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.

Кларк предлагал использовать ферментный электрод, то есть электрохимический датчик с ферментом, иммобилизованным на его поверхности. За последние десятилетия данная идея получила серьезное развитие. Изобретено и исследовано много систем, часть из них прошла апробирование и промышленную реализацию. Большая часть из них ориентирована на проведение анализа биологических жидкостей. К примеру, кровь состоит из тысячи разных соединений. Для определения концентрации глюкозы или иного соединения данное устройство подходит лучшим образом. Для людей, которые страдают диабетом, это является жизненно важным клиническим анализом.

Biosensory analizatory

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.

Разновидности

Существует огромное количество принципов классификации биосенсоров, которые завися от:

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

Наиболее часто выделяют следующую классификацию:

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.

Классификация по биохимическому компоненту:

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.

Классификация по способу измерения:

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.

Biosensory sensory

Устройство

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.

Биосенсоры выполнены из трех частей:

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.

Принцип действия

Принцип работы устройства достаточно прост:

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.

Особенности

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

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.

Достоинства и недостатки

К основным преимуществам можно отнести:

Возможность анализа сложных смесей на наличие определенного химического вещества без проведения предварительной очистки.
Высокая чувствительность, что позволяет обнаружить даже в малых образцах низкие концентрации вещества.
Безопасность в применении.
Возможность получения быстрого ответа.
Миниатюрность устройств.
Высочайшая точность.
Возможность массового производства.
Большие перспективы.

К основным недостаткам биологических сенсоров можно отнести:

Нельзя стерилизовать.
Низкая стабильность.
Не высокая прочность.