Биосенсоры

БИОСЕНСОРЫ, компактные аналитические устройства; состоят из биодатчика, генерирующего «первичный» сигнал при взаимодействии с определёнными компонентами анализируемой среды (биологически активные вещества, гербициды, OB, ионы металлов, водорода и так далее), и преобразователя, который превращает «первичный» сигнал биодатчика в информацию о свойствах среды. Биосенсоры можно рассматривать как упрощённую модель сенсорных систем, например, органов чувств (отсюда название). Биосенсоры позволяют осуществлять быстрый анализ компонентов окружающей среды (экологическая диагностика), дать оценку качества продуктов питания, установить наличие солей тяжёлых металлов, токсинов, антибиотиков и других соединений в образцах различного происхождения, в том числе в биологических жидкостях.

Учение о биосенсорах - биосенсорика, находясь на стыке разных областей знаний, основывается на новейших достижениях в области молекулярной биологии, биотехнологии, химии и физики полимеров, микроэлектроники, компьютерной техники и др.

Биодатчик (его называют также биологически чувствительным или биоактивным элементом) может быть представлен молекулами любых биополимеров, целыми клетками или кусочками тканей, а также одноцепочечными молекулами ДНК или олигонуклеотидами (такие биосенсоры называются геносенсорами или биочипами). Как правило, некоторое число биологических молекул зафиксировано на поверхности носителя (или в его составе) таким образом, чтобы сохранялись их исходные свойства. Биодатчик обнаруживает определённые соединения и «сообщает» об их наличии изменением формы, массы, цвета, свойств поверхности, изменением или поглощением теплоты, а также появлением ионов водорода, кислорода или новых соединений. В соответствии с многообразием «первичных» сигналов существуют разные типы преобразователей - электрохимические, гравиметрические и так далее.

В основе работы любого биосенсора лежат процессы, происходящие между молекулами биодатчика и молекулами анализируемой среды, - молекулярное узнавание. Исходя из этого, выделяют 2 типа биосенсоров. Работа аффинных биосенсоров связана с образованием комплексов между молекулами, присутствующими в анализируемой пробе (лиганд), и молекулами биодатчика (рецептор). Аналогичным образом антитела «узнают» антигены, пуриновые основания в молекулах нуклеиновых кислот - комплементарные им пиримидиновые основания, и т. д. Чем специфичнее реакция молекулярного узнавания, тем выше чувствительность биосенсоров. Аффинные биосенсоры удобны для быстрого анализа смеси близкородственных соединений, концентрация которых лежит в пределах 10^-7—10^-15 моль/л. Наиболее высокой специфичностью обладают иммунные биосенсоры на основе моноклональных антител, которые улавливают особенно низкие концентрации антигенов (до 10^-21 моль/л). Ферментные биосенсоры позволяют идентифицировать в анализируемом растворе молекулы субстрата. Появляющиеся в результате взаимодействия фермента с субстратом продукты реакции могут определяться различными типами преобразователей. Например, при окислении глюкозы с помощью фермента β-глюкозидазы появляется несколько возможностей для слежения за ходом этой реакции и, следовательно, использования разных типов преобразователей:

При помощи кислородного электрода можно определить концентрацию кислорода; используя методы колориметрии, амперометрии или по изменению люминесценции - следить за накоплением пероксида водорода; калориметрические методы позволяют учитывать выделение теплоты (Q), pH-чувствительные электроды - изменение концентрации ионов водорода. Таким образом, по желанию (в зависимости от конкретных условий) можно конструировать разные биосенсоры для определения концентрации одного и того же вещества (в данном случае - глюкозы).

Биосенсоры делят также на 2 группы в зависимости от особенностей их конструкции. В «классических» биосенсорах биодатчики являются структурной частью преобразователя сигнала. Во 2-й группе биосенсоров биодатчики представлены плёнками, мембранами или одноразовыми колонками, которые контактируют с преобразователем только во время анализа. Основными требованиями, предъявляемыми к биосенсорам, являются простота и удобство в работе, низкая стоимость анализа, возможность проведения непрерывного быстрого анализа.

Лит.: Биосенсоры: основы и приложения. М., 1992; Advances in Biosensors. 1995. Vol. 3: Biosensors: а Russian perspective; Biosensors and Bioelectronics. 1995. Vol. 11. № 9: Biosensors Research in Russia; Сенсорные системы. 1997. Т. 11. Вып. 4; 1998. Т. 12. Вып. 1; Каттралл Р. В. Химические сенсоры. М., 2000.