Другие биосенсоры

Комбинированные потенциометрические датчики включают в себя ионоселективные электроды, отделенные от исследуемого раствора еще одной мембраной, которая селективно пропускает определенный компонент анализируемого раствора или преобразует этот компонент в соответствующую форму в результате специфической химической реакции. Эта группа сенсоров включает газочувствительные электроды, ферментные электроды и другие биосенсоры. Газочувствительные электроды будут обсуждаться в настоящем разделе, а потенциометрическим биосенсорам посвящена отдельная глава (гл. 8). [c.91]

Другим перспективным направлением в разработке амперометрических биосенсоров является создание устройств, основанных на иммунологических реакциях. Принцип иммунного анализа заключается во взаимодействии исследуемого вещества, называемого антигеном (АГ), со специфически связывающимся с ним антителом (АТ) с образованием комплекса АГ -АТ. При фиксированной концентрации антитела (антигена) равновесное отношение концентраций связанного и свободного антигена (антитела) зависит от его общей концентрации. Таким образом, неизвестную концентрацию антигена (антитела) можно определить при помощи фиксированного количества меченых антител (антигенов). Для этого антиген или антитело метят ферментами. Разработанные к настоящему времени иммуноферментные амперометрические датчики можно классифицировать следующим образом [c.506]

Когда объединяются две волны, они интерферируют друг с другом, либо конструктивно, либо деструктивно. Использование этого явления называют интерферометрией. Когда ее используют в биосенсоре, он обычно включает операцию с отражением во внутреннем режиме. Здесь мы обсудим два примера. [c.557]

Для биосенсоров на основе интерферометрии существует важный момент — выбор точки сравнения. Необходимы два вида градуировки. Первый касается градуировки по определяемому веществу второй требует информации о фоновом сигнале. Фон можно получить с помощью контрольного опыта вопрос заключается в следующем как можно включить контрольный опыт в биосенсор В случае световодов, взаимодействующих с пробой посредством затухающего поля, это требует двух различимых поверхностей одной —для специфических и другой — для неспецифических реакций. Одним из вариантов является конфигурация, подобная конфигурации в интерферометре Маха—Цендера (рис. 7.8-20). Сначала падающий свет разделяется,затем он проходит через све- [c.558]

Вместе с тем, по мнению авторов, становится все более очевидной необходимость введения курса биохимии в систему химического образования. Это важно как с чисто прагматической точки зрения, так и для формирования более цельного мировоззрения специалистов-химиков. Направленный синтез биологических веществ — лекарственных препаратов, гербицидов для борьбы с сорняками в сельском хозяйстве, инсектицидов для истребления вредных насекомых, развитие методов анализа, имеющих диагностическую значимость, изучение природы воздействия токсических веществ на человека и другие живые организмы — все это и многое другое требует понимания механизма взаимодействия химических веществ с биологическими системами. Без этого химические исследования имеют в основном эмпирический характер. В то же время биохимические процессы все в большей мере начинают использоваться для осуществления химических превращений вне живых организмов, и знание возможностей биохимии существенно обогащает арсенал подходов, с помощью которых химик может решать стоящие перед ним проблемы. Особенно существенно для химика знание основ биологического катализа как наиболее совершенного класса каталитических процессов, принципы которого могут открыть новую страницу в развитии науки о катализе в целом. Широко обсуждается и в ряде случаев уже реализуется использование сложных биохимических структур в качестве биосенсоров для аналитических целей и в перспективе для развития принципиально новой базы для электроники. [c.8]

Внедрение иммобилизованных ферментов в практику биохимических, клинических, заводских и других аналитических лабораторий еще только начинается. Предстоит еще немало сделать, чтобы ферментные электроды, реакторы с иммобилизованными ферментами стали доступными для каждого химика-аналитика. Автоматические системы с биосенсорами позволяют не только облегчить утомительный труд химика-аналитика, но и снизить требуемые для анализа объемы проб (а это особенно важно, например, при анализе крови), расширить перечень определяемых веществ, повысить чувствительность, специфичность анализа. [c.97]

Развитие биосенсоров обусловлено усилиями исследователей в нескольких направлениях. В основу описанных к настоящему времени конфигураций биосенсоров положено принципиально новое объединение хорошо известных ранее и не связанных друг с другом подходов. В будущем для удовлетворения специфических требований все большее внимание будут уделять инженерной проработке как всего прибора в целом, так и его компонентов. Будут извлечены на свет новые биохимические реакции, а известные реакции будут усовершенствованы с помощью генной инженерии и химических методов. Их будут проектировать вместе с подходящим детектором, а не привязывать к случайным результатам предыдущих работ. Весьма перспективное [c.9]

Рассматривая ферменты как специфические химические преобразователи, переводящие определяемое вещество в форму, детектируемую физическими или химическими методами, удалось придумать и разработать новый класс сенсоров, для которых характерна чувствительность к биологическим соединениям. Перспективным путем повышения селективности и чувствительности и расширения возможностей этих устройств является комбинирование различных ферментов, например эстераз, дегидрогеназ и оксидаз с детекторами-полярографическими, кондуктометрическими, потенциометрическими, акустическими и оптическими. Б первых ферментных электродах ферменты физически удерживались на поверхности сенсора или в непосредственной близости от нее. Позже были предложены методы химической иммобилизации, осаждения и другие. Коферменты также физически или химически закрепляются на поверхности сенсора. Перевод фермента в нерастворимую форму как способ увеличения его времени жизни позволяют избежать осложнений, связанных с осмотическими явлениями в коллоидных растворах, особенно когда в ферментном электроде используется проницаемая для определяемого компонента мембрана В идеальном случае ферментный биосенсор должен работать непосредственно в неразбавленной цельной крови, подобно газовым и рН-электродам, в свое время произведшим революцию в анализе. [c.11]

Если обратить полярность классического амперометрического кислородного электрода и превратить его в анод с положительным потенциалом около 0,6 В, то он становится совершенно нечувствителен к кислороду, но зато дает отклик на пероксид водорода, который окисляется до воды. На платиновом аноде окисляется также аскорбиновая кислота, однако лишь немногие другие вещества присутствуют в физиологических жидкостях в количествах, достаточных чтобы влиять на ток в области, соответствующей катодному току кислородного электрода. Чувствительность этого анода к пероксиду водорода казалась привлекательной, но поскольку каталаза имеется почти всюду, биосенсор для определения пероксида водорода не представляет особой ценности, за исключением случаев измерения активности каталазы или пероксидазы. Поэтому считалось, что белки только загрязняют поверхность платины. Так, первое в моей практике использование платинового катода было связано с настоятельной необходимостью удержать белки и клетки крови вдали от поверхности платины. Думаю, что размышления о том, как уберечь платиновый анод от каталазы, и привели меня к идее использовать одну и ту же мембрану для того, чтобы одновременно удерживать каталазу вдали, а другие ферменты (все они представляют собой белки с большими молекулами) вблизи платины. В первом ферментном электроде фермент помещался, как начинка сандвича, между двумя мембранами, поскольку все еще опасались загрязнения поверхности платины белками и коферментами. Но я также добавлял фермент непосредственно в электролит между анодом и катодом, и электрод хорошо работал при определении глюкозы. [c.15]

Хотя глутаминовый биосенсор на основе тонкого слоя ткани почки свиньи проявляет высокую избирательность к глутамину по сравнению с другими биомолекулами, [c.39]

Чтобы улучшить аналитический сигнал тканевого АМР-сенсора, оптимизировали различные параметры эксперимента (pH, концентрацию ионов калия, температуру и толщину слоя ткани). Найденные оптимальные условия-рН 7,5, 0,1 М и 25°С. На рис. 3.8 представлены результаты изучения влияния толщины ткани на время отклика биосенсора. Увеличение толщины ткани приводит к большим временам отклика, которые становятся неприемлемыми при толщине слоя больше 0,81 мм. С другой стороны, кусочки ткани толщиной меньше 0,5 мм неудобны в обращении и плохо воспроизводимы. По этим причинам для изготовления сенсора используют слои ткани толщиной от 0,5 до 0,8 мм, которые можно легко получить с помощью острого лезвия бритвы. [c.44]

Для изготовления тканевого сенсора пероксида водорода используют срез печени толщиной 0,1 мм быка, который удерживают на кислородном электроде найлоновой сеткой. Найдено, что для данного биосенсора пригодна печень и других животных. Измерения проводят в 0,05 М фосфатном буферном растворе (pH 6,8), содержащем [c.47]

Вероятно, любой измеримый физико-хим1 ческиЙ параметр можно использовать в биосенсорах, хотя делать это не всегда практично Наиболее широко распросграяенные устройства используют параметры, суммированные иа рис. 7.8-2. В этой главе далее рассмотрены мкоторие примеры, иллюстрирующие использование оптических и электрохимических методов. Рассмотрение других биосенсоров можно найти в книгах специалистов по биосенсорам [7.81-7,8 1, [c.519]

Применяются самые разнообразные физические трансдьюсеры электрохимические, оптические, термические, пьезоэлекфические, акустические и т.д. В настоящее время наиболее широко используются биосенсоры с электрохимическими преобразователями. Одни из них представляют собой специальный электрод, на который нанесен слой биоматериала, а другие регистрируют ток электрохимической реакции одного из участников ферментативного процесса на поверхности электрода. Первые относятся к потенциометрическим сенсорам, а вторые - к амперометрическим. Функционально биосенсоры сопоставимы с биорецепторами, которые преобразуют реакцию живых организмов на воздействие окружающей среды в электрические сигналы [c.292]

Амперометрические датчики с ферментными электродами являются наиболее распространенными среди биосенсоров. Существуют два типа таких датчиков. В одном случае определяемый компонент взаимодействует с кислородом в присутствии фермента и регистрируется изменение концентрации О2. В другом - фермент превращает определяемый компонент в вещество, к которому чувствителен электрод. Например, концентрацию глюкозы можно определять по току окисления пероксида водорода, образующегося под действием глюкозоксидазы (ГОД) [c.500]

Такие датчики изготавливают из различных материалов Р1, Ли, N1, графит и др. Однако этот биосенсор имеет ряд недостатков. Главный из них - это то, что не в полной мере используются селективные свойства фермента, поскольку при потенциалах восстановления кислорода могут восстанавливаться посторонние вещества, способные проникнуть через мембрану. Для устранения влияния мешающих веществ изменяют полярность электрода на противоположную. При потенциале +0,6 В электрод становится нечувствительным к кислороду, но зато дает отклик на пероксид водорода. Другой способ повышения селективности определений состоит в покрытии электрода мембраной, предотвращающей поступление посторонних веществ. Так, для устранения мешающего действия аскорбиновой и мочевой кислот при анализе биологических жидкостей между мембраной с иммобилизованной глюкозоксидазой и электродом помещают диафрагму из ацетата целлюлозы, проницаемую только для молекул Н2О2. [c.501]

Биораспознающий компонент биосенсора—это белок, макромолекула или комплекс со специфической поверхностью или внутренними распознающими центрами, необходимый для распознавания определяемого вещества. Компонент обусловливает селективность по отношению к определяемому веществу и передает сигнал на преобразователь. Тип реакции, катализируемой фермен> том, определяет выбор преобразователя. Определяемое вещество, а значит, и доступньк методы преобразования обусловливают природу биораспознающего компонента. Рассмотрим два примера, в которых фермент используют для создания сенсора на субстрат этого фермента. На схеме 7.8-1 ферментативная реакция включает перенос злектрона таким образом, для определения холестерина можно использовать в качестве преобразователя амперометрический электрохимический сенсор. Схема 7.8-2 включает изменение [Н+1 следовательно, контроль превращения ацетилхолина возможен с помощью рН-электрода или рН-чувствительного красителя в оптическом приборе. Другие ферменты можно использовать в случае реакций гидролиза, этерификации, расщепления и т. д. определяемое вещество обычно является субстратом фермента. (Как можно провести анализ, если вы не смогли найти подходящую ферментативную реакцию с участием определяемого вещества, ио знаете, что оно является иигибитором ферментативной реакции ) [c.519]

Другие редокс-ферменты (схема 7.8-6) предполагают те же общие принщ -пы, если их включают в биосенсор, но каждый класс имеет тонкие отэтичия. [c.539]

Какие типы биолюгических распознающих систем о чно нсшхпьзуют Ь биосенсорах Какие типы определений в каждой группе пригодны для этого Какие вдеи есть у вас относительно других биораспознающих систем, которые можно было бы использовать [c.564]

Возможно использование и других типов физических ответов. Например, для реакций, сопровождающихся образованием или расходованием О2, могут быть сконструированы оптические биосенсоры. В качестве примера такого сенсора может служить концевая часть оптического волокна, покрытая двойной пленкой, состоящей из флуоресцирующего порфиринового красителя, заплавленного в полистирол, и соответствующей оксидазы, например глюкозооксидазы. По оптическому волокну к исследуемому образцу, в который погружен биосенсор, подвсн дится возбуждающее излучение и по нему же отводится к флуориметру испускаемое излучение. Интенсивность флуоресценции порфирина понижается в присутст ВИИ О2, и таким образом, может быть соотнесена с концентрацией О2 в слое, находящемся в непосредственном контакте с биосенсором. Расход О2, обусловленный присутствием окисляемого соединения, приводит к уменьшению концентрации О2 в слое, прилегающем к пленке, содержащей порфирин, воздействуя таким образом на интенсивность флуоресценций. [c.256]

Микроорганизмы могут использоваться в качестве биосенсоров и других научных инструментов. Биосенсор — это гибридный прибор, где живые организмы (органеллы, ферменты) связаны с электродами, и биологическая реакция конвертируется в электрический ток. Биосенсоры применяют при определении различных индивидуальных вешеств, поллютантов, контроля газов и жидкостей в медицине, сельском хозяйстве, экологических исследованиях и различных производствах. Примером может служить биосенсор для определения загрязнения (токсичности) на основе люциферазной системы светящихся бактерий. [c.316]

Другая большая область применения биосенсоров — контроль промышленных процессов. Живые клетки (дрожжи и бактерии), соединенные с электродами, применяются для измерения концентраций Ь-аминокислот, спирта, фенолов, метана, различных сахаров, уксуса и антибиотиков. С их помошью контролируют условия внутри ферментеров, что особенно важно при непрерывном культивировании. [c.95]

Другая перспективная система — монослой 3-меркаптопропилтриметоксисила-на. После УФ-облучения малой мощности (193 нм) меркаптогруппы мягко окислялись в сульфогруппы. На необлученных участках (8Н) с помощью сшивающих агентов можно закреплять белки и использовать для получения биосенсоров [296]. При этом важно, что участки, обработанные светом (ЗОзН), высокогидрофильны и характеризуются низкой неспецифической адсорбцией биополимеров, что положительно сказывается на селективности биосенсора. Метод фотолитографии использовался также для получения металлических микроструктур на поверхности, управления ростом клеток и др. [296-298]. Регулярные поверхностные структуры (линии, прямоугольники, треугольники) с периодичностью 532 нм получены при помощи фотолитографии (193 нм) для монослоев алкилтиолов на золоте [299-302]. [c.252]

Предотвращение адгезии клеток весьма важно для обеспечения нормальной работы биосенсоров. Осаждение слоя биополимеров и клеток на поверхности сенсора при контакте с кровью и другими биологическими жидкостями искажает показания сенсора, затрудняет диффузию определяемых компонентов к рабочей поверхности, приводит к уменьшению срока службы сенсора и т. п. В работе [571] приведен обзор основных подходов, использующих химическое модифицирование внешней мембраны, покрывающей активный элемент сенсора, и направленных на предотвращение биозагрязнения и повышения биосовместимости сенсоров. Рассматриваемые методы включают закрепление на внешней мембране слоев гидрогелей (ПЭГ, полигидроксиэтилметакрилат), фосфолипидов, полиперфторсульфоновой кислоты, целлюлозы, гепарина и др. [c.507]

Бактериальные интегрирующие векторы находят широкое применение в современной генной инженерии бактерий, в частности, при конструировании стандартных штаммов-продуцентов белков, пептидов или метаболитов. Другим интересным приложением такого рода генетических систем является создание бактериальных штаммов-биорепортеров, используемых для мониторинга окружающей среды и в экотоксикологии. Хотя современные аналитические методы позволяют обнаруживать с высокой эффективностью практически любое химическое соединение, все эти методы не дают ответа на вопрос о биологической опасности таких соединений. Данный недостаток восполняют с помощью биосенсоров в формате целых бактериальных клеток, которые позволяют обнаруживать индивидуальные вещества или группы химических соединений, для которых характерно однотипное взаимодействие с биологическим материалом. Например, для обнаружения фитотоксичных химических соединений применяют генетически модифицированные цианобактерии, исходные представители которых присутствуют в большом разнообразии в фотосинтезирующей биосфере. Введение в хромосому цианобак- [c.102]

Кроме активного использования в изучении экспрессии генов, белки-репортеры оказываются незаменимыми помощниками при исследовании, в частности, факторов транскрипции и механизмов передачи сигналов, при поиске новых лекарственных препаратов и конструировании биосенсоров на основе клеток. В принципе, многие ферменты могут быть использованы в качестве репортеров, и их выбор определяется конкретными задачами и возможностями исследователя. Основными критериями выбора являются удобство идентификации белка-репор-тера в составе молекулярной химеры, его стабильность и другие важные качества. К таким свойствам можно также отнести безопасность в отношении окружающей среды, простоту использования, высокую чувствительность при обнаружении и низкую фоновую активность. [c.383]

Коллективная монография посвящена одному из важнейших достижений биоэлектрохимии-биосенсорам, ферментным электродам . Рассмотрено также использование в биосенсорах других компонентов биологических систем антител, клеток, тканей, целых микроорганизмов. Помимо электрических обсуждаются акустические, оптические и другие датчики. С помощью биосенсоров становится реальным непрерывный мониторинг in vivo метаболитов, ферментов, белков и лекарственных препаратов. [c.4]

Движущей силой в исследовании сенсоров было ярко выраженное инстинктивное понимание возможности их широких практических приложений. Эти исследования стимулировались прежде всего потребностями медицины. Возможность немедленного анализа клинических препаратов, очевидно, одинаково привлекает внимание и врачей, и пациентов, хотя некоторые национальные службы здравоохранения испытывают трудности с внедрением этой философии. Более привлекательной, вероятно, является возможность непрерывного in vivo мониторинга метаболитов, лекарственных препаратов и белков с помощью миниатюрных и портативных систем. Отличным примером клинического приложения является сенсор глюкозы для больных диабетом, ставший классическим объектом исследований в области биосенсоров. В данном случае необходимо следить за концентрацией глюкозы в крови как in vivo, так и in vitro и обеспечить возможность полного автоматического контроля за состоянием больного с помощью инсулинового насоса. Имплантируемые глюкозные сенсоры прокладывают пути для других приложений. Дополнительной серьезной проблемой здесь все же остается биологическая совместимость. [c.10]

Различные комбинации мембран на основе антител и ферментных электродов могут привести к созданию новых автоматизированных сенсоров, чувствительных к антигенам. Такие биосенсоры, возможно сопряженные с сенсорами ферментов печени, позволяют обеспечить быстрое и надежное наблюдение за кровеснабжением. На рис. 1.6 показан иммуносенсор на основе измерения потребления кислорода в присутствии глюкозооксидазы и глюкозы. Таким образом определяют содержание антител поверхностного антигена вируса гепатита В. Описаны и другие электроферментные методы для иммунологических исследований, и это направление, видимо, будет интенсивно развиваться (гл. 14). [c.18]

Глутаминовый биосенсор уникален в том смысле, что при его создании было опробовано и изучено несколько типов биокаталитических материалов. В поисках возможных биокатализаторов исследовали выделенную глутаминазу, митохондрии клеток почки свиньи (см. ниже), кусочки ткани почки свиньи, а также интактные бактериальные клетки штамма Sa rina flava [8]. Эти материалы непосредственно сравнивали друг с другом, чтобы выявить относительные достоинства каждого из них. [c.38]

Таким образом, сравнительное изучение различных биосенсоров позволяет заключить, что для определения глутамина наилучшим биокаталитическим материалом является тонкий слой ткани почки свиньи. Этот вывод, однако, нельзя распространить и на другие типы биосенсорных систем. Действительно, прежде чем делать какие-либо обшие утверждения, касающиеся биокаталитических материалов, необходимо тщательное сравнительное исследование, подобное рассмотренному в данном разделе. [c.39]

Как известно [47], активность АМР-деаминазы зависит от присутствия ионов калия. Исследование влияния калия на деаминирование АМР в клетках слизистой оболочки тонкого кишечника мыши, мешающее работе аденозинового биосенсора, показало, что в данном случае такая зависимость отсутствует. С другой стороны, щелочная фосфатаза тонкой кишки стереоспецифично ингибируется L-фенилаланином [20, 21]. Ингибирующее влияние L-фенилаланина на функцию электрода к АМР отчетливо проявляется при концентрации L-фенилаланина 0,1 М. Фактически в этих условиях тканевый электрод вообще не проявляет чувствительности к АМР. [c.42]

Таким образом, хотя селективность по отношению к аденозину не является специфическим свойством тканевого аденозинового биосенсора, ее можно существенно улучшить, выявив метаболические процессы, обуславливающие мешающую ферментативную активность, и подавив ее подходящим ингибитором. Этот способ применим и при разработке других мембранных тканевых электродов. [c.43]

Оптимальный отклик глутаминатного биосенсора на основе ткани желтой тыквы наблюдается в 0,1 М фосфатном буферном растворе (pH 5,5), содержащем 40% глицерина и 0,3 мМ пиридоксаль-5-фосфата. В этих условиях в диапазоне концентраций глутамината от 4,4 -10 до 4,7-10 М зависимость сигнала сенсора от концентрации глутамината близка к нернстовской (наклон 48 мВ/рС), а предел обнаружения составляет 0,2 мМ. Время отклика сенсора обычно не превышает 10 мин, а его активность сохраняется в течение 7 дней. Особенно важно то, что этот сенсор обладает очень высокой селективностью и не проявляет чувствительности ко многим другим биологически значимым соединениям [29]. [c.48]

Для конструирования биосенсоров можно эффективно использовать и другие виды растительных материалов. Например, для определения цистеина на поверхности аммонийного датчика иммобилизуют модифицированные листья огурца. Вообще листья растений, по-видимому, имеют много преимугцеств как биокатализаторы благодаря своему строению. Многие листья имеют многослойную структуру, включающую восковое покрытие (кутикулу) с внешней стороны листа, слой эпидермальных клеток (эпидермис) и примыкающий к нему губчатый промежуточный слой те же слои повторяются в обратном порядке на другой стороне листа. Кутикула обладает гидрофобными свойствами, однако проницаема для газов. Газообмен осуществляется через небольшие отверстия на поверхности листа, называемые устьицами. Губчатый промежуточный слой наиболее активен в метаболических процессах с участием газов. Для получения биокаталитических мембранных электродов срезают кутикулу с наружной или нижней стороны листа и помещают оставшуюся часть листа на газочувствительный потенциометрический электрод так, чтобы открытый эпидермальный слой находился в контакте с анализируемым раствором, а газопроницаемая восковая кутикула-с внутренними элементами сенсора. [c.52]

Наряду с цельными фрагментами тканей млекопитающих в биосенсорах можно эффективно использовать фракции тканевых клеток, иммобилизуя именно те субклеточные компоненты, которые обладают наибольшей биокаталитической активностью. Такой подход может быть весьма плодотворным, если необходимо увеличить количество иммобилизованного фермента или улучшить избирательность сенсора, устраняя мешающие ферменты, которые содержатся в других частях клетки. Показано, что некоторые субклеточные фракции можно использовать как аналитические реагенты. Так. для определения тироксина можно использовать микросомы печени крысы [34]. Первой удачной попыткой создания биосенсора на основе субклеточной фракции был биосенсор для определения глутамина [8]. В этом сенсоре митохондриальную фракцию клеток кортекса почки свиньи иммобилизовали на газоаммиачном датчике. Митохондрии содержат два изофермЬнта глутаминазы [15], активность которых и используют в глутаминовом биосенсоре. [c.53]

Справочник химика 21

Химия и химическая технология