биосенсоры

BIOSENSORS БИОСЕНСОРЫ S. D. VARFOLOMEEV ë. Ñ. ÇÄêîéãéåÖÖÇ Biosensors are the bioelectronic devices which use the biomacromolecules and cells for “recognition” of molecules and transform the information about molecules and their concentrations into electric signal. Principles of construction and action of biosensors are described. The enzyme electrodes and cellular biosensors are discussed in more details. © LJÙÓÎÓÏ‚ ë.Ñ., 1997 é·ÒÛʉ‡˛ÚÒfl ÔË̈ËÔ˚ ‰ÂÈÒÚ‚Ëfl Ë ‚ÓÁÏÓÊÌÓÒÚË ·ËÓÒÂÌÒÓÓ‚ – ÌÓ‚˚ı ‡Ì‡ÎËÚ˘ÂÒÍËı ÛÒÚÓÈÒÚ‚, ËÒÔÓθÁÛ˛˘Ëı ·ËÓÎӄ˘ÂÒÍË χÚÂˇÎ˚ ‰Îfl “ÛÁ̇‚‡ÌËfl” ÏÓÎÂÍÛÎ Ë ‰‡˛˘Ëı ËÌÙÓχˆË˛ Ó· Ëı ÔËÒÛÚÒÚ‚ËË Ë ÍÓ΢ÂÒÚ‚Â ‚ ‚ˉ ˝ÎÂÍÚ˘ÂÒÍÓ„Ó Ò˄̇·. ÅÓΠ‰ÂڇθÌÓ ‡ÒÒÏÓÚÂÌ˚ ÙÂÏÂÌÚÌ˚ ˝ÎÂÍÚÓ‰˚ Ë ÍÎÂÚÓ˜Ì˚ ·ËÓÒÂÌÒÓ˚. åÓÒÍÓ‚ÒÍËÈ „ÓÒÛ‰‡ÒÚ‚ÂÌÌ˚È ÛÌË‚ÂÒËÚÂÚ ËÏ. å.Ç. ãÓÏÓÌÓÒÓ‚‡ В последнее десятилетие возникли новые контакты на первый взгляд между очень далекими областями: электроникой и биохимией. Их взаимное проникновение друг в друга создало новую сферу интересов науки – биоэлектронику. Первым шагом в этой области было возникновение новых устройств для анализа и переработки информации, получивших название биосенсоров. Биосенсоры рассматриваются как первое поколение биоэлектронных устройств. Что же такое биосенсоры? Как они устроены? Как работают? Что могут? Постараемся ответить на эти вопросы. Биосенсоры – это аналитические устройства, использующие биологические материалы для “узнавания” определенных молекул и выдающие информацию об их присутствии и количестве в виде электрического сигнала. Идея создания такого рода устройств существует уже около 30 лет. Впервые ее высказали, по-видимому, Кларк и Лионс в 1967 году [1]. Идея Кларка состояла в использовании ферментного электрода, то есть электрохимического датчика с иммобилизованным на его поверхности ферментом. За прошедшие десятилетия эта идея получила достаточное развитие. Создано и исследовано много систем, некоторые получили апробирование и промышленную реализацию. Большинство биосенсоров ориентированы на анализ биологических жидкостей. Действительно, например, в крови находятся тысячи различных соединений. Задача заключается в том, чтобы быстро и эффективно (количественно) определить концентрацию нужного соединения, например глюкозы. Для людей, страдающих диабетом, это жизненно важный клинический анализ. Биосенсоры обеспечивают такую возможность. Принципы конструирования биосенсоров. Любой биосенсор состоит из двух принципиальных функциональных элементов: биоселектирующей мембраны, использующей различные биологические структуры, и физического преобразователя сигнала (трансдьюсера), трансформирующего концентрационный сигнал в электрический. Для считывания и записи информации используют электронные системы усиления и регистрации сигнала. В качестве биоселектирующего материала используют все типы биологических структур: ферменты, антитела, рецепторы, нуклеиновые кислоты и даже живые клетки (рис. 1). ÇÄêîéãéåÖÖÇ ë.Ñ. ÅàéëÖçëéêõ 45 Биоселектор Трансдьюсер Клетки Ферменты Антитела Рецепторы Нуклеиновые кислоты Электрический сигнал Вещество, концентрационный сигнал Запись и преобразование информации Рис. 1. Принципиальная схема биосенсора Трансдьюсерами могут быть электрохимические преобразователи (электроды), различного рода оптические преобразователи, гравитационные, калориметрические, резонансные системы. Все виды биоселектирующих элементов можно комбинировать с различными тра