4. D Биосенсоры—это аналитические устройства.

Биосенсоры... Что означает это слово? Эта книга в значительной мере посвящена детектированию реакций в растворе между пробой и добавленными реагентами с помощью аналитического метода (химического или физического); иногда в дополнение к собственно аналитическому этапу рассматриваются этапы пробоподготовки или разделения. Биосенсор — это «безреагентная» система; более корректно было бы сказать, что реагенты непосредственно интегрированы в биосенсор и, следовательно, не добавляются пользователем, что является преимуществом. Другим полезным свойством биосенсора является то, что не требуется никакой специальной подготовки пробы. Следовательно, биосенсоры, очевидно, связаны с иммобилизованными реагентами, т.е. с реакциями, инициируемыми в иммобилизованных слоях, и их исследованием. Однако эти черты уже встречались нам в главе о химических сенсорах. Так что же отличает биосенсоры?

Рис. 7.8-1. Схематическое изображение биосенсора.

Биосенсоры принадлежат к семейству молекулярных сенсоров и поэтому включают селективную к определяемому веществу поверхность вблизи преобразователя или интегрированную в преобразователь (рис. 7.8-1), функцией которой является передача сигнала о взаимодействии между поверхностью и определяемым веществом либо непосредственно, либо через химический медиатор. В биосенсорах специфичная к определяемому веществу поверхность использует биомолекулы, распознающие молекулярные участки или их аналоги.

Преобразователь — это детектор. Он отслеживает химическую или биохимическую реакцию, инициируемую при добавлении пробы. Природа преобразуемого параметра зависит от типа биоаналитического события, происходящего при детектировании определяемого вещества. Однако, поскольку в ходе аналитической реакции часто могут изменяться несколько параметров, выбор устройства не обязательно ограничен единственным преобразователем. Для сенсоров можно приспособить ряд имеющихся аналитических методов. (Рассмотрите примеры, приведенные в других главах, и обдумайте, можно ли осуществить такую трансформацию.)

В этой главе обсуждаются фундаментальные принципы биосенсорного устройства и компоненты, необходимые для его построения. Необходимо помнить, что не все сенсоры имеют корни в традиционных аналитических методах. Некоторые биосенсоры не имеют аналитических аналогов, с которыми их можно было бы сравнить, они были разработаны исключительно как сенсоры.

Вероятно, любой измеримый физико-химический параметр можно использовать в биосенсорах, хотя делать это не всегда практично! Наиболее широко распространенные устройства используют параметры, суммированные на рис. 7.8-2. В этой главе далее рассмотрены некоторые примеры, иллюстрирующие использование оптических и электрохимических методов.

1. Биораспознающий компонент и преобразователь

Биораспознающий компонент обусловливает селективность к определяемому веществу и формирует аналитический сигнал.

Биораспознающий компонент биосенсора — это белок, макромолекула или комплекс со специфической поверхностью или внутренними распознающими центрами, необходимый для распознавания определяемого вещества. Компонент обусловливает селективность по отношению к определяемому веществу и передает сигнал на преобразователь. Тип реакции, катализируемой ферментом, определяет выбор преобразователя. Определяемое вещество, а значит, и доступные методы преобразования обусловливают природу биораспознающего компонента. Рассмотрим два примера, в которых фермент используют для создания сенсора на субстрат этого фермента. На схеме 7.8-1 ферментативная реакция включает перенос электрона; таким образом, для определения холестерина можно использовать в качестве преобразователя амперометрический электрохимический сенсор. Схема 7.8-2 включает изменение [Н⁺]; следовательно, контроль превращения ацетилхолина возможен с помощью рН-электрода или рН-чувствительного красителя в оптическом приборе. Другие ферменты можно использовать в случае реакций гидролиза, этерификации, расщепления и т. д.; определяемое вещество обычно является субстратом фермента. (Как можно провести анализ, если вы не смогли найти подходящую ферментативную реакцию с участием определяемого вещества, но знаете, что оно является ингибитором ферментативной реакции?)

Если определяемое вещество является антигеном, оно может быть определено с помощью иммунного анализа (см. разд. 7.9). Для проведения такого анализа обычно используют метку, и выбор преобразователя зависит от природы метки (рис. 7.8-3). Были также предприняты попытки прослеживать комплек-сообразование между антигеном и антителом без метки.

Рис. 7.8-2. Параметры преобразования и тип устройства.

Схема 7.8-1. Катализируемое ферментом окисление холестерина.

Схема 7.8-2. Катализируемое ферментом превращение ацетилхолина в ацетат и холин, вызывающее увеличение [Н⁺].

Рис. 7.8-3. Типы иммуносенсоров. о — Модифицированная антителами поверхность преобразователя; б — конкурентный иммунный анализ, [*] ос l/[Ag); в — сандвичевый иммунный анализ, [*] ос [Ag]; г — гомогенный иммунный анализ, [*] ос l/[Agj.

Биораспознающие компоненты не ограничиваются макромолекулами. Живые клетки или их составные части могут обеспечить требуемую чувствительность к определяемому веществу, и преобразованный сигнал изменяется в соответствии с рассматриваемым клеточным процессом. Действие определяемого вещества можно контролировать по его влиянию на дыхание клетки (за которым можно следить с помощью кислородного электрода) либо на характеристики мембранного транспорта, или по усилению либо подавлению переноса заряда. Каким бы ни был параметр, клетки следует иммобилизовать на преобразователе.

Можно также использовать небиологические материалы, если возможно получение синтетических аналогов, которые отличаются всеми естественными характеристиками селективности с улучшенным преобразованием. Такие возможности выглядят очень привлекательно, но усилия по созданию селективных центров в виде, «дружественном для биосенсора», требуют больше времени и мастерства, если они столь же хороши, сколь и имитируемые природные макромолекулы.