42.Основные варианты построения биосенсорных систем на основе оптических волокон.

Биосенсорные системы на основе оптических волокон представляют собой перспективное направление в аналитической химии и биомедицине. Их работа основана на измерении изменений оптических свойств света, проходящего через волокно, вызванных взаимодействием аналита с иммобилизованным на поверхности или внутри волокна биорецептором.

Существуют различные варианты построения таких систем, выбор которых определяется типом аналита и требуемой чувствительностью. Один из основных подходов заключается в использовании внутреннего отражения, когда свет распространяется вдоль сердцевины волокна, претерпевая многократное внутреннее отражение на границе с оболочкой. Взаимодействие аналита с биорецептором на поверхности волокна изменяет показатель преломления или абсорбцию света, что регистрируется детектором.

Другой подход использует внешний отраженный свет, где свет от источника направляется на поверхность волокна, покрытую биорецептором. Изменение оптических характеристик поверхности при взаимодействии с аналитом влияет на интенсивность отраженного света. Более сложные системы могут использовать флуоресценцию или фосфоресценцию, где биорецептор либо сам флуоресцирует, либо связан с флуоресцентным зондом, изменение интенсивности или спектра излучения которого регистрируется при взаимодействии с аналитом.

Наконец, существуют системы, основанные на измерении изменений поляризации света, проходящего через волокно, которые также чувствительны к взаимодействию аналита с биорецептором. Выбор конкретной конфигурации биосенсора зависит от свойств аналита, чувствительности требуемых измерений, и доступности технологий для создания биорецепторного покрытия оптического волокна.

43) Преимущества использования биосенсорных систем при анализе состояния окружающей среды, в медицине, биотехнологии, пищевой промышленности и других отраслях народного хозяйства.

Основные преимущества биосенсоров:

1) биосенсоры специфичны — можно анализировать сложные смеси на присутствие определенного химического вещества без предварительной очистки;

2) они очень чувствительны, поэтому можно обнаружить очень низкие концентрации вещества в очень малых образцах;

3) они дают быстрый ответ;

4) они безопасны для использования;

5) они точны;

6) они могут быть очень маленькими;

7) они доступны для массового производства

Использование биосенсорных систем имеет множество преимуществ в различных отраслях, включая анализ состояния окружающей среды, медицину, биотехнологию, пищевую промышленность и другие сферы народного хозяйства. Биосенсоры способны обнаруживать низкие концентрации загрязняющих веществ и токсинов, что позволяет проводить раннюю диагностику загрязнений. Многие биосенсоры являются компактными и легкими, что позволяет использовать их в полевых условиях для мониторинга экосистем. Они обеспечивают быстрое получение результатов, что критически важно для принятия оперативных мер по охране окружающей среды. Использование биосенсоров на основе натуральных материалов позволяет минимизировать влияние на экосистему.

Биосенсоры могут использоваться для индивидуального мониторинга здоровья пациентов, что позволяет адаптировать лечение в зависимости от их состояния. Они позволяют быстро и точно обнаружить биомаркеры заболеваний на ранних стадиях. Многие биосенсоры могут работать с образцами, полученными без инвазивных процедур (например, слюна, пот), что повышает комфорт для пациентов. При использовании биосенсорных систем, представляется возможность постоянного контроля за состоянием пациентов с хроническими заболеваниями (например, диабет).

Биосенсоры могут использоваться для обнаружения патогенов, токсинов и аллергенов в пищевых продуктах, что обеспечивает безопасность потребителей. При использовании биосенсорных систем, представляется возможность определения свежести продуктов на основе изменений в их химическом составе. Они могут мониторить состояние почвы, уровень влаги и наличие вредителей, что способствует более эффективному управлению ресурсами. Биосенсорные системы предлагают множество преимуществ в различных отраслях народного хозяйства, включая высокую чувствительность, быстроту анализа, возможность мобильного использования и минимизацию воздействия на окружающую среду.

Загрязнение окружающей среды пестицидами представляет общую проблему для стран с интенсивным сельскохозяйственным производством. Один из путей решения проблемы состоит в рациональном/сбалансированном использовании этих соединений, что возможно при наличии адекватных методов анализа их содержания в образцах почвы, воды, сельскохозяйственной продукции.

Биосенсоры, основанные на электрохимическом принципе детекции иммуноферментной метки, в частности, на рН-чувствительных полевых транзисторах, относятся к группе аналитических устройств, которые, сохранив приемлемую для практических задач чувствительность, оказываются недорогими приборами, позволяющими выполнять иммунодетекцию пестицидов. Разработка иммунобиосенсоров на основе полевых транзисторов позволяет подойти к созданию компактных биосенсорных анализаторов, потенциально полезных не только для использования в центральных лабораториях, но также и для индивидуального децентрализованного применения.

Принцип детекции, реализованный в биосенсорах, основан на том, что биоматериал, иммобилизованный (закреплённый) на физическом датчике (преобразователе), при взаимодействии с определяемым соединением генерирует зависимый от его концентрации сигнал, который регистрируется преобразователем того или иного типа и после обработки данных представляется в численном виде. Современные БСС в медицине и экологии основаны на методе измерения тест-реакций БО – наиболее чувствительных, воспроизводимых и количественно-измеряемых реакций на стимул.

В экологии подобный подход используется в биотестировании, при котором реакция измеряется у лабораторно выращенного БО (тест-объекта), или в биоиндикации, когда БО забирают из естественной среды (индикаторный объект). Медицинские БХП создаются также на основе контроля тест-реакции к веществу, определяемому в организме человека или в пробе биологического вещества. Поэтому БХП – это искусственно организованный преобразователь с БО, проявляющий тест-реакцию к стимулу. В данном пособии сосредоточено внимание на БХП, получаемых лабораторным способом.

Биосенсоры часто требуют меньше реагентов, чем традиционные методы, что снижает затраты и экологические нагрузки. Это позволяет сократить отходы и улучшить устойчивость анализов. Многие биосенсоры могут быть адаптированы для измерения различных анализируемых веществ и их комбинаций. В пищевой промышленности можно одновременно контролировать несколько параметров, таких как уровень глюкозы, антибиотиков или микроорганизмов. Современные биосенсоры могут быть интегрированы в автоматизированные системы, что упрощает анализ и повышает его точность. Это полезно в промышленных масштабах для мониторинга процессов в реальном времени. Биосенсоры могут быть адаптированы под специфические задачи, изменив биорецепторы или условия работы, что позволяет им быть актуальными для разных областей, таких как токсикология, экология и охрана здоровья.

В медицине миниатюрные автоматизированные биосенсоры применяются для диагностики различных заболеваний и мониторинга состояния здоровья пациентов. Они способны анализировать биологические образцы, такие как кровь или моча, и обнаруживать наличие определенных биомаркеров, таких как уровень глюкозы, индикаторы воспаления или маркеры определенных заболеваний, включая рак, повреждения сердечной мышцы и мозга, что помогает в более точной и быстрой диагностике и контроле заболеваний.

В пищевой промышленности – для определения пищевых добавок, таких как консерванты и красители, обнаружения аллергенов, контроля за качеством продуктов питания и идентификации подделок, обеспечивая безопасность и соответствие стандартам безопасности и качества.

В области защиты окружающей среды биосенсоры используются для анализа воздуха с целью обнаружения и измерения различных вредных веществ, таких как токсичные газы, химические загрязнители и взвеси. Они также могут применяться для мониторинга качества почвы, позволяя определить наличие и концентрацию опасных веществ, что позволяет своевременно реагировать на проблемы с загрязнением и принимать соответствующие меры.

В области биотехнологий – для контроля и мониторинга процессов биоинженерии, таких как ферментационные процессы, производство биологически активных веществ и генетически модифицированных организмов. Они способны обнаруживать и определять содержание биологических молекул, измерять параметры реакций и обеспечивать точное и надежное управление биохимическими процессами.

В промышленности – для контроля за процессами производства и обнаружения загрязнений на производственных площадках. Они позволяют быстро и точно определять наличие вредных веществ, например, аммиака, метана и сероводорода, или несоответствий в производственных процессах, что способствует обеспечению качества продукции и повышению безопасности рабочей среды. В сельском хозяйстве – для анализа почвы и уровня урожайности, позволяя фермерам получать данные о составе почвы, содержании питательных веществ и оптимальных условиях для роста растений. Это помогает оптимизировать использование удобрений и воды, повышает эффективность сельскохозяйственного производства и снижает негативное воздействие на окружающую среду. В домашнем хозяйстве миниатюрные биосенсоры могут использоваться для контроля качества питьевой воды, позволяя обнаруживать наличие вредных веществ и обеспечивать безопасность воды, которую используют люди в своих домах. Они также могут помочь в детектировании вредных веществ в бытовой химии, что способствует предотвращению потенциальных опасностей для здоровья при использовании таких продуктов в быту.