Біосенсори. Використання в медицині

Вступ.

Основною причиною різкого збільшення зацікавленості та досліджень в галузі біосенсорів в останні два десятки років є їх висока специфічність та чутливість, що досягається завдяки використанню біологічних молекул та систем. Біосенсор - це аналітичний прилад , що містить в своєму складі біологічний чутливий елемент (фермент, антитіло, ДНК, клітинні органели, клітини чи шматочки тканин) поєднаний з перетворювачем (електрохімічним, оптичним, калориметричним чи акустичним)(34). Вимірювання концентрації мішені аналізатор виконує кількісним перетворенням параметрів реакції у кількісний електричний чи оптичний сигнал (Малюнок 1).

зразок до реєстратора сигналу

біомолекула перетворювач

Малюнок 1. Принцип роботи біосенсора.

Двома найбільш важливими властивостями будь якого біосенсору є : а) його специфічність та б) чутливість аналізатора відносно мішені. Специфічність біосенсора цілком керується властивостями біологічного компоненту, тому що саме тут речовина контактує з сенсором. Чутливість цілого приладу залежить як від біолгічного компоненту так і від перетворювача, тому що тут має бути чудова взаємодія між біомолекулою та аналізуємою речовиною, а також дуже висока ефективність наступного визначення реакції перетворювачем (Малюнок 2). В порівнянні з хімічними сенсорами набагато вигіднішими є біологічні сенсори, висока специфічність яких є результатом оптимального молекулярного розпізнавання.Це найкраще можна показати на прикладі взаємодії антиген-антитіло(Ат-Аг) , де антитіло може розпізнати та приєднати відповідний антиген з надзвичайно високою специфічністю.

Аналітичний рівень ( моль/л)

М ферментні електроди

mМ 10-3 прямі імуносенсори

М 10-6 непрямі імуносенсори

nМ 10-9

p М 10-12

fМ 10-15 імуноаналіз

aМ 10-18

Малюнок 2. Типовий ряд концентрацій, виміряний різними типами біосенсорів та імуноаналізом.

Найменші хімічні зміни в молекулярній структурі Аг можуть сильно зменшити спорідненість до Ат (яке мало перехідну реакційність). Наприклад, ферменти, як глюкозоксидаза, будуть розпізнавати свій природній субстрат (глюкозу в даному випадку) з набагато більшою спорідненістю, ніж інший компонент у реакційному середовищі. Хімічно подібні молекули (інші малі цукри) можуть проявляти деяку активність, якщо присутні в достатньо високій концентрації. Рівень специфічності , та в багатьох випадках чутливості, розпізнавання та вимірювання, що був досягнутий в біосенсорах, набагато перевищує той, що існує в переважній більшості хімічних сенсорів(2).

Висока специфічність біомолекул та біологічних систем, що стосується міжмолекулярних взаємодій, може бути використана в біосенсорних приладах лише при наявності високоефективного сполучення між біологічним компонентом та компонентом перетворювача. Ряд потенційних біологічних компонентів та подібний ряд перетворювачів можуть бути використані в біосенсорах (Таблиця 1), що робить дійсно необхідним мульті- та міждісциплінарний підхід у розробці та дослідженнях в цій області(36). Багато в області перетворювачів вже зроблено, але вона вимагає подальшого розвитку та оптимізації. На практиці широкий ряд оптичних та електрохімічних технологій було використано в поєднанні з біологічним аналізом.