7. Физические основы создания биодатчиков генераторного и параметрического типов
Никакие, созданные человеком измерительные устройства не могут быть столь компактны, экономичны, чувствительны и универсальны как органы чувств животных, растений. Многое человек уже использует в практических целях из того, что создано природой. Например, способность живых существ анализировать запахи, примеси в воде и улавливать слабые энергетические воздействия. Биологические датчики могут использоваться, например, для прогноза природных явлений, биоиндикации различных физико-химических, технологических процессов и т.п. Животные чувствуют механические напряжения в материале, электромагнитные и акустические воздействия (рыбы чувствуют напряженность электрического поля в пределах нескольких мкВ на сантиметр).
В основе механизма чувствительности живых систем лежит способность под действием электромагнитных полей пространственной переориентации белковых молекул в мембранах клеток. Аналогичные процессы уже реализуются в технических устройствах, например, в жидких кристаллах, характеризующихся подвижностью и структурной упорядоченностью вещества. Но существуют еще большие проблемы изучения в изучении таких «живых приборов». В связи с этим в настоящее время проводятся исследования строения органов чувств животных, изучается биология клетки. Например, не решенной остается проблема морфогенеза (формообразования) живых систем.
Если раньше в основном ставилась задача воспроизведения в технике принципов действия живых систем, и это направление называлось бионикой (бионика – воспроизведение в технике принципов действия в живых системах), то сегодня создаются гибридные системы, состоящие из живых и неживых элементов, это направление называется биотехникой (биотехника – создание гибридных систем, биоэлементов).
В настоящее время в биофизике развивается три основных направления:
молекулярная биофизика (белки, нуклеиновые кислоты);
биофизика клетки (мембранные структуры клеток);
биофизика сложных систем (с позиций физико-математического моделирования различных уровней самоорганизации).
Можно выделить следующие особенности развития биотехнологий:
биологические материалы для микроустройств (белки, ферменты) дешевы, ресурсы биологических материалов практически неограниченны;
развивается особая технология производства биологических микроустройств, принцип работы которых основаны на параметрических воздействиях на биоматериал;
биоустройства способны преобразовывать энергию самых различных видов с использованием обратимых процессов, создавать хемомеханические и механохимические датчикис использованием раметрических воздействиях на материаллярные события, элементов. одвижностью и структурной упорядоченностью ср;
КПД биопреобразователей приближаются к 100%, так как в них реализуются автокаталитические процессы превращения энергии;
биопреобразователи обеспечивают регистрацию широкого спектра веществ при высокой чувствительности, благодаря чему удается регистрировать отдельные молекулярные события, при высокой избирательной способности устройств;
биопреобразователи можно использовать многократно путем иммобилизации белков (нанесение белка на подложку);
появилась перспектива создания набора типовых биомодулей;
на основе биомодулей можно создать аналоговые, волновые быстродействующие устройства, способные качественно моделировать процессы в системах;
широкий спектр применения биоустройств - химическое производство, сельское хозяйство, охрана окружающей среды, научные исследования.
В ближайшие годы ожидается создания нового класса приборов смешанного типа, включающих в себя живые датчики и ЭВМ. Физические основы создания измерительных устройств данного типа отражают физические особенности молекулярной организации и элементарных процессов в живых системах. Известно, что в основе процессов обмена клетки со средой и внутреннего метаболизма лежит сложная система организованных во времени и пространстве различных реакций (биологическая кинетика). При этом может, например, изменяться мембранный потенциал клетки. Эти процессы описывают системой дифференциальных уравнений, но есть и постоянные параметры (температура, влажность, рН, электропроводность).
Важную роль в работе биодатчиков играют процессы, происходящие в области мембраны. Биомембрану, представляющую собой липидный бислой, можно рассматривать как конденсатор, пластинами которого являются электролиты внутреннего и наружного слоев растворов. В основе механизма генерации биопотенциалов в клетках лежит перенос ионов через мембрану:
.
(7.1)
Пассивный транспорт вещества через мембрану (без затрат энергии) обусловлен уменьшением энергии Гиббса (соответствует максимально достижимой работе при постоянных Р и Т среды) вследствие хаотического теплового движения молекул из области с большой концентрации в область с меньшей концентрацией вещества. Такое перемещение вещества обусловлено стремлением системы к равновесному состоянию, стремлением к возрастанию энтропии в системе. Существует несколько способов перемещения вещества в биообъектах.
Фильтрация – это движение раствора через поры в мембране под действием градиента давления.
Осмос – это движение воды из области меньшей концентрацией раствора в область с большей его концентрацией.
Диффузия ионов через клеточную мембрану приводит к изменению их концентрации между внутренней и наружной областями, что обусловливает появление разности потенциалов.
Потенциал действия – электрический импульс, обусловленный изменением ионной проницаемости мембраны, связан с распространением волны возбуждения по нерву. При этом изменяется соотношение концентрации ионов между внешней и внутренней областями клетки:
,
.
(7.2)
Посредством электрических нервных импульсов (потенциалов действия) в живом организме передается информация от рецепторов к нейронам мозга. Живой организм является полностью электрофицированной системой.
В основе элементной базы биодатчиков лежит использование белков в качестве цепи электронного транспорта (ЦЭТ). Физической основой электронного транспорта в белках является туннельный механизм переноса электрического заряда, аналогичный моноэлектронному эффекту туннелирования зарядов в диэлектриках.
В 1986 г. появилась первая публикация об исследовании эффекта коррелированного одноэлектронного туннелирования в диэлектриках. В дальнейшем данный эффект был положен в основу создания моноэлектронного транзистора. На рисунке представлено устройство такого транзистора и его ЭЭСЗ.
Рис. 7.1 Схема моноэлектронного эффекта, устройства на его основе.
При размерах
гранулы (из индия) около
и диэлектрической проницаемости
материала туннельного перехода
,
емкость туннельного перехода составит:
.
При этом изменение энергии гранулы при
одноэлектронном обмене будет сравнимо
с энергией теплового шума:
.
(7.3)
Поэтому для повышения эффективности работы данного устройства необходимо снижать его рабочую температуру.
В живой природе моноэлектронный эффект реализуются в молекулярных ансамблях (ЦЭТ в белках). ЦЭТ состоит из белков и служит для транспортировки электронов. Ключевую роль при этом играют редокс-центры, находящиеся в структуре белка. Это вещества небелковой структуры, например, гемм, хлорофилл, железосодержащие кластеры. Так как гранула мала, то пришедший электрон обеспечивает кулоновскую блокаду для последующих электронов. Полилептидная цепочка белка создает жесткий каркас с редокс-центрами, задавая их взаимную ориентацию. Перенос электрона осуществляется за счет направленного перемещения электрона от одного такого центра к другому, расстояние между которыми составляет 3 - 30А°. При этом изменение энергии редокс-центра с учетом того, что:
,
°,
,
будет значительно
превышать уровень теплового шума, и
соответствовать температуре в
.
Линейная структура макромолекулы за счет соединения белков, имеющих «липкие» концы.
Рис. 7.2 Структура белка.
Таким образом, на основе белковой инжекции создают сложные соединения из различных белков. Иммобилизированные белковые кристаллы являются материалом для создания биосенсоров. Но использование белков в качестве элементной базы туннельной микроэлектроники сопряжено с наличием определенного психологического барьера. Дело в том, что такие устройства получают из живых организмов. Потребуется также и другая культура производства таких устройств, связанная с необходимостью обеспечения стерильности производства, герметичности изделий, особых условий их эксплуатации (рабочая температура – до 100°С) и т.п.
Контрольные вопросы к главе 7
Дайте характеристику основным принципам построения биодатчиков.
Какие существуют особенности развития биотехнологий?
Проведите аналогию между моноэлектронным эффектом в неживой природе и переносом заряда по цепочке электронного транспорта в белках.
Объясните физическую природу электронного транспорта в белках.
Литература
Электрические измерения неэлектрических величин / Под ред. П.В. Новицкого. – Л.: Ленинградское отд. Энергия, 1975.
Агейкин Д.И. Датчики контроля и регулирования: справочные материалы / Д.И. Агейкин, Е.Н. Костина, Н.Н. Кузнецова. – 2-е изд., перераб. – М.: Машиностроение, 1965.
Измерение электрических и неэлектрических величин /[Н.Н. Евтихиев, Я.А. Купершмидт, В.Ф. Папуловский и др.] – М.: Энергоатомиздат, 1990.
Информационно-измерительная техника и технологии / [В.И. Калашников, С.В. Нефедов, А.Б. Путилин и др.]; под ред. Г.Г. Раннева. – М.: высш. шк., 2002.
Левшина Е.С. Электрические измерения физических величин: Измерительные преобразователи / Е.С. Левшина, П.В. Новицкий. _ Л.:Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1983.
Спектор С.А. Электрические измерения физических величин: Методы измерений / С.А. Спектор. – Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1987.
Кравченко А.Ф. Физические основы функциональной электроники: Учебное пособие.–Новосибирск: Изд-во Новосиб. ун-та, 2000.
Аш Ж. И др. Датчики измерительных систем. Кн.1. М.: Мир, 1992.
Островский Л.А. Основы общей теории электроизмерительных устройств. «Энергия», Л., 1971.
Джексон Р.Г. Новейшие датчики. Москва: Техносфера, 2007.
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение…………………………………………………………...3