Биосенсоры
Биосенсоры — это аналитические приборы, в которых для определения химических соединений используются реакции этих соединений, проходящие в органеллах, клетках или тканях. Таким образом, биосенсоры являются структурами, указывающими на присутствие определенных молекул или биологических структур в исследуемых пробах, а также определяющими количество присутствующего в них искомого вещества. В биосенсорах биологический компонент сочетается с физико-химическим преобразователем.
Самый известный пример коммерческого биосенсора — это биосенсор для измерения уровня глюкозы в крови, в котором используется фермент глюкозоксидаза для расщепления содержащейся в крови глюкозы. В процессе расщепления фермент сначала окисляет глюкозу и использует два электрона для восстановления ФАД (компонент фермента) в ФАДН2, который, в свою очередь, окисляется в несколько ступеней электродом. Результирующий ток пропорционален концентрации глюкозы. В этом случае, электрод является преобразователем, а фермент — биоселективным элементом.
Состав биосенсоров
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.
Классификация биосенсоров
Существует много принципов классификации биосенсоров, исходящих из природы биохимического компонента, преобразователя сигнала, аналитических задач, особенностей генерируемого сигнала и областей потенциального применения. Наиболее важные классификации:
по биохимическому компоненту: ферментные сенсоры, иммуносенсоры, ДНК-сенсоры, сенсоры на основе микроорганизмов и клеточных тканей, сенсоры на основе надмолекулярных клеточных структур; по способу измерения сигнала: электрохимические, оптические, физические, гибридные; по сигналу: динамические (кинетические), стационарные (равновесные); по области применения: экология, медицина, биотехнология, пищевая промышленность.
Классификация по биохимическому компоненту:
Ферментные сенсоры включают чистые препараты фермента или биологические препараты (гомогены тканей или микробных культур), проявляющие определенную биологическую активность.
Иммуносенсоры в качестве биохимического рецептора используют иммуноглобулины - защитные белки, выделяемые иммунной системой организма в ответ на поступление чужеродных биологических соединений (антигенов).
ДНК-сенсоры включают в качестве биохимического компонента нуклеиновые кислоты (ДНК).
Микробные биосенсоры используют микроорганизмы, которые могут осуществлять превращение определенного вещества с помощью ферментов. Отличаются от ферментных сенсоров тем, что в превращении субстрата могут участвовать не один, а совокупность ферментов.
Биосенсоры на основе надмолекулярных структур клетки занимают промежуточное положение между ферментными и ДНК-сенсорами и микробными сенсорами, поскольку в их основе применяют внутриклеточные структуры, имеющие достаточно сложное иерархическое строение.
Классификация по способу измерения:
Электрохимические биосенсоры работают по принципу измерения электрического тока, возникающего в результате окисления или восстановления электрохимически активных веществ на поверхности рабочего электрода (амперометри- ческие биосенсоры) или на измерении разности потенциалов между двумя электродами – рабочим и электродом сравнения при постоянном токе (потенциометрические биосенсоры).
Пьезоэлектрические биосенсоры чувствительны к изменению массы на поверхности физического носителя (гравиметрические биосенсоры); плотности, вязкости среды, частоты колебаний акустических волн.
Оптические биосенсоры реагируют не на химическое взаимодействие определяемого компонента с чувствительным элементом, а на физическо-оптические параметры – интенсивностью поглощения, отражения света, люминесценции объекта и т.д.
Ссылки на источники информации
Словарь нанотехнологических и связанных с нанотехнологиями терминов
