Біосенсори Використання в медицині (стр. 3 из 5)

Потенціометричний ферментний електрод характеризується тим, що різниця потенціалів формується на чутливому елементі і вона вимірюється дуже чутливим приладом, до того ж не виникає току крізь мембрану і тому рівень дифузії не є важливим. Потенціометричні сенсори, що використовуються в біосенсорах, включають іоноселективні електроди, газочутливі електроди та польові транзистори. Іоноселективні та газочутливі електроди вже широко застосовуються в клінічному аналізі⁽¹¹⁾ і знайшли місце в біосенсорах. Водневий іоноселективний електрод (рН-електрод) був використаний для аналізу пеніциліну, з використанням ферменту беталактамази, яка перетворює пеніцилін на пеніцилову кислоту. Електрод рН визначає концентрацію кислоти⁽²⁵⁾. Амонійний іоноселективний електрод було використано в поєднанні з імобілізованою уреазною мембраною для визначення сечовини в крові⁽³⁹⁾. G. Guilbault та F.R.Shu⁽¹⁷⁾використали СО₂ чутливий електрод для розпізнавання іншого продукту уреазної реакції. Також відомі йодид та фторид іоноселективні елекроди як компоненти біосенсорів.

Цікавий потенціометричний імуноаналіз був описаний для антитіл до дигоксину⁽¹⁸⁾. Іонофор був хімічно пов’язаний з дигоксином. Цей кон’югат був приєднували до мембрани, яка була вмонтована на чутливий кінчик звичайного потенціометричного електроду (Малюнок 5). Коли отриманий електрод вміщували до середовища, що містило іони, здатні проникати крізь мембрану, спостерігалася зміна потенцалу. До того ж, коли антитіло до дигоксину було присутнім в поєднанні з дигоксином, це призводило до зміни здатності іонофору транспортувати маркерний іон. Ця зміна потенціалу виміряна пропорційно до концентрації присутнього антитіла.

електрод затвору

ПХВ- ллівка джерело затворний виток

оксид

- дигоксин-іонофор кон’югат

- дигоксинові антитіла Малюнок 5.Іонофорний потенціометричний Малюнок 6. Будова ПТ (З Brooks S. біосенсор ( з Kress–Rogers E. та Terner A.P.F. та Terner A.P.F.“Measurement and у ”Advanses in Immunoassay for Veterinary and Control”) Food Analisis“)

Польовий транзистор (ПТ) - це перетворювач, в якому провідність напівпровідникового матеріалу контролюється електричним полем (Малюнок 6.). В нормі тут наявний лише незначний струм між джерелом та витоком, але зміна напруги відповідної полярності та величини на затворі призводять до виникнення струму між джерелом та витоком. Метал-оксидний напівпровідник ПТ з паладій/паладій оксидним затвором може бути використаний для визначення таких газів як водень, аміак, сірководень. Ці гази розпадаються на затворі з виділенням іонів водню. Біосенсор може базуватися на такому приладі, якщо фермент імобілізований на затворі. Уреаза, наприклад, була використана, щоб виділяти аміак з сечовини. Аміак потім визначався на метал-оксидному напівпровіднику ПТ⁽¹²⁾.

Іоноселективний польовий транзистор (ІСПТ) включає іоноселективну мембрану, яка дозволяє прохід тільки одному типу іонів. рН - чутливий ПТ був використаний в поєднанні з ферментами, такими як беталактамаза та глюкозооксидаза, для розпізнавання пеніциліну та глюкози, як і очікувалося⁽³⁴⁾.

ПТ піддається мініатюризації і зберігає високу чутливість, що робить цей прилад дуже перспективним до використання in vivo⁽²³⁾.

Кондуктометричні біосенсори дуже рідко описуються в деталях. В цих приладах використовують дві пари ідентичних електродів. Мембрана, що містить імобілізований фермент, розташовується між однією парою електродів, коли “чиста” мембрана розташовується між іншою. Якщо є ферментна активність, то спостерігається зміна електричного опору.

ІІ.Оптичні біосенсори.

Оптоволоконні проби та сенсори мають виключну роль в медицині для in vivo та in vitro аналізу⁽²⁷⁾. Вони виглядають дійсно безпечними та біосумісними для використання всередині людського тіла. M.Goldfinch та C.R.Lowe⁽¹⁵⁾ описали прилад, який може визначати клінічно важливі компоненти, такі як , пеніцилін G, сечовина та глюкоза. Чутливі до змін рН барвники, такі як бромотімол синій та бромокрезол зелений, були імобілізовані у поєднанні з відповідними ферментами на прозорих мембранах, які використовувалися на твердофазних оптоелектронних сенсорах. Ферменти, що використовувалися - це пеніцилаза, уреаза та глюкозоксидаза. Коли мала місце ферментна реакція, спостерігали зміни кольору барвника. Це фіксувалося з використанням світла відповідної довжини хвилі. Цей та інші методи, базовані на рН, страждають від притамонної їм проблеми - буферних властивостей та рН біологічних рідин.

J.C.Schultz,S.Mansoury та I.Goldstein⁽²⁹⁾ зконструювали оптоволоконний датчик для визначення глюкози, в якому поєднувалося покриття глюкози та флуоресцентноактивного декстрану з білком Конкавалін А. Активний декстран витіснявся глюкозою, датчик був зконструйований таким чином, що декстран дифундував у “поле зору” оптоволокна.(Малюнок 7)

Конкавалін А

оптоволокно Г Д Г Д Г Г Д

флуоресцентне світло Д Д Д ДД Д

збуджуюче світло Д Д Д ДД ДД Д

Д Г Г Д Г Д Г Г

Д- флуоресцентно активний декстран , Г - глюкоза

Малюнок 7. Конкурентний оптичний біосенсор на глюкозу.

Прилад був здатний визначати глюкозу на фізіологічному рівні за час, що не перевищував 10 хвилин.

Світлочутливі діоди та фотодетектори використовуються в поєднанні з волоконною оптикою для визначення поглинання, люмінесценції та флуоресценції біологічних компонентів, що розташовані на кінці оптоволокна. Сигнал є пропорційним кількості біологічного матеріалу, що лімітує чутливість маленького приладу.

Чутливість може бути підвищена , якщо дослідити зміни, які мають місце з боку оптоволокна чи світловоду і підвищити площу поверхні, що придатна для біологічного компоненту біосенсора. Світло передається по світловоду через велику кількість внутрішніх відбивань. При кожному відбитті частина світла (зникаюча хвиля) виходить до оточуючого середовища навколо провідника. Зникаюча хвиля забирає тільки фракцію з хвилі світла на поверхню, а потім знову повертається до провідника. Зміни в оптичних якостях поверхні світловода можуть певним чином вплинути на світло, що проходить по ньому. Зникаюча хвиля відчуває вплив тільки на дуже маленькій дистанції від світловода і тому на неї не впливає оточуюче середовище. Це допомагає подолати деякі проблеми з аналізом непрозорих та забарвлених розчинів, які часто не можливо виміряти в клінічному аналізі, через проблеми зі спектрофотометрією. Імуноглобулін людини (IgG)було виміряно приєднанням антисироватки до поверхні світловода та завдяки його здатності реагувати з антигеном (IgG). Підвищення кількості комплексів антисироватка-антиген викликає зміни в складі світла, що визначається фотодетектором під певним кутом до напрямку світла, що проходить крізь світловод.⁽³³⁾

Інший чутливий оптичний біосенсор, який був об’єктом досліджень, використовує поверхневий плазмонний резонанс(ППР), ППР - це рух електронів на поверхні металевого провідника, викликаний дією світла певної довжини хвилі підпевним кутом. На дифракційній гратці це має ефект поглинання світлової енергії при певній довжині хвилі, яке залежить від діелектричної константи покриття у контакті з металевою поверхнею. Це викликає появу смуги в спектрі, отриманому з дифракційної гратки. Діелектрична константа залежить не тільки від змін іонного поглинання на поверхні, але і від природи біологічних молекул, що посадженні на поверхню.⁽¹⁹⁾

ІІІ. Калориметричні біосенсори.

Багато ферментних реакцій є екзотермічними, і теплота, що виділяється протягом реакції, може бути виміряна термістором чи чутливими до температури напівпровідниковими приладами. Більшість ферментних реакцій супроводжується виділенням тепла на рівні 5-100 кДж/ моль та типовою зміною температури, яку на рівні 10^{-2 о}С можна зафіксувати⁽²⁴⁾. Цей принцип покладений в проточну модель широкого ряду аналізів клінічно важливих речовин ( Таблиця 4).