Биосенсоры: основы и приложения - Тёрнер Э.
Скачать (прямая ссылка):
микропроцессора. Развивающаяся биосенсорная техника пересекается с
многими традиционными академическими дисциплинами и уже сейчас предлагает
новые эффективные средства, которые предвещают радикальное изменение
нашего подхода к химическому анализу.
Современная концепция биосенсора в значительной степени связана с идеями
Лиланда Кларка-младшего и соавторов, развитыми в 1962 г. (см. главу 1).
Авторы предположили, что если бы ферменты можно было иммобилизовать на
электрохимических датчиках, то такие "ферментные электроды" расширили бы
диапазон аналитических возможностей базового датчика. Последовавшая затем
грандиозная работа с бесконечными вариациями этой темы постепенно
раздвинула горизонты данной области. Ее нынешнее состояние в какой-то
степени характеризуют перечисленные ниже потенциальные чувствительные
элементы и преобразователи, которые можно использовать при
конструировании биосенсоров:
Биологические компоненты Преобразователи
Целые организмы Потенциометрические
Ткани Амперометрические
Клетки Кондуктометрические
Органеллы Импедиметрические
Мембраны Оптические
Ферменты Калориметрические
Компоненты ферментов Акустические
Рецепторы Механические
Антитела Химические ("молекулярная электроника")
Нуклеиновые кислоты Органические молекулы
В реальных сенсорах пока используют не все возможные комбинации этих
элементов. Это, а также необходимость широкого кругозора, требуемого для
уяснения сути концепций, заставило редакторов данной монографии включить
в нее несколько глав, строго говоря, выходящих за рамки данного выше
определения. В частности, чтобы подготовить почву для дальнейшего
развития этой дисциплины, рассмотрено несколько методов, позволяющих
проводить непосредственный мониторинг биологических систем.
Развитие биосенсоров обусловлено усилиями исследователей в нескольких
направлениях. В основу описанных к настоящему времени конфигураций
биосенсоров положено принципиально новое объединение хорошо известных
ранее и не связанных друг с другом подходов. В будущем для удовлетворения
специфических требований все большее внимание будут уделять инженерной
проработке как всего прибора в целом, так и его компонентов. Будут
извлечены на свет новые биохимические реакции, а известные реакции будут
усовершенствованы с помощью генной инженерии и химических методов. Их
будут проектировать вместе с подходящим детектором, а не привязывать к
случайным результатам предыдущих работ. Весьма перспективное
JO
Предисловие к английскому изданию
направление исследований-создание новых материалов для конструирования
преобразователей или более эффективной связи между компонентами сенсора.
Кроме того, стремительное падение цен на элементы электронной аппаратуры,
такие как лазеры, сделают вполне доступными относительно недорогие
варианты сложного лабораторного оборудования. Не следует пренебрегать и
конструкцией самого сенсора. Чтобы оптимизировать основные характеристики
сенсора, в частности время отклика, селективность и стабильность работы,
необходимо понимать, что фундаментальные свойства сенсора определяются
как свойствами его компонентов, так и их сложными взаимосвязями. На
эффективность конкретного сенсора глубокое влияние могут оказать техника
иммобилизации и новые мембранные материалы.
Движущей силой в исследовании сенсоров было ярко выраженное инстинктивное
понимание возможности их широких практических приложений. Эти
исследования стимулировались прежде всего потребностями медицины.
Возможность немедленного анализа клинических препаратов, очевидно,
одинаково привлекает внимание и врачей, и пациентов, хотя некоторые
национальные службы здравоохранения испытывают трудности с внедрением
этой философии. Более привлекательной, вероятно, является возможность
непрерывного in vivo мониторинга метаболитов, лекарственных препаратов и
белков с помощью миниатюрных и портативных систем. Отличным примером
клинического приложения является сенсор глюкозы для больных диабетом,
ставший классическим объектом исследований в области биосенсоров. В
данном случае необходимо следить за концентрацией глюкозы в крови как in
vivo, так и in vitro и обеспечить возможность полного автоматического
контроля за состоянием больного с помощью инсулинового насоса.
Имплантируемые глюкозные сенсоры прокладывают пути для других приложений.
Дополнительной серьезной проблемой здесь все же остается биологическая
совместимость.
В последние годы возрастает интерес к другим возможным использованиям
биосенсоров. Клинические исследования повернулись в сторону ветеринарии и
животноводства. Всё больше внимания придается качеству продуктов в
пищевой промышленности. В этой области давно признано значение быстрых
методов оценки срока хранения, порчи и загрязнения продуктов. Развитие
биотехнологии стимулирует разработку методов мониторинга процессов
ферментации, что также расширяет возможности непрерывного контроля этих
процессов. Проблемы охраны окружающей и промышленной среды стимулировали
