1. Общие принципы построения аналитических биосенсорных устройств

Биосенсором называется аналитическая система, содержащая биологический материал (ферменты, клетки, антитела, антигены, рецепторы, фрагменты ДНК), который находится в непосредственном контакте или встроен в физико-химический датчик. В биосенсорных устройствах используются физико-химические преобразователи различных типов: оптические, акустические, кондуктометрические, калориметрические, электрохимические. Тип датчика определяется особенностью реакций и превращений в биологическом тестирующем элементе биосенсора, и невозможно найти какой-либо один, универсальный преобразователь на все случаи анализа. Большая часть биосенсорных устройств, как коммерчески доступных, так и описанных в исследовательских работах, основана на электрохимических преобразователях (например, электроде Кларка) и оптических датчиках.

Первый биосенсорное устройство, созданное Кларком и Лайоном (1962) ферментный электрод для определения глюкозы. В указанном устройстве на поверхности газопроницаемой мембраны амперометрического датчика, предназначенного для определения концентрации молекулярного кислорода (электрод Кларка), был нанесен слой геля, содержащий иммобилизованную глюкозооксидазу (ГОД). ГОД – фермент, который катализирует процесс окисления глюкозы молекулярным кислородом:

Глюкоза + О₂ → Глюконовая кислота + Н₂О₂

При наличии в тестируемой среде глюкозы концентрация кислорода у поверхности электрода Кларка уменьшалась и в цепи электрода снижался электрический ток. При этом величина тока через электрод Кларка была пропорциональна содержанию глюкозы в среде для довольно широкого диапазона концентраций углевода.

Типичный биосенсор состоит:

1. Биологически тестирующий элемент, тет-объект (ферменты, антитела, антигены, нуклеиновые кислоты, рецепторы, клеточные органеллы, клетки, ткани, отдельные живые организмы и др.);

2. Датчик – преобразователь сигнала;

3. Измерительный прибор;

4. ЭВМ – электронно-вычислительная машина;

5. Исполнительное устройство.

Конструирование биосенсоров сводится, по существу, к решению двух задач, относящихся к разным областям науки. Во-первых, это создание такого тест-объекта, в котором реакция «узнавания» используется с максимальной эффективностью. Такая задача решается в рамках биологических наук. Во-вторых, это создание адекватной схемы регистрации появляющегося в системе сигнала. Эту задачу решают в рамках технических наук.

Преимущества биосенсоров:

1. Достаточно высокая специфичность анализа, что исключает предварительную обработку исследуемых образцов;

2. Возможность анализа малых объемов образцов в сочетании с быстротой проведения определения;

3. Возможность контроля за результатами анализа по типу обратной связи, что достигается за счет совместимости биосенсоров с микропроцессорами;

4. Отсутствие требований к высокой квалификации персонала, проводящего анализ, что обусловлено простотой самого анализа;

5. Относительно низкая стоимость биодатчиков.

Современные конструкции биосенсоров – довольно компактные устройства, совмещающие биологический тестирующий элемент и физико-химический анализатор. Габариты таких устройств обычно определяются размерами анализатора и могут быть весьма малой величины (от нескольких миллиметров до нескольких десятков микрон).

7. Использования биосенсора в научных исследованиях, медицине, оценки состояния среды и производстве