БИОСЕ́НСОРЫ

Схема устройства биосенсора.

БИОСЕ́НСОРЫ, ком­пакт­ные ана­ли­ти­че­ские уст­рой­ст­ва; со­сто­ят из био­дат­чи­ка, ге­не­ри­рую­ще­го «пер­вич­ный» сиг­нал при взаи­мо­дей­ст­вии с оп­ре­де­лён­ны­ми ком­по­нен­та­ми ана­ли­зи­руе­мой сре­ды (био­ло­ги­че­ски ак­тив­ные ве­ще­ст­ва, гер­би­ци­ды, ОВ, ио­ны ме­тал­лов, во­до­ро­да и т. д.), и пре­об­ра­зо­ва­те­ля, ко­то­рый пре­вра­ща­ет «пер­вич­ный» сиг­нал био­дат­чи­ка в ин­фор­ма­цию о свой­ст­вах сре­ды. Б. мож­но рас­смат­ри­вать как уп­ро­щён­ную мо­дель сен­сор­ных сис­тем, напр. ор­га­нов чувств (от­сю­да назв.). Б. по­зво­ля­ют осу­ще­ст­в­лять бы­ст­рый ана­лиз ком­по­нен­тов ок­ру­жаю­щей сре­ды (эко­ло­гич. ди­аг­но­сти­ка), дать оцен­ку ка­че­ст­ва про­дук­тов пи­та­ния, ус­та­но­вить на­ли­чие со­лей тя­жё­лых ме­тал­лов, ток­си­нов, ан­ти­био­ти­ков и др. со­еди­не­ний в об­раз­цах разл. про­ис­хо­ж­де­ния, в т. ч. в био­ло­гич. жид­ко­стях. Уче­ние о био­сен­со­рах – био­сен­со­ри­ка, на­хо­дясь на сты­ке раз­ных об­лас­тей зна­ний, ос­но­вы­ва­ет­ся на но­вей­ших дос­ти­же­ни­ях в об­лас­ти мо­ле­ку­ляр­ной био­ло­гии, био­тех­но­ло­гии, хи­мии и фи­зи­ки по­ли­ме­ров, мик­ро­элек­тро­ни­ки, ком­пью­тер­ной тех­ни­ки и др.

Био­дат­чик (его на­зы­ва­ют так­же био­ло­ги­че­ски чув­ст­ви­тель­ным или био­ак­тив­ным эле­мен­том) мо­жет быть пред­став­лен мо­ле­ку­ла­ми лю­бых био­по­ли­ме­ров, це­лы­ми клет­ка­ми или ку­соч­ка­ми тка­ней, а так­же од­но­це­по­чеч­ны­ми мо­ле­ку­ла­ми ДНК или оли­го­нук­ле­о­ти­да­ми (та­кие Б. на­зы­ва­ют­ся ге­но­сен­со­ра­ми или био­чи­па­ми). Как пра­ви­ло, не­ко­то­рое чис­ло био­ло­гич. мо­ле­кул за­фик­си­ро­ва­но на по­верх­но­сти но­си­те­ля (или в его со­ста­ве) та­ким об­ра­зом, что­бы со­хра­ня­лись их ис­ход­ные свой­ст­ва. Био­дат­чик об­на­ру­жи­ва­ет оп­ре­де­лён­ные со­еди­не­ния и «со­об­ща­ет» об их на­ли­чии из­ме­не­ни­ем фор­мы, мас­сы, цве­та, свойств по­верх­но­сти, из­ме­не­ни­ем или по­гло­ще­ни­ем те­п­ло­ты, а так­же по­яв­ле­ни­ем ио­нов во­до­ро­да, ки­сло­ро­да или но­вых со­еди­не­ний. В со­от­вет­ст­вии с мно­го­об­ра­зи­ем «пер­вич­ных» сиг­на­лов су­ще­ст­ву­ют раз­ные ти­пы пре­об­ра­зо­ва­те­лей – элек­тро­хи­ми­че­ские, гра­ви­мет­ри­че­ские и т. д.

В ос­но­ве ра­бо­ты лю­бо­го Б. ле­жат про­цес­сы, про­ис­хо­дя­щие ме­ж­ду мо­ле­ку­ла­ми био­дат­чи­ка и мо­ле­ку­ла­ми ана­ли­зи­руе­мой сре­ды, – мо­ле­ку­ляр­ное уз­на­ва­ние. Ис­хо­дя из это­го, вы­де­ля­ют 2 ти­па Б. Ра­бо­та аф­фин­ных Б. свя­за­на с об­ра­зо­ва­ни­ем ком­плек­сов ме­ж­ду мо­ле­ку­ла­ми, при­сут­ст­вую­щи­ми в ана­ли­зи­руе­мой про­бе (ли­ганд), и мо­ле­ку­ла­ми био­дат­чи­ка (ре­цеп­тор). Ана­ло­гич­ным об­ра­зом ан­ти­те­ла «уз­на­ют» ан­ти­ге­ны, пу­ри­но­вые ос­но­ва­ния в мо­ле­ку­лах нук­леи­но­вых ки­слот – ком­пле­мен­тар­ные им пи­ри­ми­ди­но­вые ос­но­ва­ния, и т. д. Чем спе­ци­фич­нее ре­ак­ция мо­ле­ку­ляр­но­го уз­на­ва­ния, тем вы­ше чув­ст­ви­тель­ность Б. Аф­фин­ные Б. удоб­ны для бы­ст­ро­го ана­ли­за сме­си близ­ко­род­ст­вен­ных со­еди­не­ний, кон­цен­тра­ция ко­то­рых ле­жит в пре­де­лах 10^–7–10^–15 моль/л. Наи­бо­лее вы­со­кой спе­ци­фич­но­стью об­ла­да­ют им­мун­ные Б. на ос­но­ве мо­но­кло­наль­ных ан­ти­тел, ко­то­рые улав­ли­ва­ют осо­бен­но низ­кие кон­цен­тра­ции ан­ти­ге­нов (до 10^–21 моль/л). Фер­мент­ные Б. по­зво­ля­ют иден­ти­фи­ци­ро­вать в ана­ли­зи­руе­мом рас­тво­ре мо­ле­ку­лы суб­стра­та. По­яв­ляю­щие­ся в ре­зуль­та­те взаи­мо­дей­ст­вия фер­мен­та с суб­стра­том про­дук­ты ре­ак­ции мо­гут оп­ре­де­лять­ся разл. ти­па­ми пре­об­ра­зо­ва­те­лей. Напр., при окис­ле­нии глю­ко­зы с по­мо­щью фер­мен­та β-глю­ко­зи­да­зы по­яв­ля­ет­ся неск. воз­мож­но­стей для сле­же­ния за хо­дом этой ре­ак­ции и, сле­до­ва­тель­но, ис­поль­зо­ва­ния раз­ных ти­пов пре­об­ра­зо­ва­те­лей:$$\ce{β\text-D\text-глю­ко­за+^1/_2O_2\xrightarrow{β-глюкозооксидаза}D\text-глю­ко­но\text-δ\text-лак­тон +H_2O_2 +{\it Q}→D\text-глю­ко­но­вая \ ки­сло­та +H^+}.$$

При по­мо­щи ки­сло­род­но­го элек­тро­да мож­но оп­ре­де­лить кон­цен­тра­цию ки­с­ло­ро­да; ис­поль­зуя ме­то­ды ко­ло­ри­мет­рии, ам­пе­ро­мет­рии или по из­ме­не­нию лю­ми­нес­цен­ции – сле­дить за на­ко­п­ле­ни­ем пер­ок­си­да во­до­ро­да; ка­ло­ри­мет­ри­че­ские ме­то­ды по­зво­ля­ют учи­ты­вать вы­де­ле­ние те­п­ло­ты ($Q$), $\ce{pH}$-чув­ст­ви­тель­ные элек­тро­ды – из­ме­не­ние кон­цен­тра­ции ио­нов во­до­ро­да. Т. о., по же­ла­нию (в за­ви­си­мо­сти от кон­крет­ных ус­ло­вий) мож­но кон­ст­руи­ро­вать раз­ные Б. для оп­ре­де­ле­ния кон­цен­тра­ции од­но­го и то­го же ве­ще­ст­ва (в дан­ном слу­чае – глю­ко­зы).

Б. де­лят так­же на 2 груп­пы в за­ви­си­мо­сти от осо­бен­но­стей их кон­ст­рук­ции. В «клас­си­че­ских» Б. био­дат­чи­ки яв­ля­ют­ся струк­тур­ной ча­стью пре­об­ра­зо­ва­те­ля сиг­на­ла. Во 2-й груп­пе Б. био­дат­чи­ки пред­став­ле­ны плён­ка­ми, мем­бра­на­ми или од­но­ра­зо­вы­ми ко­лон­ка­ми, ко­то­рые кон­так­ти­ру­ют с пре­об­ра­зо­ва­те­лем толь­ко во вре­мя ана­ли­за. Осн. тре­бо­ва­ния­ми, предъ­яв­ляе­мы­ми к Б., яв­ля­ют­ся про­сто­та и удоб­ст­во в ра­бо­те, низ­кая стои­мость ана­ли­за, воз­мож­ность про­ве­де­ния не­пре­рыв­но­го бы­ст­ро­го ана­ли­за.