодействия могут быть измерены с высоким уровнем чувствительности.

Другие биосенсоры на основе исчезающей волны были коммерциализированы с использованием волноводов, в которых константа распространения света через волновод изменяется при абсорбции молекул на поверхность волновода. Например, в двойной поляризационной интерферометрии используются два волновода, один из которых изолирован и является эталонным, а второй волновод непосредственно контактирует с исследуемым образцом. Сравнивая константы скорости распространения света в обоих волноводах, делают заключение о концентрации аналита.

Другие оптические биосенсоры основаны в основном на изменении в абсорбции  или флуоресценции соответствующего индикаторного компонента и не нуждаются  в полном внутреннем отражении. Например, разработан полностью функционирующий  прототип прибора для определения  казеина в молоке. Прибор основан  на обнаружении изменений в абсорбции золотого слоя. Широко используемый в молекулярной биологии исследовательский инструмент, ДНК-микрочип, может также считаться оптическим биосенсором.

 

Электрохимические биосенсоры

Электрохимические биосенсоры обычно основаны на ферментативном катализе реакции, в которой освобождаются  или поглощаются электроны (используемые ферменты принадлежат к классу оксидоредуктаз). Биосенсор обычно включает в себя три электрода: электрод сравнения, рабочий и вспомогательный. На поверхность рабочего электрода наносят биологический материал, который специфически вступает в реакцию с аналитом. Заряженные продукты реакции создают на рабочем электроде потенциал, который отнимается от потенциала на электроде сравнения для получения выходящего сигнала. Применяется также измерение силы тока (в этом случае интенсивность потока электронов пропорциональна концентрации аналита) при постоянном потенциале или потенциал можно измерять при нулевой силе тока (это даёт логарифмический отклик). Нужно отметить, что на потенциал электродов влияет заряд их окружения, что часто используется. Более того, возможно прямое электрическое определение небольших пептидов и белков по характерному для них заряду, используя биологически модифицированные ион-селективные полевые транзисторы (ИСПТ).

Потенциометрические биосенсоры

Оказалось, что при соответствующей  модификации электрода или перегородки  между электролитами потенциометрические  электрохимические сенсоры способны и на большее. С их помощью можно, например, обнаруживать присутствие  в контролируемой жидкости и определять концентрацию не только ионов, но и  органических молекул, вирусов, микробов. С этой целью для модификации  используют природные ферменты –  особые органические молекулы, синтезированные  и отобранные в ходе биологической  эволюции. Они эффективно "распознают" интересующую пользователя молекулу или  тело-аналит и содействуют ее химическому взаимодействию с другими ионами или молекулами. Такие вещества, выступающие в роли специфического катализатора, называют еще "энзимами", а сенсоры, в которых используются такие вещества, – " биосенсорами "

 

Калориметрические  биосенсоры

Калориметрические приборы могут  быть миниатюризованное при использовании интерферометрии. Эта технология заключается в сдвига по фазе света в определяющим лучи отношении проверяющего. Оптическое волокно может быть расширено под действием теплоты, выделяющейся при ферментной реакции, и это дает изменение в фазе света. Система очень чувствительна к маленьким изменениям температуры.

Акустические биосенсоров

В акустических сенсорах используются кристаллы, которые эластически деформируются при воздействии на них электрического потенциала. Переменный потенциал при определённой частоте вызывает стоячую волну в кристалле. Эта частота в значительной степени зависит от эластичных свойств кристалла, поэтому, если кристалл покрыт биологическим распознающим элементом, присоединение большого количества аналита к рецептору приведет к изменению резонансной частоты, что и служит сигналом о связывании.

 

Термические и магнитные биосенсоры практически не распространены

Новый магнитный  биосенсор

Исследователи из Нидерландов разработали простой  в действии биосенсор, который может  использоваться для быстрого анализа  на содержание в крови биомаркеров заболеваний и наркотических препаратов.

В основе устройства, разработанного Менно Принсом (Menno Prins) и его коллегами, лежит иммунологический анализ – в этом методе для определения молекул аналитов используются антитела. Образцы жидкостей для иммунохимических анализов, слюну или сыворотку крови обычно необходимо подвергать предварительной обработке, что приводит к большому расходу аналита. Устройство Принса не требует сложных с аналитом, что существенно облегчает процедуру обнаружения интересующих веществ в биологическом образце.

Исследователи из группы Принса нанесли на поверхность магнитных наночастиц антитела, после чего поместили модифицированные наночастицы в образец жидкости, заключенный в дешевом одноразовом картридже, сверху и снизу оборудованном электромагнитами, основание картриджа представляет собой чувствительную поверхность.

Наночастицы связываются с комплементарными их антителам молекулами, содержащимися в жидкости. Затем с помощью нижнего электромагнита частицы перемещаются ближе к сенсорной поверхности, с которой связываются лишь коньюгаты наночастица-аналит. После связывания с сенсорами верхний электромагнит способствует удалению не связавшихся с сенсором наночастиц, после их удаления производится измерение концентрации анализируемых веществ на основании интенсивности света, рассеянного наночастицами.

Новый сенсор может быть использован  для быстрого и точного определения  молекул-биомаркеров заболеваний, позволяющего докторам оперативно принимать решение о назначении того или иного лечения, не дожидаясь подробных результатов лабораторных исследований. Принс полагает, что еще одним из вариантов применения его сенсора может быть экспресс-анализ на наркотики – новый способ может обнаружить следовые количества морфина в слюне в течение одной минуты.

 

Интенсивность отраженного  света зависит от концентрации наночастиц