Биосенсоры

Биосенсор — это аналитическое устройство, преобразующее биологический сигнал (взаимодействие анализируемого вещества с биологическим материалом) в измеримый электрический или оптический сигнал, пропорциональный концентрации определяемого компонента. Биосенсоры относятся к классу химических сенсоров и объединяют в своей конструкции биологический распознающий элемент (рецептор) и физико-химический преобразователь (трансдьюсер).

История развития

Первые прототипы биосенсоров появились в середине XX века. В 1956 году американский учёный 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 фермент глюкозооксидаза иммобилизовалась на поверхности электрода для измерения концентрации глюкозы. Это изобретение считается отправной точкой в истории биосенсорики.

В 1970-х годах началось коммерческое использование биосенсоров: в 1975 году компания Yellow Springs Instruments (США) выпустила первый анализатор глюкозы на основе глюкозооксидазы. В 1980-х годах развитие микроэлектроники и тонкоплёночных технологий позволило миниатюризировать устройства, а в 1990-х годах появились первые глюкометры для домашнего использования — портативные биосенсоры, ставшие массовым продуктом.

В XXI веке биосенсоры активно интегрируются с нанотехнологиями, микрофлюидикой и беспроводной связью. Разрабатываются носимые («wearable») биосенсоры для непрерывного мониторинга физиологических параметров, а также имплантируемые устройства для долгосрочного наблюдения.

Устройство и принцип действия

Биосенсор состоит из двух основных компонентов:

1. Биологический распознающий элемент (рецептор) — материал, селективно взаимодействующий с целевым аналитом (веществом, которое необходимо определить). В качестве рецепторов используются:

• ферменты (например, глюкозооксидаза, уреаза);
• антитела (иммуносенсоры);
• нуклеиновые кислоты (ДНК- или РНК-зонды);
• клетки микроорганизмов (микробные биосенсоры);
• органеллы, ткани или рецепторные белки.

1. Физико-химический преобразователь (трансдьюсер) — устройство, преобразующее биологическое взаимодействие в измеримый сигнал. Типы преобразователей:

• электрохимические — амперометрические (измерение тока), потенциометрические (измерение напряжения), кондуктометрические (измерение проводимости);
• оптические — флуоресцентные, абсорбционные, хемилюминесцентные, поверхностно-плазмонные (SPR);
• пьезоэлектрические — измерение изменения массы при связывании аналита (кварцевые микровесы);
• калориметрические — измерение теплового эффекта ферментативной реакции.

Принцип работы: аналит (например, глюкоза) взаимодействует с биорецептором (ферментом), в результате чего происходит химическая реакция. Продукты реакции или изменение физико-химических параметров регистрируются преобразователем, который выдаёт электрический сигнал. Сигнал усиливается, обрабатывается и отображается в виде числового значения концентрации.

Классификация

Биосенсоры классифицируют по нескольким признакам:

По типу биорецептора

• Ферментные — наиболее распространённые, используют иммобилизованные ферменты. Пример: глюкометры.
• Иммуносенсоры — основаны на взаимодействии антиген-антитело. Применяются в диагностике инфекций (например, ВИЧ, гепатит) и определении гормонов.
• ДНК-биосенсоры — детектируют комплементарные последовательности нуклеиновых кислот. Используются в генетическом анализе и криминалистике.
• Микробные — содержат живые микроорганизмы (бактерии, дрожжи). Применяются для мониторинга токсичности окружающей среды.
• Тканевые — используют срезы тканей растений или животных. Редко встречаются в коммерческих устройствах.

По типу преобразователя

• Электрохимические — амперометрические, потенциометрические, кондуктометрические.
• Оптические — флуоресцентные, хемилюминесцентные, SPR.
• Пьезоэлектрические — резонансные, акустические.
• Термические — калориметрические.

По степени интеграции

• Первого поколения — биорецептор нанесён на поверхность преобразователя, продукт реакции диффундирует к электроду.
• Второго поколения — используются медиаторы (переносчики электронов), ускоряющие передачу сигнала.
• Третьего поколения — биорецептор и преобразователь находятся в прямом электронном контакте, без медиаторов.

Применение

Медицина и клиническая диагностика

Наиболее массовое применение биосенсоров — контроль уровня глюкозы в крови у пациентов с сахарным диабетом. Современные глюкометры представляют собой амперометрические ферментные биосенсоры. Также разработаны биосенсоры для определения:

• лактата (при гипоксии);
• мочевины и креатинина (почечная недостаточность);
• холестерина (атеросклероз);
• билирубина (заболевания печени);
• сердечных тропонинов (инфаркт миокарда);
• онкомаркеров (например, простатспецифического антигена).

Экологический мониторинг

Биосенсоры используются для обнаружения загрязнителей в воде, воздухе и почве:

• тяжёлых металлов (ртуть, кадмий, свинец);
• пестицидов и гербицидов;
• фенолов и нефтепродуктов;
• токсинов (например, ботулотоксина, афлатоксинов).

Микробные биосенсоры позволяют оценивать общую токсичность среды по изменению метаболической активности микроорганизмов.

Пищевая промышленность

• Контроль качества продуктов: определение содержания глюкозы, лактозы, этилового спирта, органических кислот.
• Обнаружение патогенных микроорганизмов (сальмонеллы, листерии, кишечной палочки) с помощью иммуносенсоров.
• Оценка свежести мяса и рыбы по выделению аммиака или биогенных аминов.

Оборона и безопасность

• Обнаружение боевых отравляющих веществ (зарин, зоман, VX) и биологических агентов (сибирская язва, чума).
• Идентификация взрывчатых веществ (тринитротолуол, гексоген) по их летучим компонентам.

Научные исследования

• Изучение кинетики ферментативных реакций.
• Мониторинг экспрессии генов с помощью ДНК-биосенсоров.
• Анализ нейромедиаторов (дофамин, серотонин) в нейрофизиологии.

Преимущества и ограничения

Преимущества

• Высокая селективность благодаря специфичности биологического рецептора.
• Быстрота анализа (от нескольких секунд до минут).
• Возможность миниатюризации и портативности.
• Относительно низкая стоимость массового производства (для одноразовых сенсоров).
• Возможность непрерывного мониторинга (имплантируемые и носимые устройства).

Ограничения

• Нестабильность биологического материала (ферменты и антитела могут денатурировать при хранении, изменении температуры или pH).
• Калибровка требуется перед каждым использованием.
• Интерференция — влияние посторонних веществ (например, парацетамол может искажать показания некоторых глюкометров).
• Ограниченный срок службы (особенно для ферментных сенсоров).
• Сложность стерилизации для имплантируемых устройств.

Современные тенденции

Развитие биосенсоров в настоящее время связано с несколькими направлениями:

• Нанотехнологии — использование наночастиц (золота, квантовых точек), углеродных нанотрубок и графена для повышения чувствительности и снижения предела обнаружения.
• Микрофлюидика — создание «лаборатории на чипе» (lab-on-a-chip), позволяющей проводить полный анализ на микронном устройстве.
• Беспроводная передача данных — интеграция биосенсоров с IoT (Интернет вещей) для удалённого мониторинга состояния пациента.
• Носимые биосенсоры — умные часы, браслеты, пластыри, измеряющие глюкозу, лактат, электролиты в поте или интерстициальной жидкости.
• Имплантируемые биосенсоры — устройства для непрерывного контроля глюкозы (например, системы Dexcom, Medtronic), которые вживляются под кожу и передают данные на приёмник.

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., Karube I., Wilson G. S. Biosensors: Fundamentals and Applications. — Oxford University Press, 1987.
3. Eggins B. R. Biosensors: An Introduction. — John Wiley & Sons, 1996.
4. Wang J. Electrochemical biosensors: towards point-of-care cancer diagnostics. — Biosensors and Bioelectronics, 2006, 21(10): 1887–1892.
5. 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.
6. Mehrotra P. Biosensors and their applications – A review. — Journal of Oral Biology and Craniofacial Research, 2016, 6(2): 153–159.