Биосенсорные системы

Поколения биосенсоров
Общая схема работы биосенсора. Подходы к классификации биосенсоров
Области

применения биосенсоров. Основные направления применения биосенсоров в медицине
Биосенсоры эколого-аналитического контроля
Аналитические характеристики биосенсоров
Преимущества биосенсоров по сравнению с традиционными методами анализа
Тест-реакция. Тождественны ли понятия «тест-реакция» и «способ регистрации тест-реакции»?
Понятие множественности тест-реакций
Основные требования, предъявляемые к тест-реакции
Принципы выбора тест-реакции. Факторы среды, влияющие на тест-реакцию

многокомпонентной смеси (анализата)
распознание аналита БТЭ-ом и специфическая биохимическая реакция (тест-реакция)
считывание

и преобразование трансдьюсером информации, поступившей с БТЭ, в электрический (др. рода) сигнал

СТАДИЯ
сопряжения

усиление электрического
(др. рода) сигнала

обработка сигнала и регистрация

биохимической и электродной (либо прочей физико- химической) реакций

3

смеси, высоко чувствительные
БИОСЕНСОРЫ ГРУППОВОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ, узнающие в пробе целый набор

веществ (тяжелые металлы, пестициды и т.д.). Биосенсоры на основе холинэстеразы служат для группового определения токсикантов

ИСТИННЫЕ БИОСЕНСОРЫ –
БТЭ и трансдьюсер связаны
РЕАКТОРНОГО ТИПА –
две компоненты разделены
УПРАЩЕННОГО ТИПА – узлов транспорта и смешивания нет

ДНК-СЕНСОРЫ, АПТАСЕНСОРЫ (малые РНК-), ТКАНЕВЫЕ, БИОСЕНСОРЫ НА ОСНОВЕ НАДМОЛЕКУЛЯРНЫХ СТРУКТУР.

ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ (амперометрические, потенциометрические, кондуктометрические и т.д.);
ОПТРОДЫ (колориметрический, нефелометрический, флуоресцентный и т.д.);
ГРАВИМЕТРИЧЕСКИЕ (акустический, пьезоакустический, основанный на поверхностном плазмонном резонансе и т.д.);
ФИЗИЧЕСКИЕ (термометрический).

генерируемого сигнала
КИНЕТИЧЕСКИЕ биосенсоры -биосенсоры в которых аналит меняет свою природу

и измеряемый сигнал служит мерой скорости реакции ,
СТАЦИОНАРНЫЕ (равновесные) -- это биосенсоры, у которых аналит не меняет своей природы и измеряемый сигнал определяется равновесием взаимодействия

многоразовыми. С помощью таких устройств осуществляют прямой мониторинг увеличения или

уменьшения концентрации определяемого вещества.

Биосенсоры, которые не могут быть воспроизводимо и быстро восстановлены, т.е. теряют свои функциональные свойства должны называться одноразовыми, к их числу относятся биотесты и биоиндикаторы.

11

МОНИТОРИНГ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
БИОТЕХНОЛОГИЯ
ПИЩЕВАЯ ПРОМЫШЛЕННОСТЬ
ВОЕННАЯ ПРОМЫШЛЕННОСТЬ
12

диагностика онкологических заболеваний на ранней стадии;
Мониторинг внутриутробных генетических аномалий

у плода в период беременности;
ДНК-диагностика (ДНК-сенсоры);
Контроль появления опасных метаболитов в ходе хирургической операции.

13

ионов, кислорода, углекислого газа, глюкозы, холестерина, рН);
Автоматизированный анализ содержания

метаболитов, лекарств, гормонов в биологических жидкостях человека, контроль совместного введения лекарственных препаратов;
Неинвазивный (без отбора крови) клинический анализ.
Пример: анаэробное состояние мышц, подагра, мочекаменная болезнь, болезнь почек, патологии печени.

14

и лечения онкологических заболеваний (скрининг противоопухолевых препаратов, их ранняя диагностика

по специфическим биохимическим маркерам);
Определение фармакологических препаратов противоракового действия;
Выявление ДНК повреждающих факторов, включая действие мутагенных факторов, ионизирующего излучения.

17

массы ДНК, сорбированной на поверхности масс-чувствительного сенсора – пьезоэлемента.
Обнаружение специфических

изменений ДНК по электрическим, оптическим или иным характеристикам самой нуклеотидной последовательности.
Включение в состав олигонуклеотидов меток, обнаруживаемых электрохимическими или оптическими детекторами. Это могут быть электрохимически активные группировки, ферменты, флуорогенные заместители, ковалентно связанные с олигонуклеотидными последовательностями.

18

токсичными веществами (сероводородом, ароматическими углеводородами, окислами азота, металлорганическими соединениями);
контроль

остаточных (малых) количеств пестицидов в воде, почве, продуктах питания и объектах окружающей среды;

20

пищевых и биотехнологических производств (БПК-сенсоры);
детекция фенолов и его производных;
определение супертоксинов

и боевых отравляющих веществ;
определение ионов тяжелых металлов (ртуть, мышьяк, кадмий, цианид);
детекция нефти.

21

Фотография устройства; С – Фотография прибора в собранном состоянии. Биотин

добавлен в буферный раствор для измерения сопротивления

Хеморезистивный биосенсор

23

биомаркерам (крахмал, сахара, этиловый спирт). Понятие биокода для идентификации продуктов

питания. Проблема ГМО.
Определение витаминов, антиоксидантной емкости с помощью биосенсоров на основе ксантиноксидазы и ДНК-сенсоров.
Оценка общего содержания утилизируемых сахаров в сбраживаемом сусле
Использования биосенсоров для решения специальных задач: старение продуктов питания, оценка возраста вина и крепких спиртных напитков, фальсификация продуктов питания.

24

продуктов питания (контрафактная продукция, наличие пищевых добавок, антибиотиков)
Контроль биотехнологических процессов
Оценка

влияния производства на окружающую среду и население.

25

мгновенного отклика)
ДИНАМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ (время подготовки к работе, быстродействие, время

жизни или срок службы)
ОБРАТИМОСТЬ СИСТЕМЫ
СТАБИЛЬНОСТЬ
СЕЛЕКТИВНОСТЬ
ТОЧНОСТЬ
ВОСПРОИЗВОДИМОСТЬ

БАЗОВЫЕ АНАЛИТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

участка градуировочного графика биосенсора в линейных координатах, зависит от количества

иммобилизованного БТЭ;
Удельная чувствительность (А/М∙см2мг) - величина чувствительности биосенсора, приходящаяся на 1 мг иммобилизованного БТЭ;
Нижний предел обнаружения (нг/л, моль) - наименьшая определяемая концентрация аналита, при которой отклик в 3 раза выше нулевой концентрации;
Верхний предел обнаружения;
Рабочий и линейный диапазон концентраций.

БАЗОВЫЕ АНАЛИТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

не чувствительность к электромагнитным полям, радиационным полям;
относительно низкая стоимость;
отсутствие требований

к высокой квалификации персонала;
удобство применения интегральной технологии;

оперативностью;
возможность выявления не только известных, но и ранее не использованных

веществ;
возможность длительной эксплуатации в режиме непрерывной работы;
возможность контроля за результатами анализа по типу обратной связи, что достигается за счет совместимости биосенсоров с микропроцессором.

которая позволяет качественно или количественно оценить процесс взаимодействия БТЭ с

аналитом (или оценить состояние БТЭ после воздействия аналита).

E + S ⇔ES →E + P,

E + S ⇔ES

31

же аналита (одной и той же тест-системы) могут быть выбраны

совершенно различные тест-реакции:

МНОЖЕСТВЕННОСТЬ ТЕСТ-РЕАКЦИЙ БТЭ

33

2. Реакция должна быть однозначно связана с концентрацией измеряемого аналита.
3. Реакция должна

фиксироваться наиболее дешевым и простым трансдьюсером.
Регистрация тест-реакции должна удовлетворять ряду специальных требований, определяемых конкретными условиями использования биосенсора.
Субстрат, либо продукт биокаталитической реакции должен быть электрохимически (оптически…) активен, то есть способен быстро и желательно обратимо окисляться или восстанавливаться на электроде при наложении на него соответствующего потенциала.

ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ,
ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К ТЕСТ-РЕАКЦИИ

Можно ли утверждать, что для вполне определённого биологического тестирующего элемента, предназначенного для определения концентрация вполне определённого вещества, существует лишь одна тест-реакция? Нет, нельзя.

34

Каждая из тест-реакций может быть зарегистрирована совершенно различными способами, разные

типы трансдьюсеров могут быть использованы. Например, процесс образования аммиака

35

К ним, например, относятся токсические вещества, которые содержатся в исследуемом

объекте.
Вторая группа факторов объединяет различные посторонние воздействия и "шумовые" помехи. Это могут быть изменения температуры, освещения и прочих условий, которые сказываются на состоянии тест-системы. Данные факторы не всегда удается учитывать и устранять, тем не менее необходимо стремиться к минимизации их воздействия.
Третья группа факторов - разнообразные воздействия, которые наносят на тест-систему намеренно, с целью регулирования ее чувствительности.

36

(нефелометрические методы);
люминесценция вещества (спектрофлуоресцентные, хемо- и биолюминесцентные методы).

На основе указанных явлений и базируются различные конструкции биосенсоров.

ОСНОВНЫЕ ЯВЛЕНИЯ, РЕГИСТРИРУЕМЫЕ
ОПТИЧЕСКИМИ ДАТЧИКАМИ

37

регистрации сигнала? Почему?
Назовите преимущества применения биосенсоров

37