Биосенсор әсер етуінің принципиалды сызбанұсқасы

Физикалық-химиялық «биотанушы» зерттелетін объект- өзіне ерекшелігі бар затты

өзгертуші (трансдьюсор) элемент көпкомпонентті қоспа биоэементімен танып алуы

биохимиялық және электродты сигналдың өзгеруі

реакциялардың қос журуі

Сурет 13. Тексерілетін затты «танып алу»биохимиялық реакцияның электр сигналға өзгеруі

Биосенсорлар зерттеулер алдында жоғары селективті, жұмысы тұрақты және қажетті өндеуі, зондыны тазартуы (электрод және биоселективті материал) минимум болып келеді. Инвазивті зерттеулерге қолданатын зондылар биосыйымды, стерильдеуге болады және антигенді немесе улы қасиеттері жоқ.

Биосенсорлар қызметінің технологиялық сипаттамасы: дыбыс беру уақыты, тіршілік уақыты және регенерация уақыты. Дыбыс беру уақыты талданатын сынама мен сенсор арасында тепе-тендік орныққанын анықтауға қажет. Бұны минимумға әкелгенімен, кейбір әдістерде осы уақыт бірнеше сағатқа созылады. Тіршілік ету уақыты – сенсор жұмысын ұдайы өндіру уақыты, ол рецепторлар деградациясымен және биосезімтал компоненті әсерінен шектелген. Кей жағдайда (мысалы, коммерциялық биосенсорларда глюкозаны анықтау үшін) бір реттік элементтер қолданады. Регенерация уақыты – таныған элементтің жұмыс істеу қабілетін қалпына келтіретін уақыт.

Трансдьюсор типі бойынша биосенсорлар бөлінеді:

- оптикалық биосенсор – оптикалық трансдьюсор арқылы рецепторлы қабатта жарық сәуленің сыну коэффициенті өзгеруін сезінеді;

- потенциометриялық биосенсорларда рН-метриялық, газға сезімтал және басқа ионселективті электродтар қолданылады (аммонийлық, нитратты, холинді). Шыны рН-метрі жиі қолданылады, жұмыс істеуінде тұрақтылығы жоғары, таңдамалылығы уникальды, табуы төменгі деңгейде, кейбір жағдайда электрод беткейін стерилизация жасауымен сипатталады;

- амперометриялық биосенсорлар, оттекті электродқа негізделген, платинадан дайындалады және түрлі субстраттарды анықтайды: глюкозаны, лактаттарды, L-амин қышқылдарды, салицилаттарды, оксалаттарды, пируваттарды және басқа заттарды. Мысалы, глюкозооксидаза ферменті иммобилизацияланған оттекті электродына (трансдьюсор) негізделген амперометриялық биосенсор қандағы глюкозаны анықтауға қолданылады. Осындай сенсордың жоғары талғамдылығы глюкозооксидазаның спецификасына және электрохимиялық реакция табиғатына байланысты. Платиналық катодта қалпына келетін оттегінің ағымы оттегінің концентрациясына тура пропорционалды. Субстрат бар жерде (мысалы, тексеруге алынған қандағы глюкоза) ферментативті реакция оттегі концентрациясын төмендетеді. Сонымен, оттегі қалпына келу ағымы төмендеуі субстрат концентрациясына пропорционалды. Биосенсорлардың басқа типтеріде кездеседі (кесте 4).

Биоселекторлы материалы бойынша биосенсорларды катализдік және аффинді деп бөледі:

- катализдік биосенсорларда келесі сызбанұсқасы бойынша реакция жүреді: субстрат (S) ферментпен (Е) байланысып комплекс (ES) түзеді, кейін субстрат ферментті бөліп жаңа өнімге (Р) ауысады. Бұл реакция Михаэлис-Ментен теңдеуінде келтірілген: S+E-ES-E + P;

- ал аффинді биосенсорларда басқа реакция жүреді: А + В = АВ. Осындай реакцияларда жаңа өнім пайда болмайды, тек белгілі заттар бір комплекс түзеді. Осындай типтегі реакцияларды тағы өнімсіз байланыс реакциясы деп атайды.

Катализдік биосенсорлар рецепторлық қабатында биохимиялық реакциялардың жоғары спецификасы бар катализаторларын, яғни ферменттерді қолданады. Тығыз материалдың бетіне (металдар, керамика, полимерлер) ферменттерді адсорбциялағанда олар өз құрылымын және биокатализдік белсенділігін сақтайды. Фермент құрамына бір немесе бірнеше нәруыздық молекулалар кіреді, ал кей жағдайда нәруызды емес бөлігі де кездеседі. Барлық жасанды катализаторларға қарағанда, ферменттердің катализдік активтілігі жоғары. Қорытындыны ферменттік электродтары бар амперометриялық трансдьюсермен есептеген тиімді, яғни электрод бетінен өткен тоқ күшін (электрондар тасқыны) өлшеу. Тоқ күші реакция жылдамдығы секілді өлшенетін компоненттің концентрациясына байланысты. Ферментті биосенсор конструкциясының типтік мысалы жағдайында субстрат немесе ферменттік реакцияның өнімі электрохимиялық тұрғыдан активті болу тиіс, яғни электродқа қажетті потенциал қосқанда қайтымды тотығу немесе қалпына келу қабілеттілігі. Глюкооксидазалық ферментті рецепторлы қабатын қолданатын амперометриялық биосенсорды тексерілетін сұйықтықта глюкозаның концентрациясын анықтауға қолданылады (сур.14). Анықталатын зат (глюкоза) жартылай өткізгіш мембрана арқылы биокатализатордың нәзік қабатына сіңіріледі, ал онда ферментативті реакция жүреді. Нәтижесінде глюкоза глюкон қышқылына дейін тотыққанда сутек асқын тотығы пайда болады.

глюкозооксидаза

Глюкоза+О₂------------------->глюкон қышқылы+Н₂О₂.

Зерттелетін қоспа араластықтар

Талдайтын зат рецепторлық қабат сигналды өндеу

Ферментатівті реакицяларының схемасы

Е + S ----- ES ------ E + P,

Е – фермент, S – субстрат, ES – аралық комплекс,

Р - өнім (трасндьюсермен анықталады)

Сур.1. Биохимиялық сенсордын принципиальды схемасы: 1- зерттелетін ерітінді, 2- биосенсор, 3 – жартылай өткізгіш мембрана, 4 – биоматериал қабаты, 5 – физикалық өзгертуші (электрод, оптикалық материал, пьезокристалл ж.б.), 6 – сигналды белсендуріші, 7 – қөрсетуші (дисплей, жарықты немесе цифрлі қөрсеткіш)

а) б)

Сурет 14. Биосенсор жұмысының сызбанұсқасы (а,б)

Аффинді биосенсорларға қажетті биоселективті материалдар көмегімен (қалыпта бекітілген спецификалы антиденелер мен антигендер нуклеин қышқылдарының комплементарлы жіптері) тексеру материалынан ДНҚ, антигендер мен антиденелерді анықтайтын сенсорлар жатады. Негізінен, байланыстыру акті – нәтижелі қорытынды, оларды аффинді биосенсорлар қиын тіркейді, катализді анализатормен салыстырғанда. Сондықтан трансдьюсерге қойылатын талаптар аса күрделі. Аффинділерге қарағанда, катализдік биосенсорларда биокатализаторлармен қалыпты молекулалық танып алуына негізделген және кейін олар биохимиялық реакциялар өніме ауыстырылады да ферментті электродтармен нақты тіркелінеді.

Мысалы, мочевинаны анықтау үшін патонциометриялық катализдік биосенсорларда уреза жоғары спецификасы бар ферменттің қатализін атқаратын гидролиз реакциясы қолданған: СО(NН2)2 + 2Н2О = NН3+ NН4+НСО3. Уреаза - өсімдіктік ферментті препарат, биологиялық сұйықтықтарда (қанда) мочевина көлемі азаюын анықтауға және «жасанды бүйрек» аппаратына қолданатын зат. Биосенсор қалыпында иммобилизацияланған уреаза биологиялық компонент ретінде болады, ал трансдьюсер – бұл аммоний иондары концентрациясына сезінетін ионселективті аммоний электроды.

Вирустық гепатитте адамның қан сарысуындағы HBsAg анықтау үшін оптикалық аффинді биосенсордың кювета бетіне осы антигенге спецификасы бар моноклонды антиденелерді иммобилизация жасау керек. Оптикалық трансдьюсер көмегімен беткейлік нәзік сезімтал қабатта моноклонды антидене мен HBsAg құрған комплексті өзгерген сыну коэффициентін тіркеу арқылы анықталынады.

Клеткалық биосенсорлар

Клеткалық биосенсорлар ферменттімен диагностикаға өндеу және ендіру деңгейі бойынша алдыңғы орында. Айта кету керек, көптеген клеткаларға гендік инженерия әдістері дайындалған, нәтижесінде нақты нәруыздар алуын күшейткен, яғни сенсордың тиімді жұмысын жоғарлатқан. Өсімдіктер, жануарлар, адамдардың клеткалары қолданылады, сонымен қатар, жиі микроорганизмдердің клеткалары қолданысқа ие болды, себебі олар жылдам дақылданады, таза дақылда жеңіл өсіп-көбейюі жүреді. Біріншіде биологиялық активтілігін сақтай отырып клеткалардың иммобилизациясы үшін табиғи материалдар қолданылған: желатин, агар, кальций альгинаты, каррагинан. Жылдар өте келе тірі клеткаларды жасанды полимерлі гельге орнықтыру технологиясы өнделді, оларда 100% клеткалық ферменттерінің активтілігі сақталынады және ұзақ уақыт қызмет атқару қабілеті бар.

Клеткалардың криоиммобилизация технологиясын қолдану барысында перспективті қорытындылар алынды. Иммобилизация кезеңдерінде полимер ерітіндісінде клеткалар суспензиясы алынады, криоқұрылымды гельге дейін қатырып мұздатады; қайтадан жібіткен уақытта саңылаулы, механикалық тұрақты материал алынады, 70-80⁰С төзімді (биологиялық активтілігі сақталынады). Саңылаулы материалдың клеткалары активтілігін сақтайды және бірнеше айлар бойы қызмет атқарады.

Биосенсорларда тазартылған ферменттердің орнына клеткаларды қолдану тиімділігі мынада: клеткаларды бөліп алу арзаң, ондағы ферменттер табиғи жағдайда болғандықтан олар ұзақ және тұрақты жұмыс істейді. Ферменттермен салыстырғанда клеткалар дайындауына қаражатты тазарту сатысысы қажет емес.

Сонымен қатар клеткаларды қолдану спектрін шектейтін маңызды кемшілігі олардың құрамына кіретін көптеген ферменттер төменгі селективтілікті туындатады.

Клеткалық биосенсорларды дайындау үшін, фермент тіні дайындаудағыдай әртүрлі трансдьюсерлер керек: амперометриялық (оттегі, сутек асқын тотығы детекторлары, медиаторлар), потенциометриялық (рН-сезімталды және ионоселективті электродтар және т.б.), кондуктометриялық, оптикалық, акустикалық, калориметриялық. LAPS (сәулені жеткізетін потенциометриялық сенсорлар) техникасын қолданып биосенсорлар дайындауы дамыған. LAPS-жүйе аса сезімтал және оның негізінде әр бір клеткалардың физиологиялық жағдайын бақылайтын жүйе құрылды, яғни микрофизиометрлер.

Клеткалық биосенсорларды глюкоза, глутамин, сүт және аскорбин қышқылдардың селективті анықтауына қолданылады. Бірегей мүмкіндіктер ас суы мен ластанған іркінді қалдық сулардың сапасы анализімен байланысты. ОБТ анықтау әдісі белгілі (оттегінің биологиялық тұтынуы) – органикалық қосылыстар жиынтығын анықтау арқылы іркінді сулардың ластану деңгейін талдауға болады. Полимерлі гельде иммобилизацияланған ашытқылар мен оттегі электроды негізіндегі биосенсор этанол мен метанолды анықтауға көмектеседі, мысалы өндірістік қалдықтарда және т.б.

Медициналық практикада клеткалық биосенсорларды жиі қанның, несептің экспресс-анализінде, тексерілетін материалда токсин барын анықтауына қолданылады.