19. Общая схема построения биосенсорных устройств

Биосенсоры – это устройства, которые используют биологические компоненты для детекции анализа химических веществ или биомолекул. Основная схема построения биосенсора включает несколько ключевых элементов:

Биологический компонент (бортовой элемент):

Это может быть фермент, антитело, клетка или другой биомолекулы, которые специфически взаимодействуют с целевым веществом (анализируемым веществом).

Например, ферменты могут катализировать реакцию с анализируемым веществом, антитела могут связываться с определенными антигенами.

Сенсорный элемент (детектор):

Этот элемент преобразует изменения, происходящие в биологическом компоненте в ответ на взаимодействие с анализируемым веществом, в читаемый сигнал.

Сенсоры могут быть электрическими (например, амперометрические, потенциометрические), оптическими (например, флуоресцентные или кольцевые) или механическими (например, на основе масс-спектрометрии).

Преобразователь сигнала:

Этот элемент преобразует сигнал, полученный от сенсорного элемента, в удобный для анализа формат. Это может быть аналоговый или цифровой сигнал.

Преобразователь обеспечивает линейную зависимость между концентрацией анализируемого вещества и величиной сигнала, что важно для количественного анализа.

Системы обработки данных:

Эти компоненты выполняют обработку, анализ и представление сигнала. Может включать программное обеспечение для анализа данных и пользовательский интерфейс.

Системы могут визуализировать результаты, выводить графики или выполнять вычисления для определения концентрации изучаемого вещества.

Принцип работы

Когда анализируемое вещество (анализат) взаимодействует с биокомпонентом, происходит специфическая реакция, которая может вызывать изменение в химическом составе (например, образование продуктов реакции или изменение концентрации субстратов). Это изменение фиксируется сенсорным элементом и преобразуется в сигнал, который далее анализируется.

20. Методы иммобилизации ферментов, антител (антигенов) и клеток в биосенсорных системах.

При изготовлении биосенсорных устройств биологические тестирующие компоненты иммобилизуются. Процесс иммобилизации, с одной стороны, позволяет избежать потери биологических тестирующих компонентов, с другой – дает возможность располагать эти элементы как можно ближе к физико-химическому датчику без дополнительных промежуточных приспособлений.

Иммобилизация путем адсорбции на носителях. Этот метод давно известен и наиболее прост. Сущность его заключается в инкубировании раствора белка или суспензии клеток в водной взвеси носителя с последующим отмыванием неадсорбированных элементов. В качестве носителей используется самый широкий набор веществ органической и неорганической природы.

Включение в пространственную сетку гелей. Преимуществом этого метода является то, что при включении в гель не происходит химической модификации глобул белка, исключается денатурация фермента или антитела, иммобилизация протекает в мягких условиях, что особенно важно при иммобилизации живых клеток или нативных клеточных органелл. Используются различные синтетические органические (полиакриламидный, полиэтиленгликольметакрилатный, поливиниловый спирт и др.) и полисахаридные (агаровый, альгинатный, хитозановый и т. п.) гели, а также различные неорганические гели. Метод относительно прост и нетрудоемок.

Иммобилизация путем сшивания бифункциональными реагентами. Этим способом получаются, например, мембраны, используемые в ферментных электродах. При добавлении же в раствор фермента реагента, обладающего двумя или большим числом реакционноспособных групп, глобулы белка сшиваются с образованием пространственной сетки.

Используя целлофан, коллаген или эфиры на основе целлюлозы, можно получить весьма тонкие мембраны. Комбинация из нескольких тонких мембран дает полиферментную мембрану с невысокой активностью. Полученная таким способом мембрана может быть применена для изготовления ферментного электрода.

Иммобилизация микрокапсулированием. Особенностью иммобилизации ферментов микрокапсулированием является то, что водные растворы белков включают в полупроницаемые микрокапсулы размером от одного до нескольких сотен микрон. Микрокапсулирование проводится методом межфазных коацервации и поликонденсации.

21. Электрохимические методы. Импенданс мне в сраку

Электрохимические методы представляют собой группу аналитических и исследовательских методов, основанных на электрических и электрохимических явлениях. Они широко используются в различных областях, включая химию, биохимию, материаловедение, экологию и медицину.

Вольтамперометрия – метод, основанный на измерении тока, проходящего через электрод в зависимости от приложенного напряжения. Используется для определения концентрации определенных ионов или молекул.

Потенциометрия – метод, при котором измеряются изменения электрохимического потенциала. Обеспечивает информацию о концентрации ионов, например, с помощью ионоселективных электродов.

Импедансная спектроскопия – метод, позволяющий исследовать электродные процессы и характеристики материалов, основываясь на измерении распространяемого через систему импеданса при различных частотах.

Электролиз – процесс разложения химических соединений с помощью электрического тока. Применяется в производстве, например, для получения металлов из руд или в очистке воды.

Термостатическое титрование – комбинация потенциометрии и титрования, при которой изменение потенциала обеспечивает информацию о процессе титрования.

Суперкапаситоры и литий-ионные аккумуляторы – технологии, основанные на электрохимических методах, используются для хранения и преобразования энергии.

22.Характеристика электрохимических методов анализа тест-реакции биологического элемента биосенсора.

Электрохимические методы анализа представляют собой важный инструмент в исследовании тест-реакций биологических элементов, используемых в биосенсорах. Основной принцип работы таких сенсоров заключается в регистрации изменений электрических характеристик, которые происходят в результате взаимодействия биомолекул с аналитом. Эти методы позволяют достичь высокой чувствительности и специфичности, что делает их особенно привлекательными для диагностики заболеваний и мониторинга биохимических процессов.

Одним из ключевых преимуществ электрохимических методов является возможность их выполнения в реальном времени и в условиях, близких к натуральным. Это позволяет не только снизить временные затраты на анализ, но и повысить точность получаемых данных. Например, использование амперометрического анализа, при котором ток, создаваемый окислительно-восстановительными реакциями, измеряется при постоянном потенциале, обеспечивает глубокое понимание реакции между биосенсором и целевыми молекулами.

Кроме того, развитие нанотехнологий, таких как создание наноразмерных электродов и использование функционализированных наноматериалов, значительно улучшает характеристики биосенсоров. Это способствует увеличению активности биологического элемента и улучшению его стабильности, что в свою очередь открывает новые горизонты для разработки более эффективных диагностических методов на основе электрохимического анализа.