Головна
Реферати » Реферати по біології » Сьогодення та майбутнє біосенсорів

Сьогодення та майбутнє біосенсорів

Інший спосіб поліпшення селективності біосенсорів і усунення перешкод від сторонніх домішок полягає у використанні різних мембран - плівок, що запобігають їх потраплянню безпосередньо на електрод-перетворювач.
При цьому внутрішня мембрана виконує функцію захисту від домішок, а зовнішня мембрана пропускає субстрат в биослой. Однак необхідно відзначити, що за допомогою спеціальних прийомів, званих хімічною модифікацією, можна настільки змінити властивості поверхні електрода, що він буде "глухим" до більшості домішок і, навпаки, чутливим до компонентів ферментативної реакції.

Біосенсори, засновані на кисневому електроді як фізичному трансдьюсера, дозволяють визначати різноманітні субстрати ферментів: крім глюкози - лактати, L-амінокислоти, саліцилати, оксалати, пирувати, тобто аніони відповідних карбонових кислот. У літературі описані інші біосенсори подібного типу, ряд яких застосовується на практиці.

За допомогою біосенсорів можна вирішити і зворотну задачу: при деякій певній концентрації субстрату оцінювати активність власне ферменту за величиною вимірюваного сигналу (потенціалу, струму тощо. Д.). З опису роботи ферменту випливає, що вимірюваний сигнал залежить не тільки від концентрації субстрату, але й від каталітичної активності біологічного перетворювача, тобто ферменту. Таке використання біосенсорів дозволяє виміряти активність великої кількості ферментів, наприклад в крові.
Оцінка активності ферментів, пов'язаних із серцевою діяльністю, таких, як аспартамамінотрансфераза, креатинкиназа, дозволяє в клінічних умовах оцінювати глибину інфаркту міокарда. Вимірювання активності ферменту амілази використовуються в педіатрії.

Біосенсори на основі інших біоматеріалів

Багато ферменти дороги і швидко втрачають свою активність, використання виконаних на їх основі біосенсорів не може бути економічно доцільним. Тому застосування бактерій, мікроорганізмів і біологічних тканин різного походження більш переважно, оскільки в даному випадку відпадає необхідність у попередньому отриманні і очищенні ферментів. До істотних недоліків таких біосенсорів можна віднести низьку селективність визначення внаслідок того, що клітини живих організмів фактично є джерелом найрізноманітніших ферментів. Крім цього час відгуку біосенсорів на основі тканин і мікроорганізмів може бути достатньо великим, що також зменшує їх практичну цінність. Проте останнім часом спостерігається підвищений інтерес до розробки конструкцій електродів, що містять не власними ферменти в очищеному вигляді, а їх первозданні джерела - біологічні матеріали. Так, було встановлено, що тканинні зрізи в биосенсорах можуть виконувати функцію джерел каталітичної активності. Наприклад, створений біосенсор на аскорбінову кислоту, що складається з платинового електрода і пластини шкірки огірка або гарбуза, що служить джерелом аскорбіноксідази.
Активність ферменту в такій природній матриці достатня для проведення 50-
80 визначень аскорбінової кислоти в різних об'єктах. Встановлено, що пластини біоматеріалу можуть зберігатися без втрати активності протягом року в 50%-ном гліцерині.

Аналогічний підхід використовували при створенні конструкції біосенсора на допамін - найважливіший біогенний амін, що бере участь в регуляції діяльності мозку. В даному біосенсори тканина плоду банана була иммобилизована на поверхні кисневого електрода. У розглянутих випадках біоматеріали створюють "природне оточення" для ферментів, що сприяє стабілізації їх активності. Тканинні матеріали досить довго зберігають високу специфічність, що дуже важливо для біосенсора, тоді як виділені ферменти в тих же умовах швидко руйнуються. Відомі біосенсори, в яких використаний цілісний фрагмент тканини печінки бика, який є носієм ферменту каталази та іммобілізований на кисневому електроді.
Ферментативне дію каталази, що виявляється в каталізі реакції розкладання пероксиду водню, використав цьому випадку для створення відповідного електрода. Розроблено биосенсор на основі шкірки кабачка або огірка і кисневого електрода для визначення L-аскорбінової кислоти у фруктових соках, функціонуючий подібно до аналогічного типу електрода, вже розглянутого вище. Тим не менш, незважаючи на успіхи в розвитку біосенсорів на основі біологічних матеріалів, надійність їх функціонування все ще залишається спірною. Ще один приклад конструкції биосенсорного устрою належить до ферментному електроду на основі мікроорганізмів - дріжджів, які розміщені між двома пористими мембранами.
Біосенсор на основі іммобілізованих дріжджів і кисневого електрода дозволяє визначати етанол і метанол, наприклад в промислових стоках.

Інтерес представляють біосенсори на основі іммобілізованих на мембрані мікроорганізмів, службовців елементом так званого мікробного сенсора. Як приклад таких пристроїв можна згадати амперометрический сенсор на аміак (в стічних водах) на основі іммобілізованих нитрифицирующих бактерій і кисневого електрода. Такий биосенсор корисний при вирішенні питань охорони навколишнього середовища, і зокрема при контролі ступеня очищення промислових стоків.

Можна відзначити також використання біосенсорів на основі гидролаз - ферментів, що є каталізаторами гідролітичного розщеплювання субстратів. Ці біосенсори призначаються, як правило, для еколого аналітичного контролю залишкових кількостей пестицидів класу фосфорорганічних сполук, а також для визначення деяких ОВ. Якщо при гідролізі якого-небудь субстрату ферментом класу гідролаз утворюється електрохімічно активну сполуку, то, контролюючи зміст останнього, можна контролювати ферментативну реакцію так само, як в попередніх випадках. Однак у присутності речовин, що є інгібіторами, активність ферменту зменшується, що і виявляється по сигналу, регистрируемому електродом. Цікаво відзначити високу чутливість такого визначення: ефект зміни активності ферменту доступний для вимірювання вже при дії ультраследових кількостей інгібітору - на рівні пико- і фемтограмм

Проблеми та перспективи розвитку

Концепція розпізнавання визначається речовини за допомогою іммобілізованого біоматеріалу виявилася плідною. У підсумку дослідники придбали новий засіб, що дозволяє швидко отримати достовірну інформацію про стан навколишнього середовища та здоров'я людини.
Деякі біосенсори вже набувають поширення для індивідуального використання в домашніх аптечках (найчастіше для визначення цукру в крові). Інтерес до биосенсорам безперервно зростає. У 1996 році відбулися чотири великі міжнародні конференції по биосенсорам.

Якщо пам'ятати все розмаїття ферментів, присутніх і діючих в живому організмі і є потенційними біологічними перетворювачами, то слід зазначити, що існуюче сьогодні число конструкцій біосенсорів може бути збільшене в десятки і навіть сотні разів.
Біосенсори набувають поширення в біотехнології. Хоча тут і зустрічаються труднощі, пов'язані з невисокою термічною стійкістю запропонованих пристроїв, що призводить до дезактивації биослоя, є підстави вважати, що даний недолік буде незабаром подолана. Так, вважають, що для збільшення терміну служби біосенсорів в позначених вище умовах можна використовувати ферменти, виділені з термофільних бактерій і одноклітинних водоростей - мікроорганізмів, стійких до дії високих температур. Певні труднощі являють собою також проблеми градуювання біосенсорів і надійності їх показань. Для поліпшення останнього показника, зокрема, пропонується використовувати мультисенсорную систему, що складається з ряду биочипов. Для отримання певної "ємності" надійних даних проводиться розрахунок необхідного числа таких датчиків. Проте в цілому так звані метрологічні характеристики біосенсорів цілком прийнятні. Відносне стандартне відхилення обумовленою концентрації не вище 10-12%, притому що нижня межа визначених змістів сягає 10-15 моль / л. Деякі біосенсори працюють за принципом так-ні, що цілком прийнятно, коли вирішується питання про присутність ультрамалих кількостей високотоксичних речовин в об'єктах навколишнього середовища. Якщо зумовлені компоненти перебувають у складній суміші або матриці або ж близькі за своїми властивостями, то при аналізі використовують хроматографічні методи розділення. Контроль за поділом здійснюють за допомогою системи детекторів на основі біосенсорів. І тут отримані разючі результати: поділяють і кількісно визначають оптичні активні ізомери, різні цукру (лактозу, фруктозу, глюкозу і т.д.), складні за структурою біологічно активні сполуки і т.п.

Ось один з недавніх прикладів розробки біосенсорів, заснованих на використанні природного хеморецептора. Хеморецепторами, витягнутий з чутливих антен (органел) блакитного морського краба, був прикріплений до ультрамікроелектроду, котрий вимірює потенціал. В результаті був виготовлений новий тип потенциометрического детектора, надзвичайно швидко реагує на нікчемні зміни складу середовища, в яку він занурений. Сам блакитний краб дуже чутливий до слідів важких металів і живе тільки в найчистішої морській воді.

На черзі створення біосенсорів, які заміняють рецептори живих організмів, що дозволить створити "штучні органи" нюху і смаку, а також застосувати зазначені розробки для можливо більш точної і інформативною діагностики ряду захворювань. Безсумнівно, що в найближчому майбутньому в цій суміжній галузі біології та хімії слід очікувати нових відкриттів.

Література


1. Біосенсори: основи та додатки / Под ред. Е. Тернера та ін. М .: Мир,

1992. 614 с.

2. Будніков Г.К., Майстренко В.М., Мурин Ю.І. Вольтамперометрия з модифікованими і ультрамікроелектродамі. М .: Наука, 1994. 239 с.

3. Будніков Г.К., Медянцева Е.П., Бабкіна С.С. // Успіхи хімії. 1991. Т.

60. С. 881.


Сторінки: 1 2