Понятие о биосенсорах

Содержание
  1. Биосенсоры
  2. Состав биосенсоров
  3. Классификация биосенсоров
  4. Методы работы преобразователей в биосенсорах
  5. Клеточные биосенсоры
  6. Примеры промышленного применения биосенсоров
  7. Перспективы развития биосенсорных технологий
  8. Ссылки на источники информации
  9. Биосенсоры. Устройство и работа. Виды и применение. Особенности
  10. Что такое биосенсоры
  11. Существует огромное количество принципов классификации биосенсоров, которые завися от:
  12. Наиболее часто выделяют следующую классификацию:
  13. Классификация по биохимическому компоненту:
  14. Классификация по способу измерения:
  15. Устройство
  16. Биосенсоры выполнены из трех частей:
  17. Принцип работы устройства достаточно прост:
  18. Особенности
  19. Применение
  20. К основным преимуществам можно отнести:
  21. К основным недостаткам биологических сенсоров можно отнести:
  22. Похожие темы:
  23. Биосенсор. Преимущества биосенсоров. Контроль глюкозы с помощью биосенсоров
  24. Преимущества и проблемы использования биосенсоров
  25. Контроль уровня глюкозы в крови с помощью биосенсоров
  26. Использование биосенсоров в медицине
  27. Применение биосенсоров в других областях
  28. Биосенсоры на основе иммобилизованных ферментов

Биосенсоры

Понятие о биосенсорах

Материал из Wiki

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.

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.

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.

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.

Состав 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.

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.

Методы работы преобразователей в биосенсорах

Метод безреагентных электродов

Схема работы безагрегатного электрода на примере детектора глюкозы

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.

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

Метод ферментной микрокалориметрии

Схема работы ферментного датчика

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.

Метод хемилюминесценции

Схема работы хемилюминесцентного датчика

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.

Благодаря своей простоте и высокой точности такой метод получил широкое распространение.

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

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.

Примеры промышленного применения биосенсоров

Применение биосенсоров в пищевой промышленности

Чаще всего в пищевой промышленности используются сенсоры для определения крахмала, сахаров и этилового спирта.

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.

Самый известный пример медицинского 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.

Перспективы развития биосенсорных технологий

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%.

В целом современная биосенсорная техника развивается исключительно быстрыми темпами; созданы биосенсоры для определения более 100 различных веществ.

Ссылки на источники информации

Биосенсор – Википедиа

Словарь нанотехнологических и связанных с нанотехнологиями терминов

Основы биосенсорики

Биосенсоры: современное состояние и перспективы применения в лабораторной диагностике особо опасных инфекционных болезней

Источник: http://v.michm.ru/index.php/%D0%91%D0%B8%D0%BE%D1%81%D0%B5%D0%BD%D1%81%D0%BE%D1%80%D1%8B

Биосенсоры. Устройство и работа. Виды и применение. Особенности

Понятие о биосенсорах

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.

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.

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.

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 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.

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.

Похожие темы:

Источник: https://electrosam.ru/glavnaja/slabotochnye-seti/oborudovanie/biosensory/

Биосенсор. Преимущества биосенсоров. Контроль глюкозы с помощью биосенсоров

Понятие о биосенсорах

Биосенсор устройство электронное основная функция которого регистрация, принцип работы заключается в использовании биологического материала для регистрации концентрации химических веществ.

Примерами могут являться антитело, клетка или фермент.

С помощью биосенсора удобно выполнять замеры в случае ферментов или антител, так как последние специфичны и имеют возможность различать в смеси сложного состава отдельные молекулы.

В результате реакции между биологическим материалом и субстратом происходят изменения, которые с помощью подходящего преобразователя превращаются в электрический сигнал. Это делается для того, чтобы улавливать изменение и отвечать на него, как это делают органы чувств животных. (Например, палочки и колбочки в сетчатке глаза являются преобразователями.

В ответ на действие света они образуют нервный импульс, который имеет электрическую природу.) Для того чтобы электрический сигнал биосенсора можно было считать в той или иной форме, например на цифровом табло, применяется усилитель сигнала.

Биосенсор дает возможность улавливать различные типы изменений, такие как высвобождение тепла, свет, изменения рН или массы, поток электронов или образование новых химических веществ.

Преимущества и проблемы использования биосенсоров

Основные преимущества биосенсоров: 1) биосенсоры специфичны — можно анализировать сложные смеси на присутствие определенного химического вещества без предварительной очистки; 2) они очень чувствительны, поэтому можно обнаружить очень низкие концентрации вещества в очень малых образцах; 3) они дают быстрый ответ; 4) они безопасны для использования; 5) они точны; 6) они могут быть очень маленькими;

7) они доступны для массового производства.

Основные недостатки биосенсоров: 1) они не очень прочны, поэтому нуждаются в тщательном уходе; 2) они не очень стабильны;

3) их нельзя стерилизовать.

Биосенсор

Контроль уровня глюкозы в крови с помощью биосенсоров

Примером биосенсора, который широко используется, является прибор для определения содержания глюкозы в крови больных диабетом. Биосенсор содержит фермент глю-козооксидазу 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.

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.

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.

По-видимому, скоро станут доступными наборы для диагностики в домашних условиях, так как многие хотели бы иметь такие приспособления. Однако нужно отнестись к этим намерениям с большой осторожностью, особенно в случае серьезных заболеваний.

Уже используются биосенсоры, позволяющие контролировать появление опасных метаболитов в ходе хирургической операции.

Подобный контроль уровня метаболитов может стать обычным при использовании миниатюрных имплан-татов, 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 силиконовых микрочипов привело к уменьшению размеров компьютеров, использование полупроводниковых органических молекул вместо силикона приведет к дальнейшему уменьшению размеров биосенсоров.

Электрический сигнат 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.

Применение биосенсоров в других областях

Другая большая область применения биосенсоров — контроль промышленных процессов. Живые клетки (дрожжи и бактерии), соединенные с электродами, применяются для измерения концентраций L-аминокислот, спирта, фенолов, метана, различных Сахаров, уксуса и антибиотиков. С их помощью контролируют условия внутри ферментеров, что особенно важно при непрерывном культивировании.

Разработана очень чувствительная система, позволяющая улавливать следовые количества кислорода. В этой системе использованы бактерии, которые начинают светиться в присутствии кислорода.

Излучаемый свет регистрируется фотоэлементом. Огромный интерес вызывают оптические биосенсоры.

Одна из причин такого интереса связана с возможностью использования волокнистой оптики для дистанционного зондирования в опасных условиях среды.

Многие ферментативные реакции сопровождаются выделением тепла. Термобиосенсоры регистрируют изменения температуры в 0,0001 °С. Их можно использовать для обнаружения молочной кислоты.

Предполагается, что в будущем биосенсоры будут 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%. Однако рынок все еще мал; в 1992 г. он составлял менее 50 млн. фунтов стерлингов. Отчасти это связано с перечисленными выше недостатками биосенсоров.

– Также рекомендуем “Транспортная система растений.”

Оглавление темы “Транспорт у растений.”:
1. Биосенсор. Преимущества биосенсоров. Контроль глюкозы с помощью биосенсоров.
2. Транспортная система растений.
3. Осмос растений. Водный потенциал растений.
4. Осмотический и гидростатический потенциал растений.
5. Движение воды по цветковому растению. Движение воды по листьям.
6. Апопластный транспорт. Симпластный транспорт. Вакуолярный транспорт.
7. Выход воды через устьица растения. Измерение интенсивности транспирации растений.
8. Влияние средовых факторов на транспирацию растений.
9. Кутикула, устьица растений. Физиологическая роль транспирации.
10. Строение устьиц растений. Механизм работы устьиц растений.

Источник: https://meduniver.com/Medical/Biology/309.html

Биосенсоры на основе иммобилизованных ферментов

Понятие о биосенсорах

Биосенсоры – датчики на основе иммобилизованных ферментов. Позволяют быстро и качественно анализировать сложные, многокомпонентные смеси веществ. В настоящее время находят все более широкое применение в целом ряде отраслей науки, промышленности, сельского хозяйства и здравоохранения.

Основой для создания автоматических систем ферментативного анализа послужили последние достижения в области энзимологии и инженерной энзимологии.

Уникальные качества ферментов – специфичность действия и высокая каталитическая активность – способствуют простоте и высокой чувствительности этого аналитического метода, а большое количество известных и изученных на сегодняшний день ферментов позволяют постоянно расширять список анализируемых веществ.

В настоящее время существует несколько типов биосенсоров, отличающихся прежде всего принципами детекции хода ферментативной реакции. Это ферментные электроды, ферментные микрокалориметрические датчики и биодатчики на основе хеми- и биолюминесценции.

Ферментные ( или безреагентные) злектроды – используют электрохимический способ определения веществ, образующихся в ходе ферментативного превращения.

Представляют 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 элетрода подразделяются на потенциометрические и амперометрические.

Ферментные микрокалориметрические датчики – используют тепловой эффект ферментативной реакции.

Сосотоит 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.

Хеми- и Биолюминесцентные датчики– регистрируется световое излучение с различной длиной волны, испускаемое продуктами ферментативной реакции, находящимися в возбужденном состоянии.

Конструкционно включает колонку с иммобилизованными на носителе ферментами (люциферазой, пероксидазой) и светоприемное устройство.

Заложенный в систему этого типа датчиков аналитический метод характеризуется прежде всего крайне высокой чувствительностью – позволяет определять фемтомольные количества вещества.

Технологические варианты сенсоров с иммобилизованными ферментами весьма разнообразны – колонки, трубки, полые волокна и пр. С их помощью на практике определяют концентрацию широкого спектра соединений – глюкозы, аминокислот, мочевины, пенициллина, АТФ, НАДН, ФМН, стероидов, триглицеридов, желчных кислот и многих других.

Так, американскими исследователями сконструирован микродатчик на основе глюкозооксидазы и рутениевого красителя, иммобилизованных в полиакриламидной матрице с использованием субмикронных оптических волокон.

Микробиосенсор, не вызывая повреждений, может быть введен в клетку и даже в отдельные ее компартменты для измерения содержания в них глюкозы и кислорода.

Предложены датчики на базе иммунодетекции для проведения экспресс-анализов на присутствие производных диоксина и оценки содержания биогенных аминов (с помощью моноаминооксидазы) в пищевых продуктах в связи с процессами их старения. Для определения мочевины ферментным электродом требуется всего 30 с.

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 элемен

Биосенсоры на основе иммобилизованных ферментов помогают выполнять десятки быстрых и точных анализов при диагностике заболеваний, контролировать содержание вредных веществ (инсектицидов, пестицидов, удобрений) в пищевых продуктах и в воздухе. Биосенсоры нашли применение в решении аналитических задач в химической и микробиологической промышленности, а также в научных исследованиях.

Начаты разработки новых поколений биодатчиков на базе аффинных взаимодействий (биосродства) типа фермент-ингибитор, антитело-антиген, агонист (антагонист)- клеточный рецептор на основе полупроводниковых устройств-термисторов и пьезоэлектрического эффекта.

Особенно высокой чувствительностью обладают пьезоэлектрические биосенсоры. Принцип их действия основан на изменении частоты переменного тока, при которой пьезоэлектрик, например кристалл кварца, колеблется в резонансном режиме.

Химически чистый и физически однородный кристалл пьезоэлектрика характеризуется постоянной резонансной частотой колебаний, которая для кварца составляет 9 или 14 МГц.

Если на кристалл налипает то или иное вещество, частота резонансных колебаний меняется.

Пьезоэлектрики регистрируют изменение массы порядка 10-12г. Биосенсоры на их основе содержат иммобилизованный на пьезокристалле фермент, антитело, антиген или нить ДНК (РНК).

О наличии детектируемого агента, вступающего в ферментативную, иммунную реакцию или образующего гибридную молекулу (ДНК (РНК) с иммобилизованным биообъектом, свидетельствует формирование соответствующего комплекса на пьезоэлектрике, которое увеличивает его массу и меняет частоту резонансных колебаний.

С помощью пьезоэлектрического биосенсора с иммобилизованным антигеном можно обнаружить антитела в сыворотке крови, разведенной в 1000 раз.

Правда, в водном растворе кристалл реагирует слабее (изменением резонансной частоты) на увеличение своей суммарной массы, чем на воздухе.

Поэтому предполагают погружать пьезоэлектрический биосенсор в раствор, где будет формироваться фермент-субстратный (фермент-ингибиторный) или иммунный комплекс, а далее определять колебательные характеристики кристалла в воздухе.

Высокая чувствительность пьезоэлектриков к изменениям массы в воздушной среде позволяет использовать их в биосенсорах на газы, загрязняющие атмосферу.

Учеными из Университета Пердью (США) разработаны био-оптические лазерные диски “BioCD”, которые, в перспективе, предполагается применять при проведении детального анализа крови. Принцип действия “BioCD” аналогичен принципам, положенным в основу традиционных компакт-дисков. В частности, как и обычные носители, “BioCD” имеют дорожки.

Правда, они используются не для записи информации, а для хранения специальных веществ, реагирующих на строго определенный тип белков. Другими словами, треки “BioCD” напоминают микроскопические пробирки с реактивами.

Для проведения анализа достаточно нанести каплю крови на поверхность диска и считать результаты при помощи лазерного привода.

По словам Дэвида Нолта, руководителя проекта, человеческая кровь содержит порядка десяти тысяч различных белков, которые, в идеале, должны регистрировать биооптические диски.

Ведь даже незначительные изменения концентрации некоторых из этих белков могут предвещать развитие серьезных заболеваний.

Следует отметить, что в настоящее время при проведении детальных исследований крови применяется очень дорогое оборудование стоимостью до 50 тысяч долларов и выше.

Вместе с тем, появление биооптических детекторов позволит значительно снизить стоимость проведения процедур, поскольку считывать данные можно будет посредством лишь незначительно модифицированных CD-приводов. Правда, в настоящее время предложенная методика нуждается в серьезных доработках, и прежде чем “BioCD” появятся на рынке, пройдет не менее десяти лет.

Иммобилизованные клетки микроорганизмов обычно применяют в комбинации с амперометрическими или потенциометрическими (газовыми) электродами для регистрации отдельных веществ и комплексных физиолого-биохимических параметров, которые трудно или вовсе невозможно оценить с помощью изолированных ферментов: потребление кислорода (показатель органического загрязнения природных или сточных вод), измеряемое амперометрически по поглощению О2 или потенциометрически по образованию СО2 клетками гриба Trichosporon cutaneum или бактерий Azotobacter vinelandii, E- coli и др.; токсичность водного раствора или воздуха, измеряемая сенсорами на базе иммобилизованных цианобактерий, у которых активность фотосистемы II снижается при наличии в среде токсических компонентов, особенно гербицидов; мутагенное действие тестируемого агента, определяемое стандартными методами обнаружения мутантных клеток, например, растущих и соответственно выделяющих СО2 лишь на обогащенной среде.

Микробные биосенсоры, в отличие от ферментных, не требуют регенерации кофакторов, стабильны (срок службы от 5 до 60 дней), причем стабильность может быть повышена периодическим погружением иммобилизованных клеток в свежую питательную среду.

Недостаток микробных биосенсоров – медленный отклик на детектируемый агент (обычно от 10 до 60 мин), что объясняется затратами времени на транспорт этого агента внутрь клетки и его ферментативное расщепление, предшествующее появлению вне клеток продуктов, взаимодействующих с электродом (О2, СО2 и др.).

Клетка в некоторых случаях откликается и на посторонние агенты, поэтому иммобилизованные на биосенсоре клетки целесообразно обрабатывать ингибиторами побочных ферментативных реакций, не специфичных по отношению к детектируемому агенту.

Известны биосенсоры с соиммобилизованными клетками и изолированными ферментами, что позволяет осуществлять многостадийные ферментативные реакции. Так, соиммобилизация уреазы и нитрифицирующих бактерий на О2-электроде дает чувствительный биосенсор на мочевину. Возможно также совместное применение двух и более видов микроорганизмов в составе одного биосенсора.

Созданы датчики, в которых используют рецепторные системы различных организмов: пучок нервов или отдельные нервы из усов краба (биосенсор на аминокислоты и пуриновые основания), щупальца синих крабов, раков (биосенсоры на аминокислоты и гормоны), собачий нос (обнаружение контрабандных наркотиков и взрывчатки). Иногда предпочитают не весь рецепторный орган, а лишь клетки или даже их органеллы, непосредственно отвечающие за узнавание того или иного агента. Таковы биосенсоры с изолированными рецепторами растений на ауксины и токсины.

Рецепторные биосенсоры дают быстрые ответы на детектируемый агент, высокоспецифичны, баснословно чувствительны: биосенсор на базе щупалец атлантического синего краба отвечает на 10-13 моль/л глутамина. Однако изолированные рецепторы недостаточно стабильны. Продление их жизни ищут на путях инкапсулирования рецепторов в бислойные липидные мембраны, в том числе в липосомы.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Источник: https://studopedia.ru/12_87150_primenenie-immobilizovannih-fermentov.html

Book for ucheba
Добавить комментарий