Биосенсор устройство электронное основная функция которого регистрация, принцип работы заключается в использовании биологического материала для регистрации концентрации химических веществ. Примерами могут являться антитело, клетка или фермент. С помощью биосенсора удобно выполнять замеры в случае ферментов или антител, так как последние специфичны и имеют возможность различать в смеси сложного состава отдельные молекулы.

В результате реакции между биологическим материалом и субстратом происходят изменения, которые с помощью подходящего преобразователя превращаются в электрический сигнал. Это делается для того, чтобы улавливать изменение и отвечать на него, как это делают органы чувств животных. (Например, палочки и колбочки в сетчатке глаза являются преобразователями. В ответ на действие света они образуют нервный импульс, который имеет электрическую природу.) Для того чтобы электрический сигнал биосенсора можно было считать в той или иной форме, например на цифровом табло, применяется усилитель сигнала. Биосенсор дает возможность улавливать различные типы изменений, такие как высвобождение тепла, свет, изменения рН или массы, поток электронов или образование новых химических веществ.

Преимущества и проблемы использования биосенсоров

Основные преимущества биосенсоров:
1) биосенсоры специфичны — можно анализировать сложные смеси на присутствие определенного химического вещества без предварительной очистки;
2) они очень чувствительны, поэтому можно обнаружить очень низкие концентрации вещества в очень малых образцах;
3) они дают быстрый ответ;
4) они безопасны для использования;
5) они точны;
6) они могут быть очень маленькими;
7) они доступны для массового производства.

Основные недостатки биосенсоров:
1) они не очень прочны, поэтому нуждаются в тщательном уходе;
2) они не очень стабильны;
3) их нельзя стерилизовать.

Контроль уровня глюкозы в крови с помощью биосенсоров

Примером биосенсора, который широко используется, является прибор для определения содержания глюкозы в крови больных диабетом. Биосенсор содержит фермент глю-козооксидазу в иммобилизованной форме. Фермент окисляет глюкозу в крови; при этом высвобождаются электроны, образующие электрический ток, который пропорционален количеству глюкозы, присутствующей в крови. Биосенсор очень чувствителен; он позволяет измерять концентрацию глюкозы в одной капле крови и выдает результат через 20 с.

Есть надежда, что со временем можно будет имплантировать такие датчики в кровеносные сосуды, находящиеся в коже больных диабетом, что позволит им более точно контролировать потребность в инсулине. Если биосенсор соединить с мининасосом так, чтобы он при необходимости автоматически вводил инсулин, то больной получит фактически автоматическую поджелудочную железу. Такой тонкий контроль позволит снизить вторичные эффекты диабета, например повреждения глаз и почек, которые возникают у некоторых больных в результате резких увеличений концентрации инсулина при инъекциях.

Использование биосенсоров в медицине

В настоящее время биосенсоры находят самое широкое применение в медицине. Ферменты все больше используются для рутинного автоматизированного анализа содержания метаболитов, лекарств и гормонов в биологических жидкостях человека. Это особенно необходимо для клинической диагностики. Благодаря использованию биосенсоров снижается риск ошибок при постановке диагноза, а также уменьшаются затраты, поскольку биосенсоры широко распространены и доступны. Диагностика с помощью биосенсоров позволяет врачам-терапевтам проводить анализы непосредственно в их кабинетах, не прибегая к услугам лабораторий. При этом экономятся деньги, и пациентам не нужно повторно приходить к врачу за диагнозом. Кроме того, можно быстрее начать лечение. Еще одно преимущество состоит в том, что труднее перепутать, потерять или загрязнить пробу. Это особенно важно при анализах на содержание допинга у спортсменов. Полицейские и врачи уже используют специальные наборы для выявления небольших количеств наркотиков в крови людей.

По-видимому, скоро станут доступными наборы для диагностики в домашних условиях, так как многие хотели бы иметь такие приспособления. Однако нужно отнестись к этим намерениям с большой осторожностью, особенно в случае серьезных заболеваний.

Уже используются биосенсоры, позволяющие контролировать появление опасных метаболитов в ходе хирургической операции. Подобный контроль уровня метаболитов может стать обычным при использовании миниатюрных имплан-татов, которые могли бы немедленно исправлять ситуацию, если появляются какие-либо изменения. На основе «биочииов» можно создать более чувствительные биосенсоры меньшего размера. Точно так же, как использование силиконовых микрочипов привело к уменьшению размеров компьютеров, использование полупроводниковых органических молекул вместо силикона приведет к дальнейшему уменьшению размеров биосенсоров. Электрический сигнат сможет проходить по этим молекулам, и электрическая цепь будет шириной в одну молекулу. Биочипы должны быть достаточно малы, чтобы их можно было имплантировать в тело человека. Тогда станут возможны такие устройства, как искусственные органы чувств и стимуляторы ритма сердца.

Применение биосенсоров в других областях

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

Разработана очень чувствительная система, позволяющая улавливать следовые количества кислорода. В этой системе использованы бактерии, которые начинают светиться в присутствии кислорода. Излучаемый свет регистрируется фотоэлементом. Огромный интерес вызывают оптические биосенсоры. Одна из причин такого интереса связана с возможностью использования волокнистой оптики для дистанционного зондирования в опасных условиях среды.

Многие ферментативные реакции сопровождаются выделением тепла. Термобиосенсоры регистрируют изменения температуры в 0,0001 °С. Их можно использовать для обнаружения молочной кислоты.

Предполагается, что в будущем биосенсоры будут применяться в сельском хозяйстве, ветеринарии, в качестве средств защиты человека (для обнаружения нервно-паралитических газов, токсинов и взрывчатых веществ) и окружающей среды (главным образом, для выявления загрязнений). Во всех этих сферах использования биосенсоров увеличивается ежегодно примерно на 30%. Однако рынок все еще мал; в 1992 г. он составлял менее 50 млн. фунтов стерлингов. Отчасти это связано с перечисленными выше недостатками биосенсоров.

- Также рекомендуем "Транспортная система растений."