Принципы конструирования и использования биосенсоров

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/e

Содержание

1. Принцип работы биосенсоров

2 Принципы конструирования биосенсоров

2.1 Метод безреагентных электродов

2.2 Метод ферментной микрокалориметрии

2.3 Метод хемилюминесценции

2.4 Клеточные биосенсоры

3. Примеры промышленного применения биосенсоров

3.1 Применение биосенсоров в пищевой промышленности

3.2 Использование биосенсоров в медицине

3.2.1 Контроль уровня глюкозы в крови с помощью биосенсоров

3.3 Применение биосенсоров в других областях

Список использованной литературы

Вступление

В последнее десятилетие возникли новые контакты на первый взгляд между очень далекими областями: электроникой и биохимией. Их взаимное проникновение друг в друга создало новую сферу интересов науки - биоэлектронику. Первым шагом в этой области было возникновение новых устройств для анализа и переработки информации, получивших название биосенсоров. Биосенсоры рассматриваются как первое поколение биоэлектронных устройств.

Принцип работы биосенсоров

Биосенсоры - это аналитические устройства, использующие биологические материалы для «узнавания» определенных веществ и выдающие информацию об их присутствии и количестве в виде электрического сигнала. Принцип анализа, реализуемый в биосенсорах, основан на том, что биоматериал (ферменты, клетки, органеллы, иммунокомпоненты), иммобилизованный на физических передатчиках, при взаимодействии с анализируемыми соединениями генерирует сигнал, регистрируемый преобразователем, причем величина сигнала пропорциональна концентрации исследуемого вещества.

Идея создания такого рода устройств возникла сравнительно недавно, в 60-х годах XX века. Впервые ее высказали Кларк и Лионе в 1967 г. Идея Кларка состояла в использовании ферментного электрода, т.е. электрохимического датчика с иммобилизованным на его поверхности ферментом. Затем в обиход вошло понятие «биосенсор» или «биочип». Это важное событие к науке, т.к. здесь отражаются глубокие причины, связанные с так называемыми интеграционно-синтетическими процессами в науке, приводящими к появлению новых знаний.

Большинство биосенсоров ориентированы на анализ биологических жидкостей. Действительно, например, в крови находятся тысячи различных веществ. Задача заключается в том, чтобы быстро и эффективно определить концентрацию нужного соединения (например, глюкозы). Для людей, страдающих диабетом, это жизненно важный клинический анализ. Биосенсоры обеспечивают такую возможность.

Рис.1 Общая схема работы биосенсоров

Функционально биосенсоры сопоставимы с датчиками живого организма -- рецепторами, способными преобразовывать разные типы сигналов, поступающих из окружающей среды, в электрические. Наибольшее распространение сейчас получили биосенсоры на основе ферментов. Среди таких устройств различают субстратные и ингибиторные биосенсоры. С их помощью решают различные медико-биологические задачи и контролируют состояние среды обитания. Чувствительность ингибиторных биосенсоров чрезвычайно высока, например, возможно определение остаточных количеств некоторых пестицидов на уровне 0.01 мкг/л и выше, что несравненно точнее обычных физико-химических методов.

Основными характеристиками, позволяющими биосенсорному анализу успешно конкурировать с традиционными методами, являются оперативность анализа, высокая специфичность и чувствительность при низкой стоимости, отсутствие необходимости использовать дорогостоящую аппаратуру и квалифицированный персонал.

2. Принципы конструирования биосенсоров

Конструктивно любой биосенсор представляет комбинированное устройство, состоящее из двух принципиальных функциональных элементов: биохимического и физического, находящихся в тесном контакте друг с другом. Биохимический элемент представляет собой биоселектирующую структуру и выполняет функцию биологического элемента распознавания. В качестве бкохимического преобразователя используют все типы биологических структур: ферменты, антитела, рецепторы, нуклеиновые кислоты и даже живые клетки. Физический преобразователь сигнала, (называемый рансдьюсер) реобразует определяемый компонент, а точнее, концентрационный сигнал, в электрический. Для считывания и записи информации используют электронные системы усиления и регистрации сигнала.

Разработка биосенсоров относится к наукоемким технологиям и представляет одну из ветвей современной биотехнологии. В настоящее время существует несколько типов биосенсоров. Наибольшее развитие получили ферментные и клеточные биосенсоры. Например, ферментные электроды, ферментные микрокалориметрические датчики, биодатчики на основе хеми-- и биолюминесценции.

2.1 Метод безреагентных электродов

Наличие в устройстве биоматериала с уникальными свойствами позволяет с высокой селективностью определять нужные соединения в сложной по составу смеси, не прибегая ни к каким долнительным операциям, связанным с использованием других реагентов, концентрированием и т.д. (отсюда и название безреагентные методы анализа).

Безреагентные электроды используют электрохимический способ определения веществ, образующихся в ходе ферментативного превращения. Он представляет собой электрод с нанесенным поверхностным слоем (каким-либо природным полимером), содержащим один или несколько иммобилизованных ферментов (иногда фермент может находиться в растворимом состоянии в приэлектродном слое, окруженном мембраной). В зависимости от типа взятого за основу электрода подразделяются на потенциометрические и амперометрические.

Рис. 2 Схема работы безагрегатного электрода на примере детектора глюкозы

Прохождение ферментной реакции на поверхности электрода приводит к изменению потенциала на самом электроде, что регистрируется устройством как информационный сигнал.

2.2 Метод ферментной микрокалориметрии

Ферментные микрокалориметрические датчики используют тепловой эффект ферментативной реакции. Состоит из двух колонок (измерительной и контрольной), заполненных носителем с иммобилизованным ферментом и снаряженных термисторами. При пропускании через измерительную колонку анализируемого образца происходит химическая реакция, которая сопровождается регистрируемым тепловым эффектом. Данный тип датчиков интересен своей универсальностью.

Рис.3 Схема работы ферментного датчика

2.3 Метод хемилюминесценции

Хемолюминесцентные датчики -- регистрируют световое излучение с различной длиной волны, испускаемое продуктами ферментативной реакции, находящимися в возбужденном состоянии. Конструкция включает колонку с иммобилизованными на носителе ферментами и светопринимающее устройство. Заложенный в систему этого типа датчиков аналитический метод характеризуется, прежде всего, крайне высокой чувствительностью -- позволяет определять фемтомольные (10-12 моль/литр) количества вещества. Благодаря своей простоте и высокой точности такой метод получил широкое распространение.

Рис. 4 Схема работы хемилюминесцентного датчика

2.4 Клеточные биосенсоры

Одно из достижений биотехнологии связано с развитием методов включения живых клеток в полимеры и твердые носители различной природы, и применение такого рода материалов для решения задач медицины, управляемого биосинтеза, анализа. Иммобилизованные клетки обладают рядом полезных свойств:

1) Клетки являются доступным и дешевым биологическим материалом. Используют клетки растений, животных, человека, но наибольшее применение нашли клетки микроорганизмов.

2) Культивируемые клетки легко воспроизводятся и поддерживаются в чистой культуре. В отличие от ферментов при использовании клеток не требуется дорогостоящих стадий очистки. Клетки сохраняют, как правило, все системы жизнеобеспечения. Это позволяет проводить сложные последовательные реакции, осуществляя многостадийные процессы.

3) Клетки обладают высокой специфичностью к определенным веществам, наличие или отсутствие которых приводит к изменению свойств клеток, что в дальнейшем регистрируется разными способами

Рис. 5 Схема работы клеточного биосенсора

биосенсор микрокалориметр электрод

Имеющиеся методы иммобилизации: позволяют получить клетки, сохраняющие немногим менее 100% активности ферментов и способные функционировать достаточно длительные промежутки времени. Клетки сохраняют все наиболее важные структуры и проявляют большую стабильность. В некоторых случаях клетки сохраняют жизнеспособность и активность ферментных систем в течение нескольких лет.

Например: для создания биосенсоров используют микроорганизмы Neyrospora europea для определения аммиака - Trichosporon brassicae - для определения уксусной кислоты, Sarcina flava -- для определения глутамина, Azoiobacier vineiaudii -- для определения нитратов и другие.

Для иммобилизации клеток с сохранением их активности первоначально использовали материалы природного происхождения: желатину, агар, альгинат кальция, каррагенан. В последние годы разработаны и развиты методы включения живых клеток в синтетические полимерные гели. Особенно интересные и перспективные результаты получены с использованием так называемого метода криоиммобилизации клеток. Процедура крио-иммобилизации состоит из стадии получения суспензии клеток: в растворе полимера, замораживания суспензии с получением криоструктурированных гелей, размораживания с образованием пористого, механически прочного материала, устойчивого до температур 70-80°С. Клетки, включенные в такого рода пористый материал, сохраняют активность и способны функционировать в течение нескольких месяцев.

3. Примеры промышленного применения биосенсоров

3.1 Применение биосенсоров в пищевой промышленности

Чаще всего в пищевой промышленности используются сенсоры для определения крахмала, сахаров и этилового спирта, поэтому именно они будут рассмотрены в данной главе. Ферментные сенсоры для оценки содержания этанола могут быть основаны на алкогольдегидрогеназе либо на алкогольоксидазе, иммобилизованных на соответствующем преобразователе. Амперометрический биосенсор для определения этанола в парах на основе алкогольдегидрогеназы и никотинамидадениндинуклеотида (NAD + ) в качестве ко-фактора. Этанольный биосенсор на основе алкогольоксидазы и кислородного электрода Кларка. Диапазон измерений охватывал область концентраций от 0.05 до 10 (мили моль / литр). Определение крахмала может осуществляться как с помощью ферментных сенсоров, так и сенсорами на основе клеток микроорганизмов. Как правило, схема анализа в этом случае включает гидролиз крахмала амилолитическими ферментами ( a-амилаза, глюкоамилаза) до глюкозы и последующую детекцию глюкозы амперометрическим сенсором на основе глюкозооксидазы или микробных клеток. Более того, для решения такой задачи, как оценка общего содержания утилизируемых сахаров в сбраживаемом сусле, использование биосенсора на основе микробных клеток может оказаться более предпочтительным, поскольку широкая субстратная специфичность микроорганизмов может позволить выполнить интегральную оценку суммарного присутствия сахаров.

3.2 Использование биосенсоров в медицине

В настоящее время биосенсоры находят самое широкое применение в медицине. Ферменты все больше используются для рутинного автоматизированного анализа содержания метаболитов, лекарств и гормонов в биологических жидкостях человека. Это особенно необходимо для клинической диагностики. Благодаря использованию биосенсоров снижается риск ошибок при постановке диагноза, а также уменьшаются затраты, поскольку биосенсоры широко распространены и доступны. Диагностика с помощью биосенсоров позволяет врачам-терапевтам проводить анализы непосредственно в их кабинетах, не прибегая к услугам лабораторий. При этом экономятся деньги, и пациентам не нужно повторно приходить к врачу за диагнозом. Кроме того, можно быстрее начать лечение. Еще одно преимущество состоит в том, что труднее перепутать, потерять или загрязнить пробу. Это особенно важно при анализах на содержание допинга у спортсменов. Полицейские и врачи уже используют специальные наборы для выявления небольших количеств наркотиков в крови людей. Т.к. многие ферментативные реакции сопровождаются выделением тепла то для их определения также можно воспользоваться биосенсорами. Термобиосенсоры регистрируют изменения температуры в 0,0001 °С. Их можно использовать для обнаружения молочной кислоты.

3.2.1 Контроль уровня глюкозы в крови с помощью биосенсоров

Примером биосенсора, который широко используется, является прибор для определения содержания глюкозы в крови больных диабетом. Пример такого детектора приведен на рис.6.

Рис.6 Общий вид детектора глюкозы в крови

Принцип действия таких приборов достаточно прост: образец исследуемой жидкости помещается на тестовую полоску и вводится в анализатор. Биосенсор содержит фермент глюкозооксидазу в иммобилизованной форме. Фермент окисляет глюкозу в крови; при этом высвобождаются электроны, образующие электрический ток, который пропорционален количеству глюкозы, присутствующей в крови. Биосенсор очень чувствителен; он позволяет измерять концентрацию глюкозы в одной капле крови и выдает результат через 20 с.

3.2.2 Перспективы применения биосенсоров в медицине

Есть надежда, что со временем можно будет имплантировать такие датчики в кровеносные сосуды, находящиеся в коже больных диабетом, что позволит им более точно контролировать потребность в инсулине. Если биосенсор соединить с мининасосом так, чтобы он при необходимости автоматически вводил инсулин, то больной получит фактически автоматическую поджелудочную железу. Такой тонкий контроль позволит снизить вторичные эффекты диабета, например повреждения глаз и почек, которые возникают у некоторых больных в результате резких увеличений концентрации инсулина при инъекциях. Уже используются биосенсоры, позволяющие контролировать появление опасных метаболитов в ходе хирургической операции. Подобный контроль уровня метаболитов может стать обычным при использовании миниатюрных имплантатов, которые могли бы немедленно исправлять ситуацию, если появляются какие-либо изменения. На основе «биочииов» можно создать более чувствительные биосенсоры меньшего размера. Точно так же, как использование кремниевых микрочипов привело к уменьшению размеров компьютеров, использование полупроводниковых органических молекул вместо силикона приведет к дальнейшему уменьшению размеров биосенсоров. Электрический сигнал сможет проходить по этим молекулам, и электрическая цепь будет шириной в одну молекулу. Биочипы должны быть достаточно малы, чтобы их можно было имплантировать в тело человека. Тогда станут возможны такие устройства, как искусственные органы чувств и стимуляторы ритма сердца.

3.3 Применение биосенсоров в других областях

Предполагается, что в будущем биосенсоры будут широко применяться в сельском хозяйстве, ветеринарии, в качестве средств защиты человека (для обнаружения нервно-паралитических газов, токсинов и взрывчатых веществ) и окружающей среды (главным образом, для выявления загрязнений). Во всех этих сферах использования биосенсоров увеличивается ежегодно примерно на 30%.

Кратко затрагивая экономическую сторону биосенсорной технологии отметим, что в настоящее время три конкурирующие фирмы - Эббот (Англия), Байер (Германия) и Бёрингер (Германия) являются доминирующими в производстве биосенсоров и в общей сложности выпускают около 2/3 всей биосенсорной продукции в мире. В целом современная биосенсорная техника развивается исключительно быстрыми темпами; созданы биосенсоры для определения более 100 различных веществ.

Список использованной литературы:

1.Алейников А.Ф., Цапенко М.П. О классификации датчиков // Датчики и системы, 2000, № 5, С. 2-3.

2. Каттралл Роберт В. Химические сенсоры. - М.: Научный мир, 2000. - 57с.

3. Како Н., Яманэ Я. Датчики и микро-ЭВМ. - Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отделение, 1986.

4. Карубе И., Тёрнер Э., Уилсон Дж. Биосенсоры. М.: Мир, 1992.

5. Seitz W.R. Fiber Optics Sensors // Anal. Chem. 1984. Vol. 86, № 1. P. 16 A.

Размещено на Allbest.ru