Состав биосенсоров
Конструктивно любой биосенсор представляет комбинированное устройство, состоящее из двух принципиальных функциональных элементов: биохимического и физического, находящихся в тесном контакте друг с другом. Биохимический элемент представляет собой биоселектирующую структуру и выполняет функцию биологического элемента распознавания. В качестве бкохимического преобразователя используют все типы биологических структур: ферменты, антитела, рецепторы, нуклеиновые кислоты и даже живые клетки. Физический преобразователь сигнала, (называемый рансдьюсер) реобразует определяемый компонент, а точнее, концентрационный сигнал, в электрический. Для считывания и записи информации используют электронные системы усиления и регистрации сигнала.
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 или биомимик). 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.
Методы работы преобразователей в биосенсорах
Метод безреагентных электродов
Схема работы безагрегатного электрода на примере детектора глюкозы
Безреагентные электроды используют электрохимический способ определения веществ, образующихся в ходе ферментативного превращения. Он представляет собой электрод с нанесенным поверхностным слоем (каким-либо природным полимером), содержащим один или несколько иммобилизованных ферментов (иногда фермент может находиться в растворимом состоянии в приэлектродном слое, окруженном мембраной). В зависимости от типа взятого за основу электрода подразделяются на потенциометрические и амперометрические.
Прохождение ферментной реакции на поверхности электрода приводит к изменению потенциала на самом электроде, что регистрируется устройством как информационный сигнал.
Метод ферментной микрокалориметрии
Схема работы ферментного датчика
Ферментные микрокалориметрические датчики используют тепловой эффект ферментативной реакции. Состоит из двух колонок (измерительной и контрольной), заполненных носителем с иммобилизованным ферментом и снаряженных термисторами. При пропускании через измерительную колонку анализируемого образца происходит химическая реакция, которая сопровождается регистрируемым тепловым эффектом. Данный тип датчиков интересен своей универсальностью.
Метод хемилюминесценции
Схема работы хемилюминесцентного датчика
Хемолюминесцентные датчики — регистрируют световое излучение с различной длиной волны, испускаемое продуктами ферментативной реакции, находящимися в возбужденном состоянии. Конструкция включает колонку с иммобилизованными на носителе ферментами и светопринимающее устройство. Заложенный в систему этого типа датчиков аналитический метод характеризуется, прежде всего, крайне высокой чувствительностью. Благодаря своей простоте и высокой точности такой метод получил широкое распространение.
Типы биосенсоров
Биосенсоры, такие как глюкометр с уколом пальца, используемый для проверки уровня сахара в крови, требуют, чтобы пользователь уколол палец и использовал образец крови в качестве биологического аналита. Это пример инвазивного биосенсора. В отличие от этого, использование пульсоксиметра требует, чтобы пользователь просто вставил кончик пальца внутрь прибора или надели на запястье смарт-часы с определением пульса или уровня кислорода в крови. Это примеры неинвазивных биосенсоров.
Таким образом, в зависимости от того, как применяется необходимый биологический аналит, биосенсоры могут быть классифицированы как инвазивные или неинвазивные.
Биосенсоры также могут быть классифицированы в зависимости от типа биологического распознающего элемента и используемого механизма трансдукции. Распознающим элементом биосенсора могут быть ДНК, антитела, ферменты, фаги, ткани, клеточные рецепторы, целые клетки микроорганизмов и т. д.
В зависимости от типа преобразователей, используемых для создания биосенсоров, их можно разделить на оптические биосенсоры, электрохимические биосенсоры или биосенсоры на основе массы.
Оптические волокна играют ключевую роль в функционировании оптических биосенсоров, воспринимая биологический аналит на основе его свойств флуоресценции, поглощения и рассеяния света. Они неэлектрические по своей природе, и измерения основаны на изменениях показателя преломления.
Электрохимические биосенсоры являются электрическими по своей природе, где чувствительная молекула или распознающий элемент взаимодействуют с анализируемым образцом. Вырабатываемый электрический сигнал часто пропорционален концентрации анализируемого вещества.
Массовые биосенсоры-это электрические биосенсоры, в которых производимые электрические сигналы пропорциональны механическим или акустическим (звуковым) колебаниям чувствительных молекул.
About this Course
2,661 recent views
Чем больше информации об окружающей среде получает организм, тем выше его шансы на выживание. Все живое так или иначе реагирует на изменения вокруг себя. Улавливать эти изменения и сигнализировать о них центральной нервной системе – задача сенсоров клеточных мембран, чувствительных к той или иной форме энергии.
На этом курсе вы узнаете об устройстве различных сенсорных систем на молекулярном уровне и познакомитесь с некоторыми деталями работы нервной системы. Мы выясним, как реагирует простейшая сенсорная система на уровне одноклеточных организмов, как они определяют погодные условия вокруг себя и какие глаза бывают у одноклеточных.
Вместе с эволюцией организма происходит эволюция его сенсоров. Поэтому в ходе курса вам придется столкнуться с самыми разнообразными сенсорными системами многоклеточных животных: механо- и термочувствительной, хемо- и фоточувствительной, а также узнать о редких и недоступных людям способах ощущения мира – электро- и магниторецепции.
Часть 3. Применение гибридных микро- и наносфер в биологии и медицине
Гибридные микро- и наносферы типа КТ/полимер представляют значительный интерес для аналитической химии и биоинженерии. Такого рода нанокомпозитные материалы можно было бы использовать в проведении мультиплексированных биоанализов, для разработки новых инструментов медицинской диагностики, транспортировки и слежения за движением лекарственных препаратов внутри организма, а также для проведения комбинаторного химического синтеза.
В биологических исследованиях применяются в основном КТ, функционализированные амфифильными полимерами посредством сильных гидрофобных взаимодействий, а также гибриды, полученные прямым внедрением КТ в полимерные матрицы. Такими гибридами очень удобно метить клетки.
Флуоресцентный биоанализ с помощью гибридных микросфер может стать замечательной альтернативой обычному биохимическому анализу крови . Такой анализ будет основан на использовании латексных шариков, «нашпигованных» квантовыми точками нескольких цветов в строго определенных соотношениях. Таким образом можно будет реализовать идею мультиплексного оптического кодирования, применимого в биоанализе (рис. 7).
О «второй жизни», которую дарят квантовые точки старому доброму ИФА в деле диагностики рака, рассказывает статья «Лаборатория на ладони» . — Ред.
Рисунок 7. Мультиплексное оптическое кодирование. а — Флуоресцентное изображение смеси ПС-шариков, отмеченных разными квантовыми точками CdSe/ZnS. б — Схема оптического кодирования, основанного на разнице в длине волн и интенсивности свечения КТ. Для получения характеристического соотношения цветов каждого индивидуального гибрида объем разных типов КТ (красных, зеленых, синих) можно изменять. Функционализация поверхности шариков рецепторами (А, B, C, D, E) позволяет производить идентификацию разных биособытий.
Еще одним замечательным примером применения гибридных систем типа КТ/полимер являются ратиометрические нанотермосенсоры, созданные группой исследователей из Института биоорганической химии РАН . Принцип действия таких термосенсоров основан на FRET-эффекте. В их состав входят два разных типа квантовых точек: красные, находящиеся в ядре термосенсора, и зеленые — в его оболочке, покрытой термочувствительным полимером поливинилкапролактамом (ПВК) (рис. 8). Такая конструкция позволяет получать эмиссию флуоресценции, зависимую от температуры, а следовательно, позволяет проводить температурные измерения в пространственной области нанометрового диапазона и получать таким образом информацию о качестве протекания интересующих нас реакций in vitro (рис. 9).
Рисунок 8. Конструкция нанотермосенсора с переносом энергии между КТ ядра и оболочки. Сверху слева: в случае, когда длина волны эмиссии ядра меньше длины волны эмиссии оболочки, перенос энергии от ядра к оболочке приводит к одновременному тушению квантовых точек как ядра, так и оболочки, что должно приводить к снижению чувствительности сенсора. Внизу справа: если же длина волны эмиссии ядра больше длины волны эмиссии оболочки, перенос энергии от КТ оболочки на КТ ядра, наоборот, увеличивает флуоресценцию КТ ядра при одновременном тушении флуоресценции КТ оболочки. Эффект разнонаправлен в отношении КТ ядра и оболочки, что должно приводить к увеличению чувствительности сенсора.
Рисунок 9. Конфокальное изображение нанотермосенсоров на нагреваемой подложке и спектры флуоресценции единичного нанотермосенсора при температуре 24 °С и 42 °С. Использованы флуоресцентные КТ с длиной волны эмиссии 615 нм (ядро) и 540 нм (оболочка).
Редкие чувства
В этой части речь пойдет о самых редких, удивительных и даже невообразимых чувствах. Мы познакомимся с особенностями теменного глаза, который работает и как воспринимающая свет структура, и как эндокринная железа. Относительно простая и обычная термочувствительность тесно связана с инфракрасной чувствительностью, которой обладают насекомые и змеи.
Мы познакомимся с электрорецепцией, возможность появления которой обеспечила боковая линия рыб, и с магниторецепцией, четко проявляющейся у некоторых бактерий и вызывающей много вопросов применительно к птицам.
Кроме того, мы узнаем кто может видеть мир в поляризованном свете, какие особенности строения глаз дарят такую возможность, и какая от этого может быть польза.
Hours to complete
6 hours to complete
Reading
6 videos (Total 58 min), 6 readings, 7 quizzes
See All
Характеристики биосенсоров
В биомедицинской диагностике использование биосенсоров дает ряд преимуществ по сравнению с обычными лабораторными методами. поскольку они малы, просты в использовании, дешевы и дают быстрые результаты.
Производительность любого биосенсора основана на нескольких ключевых характеристиках.
Биосенсор должен быть избирательным в своей способности обнаруживать присутствие определенного аналита. Результаты, генерируемые биосенсором, должны быть воспроизводимыми, а это означает, что биосенсор должен быть способен генерировать идентичные показания для нескольких идентичных образцов.
Измерения должны быть точными, с минимальными отклонениями между значениями, обнаруженными биосенсором, и значениями, полученными обычными методами. Работа биосенсора должна быть стабильной и не зависеть от внешних изменений температуры. Он должен быть высокочувствительным для обнаружения даже небольших количеств аналита, а измерения должны быть линейными для широкого диапазона концентраций аналита.
Типы аналитов для биосенсоров
Большинство из нас может считать, что кровь — это единственная жидкость организма, используемая для биосенсинга. Но это не так. Помимо крови, есть слюна, пот, моча, слезы и дыхание также могут быть использованы для обнаружения нескольких биомаркеров.
Давайте рассмотрим несколько примеров.
Биосенсоры на основе крови используются для мониторинга таких компонентов крови, как глюкоза.
Биосенсоры на основе слюны постепенно набирают популярность для определения глюкозы по сравнению с инвазивными биосенсорами на основе крови. Его также можно использовать для определения уровня таких химических веществ, как лактат и кортизол.
Биосенсоры на основе пота могут обнаруживать уровни таких соединений, как глюкоза, лактат, аскорбиновая кислота и мочевая кислота, в то время как наборы для беременных являются отличным примером биосенсоров на основе мочи.
Слезы могут быть использованы для оценки количества глюкозы, алкоголя и некоторых витаминов, в то время как биосенсоры на основе дыхания обычно используются полицейскими для обнаружения следов алкоголя.
Классификация биосенсоров
Существует много принципов классификации биосенсоров, исходящих из природы биохимического компонента, преобразователя сигнала, аналитических задач, особенностей генерируемого сигнала и областей потенциального применения. Наиболее важные классификации:
по биохимическому компоненту: ферментные сенсоры, иммуносенсоры, ДНК-сенсоры, сенсоры на основе микроорганизмов и клеточных тканей, сенсоры на основе надмолекулярных клеточных структур; по способу измерения сигнала: электрохимические, оптические, физические, гибридные; по сигналу: динамические (кинетические), стационарные (равновесные); по области применения: экология, медицина, биотехнология, пищевая промышленность.
Классификация по биохимическому компоненту:
Ферментные сенсоры включают чистые препараты фермента или биологические препараты (гомогены тканей или микробных культур), проявляющие определенную биологическую активность.
Иммуносенсоры в качестве биохимического рецептора используют иммуноглобулины — защитные белки, выделяемые иммунной системой организма в ответ на поступление чужеродных биологических соединений (антигенов).
ДНК-сенсоры включают в качестве биохимического компонента нуклеиновые кислоты (ДНК).
Микробные биосенсоры используют микроорганизмы, которые могут осуществлять превращение определенного вещества с помощью ферментов. Отличаются от ферментных сенсоров тем, что в превращении субстрата могут участвовать не один, а совокупность ферментов.
Биосенсоры на основе надмолекулярных структур клетки занимают промежуточное положение между ферментными и ДНК-сенсорами и микробными сенсорами, поскольку в их основе применяют внутриклеточные структуры, имеющие достаточно сложное иерархическое строение.
Классификация по способу измерения:
Электрохимические биосенсоры работают по принципу измерения электрического тока, возникающего в результате окисления или восстановления электрохимически активных веществ на поверхности рабочего электрода (амперометри- ческие биосенсоры) или на измерении разности потенциалов между двумя электродами – рабочим и электродом сравнения при постоянном токе (потенциометрические биосенсоры).
Пьезоэлектрические биосенсоры чувствительны к изменению массы на поверхности физического носителя (гравиметрические биосенсоры); плотности, вязкости среды, частоты колебаний акустических волн.
Оптические биосенсоры реагируют не на химическое взаимодействие определяемого компонента с чувствительным элементом, а на физическо-оптические параметры – интенсивностью поглощения, отражения света, люминесценции объекта и т.д.
Механочувствительность. Часть 1
В этом модуле мы знакомимся с особенностями восприятия механических стимулов. Молекулярные основы механорецепции – далеко не полностью изученная область, но мембранные каналы, изменяющие свою пропускную способность в ответ на растяжение или давление, функционируют в самых разных клетках, обеспечивая организмам разнообразные способы ориентации. Первый раздел – о механорецепторах позвоночных и беспозвоночных, позволяющих ощущать прикосновения, оценивать свойства поверхности и положение частей тела в пространстве.
Hours to complete
5 hours to complete
Reading
5 videos (Total 49 min), 5 readings, 6 quizzes
See All
Примеры промышленного применения биосенсоров
Применение биосенсоров в пищевой промышленности
Чаще всего в пищевой промышленности используются сенсоры для определения крахмала, сахаров и этилового спирта.
Использование биосенсоров в медицине
В настоящее время биосенсоры находят самое широкое применение в медицине. Ферменты все больше используются для рутинного автоматизированного анализа содержания метаболитов, лекарств и гормонов в биологических жидкостях человека. Это особенно необходимо для клинической диагностики. Благодаря использованию биосенсоров снижается риск ошибок при постановке диагноза, а также уменьшаются затраты, поскольку биосенсоры широко распространены и доступны. Диагностика с помощью биосенсоров позволяет врачам-терапевтам проводить анализы непосредственно в их кабинетах, не прибегая к услугам лабораторий. При этом экономятся деньги, и пациентам не нужно повторно приходить к врачу за диагнозом. Кроме того, можно быстрее начать лечение. Еще одно преимущество состоит в том, что труднее перепутать, потерять или загрязнить пробу
Это особенно важно при анализах на содержание допинга у спортсменов. Полицейские и врачи уже используют специальные наборы для выявления небольших количеств наркотиков в крови людей
Т.к. многие ферментативные реакции сопровождаются выделением тепла то для их определения также можно воспользоваться биосенсорами. Термобиосенсоры регистрируют изменения температуры в 0,0001 °С. Их можно использовать для обнаружения молочной кислоты.
Самый известный пример медицинского биосенсора — это биосенсор для измерения уровня глюкозы в крови, в котором используется фермент глюкозоксидаза для расщепления содержащейся в крови глюкозы. В процессе расщепления фермент сначала окисляет глюкозу и использует два электрона для восстановления ФАД (компонент фермента) в ФАДН2, который, в свою очередь, окисляется в несколько ступеней электродом. Результирующий ток пропорционален концентрации глюкозы. В этом случае, электрод является преобразователем, а фермент — биоселективным элементом.
Хемочувствительность
В этой части курса речь пойдет о хеморецепции – способности клеток и организмов воспринимать химические стимулы из окружающей среды и реагировать на них. Взаимодействие рецептора и лиганда обеспечивает направленное движение одноклеточных организмов, служит основой обоняния и вкуса и позволяет многоклеточным организмам регулировать параметры внутренней среды.
Мы узнаем, что такое метилируемые белки хемотаксиса, как работают чувствительные щетинки членистоногих, отвечающие за восприятие запаха и вкуса, чем отличаются вкусовые почки и рецепторные клетки обонятельного эпителия позвоночных, а также о том, как осуществляется восприятие разных типов вкусовых веществ и почему незначительные изменения в структуре молекул могут принципиально изменить их запах.
Hours to complete
5 hours to complete
Reading
5 videos (Total 44 min), 5 readings, 6 quizzes
See All
Клеточные биосенсоры
Одно из достижений биотехнологии связано с развитием методов включения живых клеток в полимеры и твердые носители различной природы, и применение такого рода материалов для решения задач медицины, управляемого биосинтеза, анализа. Иммобилизованные клетки обладают рядом полезных свойств:
1) Клетки являются доступным и дешевым биологическим материалом. Используют клетки растений, животных, человека, но наибольшее применение нашли клетки микроорганизмов.
2) Культивируемые клетки легко воспроизводятся и поддерживаются в чистой культуре. В отличие от ферментов при использовании клеток не требуется дорогостоящих стадий очистки. Клетки сохраняют, как правило, все системы жизнеобеспечения. Это позволяет проводить сложные последовательные реакции, осуществляя многостадийные процессы.
3) Клетки обладают высокой специфичностью к определенным веществам, наличие или отсутствие которых приводит к изменению свойств клеток, что в дальнейшем регистрируется разными способами
Имеющиеся методы иммобилизации: позволяют получить клетки, сохраняющие немногим менее 100% активности ферментов и способные функционировать достаточно длительные промежутки времени. Клетки сохраняют все наиболее важные структуры и проявляют большую стабильность. В некоторых случаях клетки сохраняют жизнеспособность и активность ферментных систем в течение нескольких лет.
Фоточувствительность. Часть 1
В этом модуле мы рассмотрим фоторецепцию – восприятие солнечного света. Возможность чувствовать солнечный свет обеспечивают молекулы с сопряженными двойными связями, а от особенностей строения рецепторной молекулы зависит воспринимаемая клетками – и организмами – широта светового спектра. В первом разделе мы познакомимся с особенностями строения разнообразных глазков одноклеточных организмов, с устройством простых и сложных (фасеточных) глаз беспозвоночных; рассмотрим организацию камерного глаза головоногих.
Hours to complete
5 hours to complete
Reading
6 videos (Total 46 min), 5 readings, 6 quizzes
See All
Молекулярные основы сенсорных систем
В первой части мы с вами познакомимся с молекулярными основами сенсорных систем. Структуры, воспринимающие сигналы из окружающей среды – рецепторы – могут оказаться и целыми клетками, и отдельными молекулами. Вы узнаете, какие существуют варианты рецепторов и что служит для них адекватным стимулом, что такое рецептивное поле и зачем нужна конвергенция. Мы разберем, как устроена мембрана клеток, на которой начинается обработка сигнала; как появляется нервный импульс и как он передается; как специализирована кора головного мозга, обрабатывающая полученную информацию.
Hours to complete
5 hours to complete
Reading
7 videos (Total 48 min), 5 readings, 6 quizzes
See All
Общая работа биосенсора
Если мы помещаем биологический образец или аналит на биосенсор, биосенсор делает нам цифровое считывание, которое имеет биологическую интерпретацию. Аналит-это вещество, представляющее интерес, которое необходимо обнаружить.
Как биологический компонент преобразуется в цифровую информацию или измеримую реакцию? Это достигается различными компонентами, присутствующими в биосенсоре, такими как биологический элемент распознавания, датчик для получения сигнала, усилитель сигнала, процессор для обработки сигнала и блок отображения.
Давайте посмотрим, что делает каждый из этих компонентов.
Когда применяется биологический образец (аналит), элемент распознавания обнаруживает биомаркеры, присутствующие в аналите. Биомаркером может быть любое соединение или сигнал, который может быть использован в качестве детерминанта состояния болезни или изменений в физиологии организма. Преобразователь преобразует это биологическое изменение в электрический сигнал. Этот аналоговый сигнал будет усилен усилителем сигнала. Сигнальный процессор преобразует усиленный аналоговый сигнал в цифровой сигнал, который будет отображаться на жидкокристаллическом экране.
Различные компоненты биосенсора включают биоэлемент, преобразователь, усилитель, процессор и блок отображения.
Заключение и перспективы на будущее
Биосенсоры — это мощная интеграция биологических знаний и технологических достижений. Они имеют повсеместное применение в различных дисциплинах. Этот метод быстр, специфичен, прост, дешев в использовании и обеспечивает более быстрые результаты при меньшем использовании реагентов. За последние 2-3 десятилетия технология биосенсоров претерпела огромные изменения. Будущее видение этой отрасли будет заключаться в создании микро-масштабной технологии, чтобы сделать ее меньше и в то же время более эффективной и полезной.
Подписывайтесь на канал и ставьте палец вверх, если информация была полезной, спасибо!
