 |
|
Биосенсоры, их конструкционные особенности
Идея создания биосенсоров в значительной степени связана с исследованиями Лиланда Кларка-младшего с коллегами, развитыми в 1962 г. Они предположили, что если бы ферменты можно было иммобилизовать на электрохимических датчиках, то такие "ферментные электроды" расширили бы диапазон аналитических возможностей базового датчика.
Биосенсор – это устройство, в котором чувствительный слой, содержащий биологический материал (ферменты, ткани, бактерии, дрожжи, антигены/антитела, липосомы, органеллы, рецепторы, ДНК), непосредственно реагирующий на присутствие определяемого компонента, генерирует сигнал, функционально связанный с концентрацией этого компонента.
Конструктивно биосенсор представляет собой комбинированное устройство, состоящее из двух преобразователей – биохимического и физического, находящихся в тесном контакте друг с другом.
Биохимический преобразователь выполняет функцию биологического элемента распознавания, преобразуя информацию о химических связях определяемого компонента в физический сигнал или химическое свойство, а физический преобразователь это свойство фиксирует с помощью специальной аппаратуры. В данном случае реализуется принципиально новый способ получения информации о химическом составе раствора. Наличие в устройстве биоматериала с уникальными свойствами позволяет с высокой селективностью определять нужные соединения в сложной по составу смеси, не прибегая ни к каким дополнительным операциям, связанным с использованием других реагентов, концентрированием и т. д. (отсюда и название – безреагентные методы анализа).
Существует большое разнообразие физических преобразователей:
электрохимические,
спектроскопические,
термические,
пьезоэлектрические,
преобразователи на поверхностных акустических волнах и т.п.
В настоящее время наибольшее распространение получили электрохимические преобразователи. Одни из них генерируют потенциал на специальном электроде, на поверхность которого нанесен слой биоматериала, другие генерируют электрический ток реакции продукта превращения определяемого вещества на поверхности электрода, вызванного биоматериалом (потенцио- и амперометрические биосенсоры).
Физический преобразователь, использующий изменение светопоглощения в области липидного биослоя мембраны живых систем, называется оптоволоконным биосенсором, так как измеряемый сигнал передается измерительному прибору по оптическому волокну. Соответствующий физический преобразователь по аналогии с электродом называют оптродом.
По названию преобразователя можно сделать вывод о характере используемого физического свойства. Использование микропроцессоров делает биосенсорные устройства достаточно компактными.
Метрологические характеристики биосенсоров вполне приемлемы. Относительное стандартное отклонение определяемой концентрации не выше 10-12 %, нижняя граница определяемых концентраций достигает 10-15 моль/л. Некоторые биосенсоры работают по принципу да-нет, что вполне приемлемо, когда решается вопрос о присутствии ультрамалых количеств высокотоксичных веществ в объектах окружающей среды. Если определяемые компоненты находятся в сложной смеси или матрице или же близки по своим свойствам, то при анализе используют хроматографические методы разделения. Контроль по разделению компонентов осуществляют с помощью системы детекторов на основе биосенсоров.
Пример разработки биосенсоров, основанных на использовании природного хеморецептора. Хеморецептор, извлеченный из чувствительных антенн (органелл) голубого морского краба, был прикреплен к ультрамикроэлектроду, измеряющему потенциал. В результате был изготовлен новый тип потенциометрического детектора, чрезвычайно быстро реагирующего на ничтожные изменения состава среды, в которую он погружен. Сам голубой краб очень чувствителен к следам тяжелых металлов и живет только в чистейшей морской воде.