Химические и биологические сенсоры

Отличительный признак химических сенсоров и биосенсоров — наличие рецептора (от лат. receptor — принимающий) — слоя молекул или частиц вещества, участвующего в химических, биохимических или биологических процессах, протекающих при контакте сенсора с определяемым компонентом. Другим необходимым элементом таких сенсоров является преобразователь энергии указанных аналитических процессов в электрический или световой сигнал. Далее этот сигнал обрабатывается в электронном блоке и подаётся на дисплей.

В химических сенсорах роль рецептора играют различные реагенты, которые меняют свои оптические, электрохимические и иные характеристики при изменении pH раствора, взаимодействии с катионами, анионами или молекулами газов в жидких и газообразных средах.

Химические сенсоры дают непосредственную информацию о составе пробы или определяемом компоненте без отбора пробы и пробоподготовки.

Биосенсор — устройство, использующее биохимические реакции для определения химических веществ и соединений. В биосенсорах рецепторами являются ферменты, антитела, антигены, биологические мембраны (биохимические сенсоры) или микроорганизмы (биологические сенсоры). Основная область их применения — это анализ жидких сред в медицине, биотехнологии, химической и пищевой промышленности и окружающей среде. О содержании определяемого вещества в объекте измерения часто судят по концентрации продуктов биохимической реакции. Преимуществами биосенсоров являются высокая селективность и чувствительность, а к их недостаткам относится невысокая стабильность, трудность получения биоорганического материала постоянного состава.

В биохимических тест-методах на матрице иммобилизируют (от лат. immobilis — неподвижный) различные ферменты, антигены или антитела. Биотесты позволяют контролировать содержание болезнетворных микроорганизмов в природных, питьевых водах и др.

На рис. 11.2 показана система быстрой индикации патогенов, которая предназначена для выявления подвижных бактерий рода Salmonella в образцах пищевых продуктов и пробах из производственных помещений.

Рис. 11.2. Система быстрой индикации патогенов.

Система состоит из прозрачной полимерной ёмкости и помещённых в неё двух пробирок, каждая из которых содержит свой набор из двух сред: селективной (в нижней части) и индикаторной (в верхней части), разделённых пористой перегородкой. Жидкая элективная среда в полимерной ёмкости инокулируется (от лаг. inoculation — прививка) культурой обогащения. В результате этого подвижные сальмонеллы мигрируют (от лаг. migratio — перехожу, переселяюсь) через селективную среду в индикаторную, которая при этом изменяет свой цвет. Результат индикации появляется после 43 часов вместо 3−5 суток при стандартном бактериологическом анализе.

Любой биосенсор состоит из двух принципиальных функциональных элементов: биоселективной мембраны, использующей различные биологические структуры, и физического преобразователя сигнала, трансформирующего концентрационный сигнал в электрический. Для считывания и записи информации используют электронные системы усиления и регистрации сигнала.

В качестве биоселективного материала используют все типы биологических структур: ферменты, антитела, рецепторы, нуклеиновые кислоты и даже живые клетки. Наибольшее развитие получили ферментные и клеточные биосенсоры.

Сочетание ферментативных и электрохимических реакций позволило разработать многие биосенсоры для определения аминокислот, глюкозы, мочевины и других продуктов жизнедеятельности.

Развитие методов включения живых клеток в полимеры и твёрдые носители привело к созданию соответствующих биосенсоров с использованием живых иммобилизированных клеток, обладающих уникальными свойствами.

Применение биосенсоров весьма разнообразно, например, созданы биосенсоры для определения фенолов, пролина, тирозина и других аминокислот, глюкозы, молочной и аскорбиновой кислот и т. д. Уникальные возможности обеспечивают клеточные биосенсоры для экспресс-анализа качества воды и сточных вод. Определение БНК воды и сточных вод с помощью биосенсора с иммобилизированными клетками занимает несколько минут, в то время как традиционный — несколько дней.

Применение биосенсоров в качестве биологического компонента ДНК может радикально изменить диагностику заболеваний, особенно на ранней стадии, в частности, в настоящее время интенсивно ведутся работы, но ранней диагностике сердечнососудистых заболеваний, предрасположенности к раку и г. п.

Биочип (от греч. [)юс — жизнь и… англ, chip — обломок, осколок, кусочек) — это устройство для проведения автоматического многофункционального биологического анализа (рис. 11.3).

Рис. 11.3. Внешний вид биочипа.

Он представляет собой пластину из кремния или пирскса с нанесённым на неё гелем, на 99% состоящим из воды, в котором в результате облучения через специальное сито УФ светом и последующей полимеризации получают ячейки размером 100×100×20 мкм. На биочипе их может быть от 600 до нескольких тысяч. Размер самого биочина в зависимости от его назначения может меняться в зависимости от размера от марки до открытки.

Автомат под контролем компьютера заполняет ячейки различным раствором, каждый из которых содержит молекулызонды биологических объектов — фрагментов ДНК, бактерий (от греч. Рактерюу — палочка, т. е. группа микроскопических, преимущественно одноклеточных организмов), вирусов (от греч. пириа — яд, мельчайшие нсклсточныс частицы, состоящие из нуклеиновой кислоты (ДНК или РНК) и белковой оболочки) и так далее, причём к каждой из молекул присоединено флуоресцирующее вещество.

При нанесении на биочип капли крови, плазмы и других субстанций, молекулы-зонды соединяются с «родственными» структурами, при этом вещество элементарной ячейки начинает флуоресцировать. Так можно опознавать бактерии, вирусы, дефектные гены, вообще — любое молекулярное вещество.

Так как ячеек много, анализ проводят сразу по множеству параметров и по внешнему виду биочипа, совокупности его тёмных и светящихся областей судят о его результатах. Внешний вид биочипа можно рассмотреть в микроскоп, сфотографировать, ввести в компьютер, запомнить и проанализировать, переслать по интернету для консультации в любую точку планеты и т. д.

Использование биочипов позволяет уменьшить время анализов в несколько сотен и тысяч раз, повысить их достоверность, автоматизировать процесс обработки результатов и многократно уменьшить их стоимость, проводить раннюю диагностику. Например, биочип для определения штаммов (от нем. Stamm, т. е. чистая культура микроорганизмов одного вида, у которого изучены морфологические и физиологические свойства) бацилл (от лат. bacillum — палочка, т. е. палочковидные бактерии, образующие внутриклеточные споры), вызывающих 93% заболеваний лекарственно устойчивых форм туберкулёза, выявляет вид бацилл всего за 2 — 3 дня.

Биочипу доступно выявление ранних стадий некоторых онкологических заболеваний, предрасположенности к болезням сердца и сосудов, вредных примесей в воде и в воздухе и многое другое.

Биологические методы контроля используют при контроле качества воды и почвы.

В связи с наличием большого количества химических соединений, влияние которых на качество воды и почвы невозможно оценить химико-аналитическими методами, всё большее значение приобретает биотестирование относительно биологических организмов или систем. С помощью биотестирования определяют ПДК новых химических соединений, проводят биохимический и генотоксический мониторинг водных систем. Известны способы определения микроколичеств фосфороорганических пестицидов в воде биотестированием относительно дафний. Биотестирование относительно рыб широко применяют для определения следовых и ультраследовых количеств пестицидов и их метаболитов (от греч. ретсфо^г — перемена, превращение) в водных экосистемах.