Біосенсори та принципи їх роботи

Висока ефективність біологічних каталізаторів і специфічність їхньої дії дає змогу розглядати ферменти, як ідеальні реагенти аналітичної хімії. Нині створено штучні аналітичні системи різних конструкцій, що містять іммобілізовані ферменти й клітини і призначені для автоматичного детектування продуктів ензиматичних реакцій. Наприклад, використання іммобілізованої глюкозооксидази дає змогу визначати концентрацію глюкози за кількістю іонів водню, виділеного під час окиснення глюкози.

Залежно від концентрації аналізованих речовин вибирають той чи інший спосіб їх детекції. Так, кількісний вміст пероксиду водню ммоль/л, можна визначити одним із таких методів:

Полярографічний 0,1

Колориметричний 0,1·

Люмінесцентний 0,1·

Нині розробляються біодатчики нового покоління, принцип дії яких базується на афінних взаємодіях за типом фермент-інгібітор, антитіло-антиген, агоніст (антагоніст)- клітинний рецептор, а також на типи біодатчиків дають можливість створити сенсори, чутливі до газів, що має істотне значення для створення роботів, які реагують на зміни зовнішніх факторів.

Технологічні варіанти реакторів з іммобілізованими ферментами досить різноманітні - колони, трубки, порожнисті волокна тощо. З їхньою допомогою на практиці визначають концентрацію широкого спектра сполук - глюкози, амінокислот, сечовини, пеніциліну, АТФ, НАДН, ФМН, стероїдів, тригліцеридів, жовчних кислот багатьох інших (J.Aylott, R.Kopelman 2000). Так, американськими дослідниками сконструйовано мікродатчик на основі глюкозооксидази і рутенієвого барвника, іммобілізованих у поліакриламідній матриці з використанням субмікронних оптичних волокон. Мікробіосенсор може бути введений в клітину і навіть в її органели для вимірювання вмісту в них глюкози й кисню. Запропоновано датчики для проведення експрес-аналізу похідних діоксину (Nomura et al., 2000) а також оцінювання вмісту біогенних амінів (з допомогою моноамінооксидази) у харчових продуктах методом імунодетекції. Для визначення сечовини ферментним електродом потрібно лише 30 с.

Біосенсори використовують у медичній діагностиці (80% усіх відомих біоприладів, які поділяються на автоаналізатори для клінік і лабораторій, прилади для домашнього використання і системи для вимірювання показників у клінічних умовах). До домашніх приладів, які успішно використовуються у США, належать біосенсори для визначення глюкози із крапельки крові, сечовини і різних іонів у біорідинах.[2]

Використання біосенсорів у харчовій промисловості базується на двох варіантах: безпосереднє використання біосенсорів усередині біореакторів для аналізу глюкози під час ферментації і періодичний контроль концентрації глюкози. Для цього проби періодично відбирають із біореактора й аналізують.

У біотехнологічних виробництвах використовують біосенсори для аналізу глюкози, лактату, етанолу, гліцерину, фосфоліпідів, холестеролу та ін. Контроль і оптимізація біотехнологічних процесів, зокрема у харчовій промисловості, потребує швидкої та достовірної інформації про концентрацію субстратів і продуктів ферментної реакції. Найчастіше різні суміші компонентів, отримані у результаті ферментації, повинні аналізуватися одночасно, постійно і бажано в реальному часі. Для цього тривалий час використовували (на окремих підприємствах використовують і нині) методи газової та рідинної хроматографії, спектрометрії, мас- і ядерну спектроскопію, що вимагають дорогої апаратури, яку важко вводити у технологічний процес, і дають змогу контролювати лише кілька параметрів без будь-яких модифікацій. Використання біосенсорів значно спрощує такий аналіз.

Для екологічного моніторингу використовують мікробні амперметричні сенсори. При аналізі стічних вод визначають біохімічно окиснювані компоненти. Раніше для такого аналізу необхідно було не менше п'яти днів. Сенсори для експрес-визначення, розроблені на основі іммобілізованих клітин B.subtilis і Trichosporon cutaneum визначають такі показники за кілька хвилин.

При синтезі пептидів, стереоізомерів ацильованих амінокислот, лактамних антибіотиків, природних ізомерів амінокислот, органічних кислот використовують в основному ферментні біосенсори.

Висновок

Іммобілізація - поняття досить широке. Воно означає просте зв’язування ферментів з нерозчинними в воді носіями, а також будь-яке обмеження ступенів свободи ферментних молекул і їх фрагментів. Наприклад, лактазу іммобілізують на частках кремнезему, застосовують для конверсії лактози сироватки в глюкозу і галактозу.

Подібні статті

Дводишні риби
Рогозубоподібні - єдина гілка, що дожила до нашого часу, колись численних дводишних риб. З’явившись в девонському періоді, дводишні риби процвітали до тріасу, після чого розквіт почав угасати. До нашого часу з двох класів дводишних, налічу ...

Біологія Х-вірусу картоплі
Віруси не можуть самостійно поширюватись у природі. Допомагають їм у цьому насамперед комахи-переносники (віроформні комахи). Фітопатогенні віруси найчастіше переносять попелиці, трипси, цикади, кліщі й деякі листогризучі комахи. Наприклад ...