Вход

Настоящее и будущее биосенсоров

Курсовая работа по биологии
Дата добавления: 15 сентября 2002
Язык курсовой: Русский
Word, rtf, 186 кб
Курсовую можно скачать бесплатно
Скачать
Данная работа не подходит - план Б:
Создаете заказ
Выбираете исполнителя
Готовый результат
Исполнители предлагают свои условия
Автор работает
Заказать
Не подходит данная работа?
Вы можете заказать написание любой учебной работы на любую тему.
Заказать новую работу
Содерж ание Введение 3 Что такое биосенсор 3 Как работает биосенсор 5 Где применяют биосенсоры 6 Биосенсоры на основе других биоматериалов 7 Проблемы и перспективы развития 9 Литература 11 Вв едение Биологические методы позволяют судить о присутствии ка кого-либо вещества или его количественном сод ержани и по характеру и величине его воздействия на определенный организм , взятый как индикаторный . Аналитическим сигналом при этом является изменение состояния жизнедеятель ности этого организма , то есть его реакция на раздражитель , которым , например , могут быть токсиканты среды обитания или какие-либо другие биологически активные соедине ния , вызывающие нарушение жизненных функций и ндикаторного организма или его гибель . К б иологическим методам относят и биохимические методы , в частности ферментативные , а также ра з личные методики , например индика торные трубки на основе ферментов и други х биологических материалов . Интересно , что мех анизм получения информации о составе какого-л ибо объекта с помощью этих методов и устройств моделирует процесс в живой природе , что особ е нно важно при анали зе объектов биологического происхождения. Известно , что ферменты - это биологические катализаторы , обладающие ярко выраженной спо собностью избирательно катализировать многие хим ические превращения как в живой клетке , та к и вне организма. Замечательные свойств а ферментов давно привлекали внимание исследо вателей , в том числе и аналитиков , но п рактическому применению ферментов , например для аналитических целей , препятствовали прежде всег о малая доступность чистых ферментов , неустой чивость в о времени их растворов , при хранении и воздействии на них различных факторов (тепловых , химических ), невозможность многократного использования одной порции фермента из-за сложности отделения его от других компонентов раствора , высокая с тоимость о чищенных препаратов . Однако выход из положения вскоре был найден , и появилась возможность использования каталитичес ких свойств ферментов вне их связи с живым организмом и возможность сохранения это й способности в течение длительного времени практически бе з изменения . Достижен ия в этой области биохимии и энзимологии дали начало развитию нового направления аналитической химии - безреагентных методов анализ а , основанных на использовании различных биох имических сенсоров. Что та кое биосенсор Под терми ном "биосенсор " следует понимать устройство , в котором чувствительный слой , содержащий биол огический материал : ферменты , ткани , бактерии , д рожжи , антигены / антитела , липосомы , органеллы , рецепторы , ДНК , непосредственно реагирующий на присутствие определяемого компонента , генериру ет сигнал , функционально связанный с концентр ацией этого компонента . Конструктивно биосенсор представляет собой комбинированное устройство , состоящее из двух преобразователе й , или трансдьюсеров , - биохимического и физического , находящихся в тесном контакте друг с другом . Биохимический преобразователь , или биот рансдьюсер , выполняет функцию биологического элем ента распознавания , преобразуя определяемый компо нент , а точнее , инфо р мацию о хи мических связях в физическое или химическое свойство или сигнал , а физический преобра зователь это свойство фиксирует с помощью специальной аппаратуры . В данном случае реа лизуется принципиально новый способ получения информации о химическом соста в е раствора . Наличие в устройстве биоматериала с уникальными свойствами позволяет с высок ой селективностью определять нужные соединения в сложной по составу смеси , не прибегая ни к каким дополнительным операциям , связ анным с использованием других реагентов, концентрированием и т . д . (отсюда и назва ние - безреагентные методы анализа ). Существует большое разнообразие физических трансдьюсеров : электрохимические , спектроскопические , термические , пьезоэлектрические , трансдьюсеры на поверхностных акустических волн ах и т.п . В настоящее время наибольшее распространени е получили электрохимические преобразователи . Одн и из них генерируют потенциал на специаль ном электроде , на поверхность которого нанесе н слой биоматериала , другие генерируют электр ический ток реакции пр о дукта прев ращения определяемого вещества на поверхности электрода , вызванного биоматериалом . Другими сл овами , существуют потенцио - и амперометрические биосенсоры . Если физический преобразователь исп ользует изменение светопоглощения в области б иослоя , то т а кой биосенсор называе тся , например , оптоволоконным , поскольку измеряемый сигнал будет передаваться измерительному при бору по оптическому волокну . Соответствующий физический преобразователь по аналогии с элек тродом называют оптродом . По названию преобра зов а теля можно сделать вывод о характере физического свойства , которое измеряе тся аппаратно , причем , как правило , при так ом измерении используется микропроцессорная техн ика , позволяющая сделать устройство достаточно компактным. Первое упоминание об аналитическ их устройствах на основе ферментов или фермен тсодержащих материалов появилось сравнительно не давно , в 60-х годах нашего столетия . Затем в обиход вошло понятие "биосенсор " или "б иочип ". Это важное событие в науке . Здесь отражаются глубокие причины , связанн ы е с так называемыми интеграционно-синтети ческими процессами в науке , приводящими к появлению новых знаний . Функционально , таким о бразом , биосенсоры сопоставлены с датчиками ж ивого организма - биорецепторами , способными преобр азовывать все типы сигналов , п о сту пающих из окружающей среды , в электрические. Как работает биосенсор Принцип р аботы биосенсора достаточно прост . Определяемое вещество диффундирует через полупроницаемую ме мбрану в тон кий слой биокатализатора , в котором и протекает ферментативная реакция . Поскольку в данном случае продукт фермен тативной реакции определяется с помощью элект рода , на поверхности которого закреплен ферме нт , то такое устройство еще называют ферме нтным элект р одом . Таким образом , о пределения "биосенсор " и "ферментный электрод " в данном случае синонимы. Следует отметить , что характер ферментати вной реакции зависит от природы фермента , типа его каталитического действия . Среди ферм ентов можно выделить оксидоредукт азы , осу ществляющие реакции окисления и восстановления , гидролазы , катализирующие гидролиз , трансферазы , вызывающие перенос ацильных , гликозидных и т.п . остатков и т.д . Многие ферменты сейчас доступны , их чистые препараты включены в каталоги ряда фирм-про и зводителей . Важно отметить , что при конструировании био сенсора увеличение продолжительности действия фе рмента становится основной задачей . Дело в том , что нативный фермент сохраняет свои свойства лишь в течение относительно корот кого времени . Поэтому была разработана операция так называемой иммобилизации фермен та . В ходе иммобилизации с помощью специал ьных реагентов фермент "закрепляют " либо на поверхности адсорбентов , например силикагеля , у гля или целлюлозы , либо вводят в пленку пористого полимера , либо к о валентно , то есть с помощью химических связей , "пришивают " к какой-либо подложке . При этом фермент закрепляется , перестает быть подвижным , не вымывается из биослоя , а его каталит ическое действие сохраняется .. Как видно , при иммобилизации ферментов использ у ют разнообразные способы их закрепления , в том числе и комбинированные . Биосенсоры могут быть сконструированы и по так называемой объемной технологии , при которой индивидуальные компоненты , составляют как бы единый физи ческий ансамбль . Хотя такие биосенсо р ы в настоящее время и применяются на практике , они имеют недостатки , есть трудности и при их изготовлении . В самом деле , послойное покрытие электрода или ка кого-либо твердого преобразователя мембраной долж но быть воспроизводимо . Соответствующая технологи я формирования поверхности должна доп ускать возможность изготовления достаточно миниа тюрного электрода . Кроме того , биосенсоры со сравнительно толстыми мембранами дают в ит оге большее время отклика , имеются сложности и при их градуировке . Успехи в област и р а звития средств микроэлектроники подтолкнули разработчиков конструкций биосенсор ов к новым решениям . Оказалось перспективным использовать так называемую планарную технол огию (фотолитографию , полупроводниковую технику по крытий и т . д .), по которой можно изг о товить так называемый биочип , объ единяющий сенсорную систему , трансдьюсер , аналого-ц ифровой преобразователь и микропроцессор для измерения аналитического сигнала и расчета ре зультатов анализа . Хотя такие биочипы могут тиражироваться , основной проблемой в д анном случае будет являться воспроизводим ость состояния , то есть микроструктуры поверх ности с нанесенным слоем биологически активно го фермента . Трудной задачей представляется в данном случае и оптимизация такой структ уры в отличие от объемной технологии , р еализованной присутствием в конструк ции сенсорной части нескольких молекулярных с лоев . Тем не менее "молекулярный дизайн " пр и конструировании биосенсоров будущего может составить реальную конкуренцию объемному их в арианту. Где применяют биосенсоры По-видимому , самым распространенным в настоящее время я вляется амперометрический биосенсор на основе иммобилизованной глюкозоксидазы для определения сахара в крови . Исторически этот биосенсор явля ется самым "древним ". В настоящее время для определения глюкозы создано на ибольшее число различных биосенсоров , что свя зано с необходимостью контроля за содержанием сахара в биологических жидкостях , например в крови , при диагностировании и лечении некотор ы х заболеваний , прежде всего диабета . Схема функционирования биосенсора н а глюкозу в принципе типична и для др угих амперометрических биосенсоров с аналогичным трансдьюсером . Ток восстановления кислорода на платиновом катоде прямо пропорционален кон центраци и кислорода . В присутствии с убстрата (например , глюкозы в крови , взятой для анализа ) ферментативная реакция понижает концентрацию O 2 .Таким образом , ток восстановления кислоро да уменьшается пропорционально концентрации субс трата Преимущество данного типа био сенсора состоит прежде всего в его высокой с елективности . Избирательность подобных биосенсоров определяется высокой специфичностью глюкозоксидазы и природой электрохимической реакции , в к оторой участвуют компоненты ферментативного проц есса . В целом класс ф ерментов - ок сидаз является высокоспецифичным по отношению к определяемым субстратам . Системы же на основе небиологического преобразователя , напротив , не столь селективны , как этого бы хот елось , что обусловлено рядом причин . Тем н е менее имеются ограничен и я и по применению данной конструкции биосенсора , обусловленные влиянием кислорода и других посторонних веществ , способных проникать через биослой (точнее , через мембрану ), а потому задача совершенствования конструкций биосенсоров на глюкозу представляется весьма актуальной. Один из возможных путей такого усовер шенствования заключается в следующем . Если из менить полярность включения электрода-трансдьюсера в глюкозном биосенсоре на противоположную , то есть платиновый катод сделать анодом , т о при потенциале + 0,6В он становится совершенно нечувствительным к кислороду , но зато дает отклик на пероксид водорода , который при данном значении потенциала окисля ется до воды . Чувствительность такого электро да к пероксиду водорода оказалась привлекател ьной , а поскольку в ода образуется как продукт ферментативной реакции , по его содержанию можно сделать вывод о концент рации , например глюкозы в различных объектах . Другой способ улучшения селективности биосе нсоров и устранения помех от посторонних примесей состоит в использо в ании различных мембран - пленок , предотвращающих их попадание непосредственно на электрод-преобразователь . При этом внутренняя мембрана выполняет ф ункцию защиты от примесей , а внешняя мембр ана пропускает субстрат в биослой . Однако необходимо отметить , что с помощью специальных приемов , называемых химической модифи кацией , можно до такой степени изменить св ойства поверхности электрода , что он будет "глухим " к большинству примесей и , напротив , чувствительным к компонентам ферментативной реакции. Биосенсоры , ос нованные на кислородном электроде как физическом трансдьюсере , позво ляют определять разнообразные субстраты ферменто в : кроме глюкозы - лактаты , L-аминокислоты , салици латы , оксалаты , пируваты , то есть анионы со ответствующих карбоновых кислот . В литературе о писаны другие биосенсоры подобного типа , ряд которых применяется на практике . С помощью биосенсоров можно решить и обратную задачу : при некоторой определенной концентрации субстрата оценивать активность собственно фермента по величине измеряемого с игнала ( потенциала , тока и т . д .). Из описания работы фермента следует , что изм еряемый сигнал зависит не только от конце нтрации субстрата , но и от каталитической активности биологического преобразователя , то ест ь фермента . Такое использование биосенсоров п озв о ляет измерить активность большого числа ферментов , например в крови . Оценка активности ферментов , связанных с сердечной деятельностью , таких , как аспартамаминотрансфераз а , креатинкиназа , позволяет в клинических усло виях оценивать глубину инфаркта миокарда. Измерения активности фермента амилазы использу ются в педиатрии. Биосенсоры на основе других биоматериалов Многие фе рменты дороги и быстро теряют свою активн ость , использование выполненных на их ос нове биосенсоров не может быть экономически целесообразным . Поэтому применение бактерий , микроорганизмов и биологических тканей различног о происхождения более предпочтительно , поскольку в данном случае отпадает необходимость в предварительном пол у чении и очис тке ферментов . К существенным недостаткам так их биосенсоров можно отнести низкую селективн ость определения вследствие того , что клетки живых организмов фактически являются источни ком самых разнообразных ферментов . Помимо это го время отклика би о сенсоров на основе тканей и микроорганизмов может быть достаточно большим , что также уменьшает и х практическую ценность . Тем не менее в последнее время наблюдается повышенный интерес к разработке конструкций электродов , содержа щих не сами ферменты в очище н ном виде , а их первозданные источники - био логические материалы . Так , было установлено , чт о тканевые срезы в биосенсорах могут выпо лнять функцию источников каталитической активнос ти . Например , создан биосенсор на аскорбиновую кислоту , состоящий из платино в ого электрода и пластины кожуры огурца или тыквы , служащей источником аскорбиноксидазы . Ак тивность фермента в такой природной матрице достаточна для проведения 50-80 определений аско рбиновой кислоты в различных объектах . Устано влено , что пластины биоматер и ала м огут храниться без потери активности в те чение года в 50%-ном глицерине. Аналогичный подход использовали при созда нии конструкции биосенсора на допамин - важней ший биогенный амин , участвующий в регуляции деятельности мозга . В данном биосенсоре тка нь п лода банана была иммобилизована н а поверхности кислородного электрода . В рассм отренных случаях биоматериалы создают "естественн ое окружение " для ферментов , способствующее ст абилизации их активности . Тканевые материалы достаточно долго сохраняют высокую сп е цифичность , что очень важно для биосен сора , тогда как выделенные ферменты в тех же условиях быстро разрушаются . Известны биосенсоры , в которых использован цельный фра гмент ткани печени быка , являющийся носителем фермента каталазы и иммобилизованный на кис л ородном электроде . Ферментативное действие каталазы , проявляющееся в катализе р еакции разложения пероксида водорода , используют в этом случае для создания соответствующ его электрода . Разработан биосенсор на основе кожуры кабачка или огурца и кислородного э лектрода для определения L-аскорбин овой кислоты во фруктовых соках , функционирую щий подобно аналогичному типу электрода , уже рассмотренного выше . Тем не менее , несмот ря на успехи в развитии биосенсоров на основе биологических материалов , надежность их фун к ционирования все еще остаетс я спорной . Еще один пример конструкции био сенсорного устройства относится к ферментному электроду на основе микроорганизмов - дрожжей , помещаемых между двумя пористыми мембранами . Биосенсор на основе иммобилизованных дрожжей и к ислородного электрода позволяет определять этанол и метанол , например в промышленных стоках. Интерес представляют биосенсоры на основе иммобилизованных на мембране микроорганизмов , служащих элементом так называемого микробного сенсора . В качестве примера т аких устройств можно упомянуть амперометрический се нсор на аммиак (в сточных водах ) на осн ове иммобилизованных нитрифицирующих бактерий и кислородного электрода . Такой биосенсор поле зен при решении вопросов охраны окружающей среды , и в частности при контр о ле степени очистки промышленных стоков. Можно отметить также использование биосен соров на основе гидролаз - ферментов , являющихс я катализаторами гидролитического расщепления су бстратов . Эти биосенсоры предназначаются , как правило , для эколого-аналитическог о контроля остаточных количеств пестицидов класса фосфоро рганических соединений , а также для определен ия некоторых ОВ . Если при гидролизе какого -либо субстрата ферментом класса гидролаз обр азуется электрохимически активное соединение , то , контролируя соде р жание последнего , можно контролировать ферментативную реакцию та к же , как в предыдущих случаях . Однако в присутствии веществ , являющихся ингибиторами , активность фермента уменьшается , что и обна руживается по сигналу , регистрируемому электродом . Интересно о тметить высокую чувстви тельность такого определения : эффект изменения активности фермента доступен для измерения уже при действии ультраследовых количеств ингибитора - на уровне пико - и фемтограмм Проблемы и перспективы ра звития Концепция распознавания определяемого вещества с помощью иммобилизованного биоматериала оказалась плодот ворной . В итоге исследователи приобрели новое средство , позволяющее быстро получить достов ерную информацию о со стоянии окружающей среды и здоровья человека . Некоторые биос енсоры уже получают распространение для индив идуального использования в домашних аптечках (чаще всего для определения сахара в кров и ). Интерес к биосенсорам непрерывно растет . В 1996 году состоял и сь четыре круп ные международные конференции по биосенсорам. Если иметь в виду все разнообразие ферментов , присутствующих и действующих в ж ивом организме и являющихся потенциальными би ологическими преобразователями , то следует отмети ть , что существующее сег одня число кон струкций биосенсоров может быть увеличено в десятки и даже сотни раз . Биосенсоры получают распространение в биотехнологии . Хотя здесь и встречаются трудности , связанные с невысокой термической устойчивостью предложенны х устройств , приводящей к дезактивации биослоя , есть основания полагать , что дан ный недостаток будет в скором времени пре одолен . Так , полагают , что для увеличения с рока службы биосенсоров в обозначенных выше условиях можно использовать ферменты , выделе нные из термофильных бактер и й и одноклеточных водорослей - микроорганизмов , устойчив ых к действию высоких температур . Определенны е трудности представляют собой также проблемы градуировки биосенсоров и надежности их показаний . Для улучшения последнего показателя , в частности , предлаг а ется использов ать мультисенсорную систему , состоящую из ряд а биочипов . Для получения определенной "емкост и " надежных данных производится расчет необхо димого числа таких датчиков . Однако в цело м так называемые метрологические характеристики биосенсоров впо л не приемлемы . Отн осительное стандартное отклонение определяемой к онцентрации не выше 10-12 %, притом что нижняя г раница определяемых содержаний достигает 10-15 моль /л . Некоторые биосенсоры работают по принцип у да-нет , что вполне приемлемо , когда решае тся в опрос о присутствии ультрамалы х количеств высокотоксичных веществ в объекта х окружающей среды . Если определяемые компоне нты находятся в сложной смеси или матрице или же близки по своим свойствам , то при анализе используют хроматографические ме тоды разделе н ия . Контроль за разде лением осуществляют с помощью системы детекто ров на основе биосенсоров . И здесь получен ы поразительные результаты : разделяют и колич ественно определяют оптические активные изомеры , различные сахара (лактозу , фруктозу , глюкозу и т.д .), сложные по структуре биологически активные соединения и т.п. Вот один из недавних примеров разрабо тки биосенсоров , основанных на использовании природного хеморецептора . Хеморецептор , извлеченный из чувствительных антенн (органелл ) голубого морского краба , был прикреплен к ульт рамикроэлектроду , измеряющему потенциал . В результ ате был изготовлен новый тип потенциометричес кого детектора , чрезвычайно быстро реагирующего на ничтожные изменения состава среды , в которую он погружен . Сам голубой краб о чень чувстви т елен к следам тяжелы х металлов и живет только в чистейшей морской воде. На очереди создание биосенсоров , заменяющ их рецепторы живых организмов , что позволит создать "искусственные органы " обоняния и вк уса , а также применить указанные разработки для возможн о более точной и информ ативной диагностики ряда заболеваний . Несомненно , что в ближайшем будущем в этой смежн ой области биологии и химии следует ожида ть новых открытий. Литература 1. Био с енсоры : основы и приложения / Под ред . Э . Тернера и др . М .: Мир , 1992. 614 с. 2. Будников Г.К ., Майстренко В.Н ., Муринов Ю.И . Вольтамперомет рия с модифицированными и ультрамикроэлектродами . М .: Наука , 1994. 239 с. 3. Будников Г.К ., Медянцева Э.П ., Баб кина С.С . // Успехи химии . 1991. Т . 60. С . 881.
© Рефератбанк, 2002 - 2018