Биосенсор

Биосенсор — это аналитическое устройство, которое преобразует биологический сигнал (результат взаимодействия анализируемого вещества с биологическим материалом) в измеримый электрический или оптический сигнал, пропорциональный концентрации этого вещества. Биосенсоры относятся к классу гибридных приборов, объединяющих биологический компонент (рецептор) и физико-химический преобразователь (трансдьюсер). Основное назначение биосенсоров — быстрое, селективное и высокочувствительное определение различных соединений (аналитов) в сложных средах: биологических жидкостях, продуктах питания, пробах окружающей среды.

История развития

Первые предпосылки к созданию биосенсоров появились в середине XX века. В 1956 году американский биохимик Лайл Кларк (Leland C. Clark) опубликовал работу, в которой описал принцип работы кислородного электрода. В 1962 году он же предложил концепцию «ферментного электрода» — устройства, в котором глюкозооксидаза, иммобилизованная на мембране, катализирует окисление глюкозы, а образующийся пероксид водорода регистрируется амперометрическим датчиком. Это изобретение считается отправной точкой в развитии биосенсоров.

В 1970-е годы были разработаны первые коммерческие глюкометры для измерения уровня глюкозы в крови, основанные на ферментных электродах. В 1980-е годы началось активное внедрение иммуносенсоров, использующих антитела в качестве биологического рецептора. Прорыв в 1990-х годах связан с развитием микроэлектроники и технологий микрофлюидики, что позволило миниатюризировать устройства и создавать портативные анализаторы. В 2000-е годы значительное развитие получили оптические биосенсоры на основе поверхностного плазмонного резонанса (ППР) и наноматериалы (квантовые точки, углеродные нанотрубки, графен), что многократно повысило чувствительность и быстродействие.

Принцип действия

Работа биосенсора основана на двух последовательных процессах:

1. Биологическое распознавание. Биологический рецептор (фермент, антитело, нуклеиновая кислота, клетка, ткань или микроорганизм) избирательно связывается с целевым аналитом. Это взаимодействие может быть каталитическим (фермент — субстрат) или аффинным (антитело — антиген, ДНК — комплементарная цепь). В результате изменяются физико-химические параметры среды: концентрация ионов, pH, температура, оптическая плотность, масса.

1. Трансдукция сигнала. Преобразователь (трансдьюсер) регистрирует изменение параметра и преобразует его в электрический сигнал. Тип преобразователя определяет класс биосенсора: электрохимический, оптический, пьезоэлектрический, термический или магнитный.

Классификация

Биосенсоры классифицируют по нескольким признакам.

По типу биологического рецептора

• Ферментные биосенсоры — используют иммобилизованные ферменты. Наиболее распространены для определения глюкозы, лактата, холестерина, мочевины. Пример: глюкозный сенсор на основе глюкозооксидазы.
• Иммуносенсоры — основаны на реакции антиген-антитело. Применяются для диагностики инфекционных заболеваний, определения гормонов, онкомаркеров.
• ДНК-биосенсоры — используют гибридизацию комплементарных цепей ДНК или РНК. Позволяют выявлять генетические мутации, патогены, проводить идентификацию личности.
• Клеточные биосенсоры — в качестве рецептора выступают живые клетки (бактерии, дрожжи, клетки млекопитающих). Реагируют на токсины, метаболиты, изменение pH или температуры.
• Тканевые и органоидные биосенсоры — используют срезы тканей или искусственные органоиды. Применяются в фармакологии для оценки токсичности лекарств.

По типу преобразователя

• Электрохимические — регистрируют ток (амперометрические), потенциал (потенциометрические) или проводимость (кондуктометрические). Самый массовый тип — амперометрические глюкометры.
• Оптические — измеряют изменение поглощения, флуоресценции, люминесценции или показателя преломления. Включают биосенсоры на основе поверхностного плазмонного резонанса (ППР) и интерферометрии.
• Пьезоэлектрические — регистрируют изменение массы при связывании аналита с рецептором на поверхности кварцевого кристалла. Используются в газовых анализаторах и для детекции белков.
• Термические — измеряют тепловой эффект ферментативной реакции. Применяются в биотермических анализаторах.
• Магнитные — детектируют изменение магнитного поля при связывании магнитных наночастиц с аналитом. Перспективны для мультиплексного анализа.

Применение

Медицина и клиническая диагностика

Наиболее массовое применение биосенсоров — контроль уровня глюкозы у пациентов с сахарным диабетом. Современные системы непрерывного мониторинга глюкозы (CGM) представляют собой подкожные ферментные сенсоры, передающие данные на смартфон. Другие медицинские применения: определение лактата, холестерина, мочевой кислоты, билирубина, электролитов, а также диагностика инфекций (ВИЧ, гепатиты, туберкулёз) и онкомаркеров (ПСА, CA-125, СЕА).

Пищевая промышленность

Биосенсоры используются для контроля качества продуктов: определение содержания глюкозы, лактозы, глутамата, антибиотиков, пестицидов, патогенных микроорганизмов (Salmonella, Escherichia coli). Быстрое тестирование на наличие аллергенов (арахис, глютен) также реализуется с помощью иммуносенсоров.

Экологический мониторинг

Применяются для обнаружения токсичных веществ в воде, воздухе и почве: тяжёлых металлов (ртуть, свинец, кадмий), пестицидов, фенолов, нефтепродуктов, радионуклидов. Клеточные биосенсоры на основе бактерий люминесцирующих штаммов (например, Vibrio fischeri) позволяют оценивать общую токсичность пробы.

Биотехнология и фармацевтика

Используются в биореакторах для контроля параметров культивирования (глюкоза, лактат, аммиак, pH, растворённый кислород). В фармацевтике — для скрининга новых лекарственных соединений, оценки их метаболизма и токсичности.

Оборонная и аэрокосмическая промышленность

Разрабатываются биосенсоры для обнаружения химических и биологических боевых агентов (нервно-паралитические газы, сибирская язва, ботулотоксин). В космических исследованиях — для поиска следов жизни на других планетах (например, в миссиях NASA).

Характеристики и параметры

Основные характеристики биосенсоров:

• Чувствительность — минимальная концентрация аналита, которую способен зарегистрировать сенсор. Современные наносенсоры достигают чувствительности до 10⁻¹⁸ моль/л (аттомолярный уровень).
• Селективность — способность различать целевой аналит среди множества других соединений. Обеспечивается подбором специфичного рецептора.
• Время отклика — интервал от момента контакта с пробой до появления стабильного сигнала. Для ферментных сенсоров составляет от 1 до 30 секунд.
• Динамический диапазон — диапазон концентраций, в котором сигнал линейно зависит от концентрации аналита.
• Стабильность — способность сохранять рабочие характеристики в течение длительного времени (от нескольких дней до нескольких месяцев).
• Воспроизводимость — степень разброса результатов при повторных измерениях одного и того же образца.

Современные тенденции и перспективы

Развитие биосенсорных технологий в XXI веке связано с несколькими направлениями:

• Миниатюризация и интеграция. Создание «лабораторий на чипе» (lab-on-a-chip), объединяющих все этапы анализа на одном микрофлюидном устройстве.
• Наноматериалы. Использование графена, углеродных нанотрубок, квантовых точек, золотых наночастиц для повышения чувствительности и снижения предела обнаружения.
• Беспроводные и носимые сенсоры. Разработка биосенсоров, встроенных в одежду, контактные линзы, умные часы, для непрерывного мониторинга физиологических параметров (глюкоза, лактат, кортизол, пот).
• Мультиплексный анализ. Одновременное определение нескольких аналитов в одной пробе с помощью массивов сенсоров.
• Биоразлагаемые и имплантируемые сенсоры. Создание сенсоров, которые могут быть безопасно растворены в организме после выполнения задачи (например, для мониторинга заживления ран).
• Искусственный интеллект. Применение машинного обучения для обработки сложных сигналов, коррекции дрейфа и повышения точности прогнозирования.

Критика и ограничения

Несмотря на широкое распространение, биосенсоры имеют ряд ограничений:

• Нестабильность биологического компонента. Ферменты и антитела могут терять активность при изменении pH, температуры, под действием ультрафиолета или химических реагентов. Срок хранения многих сенсоров ограничен.
• Калибровка. Большинство биосенсоров требуют периодической калибровки по стандартным растворам, что усложняет их использование в полевых условиях.
• Интерференция. Присутствие в пробе веществ, сходных по структуре с аналитом, может вызывать ложноположительные или ложноотрицательные результаты.
• Стоимость. Высококачественные биосенсоры, особенно на основе моноклональных антител или наноматериалов, остаются дорогими в производстве.
• Биофулинг. Обрастание поверхности сенсора белками, клетками или микроорганизмами при длительном контакте с биологическими жидкостями снижает чувствительность.

Источники

1. Clark L.C., Lyons C. Electrode systems for continuous monitoring in cardiovascular surgery. Annals of the New York Academy of Sciences, 1962, 102: 29–45.
2. Turner A.P.F. Biosensors: sense and sensibility. Chemical Society Reviews, 2013, 42(8): 3184–3196.
3. Wang J. Electrochemical biosensors: towards point-of-care cancer diagnostics. Biosensors and Bioelectronics, 2006, 21(10): 1887–1892.
4. Thevenot D.R., Toth K., Durst R.A., Wilson G.S. Electrochemical biosensors: recommended definitions and classification. Pure and Applied Chemistry, 1999, 71(12): 2333–2348.
5. Mehrotra P. Biosensors and their applications – A review. Journal of Oral Biology and Craniofacial Research, 2016, 6(2): 153–159.
6. Глотов А.С., Козлов А.В. Биосенсоры: принципы работы и применение. Вестник биотехнологии, 2020, 36(4): 45–52.