Биосенсорная диагностика в медицине

Biosensory diagnostics in medicine

 

Авторы:

Кара Вадим Васильевич

Научная рота № 8 Главного военно-медицинского управления Вооруженных Сил Российской Федерации, Санкт-Петербург, Россия 

e-mail: vadim29-00@yandex.ru

Kara Vadim Vasilyevich

Scientific Company № 8 of the Main Military Medical Directorate of the Armed Forces of the Russian Federation, St.-Petersburg, Russia

e-mail: vadim29-00@yandex.ru 

Демидов Никита Сергеевич

Научная рота № 8 Главного военно-медицинского управления Вооруженных Сил Российской Федерации, Санкт-Петербург, Россия 

e-mail: NikDemidov220@mail.ru

Demidov Nikita Sergeyevich

Scientific Company № 8 of the Main Military Medical Directorate of the Armed Forces of the Russian Federation, St.-Petersburg, Russia

e-mail: drafchik@mail.ru 

Нечаев Дмитрий Юрьевич

Научная рота № 8 Главного военно-медицинского управления Вооруженных Сил Российской Федерации, Санкт-Петербург, Россия 

e-mail: mitya.nechaev@list.ru

Nechaev Dmitry Yurievich

Scientific Company № 8 of the Main Military Medical Directorate of the Armed Forces of the Russian Federation, St.-Petersburg, Russia

e-mail: mitya.nechaev@list.ru 

Аннотация: В данной статье рассматриваются типы и разновидности биосенсоров.

Abstract: In this paper, the types and varieties of biosensors are considered. 

Ключевые слова: биосенсор, бактерии, токсины, военная промышленность.

Keywords: biosensor, bacteria, toxins, military industry.

Тематическая рубрика: Медицина и психология.

 

Актуальность. В настоящее время встречается большое количество причин патологий и заболеваний живых существ, в том числе и человека. Существует множество различных методов медицинской диагностики, как инвазивных: биопсия, лапароскопия, лабораторная диагностика, исследование биологических жидких сред, таких как слюна, кровь, пот, мочевина; так и неинвазивных: внешний осмотр, пальпация, рентгенография, ультразвуковое исследование. В большинстве своем для более точного получения результатов используется высокотехнологичное оборудование и приборы, дорогостоящие биомаркеры и иные реактивы, а также требуется время на получение данных об анализе. Однако наравне с ними существуют менее затратные и более быстрые в применении приборы и методики.

Одним из направлений в области исследования веществ является создание различных биосенсоров, основанных на разных химических и физических явлениях. На сегодняшний день биосенсоры являются перспективными и интересными, с точки зрения развития технологий, приборами для анализа различных веществ и газов. Существует множество видов сенсоров: химические, термические, оптические, электрохимические, основанные на пьезо-преобразованиях, на механических эффектах, опирающиеся на емкостные и резистивные преобразования, а также частиц, веществ и структур для распознавания – ионы, газы и пары, белки, нуклеиновые кислоты, ферменты, биологические ткани, пленки и клетки.

БИОСЕНСОРЫ

В первую очередь биосенсор – это аналитический прибор, который использует реакции и взаимодействия различных химических и биологических соединений для их определения. Рассматриваемые реакции могут быть иммунохимическими, ферментативными, могут происходить в клетках, органеллах или тканях. Прибор биосенсора состоит из трех частей: лиганд (биоселективный элемент), преобразователя (изменение сигнала, появляющегося в результате контакта аналита с лигандом), приемник сигнала, вышедшего из преобразователя. 

ВИДЫ БИОСЕНСОРОВ 

Классификация биосенсоров опирается на тип используемого преобразователя. Рассмотрим различные виды биосенсоров чуть подробнее.

1) Химические и электрохимические биосенсоры.

Химические и электрохимические биосенсоры являются хорошей заменой известным аналитическим аппаратам, благодаря высокой селективности, простоте регистрирующих устройств, высокой скорости получения результата и применимостью к исследованию окрашенных и растворенных образцов.

Электрохимическая детектирование основывается на переносе электронов с электрода – чувствительного сенсорного элемента, – в активный центр исследуемого реагента. Перенос электронов осуществляется двумя путями: прямой перенос электронов и медиаторный. При прямом переносе играет важную роль глубина залегания активного центра биораспознающего реагента: те белки, что активнее в процессе прямого биоэлектрокатализа, имеют более близкий к поверхности активный центр (менее 1 нм). В медиаторном используется переносчик электронов – диффузионно-подвижное низкомолекулярное вещество, расположенное между активным центром фермента и сенсорным элементом. В этом случае имеются ограничения и требования, накладываемые на медиаторы:

· высокая скорость реакции с восстановленной формой биораспознающего фермента;

· гетерогенные реакции, в которых участвует вещество-переносчик, должны быть обратимы;

· излишняя нагрузка в процессе регенерации окисленного медиатора не должна быть высокой и зависеть от кислотности среды – pH;

· транспортное вещество должно быть стабильным в окисленной, а также в восстановленной формах;

· восстановленный медиатор не должен реагировать с кислородом;

· вещество не должно быть токсичным.

Исходя из вышеперечисленных ограничений, наложенных на медиатор, выбор вещества опирается на окислительно-восстановительные способности активного центра биораспознающего вещества.

2) Термические биосенсоры.

Термические биосенсоры, также известные как калориметрические, регистрируют количество тепла, которое выделяется в процессии химических и биохимических реакций. Детектирование изменения температуры чаще всего производится с помощью материалов, изменяющих свои свойства при нагреве или охлаждении – терморезисторов, как полупроводниковых, так и металлических. Сопротивляемость материала прямо пропорциональна изменению температуры, которая в свою очередь зависит от изменения энтальпии в ходе биохимической реакции. Также для измерения температуры часто применяют термопару – прибор, в котором генерируется напряжение в термоэлектрической батарее при изменении значения температуры. В случае термопары генерируемое напряжение также имеет прямую зависимость свеличиной изменения температуры.

3) Опирающиеся на емкостные и резистивные преобразования.

Биосенсоры данного типа основываются на электрических преобразованиях в системе при взаимодействии с аналитом. Такие приборы учитывают изменение потенциала, емкости и индуктивности. Рассмотрим три основных типа биосенсеров относящихся к данному классу.

· Потенциометрические биосенсоры.

Такие приборы отслеживают изменение потенциала на электроде и устанавливают взаимосвязь между его величиной и концентрацией вещества. Напряжение между рабочим и контрольным электродами образуется при прекращении течения ионного тока. Один из примеров такого биосенсора – полевой транзистор с ионоселективной мембраной.

Принцип действия основан на изменении уравнения Нернста, в котором потенциал ионоселективного электрода имеет логарифмическую зависимость от концентрации исследуемого вещества.

· Кондуктометрические биосенсоры.

Данный тип приборов используется для измерения электропроводимости электролитических растворов и смесей, определяемой их составом и свойствами. Необходимо учитывать концентрацию носителей заряда, их природу, температуру, диэлектрическую проницаемость жидкой среды и т.д.

Кондуктометрия имеет преимущество перед потенциометрическими биосенсорами в изучении разбавленных растворов, где сигнал от ионоселективной мембраны слабее, чем от чувствительного слоя кондуктометрического сенсора. Электропроводимость имеет прямую зависимость от числа ионов в растворе на единицу объема и от их подвижности.

· Емкостные биосенсоры.

Емкостные биосенсоры используются для измерения изменения диэлектрических свойств биологической пленки, нанесенной на одну из обкладок, в результате изменения ее толщины и диэлектрических характеристик. Как пример – изменение диэлектрической проницаемости пленки из-за взаимодействия с ионом исследуемого вещества. Емкостные изменения пропорциональны квадратному корню из концентрации ионов в исследуемом растворе.

Таким образом, рассмотренные нами биосенсоры, основанные на емкостных и резистивных преобразованиях, являются широко исследуемыми в медицине и научных изысканиях, вследствие точности их показаний, а также узкой направленности в изучении объектов, что понижает шанс допущения ошибок в измерениях.

4) Опирающиеся на механические и пьезо-преобразования.

Такие устройства используют в качестве преобразователя вещества, способные менять свои физические свойства при механическом воздействии, такие как пьезо-кристаллы. Один из распространенных видов биосенсора – пьезокварцевый биосенсор. В данном приборе чувствительным элементом является пьезокварцевый резонатор с электродами с нанесенным на них покрытием – лигандом. Сигналом, который мы анализируем, зачастую служит уменьшение частоты колебаний резонатора при приросте массы чувствительного покрытия вследствие его взаимодействия с молекулами исследуемого вещества.

5) Оптические биосенсоры.

Оптические биосенсоры являются одними из самых широко применяемых среди остальных. Эти приборы чаще всего измеряют интенсивность света, которая меняется по тем или иным причинам после взаимодействия света с образцом. Имеется больше возможностей использования оптических датчиков чем у перечисленных выше, так как на величину интенсивности детектируемого света может повлиять множество факторов: изменение диэлектрических свойств вещества, показателя преломления, состава вещества, его концентрации, от протекания или прекращения химических и биохимических реакций.

При создании приборов данного типа опираются на выбранный оптический метод исследования. Классификацию таких методов можно подвести к разделению на три основные группы: рефрактометрия, поляриметрия и абсорбционные оптические методы.

Рефракционные методы основываются на изменении/измерении показателя преломления изучаемой среды или вещества, благодаря чему можно судить о природе вещества, его чистоте и концентрации. Основным законом, применяемым в данном методе, является закон Снеллиуса (1.1), связывающий углы падающего и преломленного света, прошедшего через границу раздела фаз.

Отношение синуса угла преломления к синусу угла падения света есть величина постоянная, которую называют относительным показателем преломления. При прекращении наблюдения преломляемого луча наступает полное внутреннее отражение, свет не выходит за границу раздела. Такой угол падения называется критическим. А синус угла преломленного луча становится равным единице. Зная показатель преломления одной из сред, возможно вычислить второй.

Поляриметрические методы в свою очередь опираются на изменении направления световых колебаний при взаимодействии с аналитом. Вещества, при прохождении через которые поляризованный свет меняет направленность своих колебаний, называются оптически активными. Оптическая активность среды определяется удельным вращением – углом, на который повернется плоскость поляризации после взаимодействия луча с 1 г вещества, содержащегося в 1мл раствора, при толщине слоя раствора 1 дм.

Зная угол вращения α легко вычислить концентрацию С.

Оптические абсорбционные методы основываются на поглощении электромагнитного излучения веществом. Различают несколько оптических методов, опирающиеся на разные свойства веществ, а также их способа трансформации полученной энергии света. Атомно- и молекулярно-абсорбционные методы основываются на поглощении света атомами, молекулами и ионами соответственно. Фотоколометрия и спектрофотометрия основаны на взаимодействии излучения с однородными системами. Нефелометрия исследует поглощение и рассеяние света частицами вещества. К абсорбционным методам также относят люминесцентный анализ, изучение флуоресценции и фосфоресценции.

Также существуют и методы исследования объединяющее в себе несколько групп. Яркими примерами таких методов являются эллипсометрия и метод поверхностного плазмонного резонанса.

Оптические биосенсоры также имеют преимущество перед другими типами в простоте исполнения и дешевизне расходных материалов.

ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ БИОСЕНСОРОВ 

В настоящее время биосенсоры широко применяются в сферах безопасности жизнедеятельности, в военной промышленности, в производственных цехах или на заводских объектах, в строительстве, медицине и научных исследованиях. Данные приборы привлекательны, так как просты в исполнении, быстродейственны, обладают большой вариативностью исполнения и широтой исследуемых объектов. Для анализа пригодны различные частицы, вещества и структуры, такие как: ионы, газы и пары, токсины, бактерии, вирусы, белки, нуклеиновые кислоты, ферменты, биологические ткани, пленки и клетки.

В данной статье были рассмотрены различные типы биосенсоров, явления, на которые опираются данные приборы, вещества, пригодные для анализа, а также методы исследования, применяемые при создании датчиков и устройств распознавания и анализа. Оптические биосенсоры предоставляют широкий простор для научных исследований, а также создания датчиков. Данные устройства могут быть использованы для целей медицины, например, диагностики или в военной промышленности, например, в качестве детектора биологической или газовой  атаки.

 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

1. Баника Ф.Г. Химические и биологические сенсоры: основы и применения // Мир радиоэлектроники. — 2014.

2. Мамичев Д.А., Кузнецов И.А., Маслова Н.Е., Занавескин М.Л. Оптические сенсоры на основе поверхностного плазмонного резонанса для высокочувствительного биохимического анализа // Молекулярная медицина. — 2012. — № 6.

3. Спицын А.Н., Уткин Д.В., Германчук В.Г., Куклев В.Е. Оптические биосенсоры: современное состояние в индикации возбудителей инфекционных болезней // Вестник Саратовского государственного технического университета. — 2015.

4. Бондарь О.В., Никитина И.И., Хазиахметова Р.Р., Ризванов А.А., Абдулин Т.И. Оценка структурного состояния ДНК с помощью электрохимических биосенсоров//Естественные науки — 2007. — Т.149. — Кн. 4.

5. Степаненко Ольга В., Степаненко Олеся В., Фонин А.В., Щербакова Д.М., Верхуша В.В., Кузнецова И.М., Туроверов К.К. D-Галактоза/D-Глюкоза-связывающий белок как чувствительный элемент социально значимой биосенсорный системы. Взаимодействие белка с глюкозой // Вестник СПбГУ.

6. Егоров А.А., Егоров М.А., Царева Ю.И. Химические сенсоры: классификация, принципы работы, области применения // Физико-химическая кинетика в газовой динамике — 2008. —Т. 6.

7. Преснова Г.В., Рубцова М.Ю., Егоров А.М. Электрохимические биосенсоры на основе пероксидазы хрена // Рос.хим. ж. (Ж. Рос. хим. об-ва им. Д.И. Менделеева)— 2008. — Т. 52. — № 2

8. Петрова И.Ю., Зарипова В.М., Лежнина Ю.А., Сокольский В.М., Митченко И.А. Энергоинформационные модели биосенсоров // Вестник АГТУ. Сер.: Управление, вычислительная техника и информатика — 2015. — № 3.

9. Егоров А.А. Систематика, принципы работы и области применения датчиков // Журнал радиоэлектроники — 2009. — № 3.

10. Ермолаева Т.Н., Калмыкова Е.Н., Шашканова О.Ю. Пьезокварцевые биосенсоры для анализа объектов окружающей среды, пищевых продуктов и для клинической диагностики // Рос.хим. ж. (Ж. Рос. хим. об-ва им. Д.И. Менделеева) — 2008. — Т. 52. — № 2.