12.3. Биосенсоры

Биосенсор – это устройство, в котором чувствительный слой содержит биологический материал: ферменты, ткани, бактерии, дрожжи, антигены (антитела), липосомы, органеллы, рецепторы, ДНК. Этот слой непосредственно реагирует на присутствие определяемого компонента и генерирует сигнал, зависящий от концентрации этого компонента. Для иллюстрации высокоселективных реакций, протекающих между биологическими молекулами, предложен механизм, получивший название «ключ-замок».

Конструктивно биосенсор аналогичен остальным видам химических сенсоров и состоит из двух преобразователей (биохимического и физического), находящихся в тесном контакте друг с другом. При этом биохимический преобразователь, или биотрансдьюсер, выполняет функцию биологического элемента распознавания, преобразуя определяемый компонент, точнее, информацию о химических связях в физическое или химическое свойство или сигнал, а физический преобразователь позволяет зарегистрировать этот сигнал. Наличие в устройстве биоматериала с уникальными свойствами позволяет с высокой селективностью определять нужные соединения в сложной по составу смеси, не прибегая к дополнительным операциям, связанным с использованием других реагентов. В качестве трансдьюсеров могут быть использованы электрохимические, спектроскопические, термические, пьезоэлектрические, на поверхностных акустических волнах и интегрально-оптические преобразователи.

Биосенсоры на основе ферментов. Ферментативный катализ обеспечивает биоселектирующими возможностями основную массу современных биосенсоров. Сопряжение ферментативно-каталитических и электрохимических реакций, происходящих на электропроводящих материалах, погруженных в раствор электролита, позволило разработать большое количество биосенсоров для определения глюкозы, аминокислот, молочного сахара, мочевины и других соединений. Для иммобилизации ферментов применяют органические полупроводники.

Иногда ферменты используются непосредственно в составе тканей организмов животных или растений. Преимущества использования тканей вместо очищенных ферментов состоит в том, что они существенно дешевле и содержащиеся в них ферменты находятся в естественном окружении, поэтому они дольше и надежнее работают.

Самое большое практическое значение ферментные электроды приобрели в медицине, где биосенсоры используются в датчиках для определения биологически важных соединений, концентрация которых в организме меньше 10^–6 М (инсулин, иммуноглобулин, лидокаин, х-аспарагиназа и др.).

Клеточные биосенсоры. Одно из достижений биотехнологии и биоинженерии связано с развитием методов включения живых клеток в полимеры и твердые носители различной природы и применением такого рода материалов для решения задач медицины, управляемого биосинтеза и анализа. Клеточные биосенсоры наряду с ферментными занимают лидирующие позиции по степени разработки и внедрения. В число достоинств таких биоиндикаторов входит способность проводить анализ с пространственным разрешением порядка размера клетки.

Для получения таких сенсоров используют клетки растений, животных, человека, микроорганизмов. В отличие от ферментов при использовании клеток не требуется дорогостоящих стадий очистки. Имеющиеся методы иммобилизации позволяют получить клетки, сохраняющие около 100% активности ферментов и способные функционировать достаточно длительные промежутки времени. При создании клеточных биосенсоров применяется метод иммобилизации клеток на материалах природного происхождения (желатин, агар, альгинат кальция, каррагенан) и в синтетические полимерные гели, например, криоиммобилизация при использовании низких температур. Для создания клеточных биосенсоров используются самые различные физические трансдьюсеры: электрохимические, кондуктометрические, оптические, акустические, калориметрические.

Применение клеточных биосенсоров достаточно многообразно. Созданы биосенсоры для селективного определения фенолов, молочной и аскорбиновой кислот, глюкозы, для экспресс-анализа качества воды и сточных вод, для анализа химического состава почвы, быстрого обнаружения токсичных веществ, возможности измерять концентрацию веществ в естественной среде, а не в пробе.

Относительное стандартное отклонение определяемой концентрации такими сенсорами не менее 10–12%, при этом нижняя граница определяемых содержаний достигает 10^–10–10^–15 моль/л.

Некоторые биосенсоры работают по принципу «да-нет», что приемлемо в случае определения присутствия ультрамалых количеств высокотоксичных веществ в объектах окружающей среды. Если определяемые компоненты находятся в сложной смеси, матрице или близки по своим свойствам, то при анализе используются хроматографические методы разделения.

Биомедицинские сенсоры можно разделить на физические и химические датчики. Физические датчики измеряют геометрические, механические, термические, гидродинамические и другие параметры. Из этого класса выделяют два специальных типа сенсоров: сенсоры для электрических явлений, обычно называемые электродами, или биоэлектродами, и оптические сенсоры. Химические сенсоры измеряют концентрации разнообразных веществ.

Микроанализатор. В последнее время для миниатюризации систем аналитического контроля используются различные способы модифицирования электродов для придания им специфического отклика, что позволяет производить измерения in vivo (вживую) в тканях и даже в отдельных клетках. На основе модифицированного угольного волокна изготовлен ультрамикроэлектрод, позволяющий определять связанный никель в отдельных биологических клетках.

В настоящее время налажено промышленное производство тест-устройств на основе фермента холинэстеразы, предназначенных для контроля остаточных количеств фосфорорганических и карбаминатных пестицидов в продуктах питания и объектах окружающей среды с пределами обнаружения 0,05–30 мкг/л. Биосенсоры позволяют определять практически весь спектр токсикантов, исключая лишь диоксины и радиоактивные элементы.

В настоящее время разработаны и используются биочипы для выявления туберкулеза, разновидностей вируса гепатита С, биосенсор для определения соединений, токсичных для ДНК.