1.6 Биологиялық материалдардың иммобилизациясы

Осы мақала трансдьюсерде биологиялық материалдардағы элементтерді тануда бекіту әдістеріне (иммобилизацияға) арналған. Иммобилизация әдістеріне қойылатын негізгі талаптар келесіден тұрады [27]:

1. Бекітілген биологиялық материалдар ұзақ уақыт аралығында өзінің белсенділігін сақтап тұруы қажет.

2. Аналит молекулаларының танылған элементтерге алмасуы қиындатылған түрде болмау қажет. Егерде танылған элементте катализдік реакция жүргізілсе, олардың өнімін бұрып жіберу қиын болмауы қажет.

3. Иммобилизация әдістері температураның біршама жоғары диапазонында, рН көрсеткішінде және қысымда қолданылуы қажет.

4. Сенсорлардың сериялық өндірісінді иммобилизация әдісі жақсы қайталанғыштығын қамтамасыз етуі керек.

Иммобилизация әдісінің бастылары келесі [27]: 1. Адсорбция 2. Полимерге қосу 3. Құрастыру 4. Коваленттік байланыстыру 5. Мембрана көмегімен капсулдеу немес шектеу

Аталған әдістердің ерекшеліктердің толықтай атап өтсек. Адсорбция біршама жеңіл әдістер қатарына жатады, сенсор құрамын дайындауды және арнайы химиялық реагенттерді қолдануды қажет етпейді деуімізге болады. Физикалық адсорбцияда бөлшектер Ван-дер-Ваальс күшімен табандарда жинақталады, олар өздерінің табиғаты бойынша диполь-дипольдіге бөлінеді, индукциялық және дисперстік өзара қызметтері, сонымен қатар сутегілік және иондық байланыстар әсерлесуімен. Адсорбция әдісімен алынған элементтер көбіне төмен сезімталдық және температура мен рН-қа елеулі тәуелділігімен сипатталады. Адсорбция белоктарынан алынған элементтердің нашар сезімталдығы адсорбция барысында макромолекулаларының конформациясының ауысуы немесе олардың белсенді орталықтары қоршалуымен түсіндіріледі. Сонымен қатар, биологиялық материал жүйенің сезімталдығын төмендіп және ертіндіні ластай отырып десорбцияға ұшырай алады. Адсорбция әдісімен көп жағдайда зерттеу стадияларында және арзан бір реттік элементтерді өндіруде қолданады. Әр түрлі типтерді таныушы элементтерде қолдануда полимерлі матрицаға биологиялық материалдарды қосу шынында да әмбебеп әдіс болып табылады. Көп жағдайда келесідей полимерлер жиі қолданады: ПММА, крахмал, нейлон, желатин, коллаген және т.б. Егерде матрица синтетикалық материалдардан тұрса, онда оларды алу биологиялық материалдардың қатысумен жүреді, олардағы бөлек полимер тізбектері үш өлшемдік шілтерлерге бірігуі үшін жиі тігушілерді қосады. Осы орайда биологиялық белсенді молекулалар полимер ішінде ұсталады. Осы әдістің даусыз құндылығы оның әмбебаптығы, алайда оның жетіспеушілігі шілтердің диффузиянф қиындатуы және аналиттің енуіне кедергі жасауы. Сонымен қатар, шілтерге қосылаған молекулалар олармен химиялық байланыспаса, онда олар одан шұрықтар арқылы шыға алу мүмкін. Ферментативтік электрохимиялық сенсорларды жасау барысында кейде электрополимеризация әдісін қолданады. Осы орайда электродта белок қосылған өткізуші гель құрастырылады (мысалы, полипирролдан). Көміртегі пасталарын қолдану арқылы электрохимиялық сенсорларды жасауда идеологиялық жақын әдіс болып табылады. Бұл әдіс бөлек молеклалар, сонмен бірге бүтін клекалар иммобилизациясы үшін қолдануға келеді. Биологиялық материалдың ертіндісі көміртегі пастасымен араластырылып электрод бетіне жағады.

Егерде биологиялық материалдың молекулалары өзара байланысқан немесе тіректік шілтермен байланысқан болса, онда тігу әдәсі туралы сөз қозғалады. Шынында да тігілген танушы молекулаллар қажетті жақсы механикалық сипаттамаға ие болса, төсемшесіз қолданылады. Соған қарамастан, тігу әдісі басқа әдістермен бірге қолданылады. Мысалы олар, адсорбциядан алынған элементтерді тұрақтандыра алады. Көбінесе тігу әдісіне бифункционалдық агенттер қолданылады, қарапайым мысал ретінде глутар альдигидің алуымызға болады. Коваленттер байланыстар әдісі әр түрлі қосымшаларда кең таралған әдістерің бірі. Оның атына сүйенер болсақ, ол биоматериал мен төсемше арасында коваленттік байланыс орнатады. Оны жүзеге асыру үшін химиялық реагенттерді таңдау байланысқан молекулалар мен төсемше матералының типіне байланысты келеді. Көп жағдайда әдіс жүзеге асуы үш сатыдан тұрады: төсемшенің беткі қабатын тазалау және модефикация, яғни бұл оның бетінде қажетті функционалдық топтардың қабатын түзеу, артынан биоматериалды енгізу және ақыр соңында, нашар бекіген молекулаларды тазартылған таза ертінділермен шайқау. Шамасы, химиялық реакциялардың бір тізбектілігі ерте сатыларда құрылу барысындағысы соңғы сатыларда сақталатындай болып таңдалуы қажет. Сенсорларда қолданылатын кейбір төсемшелерді атап өтсек: металлдар (көбінесе алтын, күміс немесе платина), әйнек немесе шыны, көміртегі, полисахаридтер (мысалы, целлюлоза), нейлон, ПММА және т.б.

Коваленттік байланыстың басты құндылықтарын атап өтсек, ол біріншіден биоматериал мен төсемше арасында жақсы байланыс түзеп, ағып кетуден сақтайды, ал басқа жағынан алсақ тіршіліктің ұзақ уақыты бойында сенсорлар түзуге мүмкіндік береді [27]. Электрохимиялық сенсорларды жасауда кең қолданылатын әдістердің бірі қалған жартылай өткізгіш мембраналар ертінділернен бөлек, ферменттер электродтарға жақын орналасады, олар арқылы аналит молекулалары және катлитикалық реакция өнімдері өте алатындай болып құрылады. Шын мәнінсінде ферменттер бос жағдайда болса, дегенмен олардың бір бөлігі өлшемдік ұяшықпен локализденген. Кейде бұл әдісті микрокапсулдеу деп те атайды. Солардың арасындағы кең таралған мысалының бірі – Nafion полимері, олардан глюкозаға арналған сенсорларға қолданылатын теріс зарядталған мембраналар жасалады.

Иммобилизация және ДНҚ молекулаларын детектирлеу әдісі туралы бөлек атап өткен жөн. В ДНҚ-биосенсорларда танушы элементтері комплементарлы тізбектермен байланысқан бір тізбекті ДНҚ табылады. Байланысу акті әр түрлі әдістер арқылы тіркелуі мүмкін: электрохимиялыық, оптикалық және масса өзгерісі арқылы. ДНҚ-да сенсорлардың дамуының маңызды қадамдарының бірі биочиптерді жасаумен байланысты. Формальді түрде олар кішкентай аймақта жинақталған, әр түрлі элементтерді танушы жүйе түрінде келеді; элементтерді танушы әрбір тип өз орнына барып орналасады (сайт). ДНҚ-ға қатысты айтып өтетін болсақ, қатты бір төсемшеде әр түрлі типтердегі бір тізбекті олигонуклеотитттердің көп мөлшері жинақталған. Анализ үрдісінде олардың әрбіреуі үлгідегі комплементарлы аймақтарымен байланысады. Нуклеотидтердің әрбіреуі шамамен мынадай мөлшердегі сайт орнын алады ~100 мкм; санау жүйесінде ір аймақтан келген белгілерді өңдеп, зерттеліп жатқан үлгіде әр түрлі тізбетердің бар-жоғын анықтап отырады. n ұзындықтағы нуклеотидтердің бір тізбектілігін біллу үшін 4n зондтарды іріктеуіміз қажет, бұл барлық мүмкін болатын комбинациялар жиынтығы. Биочиптердің артықшылғы олар әр түрлі түрлерден келген белгілерді және сол арада әр түрлі зондтардан келген белгілерді өңдеп ажырата алуында.

Олигонуклеотидтердің иммобилизациясы үшін әр түрлі әдістер қолданылуы мүмкін, осылардың арасында кең танымалы алтын бетінде ковалетті байланысқаны. Осы орайда соңында SH - тобы ұластырылған олигонуклеотидтер жиі қолданылады. Кеәбір жағдайларда беткі қабатты дайындау үшін күрделенген тізбекті реакцияларды қолданады. Шамасы, биочиптерді жасауда тек қана биоматералдарды иммобилизациялау ғана маңызды емес, сонымен қатар оны төсемшеге орналастыру қажет. Мұны жасауда ең жиі жіңішке инелерді және капилярларды байланысқан және байланыспаған микробаспаны қолданады. Биомаериалдардың аз ғана мөлшері төсемшенің белгілі нүктлеріне енгізіледі; байланысқан әдісте алдын ала тазартылған ұшты жағы және модифицирленген төсемше тиіп тұрады, ал байланыспағанын әдісте кереті мөлшер бетіне қарай сығылады. Байланысқан әдістің артықшылығы оның қарапайымдылығы мен арзандылығында, дегенмен әр түрлі байланыспаған әдістемелер айқасқан ластануларға жол бермеуіне арқылы үмітттендіреді, яғни белгілі типтегі аймаққа басқа типтегі зондтарға арналған олигонуклеотидтердің түспеуін қамтамасыз етеді. Affymetrix компаниясы фотолитография қолданылған кремний төсемшесіндегі зондтар синтезін ұсынды. Төсемшені маска арқылы жарықтандырады, жарықтандырылған аймақтарда нуклеотидтерді жабатын функционалдық топтар жоғалады. Осыдан кейін жүйені белгі типтегі нуклеотидтермен жабады, алайда қосылу реакциясы белсенділрілген аймақтарда жүреді. Қосылатын нуклеотидтер өздерімен бірге жарықтан қорғайтын функционалдық топтарды лестіре жүреді, ол циклді жаңа маскамен қайталауға қажет [27].