WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     || 2 |
BIOSENSORS БИОСЕНСОРЫ КАК НОВЫЙ ТИП AS A NOVEL TYPE АНАЛИТИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ OF ANALYTICAL TOOLS H. C. BUDNIKOV..

‡‡ „‰‡‚ ‚ Biosensors as a novel type of tools giving response on individual components in analytes have been disБиологические методы позволяют судить о приcussed in context of deveсутствии какого-либо вещества или его количественном содержании по характеру и величине его loping modern analytical воздействия на определенный организм, взятый chemistry methods known как индикаторный. Аналитическим сигналом при as biological ones. The этом является изменение состояния жизнедеятельности этого организма, то есть его реакция на разimportance of biosensors дражитель, которым, например, могут быть токсиin solution of medical and канты среды обитания или какие-либо другие environmental problems биологически активные соединения, вызывающие нарушение жизненных функций индикаторного has been outlined.

организма или его гибель. К биологическим методам относят и биохимические методы, в частности ‡ ‚ ферментативные, а также различные методики, например индикаторные трубки на основе ферментов ‚, ‰‡ и других биологических материалов. Интересно, ‡ ‚ что механизм получения информации о составе ка‰‚‰‡ кого-либо объекта с помощью этих методов и устройств моделирует процесс в живой природе, что ‚ ‚ ‡‡ особенно важно при анализе объектов биологичес·‡, ‡ кого происхождения.

‚ ‡‚fl Известно, что ферменты – это биологические ‰‚ ‡‡ катализаторы, обладающие ярко выраженной спо, ‡‚‡ ·- собностью избирательно катализировать многие химические превращения как в живой клетке, так и „. ‡ вне организма. Замечательные свойства ферментов ·‚ ‚ давно привлекали внимание исследователей, в том · ‰- числе и аналитиков, но практическому применению ферментов, например для аналитических целей, ‡ ‡препятствовали прежде всего малая доступность ‰.

чистых ферментов, неустойчивость во времени их растворов, препаратов при хранении и воздействии на них различных факторов (тепловых, химических), невозможность многократного использования одной порции фермента из-за сложности отделения его от других компонентов раствора, высокая стоимость очищенных препаратов. Однако выход из положения вскоре был найден, и появилась возможность использования каталитических свойств ферментов вне их связи с живым организмом и возможность сохранения этой способности в течение длительного времени практически без изменения.

Достижения в этой области биохимии и энзимологии дали начало развитию нового направления аналитической химии – безреагентных методов анализа, основанных на использовании различных биохимических сенсоров.

, ‹12, © ‰‚.., Существует большое разнообразие физических трансдьюсеров: электрохимические, спектроскопиПод термином “биосенсор” следует понимать ческие, термические, пьезоэлектрические, трансустройство, в котором чувствительный слой, содердьюсеры на поверхностных акустических волнах и жащий биологический материал: ферменты, ткани, т.п. На схеме 1 приведен перечень преобразователей, бактерии, дрожжи, антигены/антитела, липосомы, используемых в биосенсорах. В настоящее время органеллы, рецепторы, ДНК, непосредственно реанаибольшее распространение получили электрохигирующий на присутствие определяемого компоненмические преобразователи. Одни из них генерируют та, генерирует сигнал, функционально связанный с потенциал на специальном электроде, на поверхконцентрацией этого компонента. Конструктивно ность которого нанесен слой биоматериала (рис. 1), биосенсор представляет собой комбинированное другие генерируют электрический ток реакции проустройство, состоящее из двух преобразователей, дукта превращения определяемого вещества на поили трансдьюсеров, – биохимического и физичесверхности электрода, вызванного биоматериалом.

кого, находящихся в тесном контакте друг с другом.

Другими словами, существуют потенцио- и ампероНа рис. 1 приведена общая схема такого устройства.

метрические биосенсоры. Если физический преобБиохимический преобразователь, или биотрансдьюразователь использует изменение светопоглощения сер, выполняет функцию биологического элемента в области биослоя, то такой биосенсор называется, распознавания, преобразуя определяемый компонапример, оптоволоконным, поскольку измеряемый нент, а точнее, информацию о химических связях в сигнал будет передаваться измерительному прибору физическое или химическое свойство или сигнал, а по оптическому волокну. Соответствующий фифизический преобразователь это свойство фиксирует зический преобразователь по аналогии с электрос помощью специальной аппаратуры. В данном слудом называют оптродом. По названию преобразочае реализуется принципиально новый способ полувателя (схема 1) можно сделать вывод о характере чения информации о химическом составе раствора.

Наличие в устройстве биоматериала с уникальными свойствами позволяет с высокой селективностью опЦелые организмы ределять нужные соединения в сложной по составу Живые ткани смеси, не прибегая ни к каким дополнительным операциям, связанным с использованием других реаген- Клетки тов, концентрированием и т. д. (отсюда и название – Органеллы безреагентные методы анализа).

Биослой Мембраны клеток (биологический Ферменты (индивидуальные) элемент распознавания) Препараты ферментов (неочищенные) 6 Рецепторы Схема ферментативной реакции Антитела E + S ES E + P Нуклеиновые кислоты E – фермент, S – субстрат, ES – промежуточный комплекс, P – продукт (фиксируется физическим преобразователем) Потенциометрические Амперометрические Электроды Кондуктометрические Физический Импедансометпреобразователь рические Определяемое Оптические вещество S (оптроды) Акустические Рис. 1. Принципиальная схема биохимического Тепловые сенсора: 1 – исследуемый раствор, 2 – корпус Механические биосенсора, 3 – полупроницаемая мембрана (для механического удержания биослоя), 4 – слой биоматериала, 5 – физический преобразователь (электрод, пьезокристалл, оптоволоконный мате- Схема 1. Типы чувствительных элементов расриал и т.д.), 6 – усилитель сигнала, 7 – самописец познавания (биослой) и физических преобразо(дисплей, цифровой или световой указатель). вателей в сенсорах.



.. физического свойства, которое измеряется аппа- пленку пористого полимера, либо ковалентно, то ратно, причем, как правило, при таком измерении есть с помощью химических связей, “пришивают” используется микропроцессорная техника (рис. 1), к какой-либо подложке. При этом фермент закреппозволяющая сделать устройство достаточно ком- ляется, перестает быть подвижным, не вымывается пактным.

из биослоя, а его каталитическое действие сохраняется. На рис. 2 дано схематическое изображение меПервое упоминание об аналитических устройсттодов иммобилизации ферментов в биосенсорах.

вах на основе ферментов или ферментсодержащих Как видно на рис. 2, при иммобилизации ферментов материалов появилось сравнительно недавно, в 60-х используют разнообразные способы их закреплегодах нашего столетия. Затем в обиход вошло поняния, в том числе и комбинированные. Биосенсоры тие “биосенсор” или “биочип”. Это важное собымогут быть сконструированы и по так называемой тие в науке. Здесь отражаются глубокие причины, объемной технологии, при которой индивидуальсвязанные с так называемыми интеграционно-синные компоненты, перечисленные на схеме (рис. 1), тетическими процессами в науке, приводящими к составляют как бы единый физический ансамбль.

появлению новых знаний. Функционально, таким Хотя такие биосенсоры в настоящее время и примеобразом, биосенсоры сопоставлены с датчиками няются на практике, они имеют недостатки, есть живого организма – биорецепторами, способными трудности и при их изготовлении. В самом деле, преобразовывать все типы сигналов, поступающих послойное покрытие электрода или какого-либо из окружающей среды, в электрические.

твердого преобразователя мембраной должно быть воспроизводимо. Соответствующая технология фор мирования поверхности должна допускать возможность изготовления достаточно миниатюрного элекПринцип работы биосенсора достаточно прост.

трода. Кроме того, биосенсоры со сравнительно Определяемое вещество диффундирует через полутолстыми мембранами дают в итоге большее время проницаемую мембрану в тонкий слой биокаталиотклика, имеются сложности и при их градуировке.

затора, в котором и протекает ферментативная реУспехи в области развития средств микроэлектроакция по схеме, указанной на рис. 1. Поскольку в ники подтолкнули разработчиков конструкций биоданном случае продукт ферментативной реакции сенсоров к новым решениям. Оказалось перспекопределяется с помощью электрода, на поверхностивным использовать так называемую планарную ти которого закреплен фермент, то такое устройство технологию (фотолитографию, полупроводникоеще называют ферментным электродом. Таким обвую технику покрытий и т. д.), по которой можно разом, определения “биосенсор” и “ферментный изготовить так называемый биочип, объединяющий электрод” в данном случае синонимы.

Следует отметить, что характер ферментативной реакции зависит от природы фермента, типа E E его каталитического действия. Среди ферментов можно выделить оксидоредуктазы, осуществляющие E E реакции окисления и восстановления, гидролазы, E E E катализирующие гидролиз, трансферазы, вызываюE щие перенос ацильных, гликозидных и т.п. остатков E и т.д. Многие ферменты сейчас доступны, их чистые E препараты включены в каталоги ряда фирм-произабв водителей. О том, как “работает” фермент и каким закономерностям подчиняется ферментативный каE тализ, рассказано в статьях В.И. Иванова “Как раE E E E ботают ферменты” (Соросовский Образовательный Журнал. 1996. № 9), Н.Н. Чернова “Ферменты в E клетке и пробирке” (Там же. № 5) и Т.Т. Березова E E E “Применение ферментов в медицине” (Там же. № 3).

E Важно отметить, что при конструировании биосенсора увеличение продолжительности действия ферг д мента становится основной задачей. Дело в том, что нативный фермент сохраняет свои свойства лишь в течение относительно короткого времени. Поэтому Рис. 2. Схематическое изображение способов была разработана операция так называемой иммо- иммобилизации ферментов в биосенсорах: а – ковалентное связывание с поверхностью электбилизации фермента. В ходе иммобилизации с порода, б – сшивание, в – адсорбция на носителе мощью специальных реагентов фермент “закрепля(электроде), г – ковалентное связывание и приют” либо на поверхности адсорбентов, например шивание к подложке (электроду), д – захват носисиликагеля, угля или целлюлозы, либо вводят в телем (в пленке полимера).

, ‹12, сенсорную систему, трансдьюсер, аналого-цифро- ным трансдьюсером (рис. 3). Ток восстановления вой преобразователь и микропроцессор для измере- кислорода на платиновом катоде прямо пропорния аналитического сигнала и расчета результатов ционален концентрации кислорода. В присутствии анализа. Хотя такие биочипы могут тиражировать- субстрата (например, глюкозы в крови, взятой для ся, основной проблемой в данном случае будет яв- анализа) ферментативная реакция понижает конляться воспроизводимость состояния, то есть мик- центрацию O2. Таким образом, ток восстановления роструктуры поверхности с нанесенным слоем кислорода уменьшается пропорционально концентбиологически активного фермента. Трудной задачей рации субстрата представляется в данном случае и оптимизация таГлюкозоксидаза кой структуры в отличие от объемной технологии, Глюкоза + Oреализованной присутствием в конструкции сенГлюкозоксидаза Глюконовая кислота + H2Oсорной части нескольких молекулярных слоев. Тем не менее “молекулярный дизайн” при конструироПреимущество данного типа биосенсора, основании биосенсоров будущего может составить реванного на кислородном электроде Кларка, состоит альную конкуренцию объемному их варианту.





прежде всего в его высокой селективности. Избирательность подобных биосенсоров определяется высокой специфичностью глюкозоксидазы и природой электрохимической реакции, в которой участвуют компоненты ферментативного процесса. В целом По-видимому, самым распространенным в накласс ферментов – оксидаз является высокоспецистоящее время является амперометрический биофичным по отношению к определяемым субстрасенсор на основе иммобилизованной глюкозокситам. Системы же на основе небиологического предазы для определения сахара в крови. Исторически образователя, напротив, не столь селективны, как этот биосенсор является самым “древним”. В качеэтого бы хотелось, что обусловлено рядом причин.

стве физического трансдьюсера в нем использован Тем не менее имеются ограничения и по применетак называемый электрод Кларка. В настоящее врению данной конструкции биосенсора, обусловленмя для определения глюкозы создано наибольшее ные влиянием кислорода и других посторонних вечисло различных биосенсоров, что связано с необществ, способных проникать через биослой (точнее, ходимостью контроля за содержанием сахара в биочерез мембрану), а потому задача совершенствовалогических жидкостях, например в крови, при диания конструкций биосенсоров на глюкозу предгностировании и лечении некоторых заболеваний, ставляется весьма актуальной.

прежде всего диабета. Схема функционирования биосенсора на глюкозу в принципе типична и для Один из возможных путей такого усовершенстдругих амперометрических биосенсоров с аналогич- вования заключается в следующем. Если изменить 7 Схема ферментативной реакции На катоде (физический трансдьюсер):

O2 + 4e + 2H2O 4OH– I тип биоФерментативная реакция сенсора (биологический трансдьюсер):

Глюкозоксидаза S(red) + O2 + H2O S(ox) + H2O(Глюкоза) (Глюконовая II тип кислота) биосенсора На аноде:

H2O2 O2 + 2H+ + 2e Субстрат S (сахар) Рис. 3. Схема работы глюкозного биосенсора: 1 – исследуемый раствор, 2 – корпус биосенсора, 3 – внешняя мембрана, 4 – слой глюкозоксидазы, 5 – внутренняя газопроницаемая мембрана, 6 – платиновый электрод (проволока) для восстановления кислорода, 7 – усилитель сигнала, 8 – самописец (дисплей, цифровой или световой указатель и т.д.).

.. полярность включения электрода-трансдьюсера в глюкозном биосенсоре на противоположную, то есть платиновый катод Кларка сделать анодом, то Многие ферменты дороги и быстро теряют свою при потенциале +0,6 В он становится совершенно активность, использование выполненных на их оснечувствительным к кислороду, но зато дает отклик нове биосенсоров не может быть экономически цена пероксид водорода, который при данном значелесообразным. Поэтому применение бактерий, микнии потенциала окисляется до воды. Чувствительроорганизмов и биологических тканей различного ность такого электрода к пероксиду водорода оказапроисхождения более предпочтительно, поскольку лась привлекательной, а поскольку H2O2 образуется в данном случае отпадает необходимость в предвакак продукт ферментативной реакции, по его сорительном получении и очистке ферментов. К сущедержанию можно сделать вывод о концентрации, ственным недостаткам таких биосенсоров можно например глюкозы в различных объектах. Другой отнести низкую селективность определения вследспособ улучшения селективности биосенсоров и усствие того, что клетки живых организмов фактичетранения помех от посторонних примесей состоит в ски являются источником самых разнообразных использовании различных мембран – пленок, пре- ферментов. Помимо этого время отклика биосенсодотвращающих их попадание непосредственно на ров на основе тканей и микроорганизмов может электрод-преобразователь. При этом внутренняя быть достаточно большим, что также уменьшает их практическую ценность. Тем не менее в последнее мембрана выполняет функцию защиты от примесей, время наблюдается повышенный интерес к разраа внешняя мембрана пропускает субстрат в биослой.

ботке конструкций электродов, содержащих не саИмеются и другие способы повышения избирательми ферменты в очищенном виде, а их первозданные ности физических преобразователей, в данном слуисточники – биологические материалы. Так, было чае электродов. Детальное рассмотрение всех возустановлено, что тканевые срезы в биосенсорах моможных путей решения этой задачи недоступно в гут выполнять функцию источников каталитичеснебольшой статье. Однако необходимо отметить, кой активности. Например, создан биосенсор на асчто с помощью специальных приемов, называемых корбиновую кислоту, состоящий из упомянутого химической модификацией, можно до такой степеэлектрода Кларка и пластины кожуры огурца или ни изменить свойства поверхности электрода, что тыквы, служащей источником аскорбиноксидазы.

он будет “глухим” к большинству примесей и, наАктивность фермента в такой природной матрице против, чувствительным к компонентам ферментадостаточна для проведения 50-80 определений астивной реакции.

корбиновой кислоты в различных объектах. Установлено, что пластины биоматериала могут храБиосенсоры, основанные на кислородном элекниться без потери активности в течение года в 50%троде как физическом трансдьюсере, позволяют ном глицерине.

определять разнообразные субстраты ферментов:

Pages:     || 2 |










© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.