Будова біосенсорів

Біосенесор – аналітичний прилад, що містить іммобілізований біологічний матеріал, та за допомогою відповідного перетворювача перетворює інформацію про властивості досліджуваної системи в кількісний сигнал. Інформація про властивості суміші, яку аналізують, в найбільш простому випадку може бути представлена, як концентрація біологічно активних, або токсичних сполук, однак це може бути і концентрація солей, іонів водню, кисню.

розпізнавання

Біодатчик

Схема 2. Принципова конструктивна схема біосенсорів.

На схемі 2 показана узагальнена схема біосенсорів. Вона ілюструє основну ідею біосенсора: біологічні молекули, що пов’язані з перетворювачем, “перетворюють” свою біологічну активність в електричний чи інший сигнал, що вимірюється.

Перша важлива частина будь-якого біосенсора – біологічно чутливий елемент. Біодатчик можна розглядати як сукупність біологічних молекул, який виявляє характерні біохімічні або хімічні сполуки та сигналізує про їх наявність, генеруючи специфічний “первинний” сигнал, тобто зміну форми, кольору та інших властивостей системи, чи про появу в ній нового продукту. Щоб отримати кількісну інформацію про властивості суміші, що аналізують, біосенсор має бути високої чутливості. Чутливість біосенсора та специфічність його роботи визначають фізико-хімічні процеси, що проходять на молекулярному рівні між молекулами біодатчика, і молекулами речовини, яка аналізується. “Молекулярне розпізнавання” характерно для різних молекул. Рецептори “розпізнають” ліганди; ферменти “розпізнають” субстрати; антитіла – антигени. Чим специфічніша реакція “молекулярного розпізнавання”, тим більша чутливість біосенсора.

Друга важлива частина біосенсора – перетворювач “первинного” сигналу і система відображення результатів.

Типи біосенсорів за будовою та функціями.

По конструктивному рішенню біосенсори діляться на два типи. У першому типі біодатчики є структурною фізичною частиною перетворювача сигналу (класичні біосенсори). У другому типі біосенсорів біодатчики являють собою мембрани, плівки однократного застосування, що контактують з перетворювачем тільки під час аналізу отриманих результатів, і які можуть бути відділені від перетворювача. Оскільки “молекулярне розпізнавання” – процес який супроводжується фізико-хімічними змінами в системі, існують два основних функціональних типи біосенсорів.

Перший тип – афінні біосенсори (схема 2), біосенсори які основані на утворенні комплексу біологічних молекул; рецептором може бути будь-яка біологічна молекула у цьому випадку рецептори біодатчика ”розпізнають” молекули сполук (ліганди), що присутні в аналізуючій пробі, розрізняють їх і утворюють найбільш міцний комплекс тільки з одним із них. Молекулярне “розпізнавання ” рецепторів і лігандів, утворення комплексу між ними – основні процеси на молекулярному рівні, що проходять у цьому типі біосенсорів.

Реакційна суміш Формування комплексу

«мішень»

Схема 2 Схематична будова афінного біосенсора

Виміри виділення або поглинання тепла, виміри форми, маси, кольору або властивостей поверхні біодатчика та інші прояви, які відбуваються при комплексоутворенні, являють собою «первинні» сигнали в системі. Найбільш характерний з них визначається відповідним перетворювачем, підсилюється, і подається як «вторинний» сигнал, тобто отримуємо кількісну інформацію про властивості суміші, що аналізується.

Другий тип – ферментні біосенсори (схема 3). У цьому випадку молекули фермента в складі біодатчика «розпізнають» молекули відповідного субстрату, що міститься в аналізуючій суміші. Продукти (йони водню, гідроксилу, та ін.), які утворилися в результаті ферментативної реакції являють собою «первинний » сигнал в системі. Так як і в афінних біосенсорах, найбільш характерний сигнал визначається відповідним перетворювачем, який підсилюється і проявляється у вигляді «вторинного» сигналу.

Реакційна суміш

+

+

фермент

Схема 3. Схематична будова ферментного біосенсора

Процес окиснення глюкози в ферментних біосенсорах проходить за такою схемою:

(а) - глюкозооксидаза

-D-глюкоза + ¹/₂ О₂ +Н₂О D- глюконо--лактон +

б) (в) (г)

Н₂О₂ + виділення тепла D- глюконова кислота + Н⁺

Дана схема цікава тим, що вона ілюструє декілька можливостей (показано буквами від а до г), які можна прослідкувати за проходженням реакції, що відповідно вказує на підходи до визначення біосенсорами концентрації глюкози. За допомогою кисневого електроду, наприклад, можна визначити концентрацію кисню (а); методами колориметрії, амперометрії можна прослідкувати за накопиченням пероксиду водню (б), калориметричними методами – виділення теплоти (в), рН-електродом виявити наявність у середовищі іонів водню (г).

Наведений приклад з визначенням глюкози показує, що в залежності від конкретних умов можна вибрати різні стратегії конструювання біосенсорів для визначення концентрації однієї й тієї ж речовини.

У 1962 році Л. Кларк і Ч. Лайонс вперше визначили глюкозу амперометричним електродом. Цей рік можна назвати роком народження біосенсора, хоча сам термін ще не використовувався. У 1967 році С. Апдайк і Г. Хікс використали назву “ферментний електрод” для визначення приладу, що являв собою кисневий електрод, на поверхні якого була нанесена глюкозооксидоза, за допомогою якої проводилось визначення глюкози. Біосенсори в яких використовується взаємодія “рецептор-ліганд” (схема 2), або ферментні електроди, визначають сполуки з близькими властивостями. Це зручно для швидкого визначення цілих груп споріднених сполук.

Найбільш високою специфічністю володіють імунні біосенсори, в яких молекули моноклональних антитіл (рецептори) утворюють комплекси (схема 2) з відповідними антигенами (лігандами). У цьому випадку можна визначити дуже низькі концентрації одного класу сполук (10^-21М).