Поиск тегов

Найдено на страницах

1. Биосенсорные технологии
   Разделы: Young Eurasian Scientist Forum / Науки о жизни - Life Science / Медицина будущего
   Теги: Биосенсор, Биосенсорная Технология, Датчик, Сенсор

   Биосенсорная технология сочетает в себе достижения биологии и современной микроэлектроники.

   Идея создания подобного рода устройств существует уже достаточно давно. Так, в 1922 году был создан первый стеклянный рН-метрический электрод, в 1956 году – выпущен первый промышленный образец кислородного электрода Кларка, а в 1962 появилось первое описание биосенсора. Идея Кларка состояла в использовании ферментного электрода - электрохимического датчика с иммобилизованным на его поверхности ферментом. За прошедшие десятилетия эта идея получила достаточное развитие. Создано и исследовано много систем, некоторые из которых получили апробирование и промышленную реализацию.

   Сегодня биосенсор - это устройство, в котором чувствительный слой, содержащий биологический материал: ферменты, ткани, бактерии, дрожжи, антигены/антитела, липосомы, органеллы, рецепторы, ДНК, непосредственно реагирующий на присутствие определяемого компонента, генерирует сигнал, функционально связанный с концентрацией этого компонента.

   Большинство биосенсоров ориентированы на анализ биологических жидкостей. Задача заключается в том, чтобы быстро и эффективно производить высокоточный качественный и количественный биохимический анализ любых жидких сред в режиме реального времени.

   Конструктивно биосенсор представляет собой комбинированное устройство, состоящее из двух преобразователей, или трансдьюсеров, - биохимического и физического, находящихся в тесном контакте друг с другом.

   

   Рисунок - Общая схема устройства биосенсоров

   Биохимический преобразователь, или биотрансдьюсер, выполняет функцию биологического элемента распознавания, преобразуя определяемый компонент, а точнее, информацию о химических связях в физическое или химическое свойство или сигнал, а физический преобразователь это свойство фиксирует с помощью специальной аппаратуры. В данном случае реализуется принципиально новый способ получения информации о химическом составе раствора. Наличие в устройстве биоматериала с уникальными свойствами позволяет с высокой селективностью определять нужные соединения в сложной по составу смеси, не прибегая ни к каким дополнительным операциям, связанным с использованием других реагентов, концентрированием и т. д. (отсюда и название - безреагентные методы анализа).

   Существует большое разнообразие физических трансдьюсеров: электрохимические, спектроскопические, термические, пьезоэлектрические, трансдьюсеры на поверхностных акустических волнах и т.п. В настоящее время наибольшее распространение получили электрохимические преобразователи. Одни из них генерируют потенциал на специальном электроде, на поверхность которого нанесен слой биоматериала, другие генерируют электрический ток реакции продукта превращения определяемого вещества на поверхности электрода, вызванного биоматериалом. Другими словами, существуют потенцио- и амперометрические биосенсоры. Если физический преобразователь использует изменение светопоглощения в области биослоя, то такой биосенсор называется, например, оптоволоконным, поскольку измеряемый сигнал будет передаваться измерительному прибору по оптическому волокну. Соответствующий физический преобразователь по аналогии с электродом называют оптродом. По названию преобразователя можно сделать вывод о характере физического свойства, которое измеряется аппаратно, причем, как правило, при таком измерении используется микропроцессорная техника, позволяющая сделать устройство достаточно компактным.

   Особенную важность в настоящее время это направление приобретает применительно к практической медицине. Существует большая объективная потребность проводить экспресс-анализы как в клинических, так и в бытовых, а может даже и полевых условиях с целью ранней диагностики таких быстро развивающихся патологий, как инсульт, инфаркт, сердечная недостаточность и многих других. 

2. История развития биосенсорики
   Разделы: Школа молодого ученого
   Теги: Биосенсор, Биосенсорная Технология, Датчик, Кларк, Сенсор, Ферментный Электрод

   Автором не только биосенсорной концепции, но и первого биосенсора по праву является американский профессор биохимик Лейланд Кларк.

   В 1956 году Л. Кларк опубликовал свою основополагающую работу, посвященную аналитическому применению изобретенного им кислородного электрода, который в дальнейшем стали называть электродом Кларка. Электрод Кларка предназначался для измерения концентрации (содержания) кислорода в жидких и газовых средах, в частности в крови и тканях организма.В 1962 году Л. Кларк выступил в Нью-йоркской Академии наук, где сообщил результаты собственных экспериментов, а также планы на будущее, связанные с возможностью анализа состава биологических жидкостей. Он рассказал как можно сделать существовавшие в то время электрохимические сенсоры (рН, полярографические, потенциометрические или кондуктометрические электроды) более "умными", сопрягая их с ферментами. В первую очередь его выступление относилось к применению для этой цели кислородного электрода. Эту концепцию он проиллюстрировал экспериментом, в котором на электроде была иммобилизована глюкозооксидаза. Присутствующая в среде глюкоза окислялась ферментом, процесс сопровождался потреблением кислорода. Снижение концентрации кислорода было пропорционально концентрации глюкозы. В статье, опубликованной в 1962 г., Кларк и Лионс ввели в употребление термин "ферментный электрод".

   В 8-м томе журнала "Биосенсоры и биоэлектроника" (1993 г.) была опубликована передовая статья, в которой профессор Л. Кларк делился впечатлениями о первых шагах в истории развития биосенсоров и своем изобретении.

   "Я часто думал - писал Кларк - насколько невероятно медленными являются классические методы измерения таких жизненно важных веществ в крови как кислород, глюкоза и лактат (молочная кислота). Много времени уходит на приготовление образца крови для анализа, образец затем реагирует с набором реактивов, в результате чего появляется окрашенный продукт. Привлекательность ферментного электрода заключается в его простоте. Электрохимические методы содержат внутреннюю элегантность и, кроме того, с их помощью можно производить измерения в различных средах, таких, например, как кровь или тканевый гомогенат, не прибегая к каким-либо химическим манипуляциям".

   Подчеркивая простоту не только самой идеи, но также и процесса конструирования биосенсора, Л. Кларк отмечал, что первый электрод был сделан им у себя дома, в чулане. Эксперименты были очень простыми – для них требовался только солевой раствор, серебряная проволока, платина, впаянная в стеклянную трубку, батарейка для карманного фонарика, два резистора, целлофановая пленка, фермент глюкозооксидаза и гальванометр. Л. Кларк нанес небольшое количество глюкозооксидазы на поверхность платины и закрыл ее целлофаном. Целлофан он применил для того, чтобы отделить каталазу – фермент, присутствующий в крови и разрушающий перекись, от глюкозооксидазы, не препятствуя глюкозе проникать к электроду. На платину был подан положительный потенциал относительно серебряного электрода; такая система не реагировала на растворенный кислород, но давала ток в присутствии перекиси водорода (Рис. 2.2). Л. Кларк показал, что ток электрода, погруженного в солевой раствор, был нулевым, однако быстро возрастал при добавлении глюкозы в раствор и был пропорционален ее концентрации. После этого исследователь проколол палец и внес кровь в раствор. Это привело к тому, датчик мгновенно сработал - ток увеличился, что означало, что система функционировала. Биосенсор для детекции глюкозы был создан таким простым способом.

   

   Измерение глюкозы с помощью ферментного электрода

   (схематическое представление опыта Л. Кларка). 

    

3. Универсальные эпитаксиальные графеновые биодатчики для ультрачувствительной диагностики рака
   Разделы: Young Eurasian Scientist Forum / Науки о жизни - Life Science / Медицина будущего
   Теги: Биомаркеры, Биосенсор, Биосенсорная Технология, Графен, Датчик, Онкомаркеры, Сенсор

   Биодатчик более чем в пять раз более чувствительный, чем нынешние тестовые биопробы, и результаты исследования можно получить в считанные минуты. Этот инструмент может стать незаменимым предметом для предотвращения развития раковых болезней в амбулаторных условиях.

   Биоинженеры университета Суонси (Великобритания) разработали ультрачувствительный биосенсор. Основу биосенсора составил графен на основе карбида кремния, который устойчив к чрезвычайно высоким температурам и давлению. Данный биосенсор обнаруживает биомаркеры рака в крови, слюне и моче.

    Молекула 8-дегидродеоксигуанозина (8-hydroxydeoxyguanosine, 8-OHdG) появляется в повышенном количестве при повреждении ДНК и связана с повышенным риском развития некоторых форм рака.

   Команда исследователей использовала рентгено-фотоэлектронную спектроскопию (В.G.Scienta; Pleasanton, Калифорния, США) и спектроскопию комбинационного рассеяния (Renishaw, Иллинойс, Иллинойс, США), для подтверждения, что молекулы биорецептора прикрепили к графеновому биосенсору. Когда 8-OHdG связывается с молекулами биорецептора, датчик регистрирует заметное различие в сопротивлении графен-канала. Графеновый биодатчик способен обнаруживать 8-OHdG в низкой концентрации – менее 0,1 нг/мл, что почти в пять раз чувствительнее, чем с помощью иммуноферментного анализа (ИФА). Графеновый биосенсор может также значительно быстрее обнаруживать молекулы-мишени. Ответ готов в течение считанных минут.

   Универсальные эпитаксиальные графеновые биодатчики могут быть пригодны для диагностики и мониторинга целого ряда заболеваний, поскольку довольно просто установить конкретные рецепторные молекулы на поверхности графена.

   Owen Guy, доктор философии, адъюнкт-профессор инженерии и соавтор исследования, утверждает: «Графен имеет превосходные электронные транспортные свойства и высокое соотношение внутренней поверхности к объему, что делает её идеальным материалом для изготовления биосенсоров. Мы первые доказали правильность концепции создания биосенсора на основе эпитаксиального графена, и в дальнейшем хотим исследовать диапазон концентраций ряда биомаркеров при различных заболеваниях и состояниях».

   Исследование было опубликовано в журнале 2D Materials:

   Z Tehrani, G Burwell, M A Mohd Azmi, A Castaing, R Rickman, J Almarashi, P Dunstan, A Miran Beigi, S H Doak, O J Guy. Generic epitaxial graphene biosensors for ultrasensitive detection of cancer risk biomarker. 2D Materials, 2014; 1 (2): 025004 DOI: 10.1088/2053-1583/1/2/025004