Что такое биосенсор?

Что такое биосенсор?

Биосенсор — это датчик, способный специфически обнаруживать целевое вещество с помощью биологической реакции.

Материалы, используемые в биосенсорах, подразделяются на три группы: биокаталитическая группа, состоящая из ферментов, биосовместимая группа, включающая антитела и нуклеиновые кислоты, и микробная группа, включающая микроорганизмы. Используя молекулярную дискриминационную способность этих биоматериалов, можно специально обнаружить целевое вещество.

Разработка биосенсоров требует междисциплинарных исследований в области химии, биологии и инженерии. Ожидается, что он найдет применение в широком спектре областей, включая медицинскую и фармацевтическую науку, анализ пищевых продуктов и экологические исследования.

Принцип действия биосенсоров

Рисунок 1. Структура биосенсоров

Биосенсоры в основном состоят из рецепторов, иммобилизационных слоев и преобразователей.

1. Биорецептор

Биорецептор — это биологическое вещество, используемое для обнаружения целевого вещества. Используя биорецептор, который избирательно распознает целевую молекулу, можно обнаружить только целевое вещество. Биомолекулы, такие как ферменты, антитела, клетки, аптамеры и нуклеиновые кислоты, используются в качестве биорецепторов.

2. Иммобилизационный слой

Иммобилизационный слой – это слой, который иммобилизует биологическое вещество, используемое в качестве биорецептора на преобразователе, не нарушая его функции.

В целом, если биологическое вещество иммобилизовано сильным методом, его функция и активность часто теряются. Однако, если иммобилизация ослаблена для поддержания функции и активности, биологическое вещество отсоединяется, и способность обнаружения снижается. Для преодоления этой проблемы проводятся различные исследования и разработки, и используются методы с использованием матриц на основе пористых мембран и полимеров, а также методы иммобилизации, такие как методы физической адсорбции и сшивания.

3. Преобразователи

Преобразователь — это часть, которая преобразует ответ биорецептора в измеряемый сигнал. Два основных типа используемых измеряемых сигналов — оптические и электрохимические сигналы. Обрабатывая полученные сигналы, можно рассчитать количество и концентрацию целевого вещества.

Применение биосенсоров

Рисунок 2. Характеристики биосенсоров

Биосенсоры производятся с использованием биологических веществ и, следовательно, являются относительно чувствительными. Помимо медицинской сферы, биосенсоры также используются в различных других областях, таких как пищевая и экологическая промышленность, поскольку они, как правило, недороги, компактны и просты в эксплуатации.

Традиционные методы химических экспериментов и спектроскопии точны, но требуют сложной подготовки образцов и имеют недостаток, заключающийся в обнаружении сигналов, отличных от сигналов целевого вещества.

Другим недостатком является то, что измерения должны проводиться в стабильном помещении, поэтому образцы, собранные во время полевых исследований, необходимо привозить домой после сбора, а для получения результатов требуется время.

Биосенсоры, как ожидается, будут использоваться в широком спектре областей, поскольку они являются недорогими измерительными устройствами, простыми в эксплуатации и предоставляющими результаты в короткие сроки.

В частности, в области медицины применение биосенсоров быстро развивается. Например, биосенсоры глюкозы клинически применяются для диагностики диабета, что требует точного контроля уровня глюкозы в крови.

Другая информация о биосенсорах

Потенциальные медицинские применения биосенсоров

Рисунок 3. Применение биосенсоров

Наиболее перспективным применением биосенсоров является медицинская сфера. Биосенсоры могут использоваться для мониторинга состояния здоровья человека с целью лечения и управления здоровьем.

1. Измерение уровня глюкозы в крови

   Пациенты с диабетом измеряют уровень глюкозы в крови с помощью простого глюкометра, но носимые устройства могут измерять уровень глюкозы в крови без забора крови. Различные модели, включая контактные линзы и устройства типа часов, исследуются, и ожидания от их практического применения высоки.

2. Диагностика заболеваний

   Было разработано множество датчиков для диагностики заболеваний, которые ранее требовали различных тестов, используя только простые тесты, такие как анализ мочи. Например, существуют тесты антиген-антитело, которые используют иммунные реакции для измерения белков и вирусов, связанных с заболеванием. Ведутся исследования по разработке более чувствительных биосенсоров, а также изучаются количественные методы измерения для диагностики нескольких заболеваний с использованием одного и того же биосенсора.

3. Фармакология

   Применение биосенсоров также изучается в области фармакологии. Ожидается, что системы доставки лекарств (СДЛ), которые высвобождают необходимое количество лекарства в нужном месте в организме человека, станут следующим поколением введения лекарств. Строго говоря, они не являются частью биосенсоров, поскольку не используют преобразователи, а вместо генерации сигнала высвобождают содержащийся внутри препарат.

   Рецепторы, использующие DDS, могут высвобождать препараты только в целевом месте, используя иммунный ответ человека и т. д. Это позволяет лечить заболевания, требующие хирургического вмешательства, или такие заболевания, как рак, которые трудно вылечить пероральным приемом или инъекциями лекарств.

Ожидается, что получение и использование биохимической информации таким образом в будущем будет полезно для полномасштабной медицины и здравоохранения.