БИОЭЛЕКТРОНИКА
БИОСЕНСОРЫ
Биосенсорная технология сочетает в себе достижения биологии и современной микроэлектроники. Биосенсоры могут быть использованы для:
–измерения пищевой ценности, свежести и безопасности продуктов питания;
–экспресс-анализа крови непосредственно у кровати больного;
–обнаружения и измерения степени загрязнения окружающей среды;
–детекции и определения количества взрывчатых веществ, токсинов и возможного биологического оружия.
Биосенсор - устройство, в котором чувствительный слой, содержащий биологический материал, непосредственно реагирующий на присутствие определяемого компонента, генерирует сигнал, функционально связанный с
концентрацией этого компонента.
Конструктивно биосенсор представляет собой комбинированное устройство, состоящее из двух преобразователей, или трансдьюсеров, -
биохимического и физического, находящихся в тесном контакте друг с другом. Биохимический преобразователь, или биотрансдьюсер, выполняет функцию биологического элемента распознавания, преобразуя определяемый компонент, а точнее, информацию о химических связях в физическое или химическое свойство или сигнал, а физический преобразователь это свойство фиксирует с помощью специальной аппаратуры.
Типы чувствительных |
|
элементов распознавания |
|
(биослой) и физических |
|
преобразователей в |
Биослой |
|
|
сенсорах |
(биологический |
элемент |
|
|
распознавания) |
Физический
преобразователь
Целые организмы Живые ткани Клетки Органеллы Мембраны клеток
Ферменты (индивидуальные)
Препараты ферментов (неочищенные)
Рецепторы
Антитела Нуклеиновые кислоты
Потенциометрические
Амперометрические
Кондуктометрические Оптические (оптроды) Акустические Тепловые Механические
а |
б |
|
Внешний вид биосенсорных экспресс-анализаторов: А – «БИОЛАН-1010» для анализа крахмала, глюкозы, этанола и активности ферментов; Б – «БиоРАН-01» для экспресс-оценки индекса БПК (биохимическое потребление кислорода).
В табл. 1 в качестве примера приведены характеристики прибора «БИОЛАН-1010» для случаев, когда в качестве сменных модулей используются биорецепторы – мембраны с иммобилизованными на них биологическими материалами (ферментами или микроорганизмами), ориентированные на измерение концентраций растворенных крахмала, глюкозы и этанола.
Таблица 1
Параметры
сенсора
Диапазон
измерения
Время анализа,
с
Период измерения*, мин
Относительная погрешность, %
Операционная
стабильность**,
сут
Стабильность при хранении (+4 о С), сут
Алкогольоксидаза
этанол
0.05 – 2.50 мМ
60
5
2 – 5
Биорецептор
Глюкозооксидаза 
Глюкозооксидаза и глюкоамилаза
Анализируемое соединение
глюкоза |
крахмал |
0.05 – 2.50 мМ |
0.03 – 0.5 г/л |
60 |
200 |
5 |
10 – 15 |
2 – 5 |
3 – 5 |
G . oxydans
и глюкоамилаза
крахмал
0.03 – 0.5 г/л
200
10 – 15
3 – 5
7 |
10 |
10 |
4 |
200 |
200 |
180 |
90 |
*Период измерения включает время анализа и время восстановления сигнала. **Стабильность сенсора при проведении непрерывных измерений.
|
ТИПЫ БИОСЕНСОРОВ. |
В амперометрическом |
Биосенсоры на основе ферментов |
|
|
биосенсоре на глюкозу с |
|
участием глюкозоксидазы |
|
используется реакция |
|
окисления глюкозы |
|
кислородом с |
|
образованием пероксида |
|
водорода, при этом |
|
регистрируется ток |
|
восстановления |
|
кислорода или |
|
уменьшение концентрации |
|
пероксида водорода. |
|
Содержание мочевины в крови является важным клиническим параметром, характеризующим функционирование
почек. В норме концентрация мочевины биосенсор на мочевину лежит в интервале 3,6-8,9 мМ
АЦЕТИЛХОЛИНЭСТЕРАЗА (ацетилхолин-ацетилгидролаза), фермент класса гидролаз, катализирующий гидролиз ацетилхолина
Ацетилхолинэстераза
Ацетилхолин |
|
Холин + уксусная кислота |
|
Большая группа фосфорорганических соединений выступает в роли сильных ядов, блокируя в центральной нервной системе фермент ацетилхолинэстеразу. Аналогично действует большинство пестицидов. Разработаны высокочувствительные биосенсоры для обнаружения таких соединений.
λ= 400 нм
нитрофенилацетат |
нитрофенол |
Биосенсор на аскорбиновую кислоту, состоящий из электрода Кларка и пластины кожуры огурца или тыквы, служащей источником аскорбиноксидазы. Активность фермента в такой природной матрице достаточна для проведения 50-80 определений аскорбиновой кислоты в различных объектах.
Пластины биоматериала могут храниться без потери активности в течение года в 50%-ном глицерине.
ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ БИОТЕХНОЛОГИЯ
Показатели загрязненности сточных вод
Химическое потребление кислорода (ХПК)
- Количество кислорода, потребляемое при химическом окислении содержащихся в воде органических и неорганических веществ под действием окислителей (ГОСТ 31859-2012). Правила охраны поверхностных вод (1991) устанавливают норматив ХПК для водоемов и водотоков в местах хозяйственно-питьевого водопользования - не более 15 мгО2/л и в местах коммунально-бытового водопользования - не более 30
мгО2/л.
Биохимическое потребление кислорода (БПК)
- показатель загрязнения воды органическими соединениями, определяемый количеством кислорода, пошедшим за установленное время (обычно 5 суток - БПК5) в аэробных условиях на окисление загрязняющих веществ, содержащихся в единице объема воды. Как правило, в течение 5 суток при нормальных условиях происходит окисление ~ 70% легкоокисляющихся органических веществ; практически полное окисление (БПКполн или БПК20) достигается в течение 20 суток. Для источников централизованного хозяйственно-питьевого водоснабжения (ГОСТ 2761-84) и водных объектов, используемых в рыбохозяйственных целях, БПКполн не должно превышать 3 мг О2/л.
