Біосенсори. Пристрій і робота. Види і застосування. Особливості

В останнє десятиліття з’явилися нові контакти між вельми далекими областями: біохімією і електронікою. Їх взаємне проникнення дозволило створити нову сферу інтересів науки – біоелектроніка. Для початку в цій галузі з’явилися нові пристрої для аналізу, а також переробки інформації, які отримали назву біосенсори. Вони розглядаються як перше покоління біоелектронних пристроїв.

Ці мініатюрні електронні пристрої, оснащені біологічними елементами, перетворюються в двигуни технологічної революції. Незабаром в наше життя повинні увійти особливі біосенсори, здатні контролювати та інформувати про процеси, відстежити які людина безпосередньо не здатний.

Що таке біосенсори

Біосенсори – це спеціальні аналітичні пристрої, які застосовують біологічні матеріали з метою «впізнавання» певних молекул. Вони видають інформацію про їх присутність і числі за допомогою електричного сигналу. Ідея застосування подібних пристроїв існує близько 40 років. Вперше її висловили Ліонс і Кларк в 1967 році.

Кларк пропонував використовувати ферментний електрод, тобто електрохімічний датчик з ферментом, іммобілізованим на його поверхні. За останні десятиліття ця ідея отримала серйозний розвиток. Винайдено і досліджено багато систем, частина з них пройшла опробування та промислову реалізацію. Велика частина з них орієнтована на проведення аналізу біологічних рідин. Наприклад, кров складається з тисячі різних сполук. Для визначення концентрації глюкози або іншого з’єднання даний пристрій підходить найкращим чином. Для людей, які страждають на діабет, це є життєво важливим клінічним аналізом.

У чутливому шарі прилад має свій біологічний матеріал: ДНК, рецептори, органели, ліпосоми, антитіла, антигени, дріжджі, бактерії, тканини і ферменти. Вони безпосередньо реагують на присутність визначається компонента, забезпечуючи генерування сигналу в залежності від його концентрації.

різновиди

Існує величезна кількість принципів класифікації біосенсорів, які залежачи від:

  • Природи біохімічного компонента.
  • Аналітичних задач.
  • Перетворювача сигналу.
  • Областей потенційного застосування.
  • Особливостей генерується сигналу.

Найбільш часто виділяють наступну класифікацію:

  • За біохімічним компоненту;
    • сенсори на основі клітинних тканин і мікроорганізмів;
    • ДНК-сенсори;
    • иммуносенсор;
    • ферментні сенсори;
    • сенсори на базі надмолекулярних клітинних структур;
  • За способом вимірювання сигналу;

• фізичні;
• оптичні;
• електрохімічні;
• гібридні;

  • За сигналом;
    • стаціонарні (рівноважні);
    • динамічні (кінетичні);
  • По області застосування;

• харчова промисловість;
• біотехнологія;
• медицина;
• екологія.

Класифікація за біохімічним компоненту:

  • Ферментні сенсори припускають біологічні препарати (гомогенні мікробних культур або тканин) або чисті препарати ферменту, які проявляють певну біологічну активність.
  • Иммуносенсор як біохімічного рецептора застосовують імуноглобуліни – це захисні білки, які виділяються імунною системою організму у відповідь на вплив чужорідних біологічних сполук (антигенів).
  • ДНК-сенсори включають нуклеїнові кислоти (ДНК) в якості біохімічного компонента.
  • Мікробні сенсори задіють мікроорганізми, які здатні проводити за допомогою ферментів перетворення певного речовини. Відрізняються від ферментних сенсорів тим, що під час перетворення субстрату може використовуватися сукупність ферментів, а не тільки один.
  • Біосенсори на основі надмолекулярних структур клітини знаходяться в проміжному положенні між ДНК-сенсорами, ферментними і мікробними сенсорами, так як в їх основі використовуються внутрішньоклітинні структури, які мають вельми складну ієрархічну будову.

Класифікація за способом вимірювання:

  • Електрохімічні біологічні сенсори діють за принципом вимірювання електричного струму, який виникає внаслідок відновлення або окислення електрохімічних активних речовин на робочому електроді, або на вимірюванні різниці потенціалів електродом порівняння і робочим електродом при постійному струмі.
  • П’єзоелектричні пристрої чутливі до зміни маси, щільності на поверхні фізичного носія, а також частоти коливань акустичних хвиль і в’язкості середовища.
  • Оптичні сенсори реагують на фізично-оптичні параметри, а не на хімічну взаємодію компонента з чутливим елементом. Це може бути інтенсивність поглинання, люмінесценція об’єкта, віддзеркалення світла і так далі.

Пристрій

Будь-які біосенсори конструктивно представляють комбіноване пристрій, який складається з двох принципових функціональних елементів: фізичного і біохімічного, вони знаходяться в тісному контакті.

  • Біохімічний елемент представлена ​​біоселектірующой структурою, яка виступає в ролі біологічного елемента розпізнавання. Як його можна використовувати всі типи біологічних структур: нуклеїнові кислоти, рецептори, антитіла, ферменти і навіть живі клітини.
  • Фізичний перетворювач сигналу перетворює визначається компонент, тобто концентраційний сигнал в електричний.
  • З метою зчитування і запису інформації застосовуються електронні системи посилення, а також реєстрації сигналу.

Біосенсори виконані з трьох частин:

  • Біоселективного елемент – біологічний матеріал (наприклад, нуклеїнові кислоти, антитіла, ферменти, клітинні рецептори, органели, мікроорганізми, тканини і так далі), біомімік або матеріал біологічного походження. Чутливий елемент також може створюватися біоінженерії.
  • Елемент перетворювача діє на фізико-хімічних принципах (електрохімічний, п’єзоелектричний або оптичний), він перетворює сигнал, який з’являється в результаті взаємодії в інший сигнал, який легше виміряти.
  • Пов’язана електроніка допомагає відображати результати у вигляді, який зручний для користувача.

Принцип дії

Принцип роботи пристрою досить простий:

  • На першому етапі дії пристрою здійснюється «впізнавання» біоелементом специфічного речовини, яка міститься в багатокомпонентної суміші.
  • На другій стадії здійснюється перетворення інформації про протікання конкретної біохімічної реакції в форму електрохімічного сигналу.
  • Електричний сигнал на останній стадії від трансдьюсора перетворюється в форму сигналу, яка прийнятна для обробки.

Це свого роду детектори, дія яких базується на специфічності молекул і клітин. Вони застосовується для вимірювання та ідентифікації кількості найменших концентрацій самих різних речовин. При зв’язуванні біологічного компонента з шуканим речовиною перетворювач генерує оптичний або електричний сигнал, потужність якого знаходиться в пропорційній залежності від концентрації речовини.

Так в ферментних пристроях визначається речовина через напівпроникну мембрану дифундує в тонкий шар біокаталізатора, де і здійснюється ферментативна реакція. Так як продукт ферментативної реакції в цьому випадку визначається за допомогою електрода, на поверхні якого є фермент, то подібний пристрій часто називають ферментним електродом.

В мікробних сенсорах, що складаються з іммобілізованих мікроорганізмів, а також електрохімічного датчика, принцип роботи полягає в асиміляції органічних сполук мікроорганізмами. Ця дія реєструється електрохімічними датчиками.

Особливості

  • Багато ферменти швидко втрачають свою активність і є дорогими, тому їх не завжди доцільно застосовувати. Тому найчастіше для створення біологічних сенсорних пристроїв застосовуються біологічні тканини різного походження, мікроорганізми і бактерії. Однак у них є відчутний недолік – низька селективність визначення, так як клітини живих організмів за фактом є джерелом різноманітних ферментів.
  • Розширення сфери застосування біологічних сенсорних пристроїв викликано тільки високою чутливістю даних систем, але також наявністю повного набору реагентів, необхідних для визначення концентрації конкретного речовини.

застосування

  • Застосування в харчовій промисловості. У більшості випадків сенсори застосовуються для визначення етилового спирту, цукрів і крохмалю. Для вимірювання безпеки, свіжості і харчової цінності продуктів харчування.
  • Застосування в медицині. Біологічні сенсори на поточний момент знаходять широке застосування саме в медицині. Ферменти все частіше використовуються для автоматизованого, але рутинного аналізу вмісту гормонів, ліків і метаболітів в біологічних рідинах людини. Такі пристрої особливо важливі для клінічної діагностики в лікарнях.

Завдяки їх застосуванню зменшується ризик помилок при постановці діагнозу, в тому числі знижуються витрати, так як подібні сенсори доступні і широко поширені. Діагностика за допомогою біологічних сенсорів дозволяє лікарям-терапевтам виконувати аналізи прямо в їхніх кабінетах без використання послуг лабораторій.

  • Виявлення і з’ясування ступеня забруднення навколишнього середовища.
  • Визначення кількості токсинів, вибухових речовин і біологічної зброї.

У перспективі будуть створені біосенсори, які зможуть замінити рецептори живих організмів. Завдяки цьому можна буде створити «штучні органи» смаку та нюху, в тому числі використовувати розробки для інформативною і точної діагностики ряду захворювань.

Достоїнства і недоліки

До основних переваг можна віднести:

  • Можливість аналізу складних сумішей на наявність певного хімічної речовини без проведення попередньої очистки.
  • Висока чутливість, що дозволяє виявити навіть в малих зразках низькі концентрації речовини.
  • Безпека в застосуванні.
  • Можливість отримання швидкої відповіді.
  • Мініатюрність пристроїв.
  • Найвища точність.
  • Можливість масового виробництва.
  • Великі перспективи.

До основних недоліків біологічних сенсорів можна віднести:

  • Не можна стерилізувати.
  • Низька стабільність.
  • Не висока міцність.
Ссылка на основную публикацию