Биосенсор как аналитическая система

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Что такое биосенсор

2. Классификация биосенсоров

3. Возможное использование биосенсоров, применение биосенсоров в клинической медицине

Заключение

Литература

Введение

биосенсор аналитическая система

В последние годы все более пристальное внимание привлекается к разработке экспрессных методов анализа, характеризующихся высокой доступностью, и вместе с тем, обладающих достаточными уровнями чувствительности и избирательности. Особый интерес вызывает возможность миниатюризации подобных аналитических устройств. Наиболее яркими представителями аналитических систем, сочетающих в себе перечисленные качества, являются биосенсоры.

Идея создания такого рода устройств существует уже около 30 лет. Впервые ее высказали, по-видимому, Кларк и Лионс в 1967 году. Идея Кларка состояла в использовании ферментного электрода, то есть электрохимического датчика с иммобилизованным на его поверхности ферментом. За прошедшие десятилетия эта идея получила достаточное развитие.

Большинство биосенсоров ориентированы на анализ биологических жидкостей. Задача заключается в том, чтобы быстро и эффективно (количественно) определить концентрацию нужного соединения, например глюкозы. Для людей, страдающих диабетом, это жизненно важный клинический анализ.

1. Что такое биосенсор

Биосенсор -- это аналитический прибор, в котором для определения химических соединений используются реакции этих соединений, катализируемые ферментами, иммунохимические реакции или реакции, проходящие в органеллах, клетках или тканях. В биосенсорах биологический компонент сочетается с физико-химическим преобразователем.

Биосенсоры состоят из трёх частей:

· биоселективного элемента (биологический материал, например ткани, микроорганизмы, органеллы, клеточные рецепторы, ферменты, антитела, нуклеиновые кислоты, и т. д.), материал биологического происхождения. Чувствительный элемент может быть создан с помощью биоинженерии.

· преобразователя (работает на физико-химических принципах; оптический, пьезоэлектрический, электрохимический, и т. д.), который преобразует сигнал, появляющийся в результате взаимодействия аналита с биоселективным элементом, в другой сигнал, который проще измерить;

· связанная электроника, которая отвечает в первую очередь за отображение результатов в удобном для пользователя виде.

2. Классификация биосенсоров

В зависимости от типа преобразователя, биосенсоры классифицируют на оптические, акустические, калориметрические, термические и электрохимические. Электрохимические биосенсоры, в свою очередь, делят на потенциометрические, амперометрические и кондуктометрические.

Оптические биосенсоры

Оптические химические сенсоры являются одной из важнейших категорий химических сенсоров. В зависимости от типа оптических сенсоров их действие основано на следующих принципах:

Абсорбция. Способность вещества поглощать оптическое излучение зависит от строения атомов (молекул), а также от агрегатного состояния вещества, его концентрации, толщины слоя, длины волны и других факторов.

Основные законы поглощения оптического излучения, на которых основано применение эффекта абсорбции для исследования и анализа вещества - закон Бугера-Ламберта и закон Бера.

Если оба закона выполняются, то справедлив объединенный закон Бугера-Ламберта-Бэра.

Отражение. При падении потока света на границу раздела двух сред часть его излучения отражается обратно. При этом характер отражения зависит от свойств сред и размеров неровностей на границе раздела этих сред. Интенсивность отраженного света определяется электронным строением атомов, молекул и ионов в поверхностном слое вещества, процессами поглощения и многократного рассеяния в нем, а также зависит от длины волны падающего света. Это позволяет использовать эффект отражения для исследования состава и строения поверхностных слоев твердого тела и мутных сред, а также идентифицировать адсорбированные соединения.

Люминесценция. Это явление представляет собой свечение вещества, возникающее после поглощения им энергии возбуждения, и является избыточным излучением по сравнению с тепловым излучением тела при данной температуре.

Фотолюминесценция, источником которой является свет, имеет наибольшее значение для определения состава среды. Фотолюминесценцию характеризуют спектрами поглощения и люминесценции, поляризацией, энергетическим выходом (отношение энергии, излучаемой веществом в виде люминесценции к поглощенной энергии), квантовым выходом (отношение числа излученных квантов к числу поглощенных) и кинетикой.

Наиболее широко применяют анализ, основанный на фотолюминесценции возбуждаемой УФ-излучением, источником которого служат ртутно-кварцевые и ксеноновые лампы, а также - лазеры. Регистрация люминесценции производится визуально и фотоэлектрическим способом (с помощью спектрофотометра). Характеристики фотолюминесценции позволяют сделать выводы о присутствии в исследуемых образцах определенных веществ и их концентрации. Количественный анализ основан на зависимости интенсивности люминесценции от количества люминесцирующего вещества.

Электрохимические биосенсоры

Электрохимические биосенсоры обычно основаны на ферментативном катализе реакции, в которой освобождаются или поглощаются электроны (используемые ферменты принадлежат к классу оксидоредуктаз). Биосенсор обычно включает в себя три электрода: электрод сравнения, рабочий и вспомогательный. На поверхность рабочего электрода наносят биологический материал, который специфически вступает в реакцию с аналитом. Заряженные продукты реакции создают на рабочем электроде потенциал, который отнимается от потенциала на электроде сравнения для получения выходящего сигнала. Применяется также измерение силы тока (в этом случае интенсивность потока электронов пропорциональна концентрации аналита) при постоянном потенциале или потенциал можно измерять при нулевой силе тока.

Другие типы биосенсоров

В пьезоэлектрических сенсорах используются кристаллы, которые эластически деформируются при воздействии на них электрического потенциала. Переменный потенциал при определённой частоте вызывает стоячую волну в кристалле. Эта частота в значительной степени зависит от эластичных свойств кристалла, поэтому, если кристалл покрыт биологическим распознающим элементом, присоединение большого количества аналита к рецептору приведет к изменению резонансной частоты, что и служит сигналом о связывании.

Термические и магнитные биосенсоры практически не распространены.

3. Возможное использование биосенсоров, применение биосенсоров в клинической медицине

Биосенсор in vivo можно определить как небольшой датчик зондового типа, который вводится или прикрепляется к телу для непрерывного определения (без добавления реагентов) концентрации веществ, представляющих интерес для выявления патологии. Биосенсоры, основанные на кислородном электроде позволяют определять разнообразные субстраты ферментов: кроме глюкозы - лактаты, L-аминокислоты, салицилаты, оксалаты, пируваты, то есть анионы соответствующих карбоновых кислот. С помощью биосенсоров можно при некоторой определенной концентрации субстрата оценивать активность собственно фермента по величине измеряемого сигнала ( потенциала, тока и т. д.). Из описания работы фермента следует, что измеряемый сигнал зависит не только от концентрации субстрата, но и от каталитической активности биологического преобразователя, то есть фермента. Такое использование биосенсоров позволяет измерить активность большого числа ферментов, например в крови. Оценка активности ферментов, связанных с сердечной деятельностью, таких, как аспартамаминотрансфераза, креатинкиназа, позволяет в клинических условиях оценивать глубину инфаркта миокарда. Измерения активности фермента амилазы используются в педиатрии.

Заключение

Развитие биосенсоров обещает множество новых открытий в разных отраслях. Параллельное совершенствование микро- и наносистемной техники и сенсорных технологий приведет к созданию внедрению микроаналитических систем, это позволит перейти на новый уровень миниатюризации оборудования и точности измерений.Распознающий элемент биосенсора находится в непосредственном контакте с исследуемым образцом, именно он отвечает за химические и биохимические реакции, протекающие в процессе анализа. Наиболее универсальным направлением развития являются биосенсоры, использующие антитела, т.к. могут быть изготовлены для связывания чрезвычайно широкого класса веществ. С точки зрения экономичности подают большие надежды клеточные биоиндикаторы, технологии создания которых стремительно развиваются. В целом, биосенсоры можно включить в список тех высокотехнологичных устройств, которые в настоящее время активно разрабатываются и в ХХI веке будут широко внедрены. В этот список входят микро- и нанороботы, молекулярные запоминающие устройства, одномолекулярные транзисторы, «умные» стекла и другие научные достижения.

Литература

1. Clark L.C., Lyons C. // Ann N.Y. Acad. Sci. 1962. Vol. 102. P. 29-45.

2. Березин И.В., Богдановская В.А., Варфоломеев С.Д. и др. // Докл. АН СССР. 1978. Т. 240. С. 615-619.

3. Варфоломеев С.Д., Березин И.В. В кн.: Физическая химия: Современные проблемы / Под ред. Я.М. Колотыркина. М.: Химия, 1982. С. 68-94.

4. Корпан Я.И., Ельская А.В. // Биохимия. 1995. Т. 60. С. 1988-1998.

5. Lozinsky V.I. et al. // Biotechnol. Lett. 1984. Vol. 2. P. 43-48.

Размещено на Allbest.ru