5 Біохімічні датчики
Біодатчики являють собою особливий клас хімічних датчиків. Еволюція видів шляхом природного відбору привела до появи надзвичайно чутливих органів, які можуть реагувати на присутність всього кількох молекул. Штучні датчики, хоча в цілому і не такі чутливі, використовують біологічно активні речовини в комбінації з декількома фізичними чутливими елементами (наприклад, амперметричними або тепловими). Біодатчик насправді є біоперетворювачем на вході звичайного датчика, так що відгук біосенсора буде визначатися дифузією аналізованої речовини, продуктами реакції, кореагентами або інтерферуючими речовинами і кінетикою процесу розпізнавання. За допомогою біосенсорів можуть бути виявлені якісно і кількісно наступні біологічні речовини: організми, тканини, клітини, органели, мембрани, ферменти, рецептори, антитіла і нуклеїнові кислоти [74].
При виготовленні біосенсорів, одним з ключових питань є іммобілізація аналізованих речовин на фізичному перетворювачі. Іммобілізацією на чутливому елементі повинні бути обмежені біологічно активні матеріали, утримуючи їх від витоку протягом терміну служби біосенсора, дозволяючи контактувати з аналізованим розчином, дозволяючи будь-якому продукту дифундувати з іммобілізаційного шару, не змінюючи властивостей біологічно активних речовин. Більшість з біологічно активних матеріалів, що використовуються в біосенсорах, є білками або містять білки в їх хімічній структурі. Таким чином, для іммобілізації білків на поверхні датчика, використовуються два основні методи: зв'язування або фізичне утримання. Адсорбція і ковалентне з'єднання є двома типами техніки зв'язування. Утримання включає в себе відділення біологічно активних матеріалів від аналізованого розчину за допомогою шарів на поверхні датчика, які є проникними для аналізованої речовини і будь-яких продуктів реакції, але не для біологічно активних речовин.
5.1 Ферментні датчики
Одним з найбільш ефективних способів досягнення селективності є використання датчиків з ферментативним шаром. Ферменти являють собою особливий вид білків-каталізаторів з молекулярною вагою 6-4000 кДа, що знаходяться в живих організмах. У них є чудові властивості: (1) Вони надзвичайно селективні до даної підкладки і (2) вони є надзвичайно ефективними для збільшення швидкості реакції. Таким чином, вони сприяють як збільшенню селективності, так і величини вихідного сигналу. Максимальна швидкість реакції пропорційна концентрації ферменту. Загальна схема ферментного датчика показана на Рис. 23 [74].
Рис. 23. Схематичне представлення ферментного датчика
Чутливий елемент може бути датчиком тепла6, електрохімічним сенсором, а також оптичним датчиком. Ферменти працюють тільки у водному середовищі, тому вони включені в іммобілізаційні гелієві матриці, зокрема - в гідрогель. Основний принцип роботи полягає в наступному. Фермент (каталізатор) мобілізують всередині шару, в який дифундує субстрат. Таким чином, він реагує з субстратом, і продукт реакції дифундує з шару в розчин зразка. Будь-який інший зразок, який бере участь у реакції, повинен також дифундувати в або з шару.