Биосенсоры. Основные принципы (лекция 2)

Дополнительная литература
Биосенсоры: основы и приложения: Пер. с англ. / Под ред. Тернера и др. - М.: Мир, 1992.
Структура и свойства наноразмерных образований : учеб. пособие / Н.Г. Рамбиди – Долгопрудный: ЛЕНАНД, 2011 с. 81-85.
httphttp://http://wwwhttp://www.http://www.gatewaycoalitionhttp://www.gatewaycoalition.http://www.gatewaycoalition.orghttp://www.gatewaycoalition.org/http://www.gatewaycoalition.org/fileshttp://www.gatewaycoalition.org/files/http://www.gatewaycoalition.org/files/hiddenhttp://www.gatewaycoalition.org/files/hidden/http://www.gatewaycoalition.org/files/hidden/sensrhttp://www.gatewaycoalition.org/files/hidden/sensr/http://www.gatewaycoalition.org/files/hidden/sensr/tocsenfhttp://www.gatewaycoalition.org/files/hidden/sensr/tocsenf.http://www.gatewaycoalition.org/files/hidden/sensr/tocsenf.htm - биосенсоры. Устройство и принципы работы
Биосенсоры С.Д.Варфоломеев. Соросовский образовательный журнал №1 1997.
Биосенсоры как новый тип аналитических устройств К.Г Будников. Соросовский образовательный журнал №12 1996.

План
Мультидисциплинаронсть нанобиологии
История создания биочипов.
Электрод Кларка.
Общие принципы и устройство биосенсоров
Применение биосенсоров

Моделирование
1. Мультидисциплинарность нанобиологии
Идея: использовать предельно миниатюризированные устройства для получения результатов на макроуровне.
Результат: аналитические биочипы, молекулярные моторы
Назначение: анализ жидких смесей химических соединений, определение свойств молекулярных образований
Масштаб: в 1 см2 10000 анализаторов
нанобиология
Секвенирование
Диагностика
Материалы
Химия
Биология
Физика
Численный анализ
Биохимия
Биоинженерия
Нанотехнология
Химическая
инженения

1. Мультидисциплинарность биосенсора

2. История создания биочипов

Биочипы в России

3. Ферментный электрод Кларка
Первый ферментный электрод.
Кларк, Лайонс 1962.
Ввели термин «ферментный электрод»

Ферментный электрод Кларка
В конечном варианте электрода Кларка использовали:
Фермент: глюкозооксидаза
Электрод: платиновый при напряжении + 0,6 V . На нём закреплен фермент в мембрановом «сэндвиче». Электрод даёт сигнал от результата взаимодействия фермента с субстратом. Целевое определяемое вещество:
Назначение: измерение уровня глюкозы в крови.
Устройство:Yellow Springs Instrument (Model 23 YSI) появилось в 1974 году

Использование селективной мембраны в электроде Кларка
Назначение мембраны в Yellow Springs Instrument: предотвратить влияние других электрически-активных веществ на показания.
При поляризации мембраны на +0.6V, основное влияние на измерение Н2О2 происходит за счёт аскорбиновой кислоты.
Критерии выбора сочетания «мембрана-фермент»:
Мембрана между электродом и слоем фермента должна пропускать H202, и одновременно предотвращать прохождение аскорбиновой к-ты и других влияющих на измерение в-тв
Мембрана между слоем фермента и образцом должна пропускать субстрат/аналит к слою фермента
В YSI: слой фермента находился между целюллозо-ацетатной мембраной и поликарбонатной (Nucleopore polycarbonate membrane.)

Принципиальная схема биосенсора
Преобразователь
Задание: найдите на схеме Р, где происходит перенос электронов?

Почему измерять силу тока удобно?
В общем случае S или Р должны быть электрохимически активны, то есть способны быстро и желательно обратимо окисляться или восстанавливаться на электроде при наложении на него соответствующего потенциала.
Тогда сила тока (поток электронов) будет однозначно связана с концентрацией измеряемого компонента. И поэтому наиболее удобно измерять силу тока.
Например, в электроде Кларка происходит реакция:
И перекись водорода восстанавливается до воды с выделением 2-ух электронов, что и фиксируется как изменение электрического потенциала на электроде.

Механизмы переноса электронов от субстрата к электроду
1 медиаторный
2 прямой
Транспорт электронов м.б. осуществлён несколькими путями:

Механизмы переноса электронов

Механизмы переноса электронов

3. Общие принципы функционирования и устройство биосенсоров
Принципиальная схема биосенсора

Принципиальная схема биосенсора
Устройство биосенсора
Биосенсор = биорецептор + преобразователь.
Биорецептор распознает определяемое вещество
Преобразователь переводит биоузнавание в измеряемый сигнал: трансформирует концентрационный сигнал в электрический.
+: 1. Определение веществ без реагентов
2. Экспресс-анализ
Пример: анализаторы глюкозы в крови
Усиление и регистрация сигнала
Измеримый сигнал

Специфичность биосенсора
В основе лежит принцип биоузнавания: реакция биорецептора специфична.
Биорецепторы: ферменты, антитела, нуклеиновые кислоты и др.
искусственные распознающие элементы: аптамеры, пептиды, полимеры, полученные методом молекулярной печати
Нет сигнала
Есть сигнал

Три возможных способа электрохимической детекции для измерения количества глюкозы
Для определения глюкозы могут быть использованы:
- кислородный датчик – потребление глюкозы – измеряем ток
- pH датчик - концентрация глюконовой кислоты - измеряем напряжение
- пероксидный датчик - концентрация H2O2 - измеряем ток

Способы электрохимической детекции для измерения количества глюкозы

Алгоритм конструирования биосенсоров
Задать определяемое вещество
Выбор подходящего биорецептора
Выбор подходящего метода иммобилизации
Выбор подходящего преобразователя
Конструирование биосенсора с заданным пределом измерения, минимизацией помех
Создание рабочего устройства

Общие параметры оценки коммерческих биосенсоров
Соответствие среды в которой происходит измерение и сигнала
Точность и воспроизводимость результатов
Чувствительность и достаточное разрешение
Динамика измерения
5. Скорость ответа
6. Нечувствительность к температуре (температурная компенсация)
7. Нечувствительность к эклектическим и др. воздействиям среды
Возможность тестирования и калибровки
9. Надежность и возможность самодиагностики
10. Прочность
11. Необходимость обслуживания
12. Капитальные затраты
13. Переменные затраты и время жизни
14. Удобство для пользователя
15. Датчик не должен загрязнять среду где происходит измерение
Актуальность выходного сигнала для среды измерения Точность и повторяемость Чувствительность и разрешение Динамический диапазон 5. Скорость реакции 6. Нечувствительность к температуре (или температурная компенсация) 7. Нечувствительность к электрическим и другим помехам окружающей среды8. Подходит для тестирования и калибровки 9. Надежность и возможность самоконтроля 10. Физическая прочность 11. Требования к обслуживанию 12. Капитальные затраты Эксплуатационные расходы и жизнь

Вопрос: Сферы применения биосенсоров
Обзор рынка биосенсоров в США
Оценка рынка биосенсоров в 1990-е

Прогнозы развития и производители биосенсоров
Прогноз P&S Market Research: мировой рынок биосенсоров к 2020 достигнет 22,49 миллиарда долларов.
Глобальный рынок стремительно расширяется.
Причина: огромное количество больных сахарным диабетом 2 типа. В Европе, согласно данным Международной федерации диабета (IDF), в 2013 году приблизительно 52 миллиона человек страдали сахарным диабетом.
Скорость распространения биосенсорных устройств для диабетиков вышее всего в Европе, Северной Америке, Китае
Лидеры по производству биосенсоров:
Siemens Healthcare
Abbott Laboratories
Johnson and Johnson
Hoffmann La Roche
Medtronic Inc.
Bayer AG

Основные направления применения биосенсоров
Comparison of sensing modes: (a) bioreactor; (b) clinical applications; (c) military or environmental monitoring

Определение супертоксинов и боевых отравляю­щих веществ
Яды, блокирующие в ЦНС ацетилхолинэстеразу - группа фосфоорганических соединений.
По аналогичному механизму действуют большинство пестицидов.
Зома́н — фосфорорганическое вещество, бесцветная жидкость, имеющая, по разным данным, запах яблок, камфоры или слабый запах скошенного сена.
Обозначения: GD, EA 1210, PFMP
Боевое отравляющее веществоБоевое отравляющее вещество нервно-паралитического действия. По многим свойствам очень похож на заринБоевое отравляющее вещество нервно-паралитического действия. По многим свойствам очень похож на зарин, однако токсичнее его более чем в 2,5 раза. Стойкость зомана несколько выше, чем у зарина. Используется смесь четырёх стереоизомеров без разделения.
изомеры зомана
зоман

Определение супертоксинов и боевых отравляю­щих веществ
Существуют биосенсоры для детекции этих соединений.
В основе определения лежат реакции:

Определение супертоксинов и боевых отравляю­щих веществ
Механизм определения:
ингибитор (зарин, зоман) блокирует ак­тивность ацетилхолинэстеразы в конечном итоге уменьшая пероксидазный электрокаталитический ток через поверхность электрода.
Чувствительность биосенсора до 10-12 М.
Перенос элек­тронов между активным центром фермента и элек­тродом происходит за счет использования для иммоби­лизации ферментов в матрице проводников и полупроводников двух классов:
1: полипирол, полианилин, полимер мети­леновый синий;
2: со­ли на основе тетрацианхинодиметана.

Аналитические возможности применения биосенсоров

Здравоохранение и биосенсоры
1. Measurement of Metabolites The initial impetus for advancing sensor technology came from health care area, where it is now generally recognized that measurements of blood gases, ions and metabolites are often essential and allow a better estimation of the metabolic state of a patient. In intensive care units for example, patients frequently show rapid variations in biochemical levels that require an urgent remedial action. Also, in less severe patient handling, more successful treatment can be achieved by obtaining instant assays. At present, the list of the most commonly required instant analyses is not extensive. In practice, these assays are performed by analytical laboratories, where discrete samples are analyzed, frequently using the more traditional analytical techniques.
2. Market Potential. There is an increasing demand for inexpensive and reliable sensors to allow not only routine monitoring in the central or satellite laboratory, but also analysis with greater patient contact, such as in the hospital ward, emergency rooms, and operating rooms. Ultimately, patients themselves should be able to use biosensors in the monitoring and control of some treatable condition, such as diabetes. It is probably true to say that the major biosensor market may be found where an immediate assay is required. If the cost of laboratory maintenance are counted with the direct analytical costs, then low-cost biosensor devices can be desirable in the whole spectrum of analytical applications from hospital to home.

Здравоохранение и биосенсоры
3. Diabetes. The 'classic' and most widely explored example of closed-loop drugcontrol is probably to be found in the development of an artificial pancreas. Diabetic patients have a relative or absolute lack of insulin, a polypeptide hormone produced by the beta-cells of the pancreas, which is essential to the metabolism of a number of carbon sources. This deficiency causes various metabolic abnormalities, including higher than normal blood glucose levels. For such patients, insulin must be supplied externally. This has usually been achieved by subcutaneous injection, but fine control is difficult and hyperglycaemia cannot be totally avoided, or even hypoglycaemia is sometimes induced, causing impaired consciousness and the serious long-term complications to tissue associated with this intermittent low glucose condition.
4. Insulin Therapy. Better methods for the treatment of insulin-dependent diabetes havebeen sought and infusion systems for continuous insulin delivery have been developed. However, regardless of the method of insulin therapy, its induction must be made in response to information on the current blood glucose levels in the patient. Three schemes are possible (Fig. 1.6), the first two dependent on discrete manual glucose measurement and the third a 'closed-loop' system, where insulin delivery is controlled by the output of a glucose sensor which is integrated with the insulin infuser. In the former case, glucose has been estimated on 'finger-prick' blood samples with a colorimetric test strip or more recently with an amperometric 'pen'-size biosensor device by the patient themselves. Obviously these diagnostic kits must be easily portable, very simple to use and require the minimum of expert interpretation. However, even with the ability to monitor current glucose levels, intensive conventional insulin therapy requires multiple daily injections and is unable to anticipate future states between each application, where diet and exercise may require modification of the insulin dose. For example, it was shown that administration of glucose by subcutaneous injection, 60 min before a meal provides the best glucose/insulin management.

Схемы инсулиновой терапии с применением биосенсоров

Требования к вживляемому биосенсору для контроля глюкозы
Линейный сигнал в диапазоне 0 - 20 мМ с разрешением 1 мМ
Специфичен для глюкозы; не зависит от изменения концентрации метаболитов и условий окружающей среды
Биосовместимые
Маленький --- вызывает минимальное повреждение ткани во время введения
Внешняя калибровка и дрейф <10% за 24 часа Время отклика <10 мин
Продолжительное время жизни - не менее нескольких дней, предпочтительно несколько недель

Здравоохранение и биосенсоры
5. Artificial Pancreas. The introduction of a closed-loop system, where integrated glucose measurements provide feedback control on a pre-programmed insulin administration based on habitual requirement, would therefore relieve the patient of frequent assay requirements and perhaps more desirably frequent injections. Ultimately, the closed-loop system becomes an artificial pancreas, where the glycaemic control is achieved through an implantable glucose sensor. Obviously, the requirements for this sensor are very different to those for the discrete measurement kits. As summarized in Table 1.4, the prolonged life-time and biocompatibility represent the major requirements.

Контроль производственных процессов биосенсоры
Три метода контроля биореакторов:
1. Off-line distant: central laboratory coarse control with significant time lapse
2. Off-line local: fine control with short time lapse
3. On-line: real-time monitoring and control
On-Line Control. Method 3 is most desirable, which allows the process to follow an ideal pre-programmed fermentation profile to give maximum output. However, many problems exist with on-line measurements including in situ sterilization, sensor life-time, sensor fouling, etc. Some of the problems can be overcome if the sensor is situated so that the sample is run to waste, but this causes a volume loss, which can be particularly critical with small volume fermentations.
Off-Line контроль. Менее жесткие требования к биосенсорам

Преимущества контроля производственных процессов
улучшенное качество продукта, уменьшение доли брака
увеличение выхода
управляемость процесса для настройки оптимальных условий в течение всей ферментации
снижение требований к сырью. Варьирование характеристик может быть компенсирование точным регулированием параметров.
уменьшение человеческого фактора
повышение производительности и уровня автоматизации
повышение энергоэфективности

Военное применение
количественные тесты на основе моноклональных антител для определения (to Q-fever, nerve agents, yellow rain fungus, soman, etc.) в боевых условиях. Обычно эти измерения требуют до 20 минут.
обнаружение всех возможных токсинов системами на основе ацетилхолина (13-20 необходимых белков позволяют обнаружить до 95% вероятных токсинов)

Мониторинг окружающей среды
1. Air and Water Monitoring. Another assay situation which may involve a considerable degree of the unknown is that of environmental monitoring. The primary measurement media here will be water or air, but the variety of target analytes is vast. At sites of potential pollution, such as in factory effluent, it would be desirable to install on-line real-time monitoring and alarm, targeted at specific analytes, but in many cases random or discrete monitoring of both target species or general hazardous compounds would be sufficient. The possible analytes include biological oxygen demand (BOD) which provides a good indication of pollution, atmospheric acidity, and river water pH, detergent, herbicides, and fertilizers (organophosphates, nitrates, etc.). The survey of market potential has identified the increasing significance of this area and this is now substantiated by a strong interest from industry.

Мониторинг окружающей среды
2. Tuning to Application. The potential for biosensor technology is enormous and is likely to revolutionize analysis and control of biological systems. It is possible therefore to identify very different analytical requirements and biosensor developments must be viewed under this constraint. It is often tempting to expect a single sensor targeted at a particular analyte, to be equally applicable to on-line closed-loop operation in a fermenter and pin-prick blood samples. In practice, however, the parallel development of several types of sensor, frequently employing very different measurement parameters is a more realistic.

Перспективные направления использования биосенсоров
Клиническая диагностика и биомедицина
с/х и ветеринарные анализы
Контроль процессов: ферментация, анализ пищевых продуктов и напитков
производство и анализ в микробиологии: бактериальные и вирусные анализы
Фармацевтический и лекарственный контроль
Контроль производственных выбросов
Контроль загрязнений, мониторинг шахтных, промышленных и токсичных газов
Военное дело

Тестирование КР 1
Файл КР 1
Тест на тему «Биосенсоры»
1. Нанобиология не включает в себя область знаний:
А. Численный анализ
Б. Биохимия
В. Химия
Г. Физика
Д. Экология
2. При проектировании и создании биосенсоров учитывают:
А. Физические, химические и микробиологические законы
Б. Физические и химические законы
В. Физические, химические, микробиологические законы, электронные технологии и ориентируются на требования рынка.
И т.д.

Принципы классификации биосенсоров
по способу детектирования целевого аналита
по типу используемых биорецепторов
по механизму преобразования сигнала

Биорецепторы это…

Классификации биосенсоров по типу рецептора
по способу детектирования целевого аналита
по типу используемых биорецепторов
по механизму преобразования сигнала
Аффинные рецепторы не влияют или не изменяют целевой аналит (биомаркер)
Катали­тические рецепторы катализируют биохими­ческую реакцию.
Большинство ферментов - каталитические рецепторы.
Если ферменты не позволяют обнаружить аналит, используют антитела, как высоко селективных рецепторов.
Вывод: чувствительность биосенсора – его важная характеристика

Требования к чувствительности биосенсоров
Тип аналита + Конкретное вещество = требования к конечному диапазону обнаруживаемых концентраций (чувствительность).
Чувствительность рецепторов по некоторым анализируемого вещества (аналита):
Метаболиты:> 10-6 моль/л,
Гормоны: 10-10-10-5 моль/л, и желательны
уровни до 10-20 моль/л.
Вирусы: желательно 10-12 моль/л.

Диапазоны обнаружения, необходимые для некоторых клинически важных аналитов
Вывод: Судя по пределам обнаружения, для датчика антигена следует использовать различные подходы измерения концентрации ионов.

Ферменты наиболее часто используемые для создания биосенсоров

Иммуноанализ и ДНК-зонды
В иммуноанализе связывание антитела и антигена приводит к увеличению молекулярной массы и объема, за ним обычно следует фотометрический, радиоактивный или даже ферментный маркер.

ДНК-зонды
В анализе ДНК-зонда гибридизация нитей ДНК-антигена приводит к увеличению молекулярной массы и объема. Обнаружение этого события такое же, как и при иммуноанализе.
Радиоизотопы - существует множество причин замены радиоизотопных меток на нерадиоактивные,
Фотометрия - низкая чувствительность
Ферменты - наиболее перспективная формоа маркировки.

Биомолекулы - рецепторы
Антитела. Белки; составляют около 20% общего белка плазмы, называются иммуноглобулинами (ig). Самые простые антитела Y-образные молекулы с двумя идентичными сайтами связывания для антигена.
Антиген - практически любая макромолекула, способная индуцировать иммунный ответ.
Антитело имеет базовую структурную единицу, состоящую из четырех полипептидных цепей - двух легких цепей и двух тяжелых цепей. Антитело обратимо связывается со специфическим антигеном.
Антитело - не катализатор.

Биомолекулы - рецепторы
2. Рецепторные белки.
Белковые молекулы со специфическим сродством к гормонам, антителам, ферментам и другим биологически активным соединениям. В основном связаны с мембраной (рис. 1.9c). Существуют гормональные рецепторы, вкусовые рецепторы, обонятельные рецепторы для обоняния, фоторецепторы для глаз и т.д. Рецепторные белки отвечают за открытие и закрытие мембранных каналов для транспорта специфических метаболитов.

3. ДНК - молекула-рецептор (геносенсор)
Принцип
комплементарности:

3. ДНК - молекула-рецептор

3. ДНК - молекула-рецептор

Клетки как рецепторы биосенсора

Клетки как рецепторы биосенсора

Клетки как рецепторы биосенсора

Биомолекулы - рецепторы
3. Другие. В принципе, любые биомолекулы и молекулярные сборки, которые способны распознавать целевой субстрат (= аналит), могут быть использованы в качестве биорецепторов.
Фактически, это могут быть мембранные срезы или целые клетки.
Биорецепторам требуется подходящая среда для поддержания их структурной целостности и биораспознающей активности.

Клетки - рецепторы

Клетки - рецепторы

Клетки - рецепторы

Биомиметические рецепторы
Методы конструирования:
генная инженерия
получение искусственных мембран
молекулярные отпечатки
Техника молекулярных отпечатков:

Биомиметические рецепторы
Рекомбинантная техника

Биомиметические рецепторы
Искусственные мембраны

Принципы классификации биосенсоров
по способу детектирования целевого аналита
по типу используемых биорецепторов
по механизму преобразования сигнала

Классификация биосенсоров в зависимости от способа преобразования сигнала и используемых методов детектирования
Молекулы биорецептора, иммобилизованные на походящей матрице для формирования биослоя
+
подходящий преобразователь
=
Биосенсор

Классификация биосенсоров в зависимости от способа преобразования сигнала и используемых методов детектирования
Оптические
Электрохимические
Пьезоэлектрические
Другие

Используемые преобразователи
Три типа преобразователей действий от молекулы-биорецептора в измеряемый сигнал в современных биосенсорах:
(1) фотометрический с использованием оптических волокон;
(2) потенциометрический : рН-метрия или ионометрия;
(3) амперометрия основанная на H2O2 или O2 измерениях (основан на датчике Кларка);
1
2
3

Откуда электрический ток при измерении концентрации аналита?
2
Электрические и электрохимические биосенсоры основаны на измерении электрических величин, которые изменяются в системе при взаимодействии между рецептором и аналитом.

Используемые преобразователи: Вольтамперометрические, амперометрические
Реакции биологического распознавания часто генерируют химические вещества, которые могут быть измерены электрохимическими методами.
Вольтамперометрические сенсоры позволяют осуществлять обнаружение аналитов, участвующих в О-В реакциях. Между рабочим электродом и электродом сравнения устанавливается: фиксированная величина разности потенциалов, после чего осуществляют контроль за изменением напряжения в цепи, которое пропорционально концентрации одного из продуктов аналитической реакции [18].
Амперометрия по H2O2 (или O2) - измеряют парой электродов. Напряжение подается на один из электродов относительно электрода сравнения (обычно Ag / AgCl или каломельный), целевые частицы (H2O2 или O2) восстанавливаются на электроде, и это генерирует электрический ток.

Электрод Кларка – пример амперометрического преобразователя

Амперометрические биосенсоры
Вывод: Амперометрическими биосенсорами в основном определяют H2O2 (за исключением NADH и хинона) который является обычным продуктом окислительно-восстановительных ферментов.

Потенциометрические преобразователи
Потенциометрические сенсоры формируют аналитический сигнал как разность потенциалов между рабочим электродом и электродом сравнения, иммобилизованными в полупроницаемую мембрану. Измеряют мембранный потенциал (отсюда и название потенциометрия), возникающий в результате разницы в концентрациях ионов H+ или других положительных ионов на мембране.
При этом ион-селективпый электрод (ISE) используется в качестве преобразователя/усилтеля сигнала.
Наиболее распространён - это рН-электрод.

Потенциометрические биосенсоры
Вывод: Потенциометрические биосенсоры в основном определяют содержание кислот по величине рН (CO2 and NH3 определяются косвенно по изменению pH).

Кондуктометрические преобразователи
Кондуктометрические сенсоры осущест­вляют измерение электропроводности раствора в
ходе протекания аналитической реакции. Кондуктометрические сенсоры мало при­годны для использования в каталитических реакциях, по широко применяются в реак­циях, где осуществляются аффинные взаи­модействия.

Преобразователи: кондуктометрические
Мониторинг проводимости раствора изначально применялся как метод определения скорости реакции.
Методика включает измерение изменений проводимости из-за миграции ионов. Многие связанные с ферментами реакции приводят к изменению общей концентрации ионов, поэтому они подходят для проводящих биосенсоров.

Импедансные преобразователи
Импедансные сенсоры основаны на измерении сопротивления в электрохимической ячейке или на фиксировании изменения сопротивления при варьировании вольтамперметрических характеристик.

Фотометрические преобразователи
В фотометрии свет от индикаторной молекулы является измеренным сигналом. Чтобы этот метод работал, один из реагентов или продуктов реакции биораспознавания должен быть связан с колориметрическими, флуоресцентными или люминесцентными индикаторными молекулами. Обычно оптическое волокно используется для направления световых сигналов от источника к детектору.

Другие преобразователи биосенсоров

Преобразователи: пьезоэлектрические
В пьезоэлектрических и поверхностных акустических волновых устройствах используется поверхность, чувствительная к изменениям массы. Эти преобразователи используются там, где реакция биораспознавания вызывает изменение массы.

Преобразователи: ёмкостные
Если реакция биопознания изменяет диэлектрическую проницаемость среды в окрестности биорецептора, в качестве преобразователя может использоваться метод измерения электрической емкости.
Пример реакции антиген-антитело:
Предположим, что молекулы антител иммобилизованы между двумя металлическими электродами. Когда антиген добавляется и связывается с антителом, ожидается, что диэлектрическая проницаемость среды между двумя электродами значительно изменится. Это изменение приводит к изменению емкости.

Преобразователи: термометрические
Все химические реакции сопровождаются поглощением (эндотермическим) или выделением (экзотермическим) тепла. Измерения H, (энтальпии) реакции при различных температурах позволяют рассчитать S (энтропию) и G (свободную энергию Гиббса) для реакции, а ,значит, собрать основные термодинамические данные.
Пример 1: гидролиз АТФ является экзотермическим процессом:
ATP4- + H2O~ADP3- + HPO4- + H+; ΔH298 = - 22.2 kJ (pH 7)
Пример 2:
иммунореакция между анти-HSA и его антигеном HSA дает -30,5 кДж / моль. Для этой последней реакции общее повышение температуры на 1 моль антитела составляет порядка 10-5 К, но многие реакции, катализируемые ферментами, имеют более высокую ΔH и вызывают более легко измеряемые изменения температуры.

Преобразователи: ферментные термисторы
Для биосенсорного устройства биораспознавающее соединение должно быть иммобилизовано на чувствительном к температуре элементе, способном обнаруживать очень малые изменения температуры.
Разработчики: университет Лунда.
Первоначально они иммобилизовали глюкозооксидазу или пенициллиназу в небольшой колонке, так что термисторы контролировали изменения температуры на выходе из колонки чтобы получить термистор фермента, чувствительный к глюкозе и пенициллину, соответственно.

Ферментные биосенсоры на оптоволоконных сенсорах, детектирующие с помощью
флюоресценции и взаимодействии антитела с антигеном (на оптродах)

Биосенсоры на полевых транзисторах
Сенсоры на основе полевых транзисторов основаны на использовании ион-селективных электродов и потенциометрических системах, при этом входной транзистор­ный элемент помещается в анализируемый раствор. Это существенно повышает разреша­ющую способность и улучшает аналитические возможности биосенсора.
Чувствительный слой биосепсора располагается непосред­ственно па поверхности ион-селективпого электрода, представляя собой ворота полевого транзистора.
Использование: непосредственное обнаружение коротких белков и пептидов по величине их заряда.

Преобразователи: полевые транзисторы
Идея - миниатюризация и массовое производство.
Полевые транзисторы (FET), широко используемые в полупроводниковой промышленности в микросхемах памяти и логических микросхемах, реагируют на изменение электрического поля.
Принцип: полевой транзистор способен обнаруживать изменения концентрации ионов, под воздействием ион-содержащих растворов. Следовательно, pH и концентрация ионов могут быть измерены с помощью FET.
+: FET преобразователь может быть встроен в электронную схему обработки сигналов.
Сегодня в продаже есть датчик pH на основе FET размером с ручку

Биосенсоры на полевых транзисторах
Вывод: в настоящее время ферменты наиболее широко применяют в качестве биосенсоров. Антитела имеют ограниченное применение.

Материалы для создания различных типов биосенсоров
Молекулы биорецепторов иммобилизуются в подходящей матрице для образования биослоя, который затем помещается в непосредственной близости от датчика.
Материалы конструкций для преобразователей также приведены на рисунке.
Биослой
Углеродная паста, электронный посредник, липид, электропроводный полимер
Металлические пары, одсиды
Стекло, ПВХ, ионофоры
Полимерные герметики
Электрод типа проволока с покрытием
Поверхностный детектор плазмы
Амперометрический датчик
Ионо-селективный электрод
Термисторы
Оптоволоконные проводники
Полевые транзисторы
Поверхностные акустические волны, гравиметрические детекторы

Классификация биосенсоров в зависимости от наличия специальных меток и красителей
Молекулы биорецептора, иммобилизованные на походящей матрице для формирования биослоя
+
подходящий преобразователь
=
Биосенсор

Требования к иммобилизации различных биорецепторов и генерируемые сигналы
Датчик в биосенсоре должен быть способен измерять этот сигнал.

Иммобилизация ферментов на биосенсорах

Способы иммобилизации ферментов на биосенсорах
Вывод: в настоящее время ферменты наиболее широко применяют в качестве биосенсоров. Антитела имеют ограниченное применение.
1 адсорбция 2 ковалентное связывние 3 встраивание в матрицу полимерного геля
4 перекрестное межмолекулярное взаимодействие
5 инкапсулирование в пористую матрицу

Способы иммобилизации рецепторов для выявления патогенных микроорганизмов
Адсорбция на поверхности золота
прикрепление антител к субстрату в случайном порядке, без направленного пространственного ориентирования.
+: просто быстро
-: адсорбция рецепторов па поверхности золота является неспецифической, значит, невысокие аналитические характеристики сенсора.
2. Авидин-биотиновые системы - рецепторы прикрепляют к покрытой авидином поверхности.
Авидин — гликопротеид, антагонист биотина, обладает способностью образовывать в организме биологически неактивный комплекс с биотином. Содержится в яичном белке птиц и рептилий.
Природа взаимодействия - нековалентная, что позволяет осуществлять множественную отмывку поверхности сенсора и использовать его повторно.
-: высокая стоимость реагентов
+: просто, надёжно, быстро
Авидин

Способы иммобилизации рецепторов для выявления патогенных микроорганизмов
3. Монослойные структуры, способные к са­мосборке (self-assembled monolayers - SAMs), получают при эмульгировании плоских микро­частиц золота в растворителе в присутствии поверхностно-активных веществ (ПАВ).
Основной рас­творитель: этанола с добавками дисульфидов или тиолов.
Формирование и взаимодействие монослое в осуществляется при реакции радикалов с суль­фидными группами. Присоединение биорецептора происходит посредством тиольной группы.

Проведение измерений с помощью биосенсора
Стационарный режим измерения

Проведение измерений с помощью биосенсора
Проточная система

Проведение измерений с помощью биосенсора
Проточно-инжекционный анализ

Создание биосенсора
Молекулы биорецептора, иммобилизованные на походящей матрице для формирования биослоя
+
подходящий преобразователь
=
Биосенсор

Создание биосенсора
Преобразователи ионоселективного электрода и полевого транзистора - потенциометрические преобразователи;
Проволока с покрытием - амперометрические преобразователи;
Поверхностный детектор плазмы и детектор поверхностных акустических волн пьезопреобразователи.

Мембраны электрода Кларка

Мембраны биосенсора
Мембраны являются одним из важнейших компонентов биосенсора.
Они используются для
предотвращения загрязнения;
устранение помех;
управление режимом работы биосенсора.
Примеры:
1. Когда аналитом является небольшая молекула, то мембрана с небольшим размером пор может предотвратить попадание макромолекул, таких как белки, в чувствительную зону.
2. Транспорт заряженных молекул можно контролировать с помощью мембран ионного обмена.

Покрытия для амперометрических биосенсоров

Развитие биосенсоров
Три поколения по методу присоединения биорецептора к элементу преобразователя.
Первое поколение биорецептор располагается в непосредственной близости от базового датчика за диализной мембраной.
Во втором и третьем поколении: иммобилизация биорецептора достигается с помощью сшивающих реагентов или бифункциональных реагентов на подходяще модифицированной матрице преобразователя или путем включения в полимерную матрицу на поверхность трансдукции.
Во втором поколении отдельные компоненты остаются по существу различными (например, управляющая электроника-электрод-биомолекула),
В третьем поколении молекула биорецептора становится неотъемлемой частью базового чувствительного элемента.

3 поколения биосенсоров

Перспективы развития биосенсоров
1. Обработка данных и распознавание образов.
Если мы сравним существующие биосенсоры с натуральными (например, нос или глаз), они будут очень грубыми и упрощенными. Молекулы распознавания в «естественных сенсорах» не обязательно являются высокоспецифичными, но передача сигнала через биомолекулы является сложной. Специфика «естественных сенсоров» состоит в обработке собранных данных и распознавания посредством непрерывного процесса обучения.
Ожидается, что этот режим работы с использованием данных, собранных от нескольких биосенсоров, будет использоваться в будущем, поскольку постоянно растущие возможности микропроцессоров обеспечат быстрые вычисления.

Перспективы развития биосенсоров
2. Микроинструмент.
Биосенсоры третьего поколения имеют встроенную схему обработки сигналов. Когда такие датчики объединяются с микромасштабными клапанами и приводами, разрабатываемыми в настоящее время (с использованием технологии микрообработки), на кремниевой пластине может быть построен целый аналитический инструмент.

ДНК-микрочип с системой детекции

Схема совмещенной диагностической системы биочипов с микрочиповыми датчиками

Перспективы развития биосенсоров
3 Молекулярная электроника.
Как минимизировать транзистор (обратите внимание, что «транзистор» является строительным блоком микропроцессоров и чипа памяти).
Многие биологические молекулы способны синтезировать сложные самоорганизующиеся молекулы с, по-видимому, только необходимыми электронными свойствами. Это говорит о том, что минимальный по размеру транзистор можно построить заменой кремния на биомолекулярные компоненты. Эта идея привела к предложению многих молекулярных электронных систем. В прошлом материалы и методы обработки, разработанные для применения в микроэлектронике, использовались при разработке датчиков. Поэтому любые будущие разработки в области молекулярной электроники, как ожидается, будут импортированы в биосенсорные технологии

СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ !

Домашнее задание