Biosensori

Biosensori  on analyyttinen laite, joka käyttää näiden yhdisteiden entsyymien katalysoimia reaktioita, immunokemiallisia reaktioita tai organelleissa , soluissa tai kudoksissa tapahtuvia reaktioita kemiallisten yhdisteiden määrittämiseen [1] . Biosensoreissa biologinen komponentti yhdistetään fysikaalis-kemialliseen anturiin.

Biosensorit koostuvat kolmesta osasta:

• bioselektiivinen elementti (biologinen materiaali, kuten kudokset , mikro -organismit , organellit , solureseptorit , entsyymit , vasta -aineet , nukleiinihapot jne.), biologista alkuperää oleva materiaali tai biomimiminen). Tuntoelementti voidaan luoda biotekniikan avulla .
• anturi (joka toimii fysikaalisilla ja kemiallisilla periaatteilla; optinen, pietsosähköinen, sähkökemiallinen jne.), joka muuntaa analyytin ja bioselektiivisen elementin vuorovaikutuksesta saadun signaalin toiseksi signaaliksi, joka on helpompi mitata;
• liittyvä elektroniikka, joka on ensisijaisesti vastuussa tulosten näyttämisestä käyttäjäystävällisellä tavalla. [2] .

Tunnetuin esimerkki kaupallisesta biosensorista on verensokeribiosensori, joka käyttää glukoosioksidaasientsyymiä pilkkomaan veren glukoosia. Ruoansulatuksen aikana entsyymi hapettaa ensin glukoosin ja käyttää kahta elektronia FAD:n (entsyymin komponentin) pelkistämiseen FAD H2:ksi, joka puolestaan ​​hapetetaan useissa vaiheissa elektrodin toimesta. Tuloksena oleva virta on verrannollinen glukoosipitoisuuteen. Tässä tapauksessa elektrodi on anturi ja entsyymi bioselektiivinen elementti.

Viime aikoina monien erilaisten ilmaisinmolekyylien ryhmiä on käytetty niin sanotuissa elektronin noissa, joissa ilmaisimien vastesarjoja käytetään aineiden havaitsemiseen. Nykyaikaiset elektroniset nenät eivät kuitenkaan käytä biologista materiaalia (eli ne ovat kemosensoreita).

Kotimaista kanarialintua , jota kaivostyöläiset käyttivät kaasuvuodoista varoittamiseen, voitaisiin pitää biosensorina. Monet nykypäivän biosensoreista toimivat samalla periaatteella, eli ne käyttävät organismeja, jotka reagoivat paljon pienempiin myrkyllisten aineiden pitoisuuksiin kuin ihmiset varoittavat myrkkyjen esiintymisestä. Näitä laitteita voidaan käyttää ympäristön tarkkailuun, öljytuotteiden vähäisten epäpuhtauksien määrittämiseen ja jätevedenpuhdistamoissa.

Biosensorien historia

Ajatus biosensoreiden luomisesta juontaa juurensa saksalaisen fysiologin Max Kremerin vuonna 1906 suorittamaan kokeeseen , jossa hän osoitti, että hapon pitoisuus nesteessä on verrannollinen sähköpotentiaaliin , joka esiintyy osien välillä. nestettä, joka sijaitsee lasikalvon vastakkaisilla puolilla [3] . Ensimmäisen nykyaikaisen biosensorin suunnitteli Leland Clark, Jr. (1918–2005) vuonna 1956 havaitsemaan happea, myöhemmin tämä elektrodi tunnettiin nimellä "Clarke-elektrodi" [3] [4] . Vuoteen 1962 mennessä Clark oli osoittanut ensimmäisen amperometrisen entsyymielektrodin glukoosin havaitsemiseen. Vuonna 1969 George Guilbaud ja Joseph Montalvo, Jr. loivat ensimmäisen potentiometrisen biosensorin urean havaitsemiseen. Yellow Spring Instruments (YSI) kehitti ensimmäisen kaupallisen biosensorin vuonna 1975 [3] .

Biosensorien luokitus

Muuntimen tyypistä riippuen biosensorit luokitellaan optisiin, akustisiin, kalorimetrisiin, lämpöisiin ja sähkökemiallisiin. Sähkökemialliset biosensorit puolestaan ​​jaetaan potentiometrisiin, amperometrisiin ja konduktometrisiin. [5]

Optiset biosensorit

Useimpien optisten biosensorien toimintaperiaate perustuu pintaplasmoniresonanssin ilmiöön. Tämä vaikutus voidaan saavuttaa säteilyttämällä lasimuovin pinta ohuella metallikullalla tai muulla jalometallilla tietyn aallonpituuden laservalosäteellä, jonka vuoksi sen osittaisen sorption aikana syntyy elektroniaaltoja (pintaplasmoneja). Pääsääntöisesti plasmoniresonanssin vaikutus ei esiinny vain tietyllä lasersäteilyn aallonpituudella, vaan myös tietyllä tulevan valon kulman arvolla ja riippuu metallikalvon pinnan fysikaalisista ominaisuuksista, johon analyytti vaikuttaa. lisättiin reaktion seurauksena.

Pintaplasmoniresonanssiin perustuvat anturit ovat siru, joka koostuu lasilevyä sisältävästä muovikasetista, jonka toinen puoli on peitetty mikroskooppisen ohuella metallikultakerroksella ja pystyy olemaan vuorovaikutuksessa laitteen elektronisen anturin optisen osan kanssa. . Lasisen anturimaljan vastakkainen puoli on kytketty instrumentin nestevirtausjärjestelmään, johon näyte tulee, kun taas nesteeseen liuenneet näyteaineet joutuvat suoraan kosketukseen astian pinnan kanssa. Lasilevyn vastakkaisen puolen pinta on yleensä päällystetty polymeerillä. Usein tällaisena polymeeripinnoitteena toimii kerros karboksimetyylidekstraania tai muuta kemiallisesti samanlaista ainetta.

Kiinteän aallonpituuden omaava valonsäde, joka putoaa levyn pinnalle, heijastuu lasisirun kullalla päällystetyltä puolelta sisäisen kokonaisheijastuskulman kulmassa, ja laitteen elektroninen laitteisto havaitsee sen. Tässä tapauksessa valonsäde indusoi katoavan aallon, joka tunkeutuu lasimaljan läpi liuokseen lähellä sen pintaa.

Anturisirun virtauspuolen taitekerroin vaikuttaa suoraan kullatusta puolelta heijastuvan valon käyttäytymiseen. Aineiden sitoutuminen sirun virtauspuolen pintaan vaikuttaa taitekertoimeen, joka voidaan rekisteröidä optisilla laitteilla; siten biologisia vuorovaikutuksia voidaan mitata korkealla herkkyystasolla.

Muita vaimenevan aallon bioantureita on kaupallistettu käyttämällä aaltoputkia, joissa valon etenemisvakio aaltoputken läpi muuttuu molekyylien absorboituessa aaltoputken pinnalle. Esimerkiksi kaksoispolarisaatiointerferometriassa käytetään kahta aaltoputkea, joista toinen on eristetty ja on referenssi, ja toinen aaltoputki on suorassa kosketuksessa tutkittavan näytteen kanssa. Vertaamalla valon etenemisen nopeusvakioita molemmissa aaltoputkissa tehdään johtopäätös analyytin pitoisuudesta.

Optiset biosensorit perustuvat ensisijaisesti vastaavan indikaattorikomponentin absorbanssin tai fluoresenssin muutokseen eivätkä vaadi täydellistä sisäistä heijastusta. Esimerkiksi maidon kaseiinin määrittämiseen on kehitetty täysin toimiva prototyyppilaite. Laite perustuu kultakerroksen absorbanssin muutosten havaitsemiseen. [6] Molekyylibiologiassa laajalti käytetty tutkimustyökalu, DNA-mikrosirua voidaan pitää myös optisena biosensorina.

Sähkökemialliset biosensorit

Sähkökemialliset biosensorit perustuvat yleensä reaktion entsymaattiseen katalyysiin, jossa elektroneja vapautuu tai absorboituu (käytettävät entsyymit kuuluvat oksidoreduktaasien luokkaan ). Biosensori sisältää yleensä kolme elektrodia : vertailuelektrodin , työelektrodin ja apuelektrodin. Työelektrodin pinnalle levitetään biologista materiaalia, joka reagoi spesifisesti analyytin kanssa. Varautuneet reaktiotuotteet luovat työelektrodille potentiaalin, joka vähennetään vertailuelektrodin potentiaalista lähtösignaalin saamiseksi. Käytetään myös virranmittausta (tässä tapauksessa elektronivirran intensiteetti on verrannollinen analyytin pitoisuuteen) vakiopotentiaalilla tai potentiaali voidaan mitata nollavirralla (tämä antaa logaritmisen vasteen). On huomattava, että elektrodien potentiaaliin vaikuttaa niiden ympäristön varaus, jota usein käytetään. Lisäksi on mahdollista havaita suoraan sähköisesti pieniä peptidejä ja proteiineja niiden ominaisvarauksen perusteella käyttämällä biologisesti modifioituja ioniselektiivisiä kenttätransistoreja ( ISFET ). [7]

Muut biosensorit

Pietsosähköiset anturit käyttävät kiteitä , jotka muotoutuvat elastisesti, kun ne altistetaan sähköpotentiaalille. Vaihtuva potentiaali tietyllä taajuudella aiheuttaa seisovan aallon kiteessä. Tämä taajuus riippuu suuresti kiteen elastisista ominaisuuksista, joten jos kide on päällystetty biologisella tunnistuselementillä, suuren analyytin kiinnittyminen reseptoriin aiheuttaa muutoksen resonanssitaajuudessa, joka toimii sitojana. signaali.

Lämpö- ja magneettiset biosensorit eivät ole käytännössä yleisiä. Nanoantenneilla varustettuja nanolaitteita voidaan käyttää biologisina antureina [8] .

Katso myös

• Multiplex-analyysi

Muistiinpanot

1. ↑ biosensori // IUPAC Gold Book . Haettu 31. elokuuta 2010. Arkistoitu alkuperäisestä 12. helmikuuta 2010. (määrätön)
2. ↑ Cavalcanti A., Shirinzadeh B., Zhang M., Kretly LC Nanorobot Hardware Architecture for Medical Defense  //  Sensors: Journal. - 2008. - Voi. 8 , ei. 5 . - P. 2932-2958 . - doi : 10.3390/s8052932 .
3. ↑ 1 2 3 Bhalla N., Jolly P., Formisano N. ja Estrela P. Johdatus biosensoreihin   // Essays Biochem . - 2016. - Vol. 60 , ei. 1 . - s. 1-8 . - doi : 10.1042/EBC20150001 .
4. ↑ Heineman WR, Jensen WB Leland C. Clark Jr. (1918–2005)  (englanniksi)  // Biosensors and Bioelectronics. - 2006. - Voi. 21 , ei. 8 . - s. 1403-1404 . - doi : 10.1016/j.bios.2005.12.005 .
5. ↑ Dzjadevich S.V., Soldatkin O.P. Tieteellinen ja teknologinen väijytys pienten sähkökemiallisten biosensorien luomisessa. - 1. painos - Kiova: Naukova Dumka, 2006. - S. 3, 6. - 256 s. — ISBN 966-00-0595-4 .
6. ↑ HM Hiep et ai. "Paikallinen pintaplasmoniresonanssipohjainen immunosensori kaseiinin havaitsemiseen maidosta" Sci. Technol. Adv. mater. 8 (2007) 331 ilmainen lataus Arkistoitu 9. heinäkuuta 2012.
7. ↑ SQ Lud, MG Nikolaides, I. Haase, M. Fischer ja AR Bausch (2006). "Field Effect of Screened Charges: Electrical Detection of Peptides and Proteins by a Thin Film Resistor" ChemPhysChem 7(2), 379-384 [ yksi]
8. ↑ Slyusar V. I. Nanoantennit: lähestymistapoja ja tulevaisuudennäkymiä Arkistokopio , päivätty 3. kesäkuuta 2021 Wayback Machinessa // Elektroniikka: tiede, teknologia, liiketoiminta. - 2009. - nro 2. - s. 60.

Kirjallisuus

• Banica F.-G., Kemialliset ja biologiset anturit: perusteet ja sovellukset. Technosphere, Moskova, 2014; Hinta: 869. ISBN 978-5-94836-380-6
• Budnikov G.K. Biosensorit uudentyyppisinä analyyttisinä laitteina // Soros Educational Journal , 1996, nro 12, s. 26-32.
• Varfolomeev S.D. Biosensors // Soros Educational Journal , 1997, nro 1, s. 45-49.
• Kompanets O.N. Kannettavat optiset biosensorit biologisesti aktiivisten ja myrkyllisten yhdisteiden määrittämiseen // Uspekhi fizicheskikh nauk , 2004, v. 174, nro 6, s. 684-686.
• Voronov V. K. , Podoplelov A. V.  Fysiikka vuosituhannen vaihteessa: tiivistetty tila, 2. painos, M.: LKI, 2012, 336 sivua, ISBN 978-5-382-01365-7

Sanakirjat ja tietosanakirjat	Iso venäläinen
Bibliografisissa luetteloissa	BNF : 12125424b GND : 4193016-2 J9U : 987007282392505171 LCCN : sh85014260 NKC : ph162459