Биосенсоры. Устройство и работа. Виды и применение. Особенности

В последнее десятилетие появились новые контакты между весьма далекими областями: биохимией и электроникой. Их взаимное проникновение позволило создать новую сферу интересов науки – биоэлектронику. Для начала в данной области появились новые устройства для анализа, а также переработки информации, которые получили название биосенсоры. Они рассматриваются как первое поколение биоэлектронных устройств.

Эти миниатюрные электронные устройства, оснащенные биологическими элементами, превращаются в двигатели технологической революции. В скором времени в нашу жизнь должны войти особые биосенсоры, способные контролировать и информировать о процессах, отследить которые человек напрямую не способен.

Что такое биосенсоры

Биосенсоры – это специальные аналитические устройства, которые применяют биологические материалы с целью «узнавания» определенных молекул. Они выдают информацию об их присутствии и числе при помощи электрического сигнала. Идея применения подобных устройств существует порядка 40 лет. Впервые ее высказали Лионс и Кларк в 1967 году.

В чувствительном слое устройства имеется биологический материал: ДНК, рецепторы, органеллы, липосомы, антитела, антигены, дрожжи, бактерии, ткани и ферменты. Они непосредственно реагируют на присутствие определяемого компонента, обеспечивая генерирование сигнала в зависимости от его концентрации.

• Природы биохимического компонента.
• Аналитических задач.
• Преобразователя сигнала.
• Областей потенциального применения.
• Особенностей генерируемого сигнала.

• По биохимическому компоненту; — сенсоры на основе клеточных тканей и микроорганизмов; — ДНК-сенсоры; — иммуносенсоры; — ферментные сенсоры; — сенсоры на базе надмолекулярных клеточных структур;
• По способу измерения сигнала; — физические; — оптические; — электрохимические; — гибридные;
• По сигналу; — стационарные (равновесные); — динамические (кинетические);
• По области применения; — пищевая промышленность; — биотехнология; — медицина; — экология.

• Ферментные сенсоры предполагают биологические препараты (гомогенны микробных культур или тканей) или чистые препараты фермента, которые проявляют определенную биологическую активность.
• Иммуносенсоры в качестве биохимического рецептора применяют иммуноглобулины – это защитные белки, которые выделяются иммунной системой организма в ответ на воздействие чужеродных биологических соединений (антигенов).
• ДНК-сенсоры включают нуклеиновые кислоты (ДНК) в качестве биохимического компонента.
• Микробные сенсоры задействуют микроорганизмы, которые способны проводить при помощи ферментов превращение определенного вещества. Отличаются от ферментных сенсоров тем, что во время превращения субстрата может использоваться совокупность ферментов, а не только один.
• Биосенсоры на базе надмолекулярных структур клетки находятся в промежуточном положении между ДНК-сенсорами, ферментными и микробными сенсорами, так как в их основе используются внутриклеточные структуры, которые имеют весьма сложное иерархическое строение.

• Электрохимические биологические сенсоры действуют по принципу измерения электрического тока, который возникает вследствие восстановления или окисления электрохимически активных веществ на рабочем электроде, либо на измерении разности потенциалов электродом сравнения и рабочим электродом при постоянном токе.
• Пьезоэлектрические устройства чувствительны к изменению массы, плотности на поверхности физического носителя, а также частоты колебаний акустических волн и вязкости среды.
• Оптические сенсоры реагируют на физическо-оптические параметры, а не на химическое взаимодействие компонента с чувствительным элементом. Это может быть интенсивность поглощения, люминесценция объекта, отражение света и так далее.

Любые биосенсоры конструктивно представляют комбинированное устройство, которое состоит из двух принципиальных функциональных элементов: физического и биохимического, они находятся в тесном контакте.

• Биохимический элемент представлена биоселектирующой структурой, которая выступает в роли биологического элемента распознавания. В качестве его могут использоваться все типы биологических структур: нуклеиновые кислоты, рецепторы, антитела, ферменты и даже живые клетки.
• Физический преобразователь сигнала преобразует определяемый компонент, то есть концентрационный сигнал в электрический.
• С целью считывания и записи информации применяются электронные системы усиления, а также регистрации сигнала.

• Биоселективный элемент — биологический материал (к примеру, нуклеиновые кислоты, антитела, ферменты, клеточные рецепторы, органеллы, микроорганизмы, ткани и так далее), биомимик или материал биологического происхождения. Чувствительный элемент также может создаваться биоинженерией.
• Элемент преобразователя действует на физико-химических принципах (электрохимический, пьезоэлектрический или оптический), он преобразует сигнал, который появляется в результате взаимодействия в иной сигнал, который легче измерить.
• Связанная электроника помогает отображать результаты в виде, который удобен для пользователя.

• На первом этапе действия устройства осуществляется «узнавание» биоэлементом специфического вещества, которое содержится в многокомпонентной смеси.
• На второй стадии осуществляется преобразование информации о протекании конкретной биохимической реакции в форму электрохимического сигнала.
• Электрический сигнал на последней стадии от трансдьюсора преобразуется в форму сигнала, которая приемлема для обработки.

Это своего рода детекторы, действие которых базируется на специфичности молекул и клеток. Они применяется для измерения и идентификации количества малейших концентраций самых разных веществ. При связывании биологического компонента с искомым веществом преобразователь генерирует оптический или электрический сигнал, мощность которого находится в пропорциональной зависимости от концентрации вещества.

Так в ферментных устройствах определяемое вещество через полупроницаемую мембрану диффундирует в тонкий слой биокатализатора, где и осуществляется ферментативная реакция. Так как продукт ферментативной реакции в этом случае определяется при помощи электрода, на поверхности которого имеется фермент, то подобное устройство часто называют ферментным электродом.

В микробных сенсорах, состоящих из иммобилизованных микроорганизмов, а также электрохимического датчика, принцип работы заключается в ассимиляции органических соединений микроорганизмами. Это действие регистрируется электрохимическими датчиками.

• Многие ферменты быстро теряют свою активность и являются дорогими, поэтому их не всегда целесообразно применять. Поэтому чаще всего для создания биологических сенсорных устройств применяются биологические ткани разного происхождения, микроорганизмы и бактерии. Однако у них имеется ощутимый недостаток — низкая селективность определения, так как клетки живых организмов по факту являются источником разнообразных ферментов.
• Расширение сферы применения биологических сенсорных устройств вызвано только высокой чувствительностью данных систем, но также наличием полного набора реагентов, требуемых для определения концентрации конкретного вещества.

• Применение в пищевой промышленности. В большинстве случаев сенсоры применяются для определения этилового спирта, сахаров и крахмала. Для измерения безопасности, свежести и пищевой ценности продуктов питания.
• Применение в медицине. Биологические сенсоры на текущий момент находят широчайшее применение именно в медицине. Ферменты все чаще используются для автоматизированного, но рутинного анализа содержания гормонов, лекарств и метаболитов в биологических жидкостях человека. Такие устройства в особенности важны для клинической диагностики в больницах.

Благодаря их применению уменьшается риск ошибок при постановке диагноза, в том числе снижаются затраты, так как подобные сенсоры доступны и широко распространены. Диагностика при помощи биологических сенсоров позволяет врачам-терапевтам выполнять анализы прямо в их кабинетах без использования услуг лабораторий.

• Обнаружения и выяснения степени загрязнения окружающей среды.
• Определения количества токсинов, взрывчатых веществ и биологического оружия.

В перспективе будут созданы биосенсоры, которые смогут заменить рецепторы живых организмов. Благодаря этому можно будет создать «искусственные органы» вкуса и обоняния, в том числе использовать разработки для информативной и точнейшей диагностики ряда заболеваний.