Розділ перший. Біологічний матеріал в біосенсорах.

1.Ферментні біосенсори.

Головну частину досліджень та розробок в області біосенсорів повязано з ферментами . Вони зручні для використання в біосенсорах як довготривалі визначники концентрації аналізуємих речовин. Серед широкого спектру ферментних біосенсорів основною рисою є перетворення ферментом аналізуємої речовини на певний продукт, який можна визначити . Цей продукт повинен мати певну електроактивність (наприклад, редокс-активність) чи оптичні якості (наприклад, флуоресценцію чи поглинання). Ферментні сенсори першого типу називаються ферментними електродами, другого типу - ферментними оптродами.

Відомі також три інші типи ферментних сенсорів, це : Ферментні термістори (де теплота ,що виділяється під час каталізованої ферментом реакції, вимірюється та повязується з концентрацією аналізуємої речовини); Інгібіторні ферментні сенсори(де аналізуєма речовина інгібує специфічну ферментну реакцію, змінюючи електрохімичний чи оптичний сигнал, з чого виходить ,що аналізуєма речовина не є субстратом ферменту); і, нарешті, новий тип ферментних оптродів, в яких сигнал виникає з самого ферменту або з асоційованої біомолекули (наприклад, коферменту), а не з продукту ферментної реакції. Таблиця 2 обєднує основні типи ферментних сенсорів.

Певною метою в розробці ферментних біосенсорів є використання високої специфічністі та чутливості, що слугує прикладом фермент-субстратної взаємодії, як основи для визначальної та вимірювальної системи. Взаємодія між ферментом та його субстратом призводить до витрати субстрату та утворення продуктів. Це ефетивно використовується, коли перетворювач фіксує певну властивість продукту та генерує сигнал(36). Цей принцип ілюструє більшість ферментних біосенсорів.

Таблиця 2. Основні типи ферментних біосенсорів.

Перетворювач Принцип визначення Приклади

Аналіт Фермент

Електрохімічний а) Аналіт перетворюється Глюкоза Глюкозоксидаза

на електроактивний продукт

б) Аналіт інгібує ферментну - Цитохромоксидаза

реакцію яка продукує

електроактивну речовину

Оптичний а)Аналіт перетворюється на Холестерол Холестеролоксидаза

продукт з оптичними (О2)

влативостями(або індукуючий

оптичний сигнал.

б) Оптичні властивості Лактат Лактатмонооксигеназа

ферменту змінюються в

залежності від реакції з

аналітом.

в) Аналіт інгібує ферментну Пестициди Ацетилхолінестераза

реакцію, яка продукє речовину

з оптичними властивостями.

Калориметричний Реакція ферменту з аналітом Глюкоза Глюкозоксидаза

викликає виділення теплової

енергії.

ІІ. Імуносенсори.

Висока специфічність та висока чутливість, яка характеризує реакцію антиген- антитіло, були використані в різного роду лабораторних тестах, які використовували антитіла (імуноаналіз). Імуноаналіз - це багатоступінчатий лабораторний тест, який базується на розпізнаванні та звязуванні аналіта антитілом(36). На відміну від імуноаналізу, де можливе використання сигнал-генеруючих міток, калібровочних графіків та спеціальних операцій з середовищем (таких, як обробка зразка, оптимізація рН, певна послідовність дій, період витримування 5-30 хв. ), справжні імуносенсори ідеально характеризуються притаманною сигнал-генеративною властивістю, можливістю визначати антиген (аналіт) менше ніж за 2-3 хв. та деякою оберненістю.

Головною метою в розробці імуносенсорів є створення більш простих Ат-базованих тестів, які б поєднували чутливість та специфічність лабораторного імуноаналізу зі зручним обслуговуванням сенсорних приладів.Це дасть змогу проводити аналіз поза межами великих медичних установ. Лімітуючим фактором в створенні дешевих біосенсорів є те, що цілий прилад може бути використаний лише тільки раз. На практиці зараз впроваджуються імуносенсори, в яких використовуються замінні чіпи з біологічним матеріалом .

Молекули Аг мають великі розміри, і тому найчастіше в імунодіагностиці використовуються оптичні методи аналізу , ядерний магнітний резонанс (ЯМР) чи електрохімічні методи (рідше).

З електрохімічних найбільш поширеними в імуноаналізі є імуноферментні сенсори, в яких вимірюється не концентрація Аг, а тільки концентрація продуктів дії ферментів , які вивільняються при взаємодії Ат-Аг , і на базі результатів робляться висновки про концентрацію Аг.

Широко застосовуються непрямі потенціометричні методи тестування імунних реакцій. В цих методах тестування опосередковане або застосуванням ферментних міток, або використанням ліпосом з електроактивним вмістом,або застосуванням білків, конюгованих з іонофорами(2).

Перелічені варіанти практично повністю охоплюють все різноманіття методів, де використовуються імуносенсори.

ІІІ. Біосенсори, що містять інтактні клітини.

Сенсори , які містять цілі клітини називаються цілоклітинними біосенсорами(36). Нижче перелічені властивості інтактних клітин, що можуть бути використані в біосенсорах:

а) Клітини чутливі до цілої низки речовин.

б) Ферменти, що містяться мають оптимальну біологічну активність, на відміну

від ферментів .

в) Низька ціна препаратів (можливість росту в культурі).

Майже всі відомі цілоклітинні біосенсори містять прості бактеріальні чи водорослеві клітини; тваринні та рослинні клітини більш складні і набагато менш стійкі .

Відомо, що всі цілоклітинні біосенсори базуються на електрохімічних перетворювачах.За допомогою таких біосенсорів можна визначити амінокислоти (наприклад, аргінін), пестициди та інші інгібітори. Нещодавно стало відомо про біосенсор базований на оптичному перетворювачі в поєднанні з пігментованими клітинами(36).

Суттєвими недоліками клітинних біосенсорів є:

а)Швидка загибель клітин, що витрачають електрони, отримані в процесі життєдіяльності,

на ініціацію сигналу.

б)Втрата переносників сигналу - медіаторів через дифузію(2).

Нещодавно українськими вченими був розроблений кондуктометричний біосенсор, що базується на метилотрофних дріжджах , за допомогою якого можна визначати етанол(40).

.Біосенсори, що містять молекулярні рецептори.

Біосенсорів цього типу відомо порівняльно мало, в основному, через проблему абсолютної ізоляції та стабілізації молекул в надзвичайному середовищі. Біосенсор такого типу може мати оптичний перетворювач і базуватися, наприклад, на ацетилхоліновому рецепторі нікотину або на електрохімічному перетворювачі і базуватися на зміні потенціалу мембрани, внаслідок обміну подібних речовин (наприклад, рибофлавіну та його аналогу (), де чутливість сенсора може складати від 0.1 до 210-6 М рибофлавіну).

Подальший прогрес можливий в цій галузі біосенсорів лише за підримки молекулярної біології у підвищенні якості і стабільності рецепторів, що можна використовувати (2).

. Нуклеінові кислоти в біосенсорах.

Біосенсори, які містять одноланцюгові молекули ДНКзвичайно називають “ДНК-

-зондами” чи “ДНК-пробами”, вони використовуються при виявленні таких генетичних хвороб, як серповидна клітинна анемія, фенілкетонурія та ін.(Малюнок 3).

1. Схеметичне зображення біодатчика