Головна
Реферати » Реферати по біології » Сьогодення та майбутнє біосенсорів

Сьогодення та майбутнє біосенсорів

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

ТВЕРСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Факультет хіміко-біолого-географічний
Кафедра неорганічної та аналітичної хімії

Курсова робота

"Сьогодення та майбутнє біосенсорів "

| | Виконав: | студент Х-Б-Г факультету |
| | Курс: | 2 |
| Перевірив : | Група: | 26 (2) |
| «___» ___ 2002р. | Прізвище: | Лапшин С.В. |

Тверь - 2002р.

Зміст


Введення 3
Що таке биосенсор 3
Як працює биосенсор 5
Де застосовують біосенсори 6
Біосенсори на основі інших біоматеріалів 7
Проблеми та перспективи розвитку 9
Література 11

Введення

Біологічні методи дозволяють судити про присутність якого-небудь речовини або його кількісний вміст по характеру і величині його впливу на певний організм, узятий як індикаторний.
Аналітичним сигналом при цьому є зміна стану життєдіяльності цього організму, тобто його реакція на подразник, яким, наприклад, можуть бути токсиканти середовища проживання або які-небудь інші біологічно активні сполуки, що викликають порушення життєвих функцій індикаторного організму або його загибель. До біологічних методів відносять і біохімічні методи, зокрема ферментативні, а також різні методики, наприклад індикаторні трубки на основі ферментів та інших біологічних матеріалів. Цікаво, що механізм отримання інформації про склад якого-небудь об'єкта за допомогою цих методів і пристроїв моделює процес в живій природі, що особливо важливо при аналізі об'єктів біологічного походження.

Відомо, що ферменти - це біологічні каталізатори, які мають яскраво виражену здатність вибірково каталізувати багато хімічні перетворення як в живій клітині, так і поза організмом. Чудові властивості ферментів давно привертали увагу дослідників, в тому числі і аналітиків, але практичного застосування ферментів, наприклад для аналітичних цілей, перешкоджали насамперед мала доступність чистих ферментів, нестійкість в часі їх розчинів, препаратів при зберіганні і впливі на них різних факторів (теплових, хімічних), неможливість багаторазового використання однієї порції ферменту через складність відділення його від інших компонентів розчину, висока вартість очищених препаратів. Однак вихід з положення незабаром був знайдений, і з'явилася можливість використання каталітичних властивостей ферментів поза їх зв'язку з живим організмом і можливість збереження цієї здатності протягом тривалого часу практично без зміни. Досягнення в цій області біохімії і ензимології дали початок розвитку нового напрямку аналітичної хімії - безреагентних методів аналізу, заснованих на використанні різних біохімічних сенсорів.

Що таке биосенсор

Під терміном "биосенсор" слід розуміти пристрій, в якому чутливий шар, що містить біологічний матеріал: ферменти, тканини, бактерії, дріжджі, антигени / антитіла , ліпосоми, органели, рецептори, ДНК, безпосередньо реагує на присутність визначається компонента, генерує сигнал, функціонально пов'язаний з концентрацією цього компонента. Конструктивно биосенсор являє собою комбіноване пристрій, що складається з двох перетворювачів, або трансдьюсеров, - біохімічного і фізичного, що перебувають в тісному контакті один з одним.
Біохімічний перетворювач, або біотрансдьюсер, виконує функцію біологічного елементу розпізнавання, перетворюючи визначається компонент, а точніше, інформацію про хімічних зв'язках в фізична або хімічна властивість або сигнал, а фізичний перетворювач це властивість фіксує за допомогою спеціальної апаратури . В даному випадку реалізується принципово новий спосіб отримання інформації про хімічний склад розчину. Наявність у пристрої біоматеріалу з унікальними властивостями дозволяє з високою селективністю визначати потрібні з'єднання в складній по складу суміші, не вдаючись до жодних додаткових операцій, пов'язаних з використанням інших реагентів, концентрування і т. Д. (Звідси і назва - безреагентниє методи аналізу).

Існує велика різноманітність фізичних трансдьюсеров: електрохімічні, спектроскопічні, термічні, п'єзоелектричні, трансдьюсера на поверхневих акустичних хвилях і т.п. В даний час найбільшого поширення набули електрохімічні перетворювачі. Одні з них генерують потенціал на спеціальному електроді, на поверхню якого нанесено шар біоматеріалу, інші генерують електричний струм реакції продукту перетворення визначається речовини на поверхні електрода, викликаного біоматеріалом. Іншими словами, існують потенцио- і амперометричні біосенсори. Якщо фізичний перетворювач використовує зміна светопоглощения в області биослоя, то такий биосенсор називається, наприклад, оптоволоконним, оскільки вимірюваний сигнал передаватиметься вимірювального приладу по оптичному волокну. Відповідний фізичний перетворювач за аналогією з електродом називають оптродом. За назвою перетворювача можна зробити висновок про характер фізичного властивості, яке вимірюється апаратно, причому, як правило, при такому вимірі використовується мікропроцесорна техніка, що дозволяє зробити пристрій досить компактним.

Перша згадка про аналітичні пристроях на основі ферментів або ферментсодержащих матеріалів з'явилося порівняно недавно, в 60-х роках нашого століття. Потім в побут увійшло поняття "биосенсор" або "биочип". Це важлива подія в науці. Тут відбиваються глибокі причини, пов'язані з так званими інтеграційно-синтетичними процесами в науці, що приводять до появи нових знань. Функціонально, таким чином, біосенсори зіставлені з датчиками живого організму - биорецепторами, здатними перетворювати всі типи сигналів, що надходять з навколишнього середовища, в електричні.

Як працює биосенсор

Принцип роботи біосенсора досить простий. Визначається речовина дифундує через напівпроникну мембрану в тонкий шар биокатализатора, в якому і протікає ферментативна реакція. Оскільки в даному випадку продукт ферментативної реакції визначається за допомогою електрода, на поверхні якого закріплений фермент, то такий пристрій ще називають ферментним електродом. Таким чином, визначення "биосенсор" і "ферментний електрод" в даному випадку синоніми.

Слід зазначити, що характер ферментативної реакції залежить від природи ферменту, типу його каталітичної дії. Серед ферментів можна виділити оксидоредуктази, що здійснюють реакції окислення і відновлення, гідролази, каталізують гідроліз, трансферази, що викликають перенос ацильних, гликозидних і т.п. залишків і т.д. Багато ферменти зараз доступні, їх чисті препарати включені в каталоги ряду фірм-виробників.
Важливо відзначити, що при конструюванні биосенсора збільшення тривалості дії ферменту стає основним завданням. Справа в тому, що нативний фермент зберігає свої властивості лише протягом відносно короткого часу. Тому була розроблена операція так званої іммобілізації ферменту. В ході іммобілізації за допомогою спеціальних реагентів фермент "закріплюють" або на поверхні адсорбентів, наприклад силікагелю, вугілля або целюлози, або вводять в плівку пористого полімеру, або ковалентно, тобто за допомогою хімічних зв'язків, "пришивають" до якої-небудь підкладці. При цьому фермент закріплюється, перестає бути рухливим, вимивається з биослоя, а його каталітичну дію зберігається .. Як видно, при іммобілізації ферментів використовують різноманітні способи їх закріплення, в тому числі і комбіновані.
Біосенсори можуть бути сконструйовані і по так званій об'ємної технології, при якій індивідуальні компоненти, становлять як би єдиний фізичний ансамбль. Хоча такі біосенсори в даний час і застосовуються на практиці, вони мають недоліки, є труднощі і при їх виготовленні. Справді, пошарове покриття електрода чи якогось твердого перетворювача мембраною має бути відтворено. Відповідна технологія формування поверхні повинна допускати можливість виготовлення досить мініатюрного електрода. Крім того, біосенсори з порівняно товстими мембранами дають у підсумку більший час відгуку, є складнощі і при їх градуировке. Успіхи в галузі розвитку засобів мікроелектроніки підштовхнули розробників конструкцій біосенсорів до нових рішень. Виявилося перспективним використовувати так звану планарную технологію (фотолитографию, напівпровідникову техніку покриттів тощо. Д.), За якою можна виготовити так званий биочип, об'єднуючий сенсорну систему, трансдьюсер, аналого-цифровий перетворювач і мікропроцесор для виміру аналітичного сигналу і розрахунку результатів аналізу. Хоча такі біочіпи можуть тиражуватися, основною проблемою в даному випадку буде відтворюваність стану, тобто мікроструктури поверхні з нанесеним шаром біологічно активного ферменту. Важким завданням представляється в даному випадку і оптимізація такої структури на відміну від об'ємної технології, реалізованої присутністю в конструкції сенсорної частини кількох молекулярних шарів. Тим не менш "молекулярний дизайн" при конструюванні біосенсорів майбутнього може скласти реальну конкуренцію об'ємному їх варіанту.

Де застосовують біосенсори

Мабуть, найпоширенішим нині є амперометрический биосенсор на основі иммобилизованной глюкозоксидаза для визначення цукру в крові. Історично цей биосенсор є самим
"древнім". В даний час для визначення глюкози створено найбільше число різних біосенсорів, що пов'язано з необхідністю контролю за вмістом цукру в біологічних рідинах, наприклад в крові, при діагностуванні та лікуванні деяких захворювань, перш за все діабету.
Схема функціонування біосенсора на глюкозу в принципі типова й для інших амперометричних біосенсорів з аналогічним трансд'юсером. Ток відновлення кисню на платиновому катоді прямо пропорційний концентрації кисню. У присутності субстрату (наприклад, глюкози в крові, взятої для аналізу) ферментативна реакція знижує концентрацію O2.Такім чином, струм відновлення кисню зменшується пропорційно концентрації субстрату

Перевага даного типу биосенсора полягає насамперед у його високу селективність . Вибірковість подібних біосенсорів визначається високою специфічністю глюкозоксидаза і природою електрохімічної реакції, в якій беруть участь компоненти ферментативного процесу. В цілому клас ферментів - оксидаз є високоспецифічним стосовно визначальним субстратам. Системи ж на основі небіологічного перетворювача, навпаки, не настільки селективні, як цього б хотілося, що обумовлено рядом причин. Проте існує ембарго і по застосуванню даної конструкції биосенсора, зумовлені впливом кисню та інших сторонніх речовин, здатних проникати через биослой (точніше, через мембрану), а тому завдання вдосконалення конструкцій біосенсорів на глюкозу представляється вельми актуальною.

Один з можливих шляхів такого вдосконалення полягає в наступному. Якщо змінити полярність включення електрода-трансдьюсера в Глюкозно біосенсорів на протилежну, тобто платиновий катод зробити анодом, то при потенціалі + 0,6 В він стає абсолютно нечутливим до кисню, але зате дає відгук на пероксид водню, який при даному значенні потенціалу окислюється до води . Чутливість такого електрода до пероксиду водню виявилася привабливою, а оскільки вода утворюється як продукт ферментативної реакції, за його змістом можна зробити висновок про концентрацію, наприклад глюкози в різних об'єктах.

Сторінки: 1 2