Биосенсорлар: Биологиялық молекулаларды анықтау құрылғылары

Биосенсорлар – химиялық заттарды анықтауға арналған құрал. Биологиялық компоненттер мен физико-химиялық детектордан тұрады. Зертханалық талдаулар үшін өте тиімді!

24 мин оқу

100%

Дереккөз: Biosensor — Wikipedia

Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.

Мазмұны

Кіріспе

Биосенсор – химиялық затты анықтау үшін қолданылатын талдау құрылғысы, ол биологиялық компонентті физикалық-химиялық детектормен біріктіреді. Сезімтал биологиялық элемент, мысалы, тіндер, микроорганизмдер, органеллалар, жасуша рецепторлары, ферменттер, антиденелер, нуклеин қышқылы және т.б. – зерттеліп отырған аналитпен өзара әрекеттесетін, байланысатын немесе танитын биологиялық материал немесе биомиметикалық компонент болып табылады. Биологиялық сезімтал элементтерді биологиялық инженерия арқылы да жасауға болады. Трансдюсер немесе детектор элементі, бір сигналды екіншісіне түрлендіретін құрылғы, физикалық-химиялық принциптер бойынша жұмыс істейді: оптикалық, пьезоэлектрлік, электрохимиялық, электрохимиялық люминесценция және т.б., бұл аналиттің биологиялық элементпен өзара әрекеттесуінен туындайды, нәтижесінде оңай өлшеуге және сандық бағалауға мүмкіндік береді. Биосенсор оқырман құрылғысы, негізінен, нәтижелерді қолданушыға қолайлы форматта көрсетуге жауапты тиісті электроникамен немесе сигналды өңдеушілермен байланысады. Бұл кейде сенсор құрылғысының ең қымбат бөлігі болуы мүмкін, алайда трансдюсер мен сезімтал элементті (голографиялық сенсор) қамтитын қолданушыға қолайлы дисплей жасауға болады. Оқығыштар әдетте биосенсорлардың әртүрлі жұмыс принциптеріне сәйкес арнайы жобаланып және өндіріледі.

Биосенсорлық жүйе

Биосенсор әдетте биорецептордан (фермент / антитело / жасуша / нуклеин қышқылы / аптамер), трансдуктор компонентінен (жартылай өткізгіш материал / наноматериал) және сигнал күшейткіш, процессор және дисплейді қамтитын электрондық жүйеден тұрады. Трансдукторлар мен электрониканы, мысалы, CMOS негізделген микросенсорлық жүйелерде біріктіруге болады. Таным компоненті, көбінесе биорецептор деп аталады, қызығушылық тудыратын аналитпен өзара әрекеттесу үшін организмдерден алынған биомолекулаларды немесе биологиялық жүйелерге ұқсас рецепторларды пайдаланады. Бұл өзара әрекеттесуді биотрансдуктор өлшейді және ол үлгідегі мақсатты аналит мөлшеріне пропорционалды өлшенетін сигналды шығарады. Биосенсорды жобалаудың жалпы мақсаты – үлгі алынған жерде, яғни қауіпті немесе күтім көрсету қажетті жерде жылдам және ыңғайлы тестілеуді мүмкін ету.

Биорецепторлар

Биосенсорда биорецептор белгілі бір аналитпен әрекеттесіп, трансдуктормен өлшенетін әсерді тудыру үшін жасалады. Биорецептордың негізгі қағидасы – басқа химиялық немесе биологиялық компоненттердің арасында анализге жоғары селективтілік танытуы. Қолданылатын биомолекуланың түрі алуан түрлі болуы мүмкін, биосенсорлар келесідей жалпы биорецепторлық өзара әрекеттесу түрлеріне сәйкес жіктеледі: антитело/антиген, ферменттер/лигандтар, нуклеин қышқылы/ДНК, жасушалық құрылымдар/жасушалар немесе биомиметикалық материалдар.

Антиденелер мен антигендердің өзара әрекеттесуі

Иммуносенсор антиденелердің белгілі бір қосылысқа немесе антигенге қатысты өте ерекше байланысу қабілетін пайдаланады. Антидене-антигеннің өзара әрекеттесуінің ерекшелігі кілт пен құлыптың сәйкестігіне ұқсас, яғни антиген дұрыс конформацияда болған жағдайда ғана антиденеге байланысады. Байланыс процесі физикалық-химиялық өзгеріске алып келеді, ол флуоресцентті молекулалар, ферменттер немесе радиоизотоптар сияқты индикаторлармен бірігіп, сигнал тудырады. Сенсорларда антиденелерді қолданудың шектеулері бар: 1. Антидененің байланысу қабілеті сынақ жағдайларына (мысалы, pH және температура) күшті түрде тәуелді, және 2. антидене-антиген өзара әрекеттесуі көбінесе тұрақты болады, бірақ байланыс хаостроптық реагенттермен, органикалық еріткіштермен немесе тіпті ультрадыбыстық сәулеленумен бұзылуы мүмкін. Антидене-антиген өзара әрекеттесуін серологиялық тестілеулерде немесе белгілі бір ауруға жауап ретінде қан айналымындағы антиденелерді анықтау үшін де қолдануға болады. Маңыздысы, серологиялық тестілеулер COVID-19 пандемиясына қарсы күресте маңызды рөл атқаратын жаһандық шараның бір бөлігіне айналды.

Жасанды белдіктер

Антиденелерді биосенсорлардың биотанымалық компоненті ретінде қолданудың бірнеше кемшіліктері бар. Олардың молекулалық салмағы жоғары, тұрақтылығы шектеулі, құрамында маңызды дисульфидтік байланыстар бар және оларды өндіру қымбатқа түседі. Бұл шектеулерді еңсеру үшін рекомбинантты байланыс фрагменттері (Fab, Fv немесе scFv) немесе антиденелердің домендері (VH, VHH) гендік инженерия арқылы жасалған. Тағы бір тәсіл бойынша, жақсы биофизикалық қасиеттері бар кішкентай белок қаңқалары антиген байланыстыратын белоктардың (АББ) жасанды отбасыларын жасау үшін қолданылады. Бұл белоктар ата-ана молекуласының жақсы қасиеттерін сақтай отырып, әртүрлі нысаналы белоктарға арнайы байланыса алады. Отбасының белгілі бір нысаналы антигенмен арнайы байланысатын элементтері көбінесе дисплей техникалары арқылы in vitro жағдайында іріктеледі: фаг дисплейі, рибосома дисплейі, ашытқы дисплейі немесе мРН дисплейі. Жасанды байланыс белоктары антиденелерге қарағанда әлдеқайда кішкентай (әдетте 100 аминқышқылынан кем), жоғары тұрақтылыққа ие, дисульфидтік байланыстардан құрылмаған және антиденелер мен олардың туындыларынан айырмашылығы, бактериялық цитоплазма сияқты тотығуын азайтатын жасушалық ортада жоғары өніммен өрбуге қабілетті. Осылайша, олар биосенсорлар жасауға өте ыңғайлы.

Ферменттер арасындағы өзара әсерлесулер

Ферменттердің ерекше байланысу қабілеті мен каталитикалық белсенділігі оларды танымал биорецепторларға айналдырады. Анализді тану бірнеше мүмкін механизмдер арқылы жүзеге асырылады: 1) фермент анализді сенсормен анықтауға болатын өнімге түрлендіреді; 2) анализдің ферментті тежеуін немесе белсендіруін анықтау; 3) анализбен өзара әрекеттесу нәтижесінде фермент қасиеттерінің өзгеруін қадағалау. 1979 жылы Шульц және Симс биосенсорлау мақсатында аффиниттік байланысу рецепторларын қолдануды ұсынды, содан кейін ол 4,4-тен 6,1 ммоль/л аралығындағы тиісті физиологиялық диапазондағы глюкозаны өлшеу үшін флуоресценттік анализ ретінде құрастырылды. Сенсорлық принциптің артықшылығы – ферменттік анализдерде болатындай, химиялық реакцияда анализ тұтынылмайды.

Нуклеин қышқылының өзара әсерлері

Нуклеин қышқылы негізіндегі рецепторларды қолданатын биосенсорлар, қосымша базалық жұптасу арқылы тануға негіделген генсенсорлар немесе спецификалық нуклеин қышқылы негізіндегі антиденелік имитаторлар (аптамерлер) – аптасенсорлар болуы мүмкін. Бірінші жағдайда, тану процесі ДНК-дағы аденин:тимин және цитозин:гуанин принциптеріне негізделген. Егер мақсатты нуклеин қышқылының тізбегі белгілі болса, оған қосымша тізбек синтезделіп, белгіленеді, содан кейін сенсор бетіне бекітіледі. Гибридтеу оқиғасы оптикалық әдіспен анықталып, мақсатты ДНҚ/РНК-ның болуы расталады. Екінші жағдайда, нысанаға қарсы жасалған аптамерлер, оны спецификалық ковалентті емес өзара әрекеттесулер және индукцияланған сәйкестік арқылы таниды. Бұл аптамерлерді оптикалық анықтау үшін флюорофорлармен/металл нанобөлшектермен оңай белгілеуге болады, немесе кең ауқымды мақсатты молекулаларды, жасушаларды және вирустар сияқты күрделі нысаналарды анықтау үшін белгісіз электрохимиялық немесе консольдік платформаларда қолдануға болады. Аптамерлерді нуклеин қышқылы ферменттерімен, мысалы, РНК-ны кесетін ДНҚ ферменттерімен (ДНҚзимдермен) біріктіруге болады, бұл нысананы тану және сигналды бір молекулада жасауға мүмкіндік береді, соның нәтижесінде мультиплексті биосенсорларды жасауға жол ашады.

Эпигенетика

Қажетті түрде оңтайландырылған интегралды оптикалық резонаторларды емделушілердің дене сұйықтықтарындағы эпигенетикалық өзгерістерді (мысалы, ДНК метилирлеу, гистонның посттрансляциялық өзгерістері) анықтау үшін қолдану ұсынылған. Қазіргі уақытта зертхана деңгейінде науқастың зәрiнен қатерлi жасушаларды оңай анықтауға мүмкіндік беретін өте жоғары сезімтал фотоникалық биосенсорлар жасалып жатыр. Әр түрлі зерттеу жобаларының мақсаты – арзан, экологиялық таза, бір рет қолданылатын картридждерді пайдаланатын, мамандардың қосымша өңдеуі, жууы немесе манипуляциялауы қажет емес, қарапайым қолдануды қажет ететін жаңа портативті құрылғыларды әзірлеу болып табылады.

Органельдер

Органельдер жасушалардың ішінде жеке бөлімдерді құрайды және көбінесе өз функцияларын тәуелсіз түрде орындайды. Органельдердің әртүрлі түрлері әртүрлі метаболизм жолдарына ие және олардың функцияларын атқару үшін ферменттерді қамтиды. Көбінесе қолданылатын органельдерге лизосома, хлоропласт және митохондриялар жатады. Кальцийдің кеңістіктік-уақыттық таралу үлгісі, кең таралған сигналдық жолдармен тығыз байланысты. Митохондриялар кальций иондарының метаболизміне белсенді қатысып, олардың жұмысын бақылайды, сондай-ақ кальцийге байланысты сигналдық жолдарды реттейді. Тәжірибелер митохондрияның кальций арналарын ашу арқылы, олардың жанында пайда болатын кальцийдің жоғары концентрациясына жауап беруге қабілетті екенін көрсетті. Осылайша, митохондриялар ортадағы кальций концентрациясын анықтау үшін қолданылуы мүмкін, ал анықтаманың жоғары кеңістіктік ажыратымдылығының арқасында бұл өте сезімтал. Митохондриялардың тағы бір қолданылуы – судың ластануын анықтау. Жуғыш заттардың (детергенттердің) улы әсері жасушалық және жасуша ішіндегі құрылымдарға, соның ішінде митохондрияларға зиян келтіреді. Детергенттер ісіну әсерін тудырады, оны сіңірудің өзгеруі арқылы өлшеуге болады. Тәжірибелік деректер көрсеткендей, өзгеру жылдамдығы детергенттің концентрациясына пропорционалды, бұл анықтаудың жоғары дәлдігін қамтамасыз етеді.

Ұяшықтар

Жасушалар көбінесе биорецепторларда қолданылады, себебі олар қоршаған ортаға сезімтал және түрлі стимуляторларға жауап бере алады. Жасушалар бетке жабысып, оңай иммобилизацияланады. Органеллаларға қарағанда, олар ұзақ уақыт бойы белсенділігін сақтайды, ал қайта жаңартылу мүмкіндігі оларды қайта пайдалануға ыңғайлы етеді. Олар стресс жағдайы, уыттылық және органикалық туындылар сияқты жаһандық параметрлерді анықтау үшін жиі қолданылады. Сондай-ақ, оларды дәрілік препараттардың емдік әсерін бақылау үшін де пайдалануға болады. Бір қолданысы – судың негізгі ластағышы болып табылатын гербицидтерді анықтау үшін жасушаларды қолдану. Микроводоросли кварцты микроталшыққа қапталады, ал гербицидтердің әсерінен өзгерген хлорофиллдің флуоресценциясы оптикалық талшықтың ұшында жиналып, флуориметрге беріледі. Оптималды өлшеулер алу үшін балдырлар үнемі өсіріледі. Нәтижелер көрсеткендей, кейбір гербицидтерді анықтау шегі суб-ppb деңгейіне жете алады. Кейбір жасушаларды микробиологиялық коррозияны бақылау үшін де қолдануға болады. Pseudomonas sp. тот басталған материалдың бетінен бөлініп алынып, ацетилцеллюлоза мембранасына бекітіледі. Тыныс алу белсенділігі оттегінің жұтылуын өлшеу арқылы анықталады. Тудырылған ток пен күкірт қышқылының концентрациясы арасында сызықтық байланыс бар. Жауап беру уақыты жасушалардың жүктемесіне және қоршаған ортаға байланысты және 5 минуттан аспайтындай етіп бақылана алады.

Микробтық биосенсорлар

Микробиосенсорлар бактериялардың белгілі бір затқа жауабын пайдаланады. Мысалы, арсеникті бірнеше бактериялық таксондарда кездесетін ars опероны арқылы анықтауға болады.

Биологиялық элементтердің бетке жабысуы

Биосенсордың маңызды бөлігі – биологиялық элементтерді (кіші молекулалар/ақуыздар/жасушалар) сенсордың бетіне (металл, полимер немесе шыны болсын) бекіту болып табылады. Ең қарапайым жолы – биологиялық элементтермен қаптау үшін бетті функционалдау. Бұл кремнийлі чиптер/кремнийлі шынылар үшін полилизин, аминозилан, эпоксизилан немесе нитроцеллюлоза арқылы жасалуы мүмкін. Содан кейін байланысқан биологиялық агентті де бекітуге болады, мысалы, қабаттама қабаттама арқылы, кезекпен зарядталған полимерлік қаптамаларды қолдану арқылы. Сонымен қатар, үш өлшемді торларды (гидрогель/ксерогель) химиялық немесе физикалық тұтқындау үшін пайдалануға болады (химиялық тұтқындалған дегеніміз – биологиялық элемент күшті байланыс арқылы сақталады, ал физикалық тұтқындалғанда олар гель матрицасының тесіктерінен өте алмай сақталады). Гидрогельдің ең көп қолданылатын түрі – сол-гель, полимерлендіру арқылы шыны тәрізді кремний пайда болады (силикат мономерлері, ТМОС немесе ТЭОС сияқты тетраалкил ортосиликаттар түрінде қосылады), физикалық тұтқындау үшін биологиялық элементтердің қатысуымен (PEG сияқты басқа тұрақтандырушы полимерлермен бірге). Жасушаларға немесе ақуыздарға қолайлы жағдайларда қатаюға қабілетті гидрогельдердің тағы бір тобы – акрилат гидрогель, ол радикалдық бастау кезінде полимерленеді. Радикалдық инициатордың бір түрі – пероксид радикал, әдетте персульфат пен TEMED (полиакриламид гельдері де ақуыз электрофорезі үшін жиі қолданылады) қосылысы арқылы жасалады, сондай-ақ фотоинициатормен, мысалы, DMPA (2,2 диметокси 2 фенилацетофенон) бірге жарық қолданылуы мүмкін. Сенсордың биологиялық компоненттерін имитациялайтын «ақылды» материалдарды биомолекуланың белсенді немесе каталитикалық ортасының немесе оған ұқсас конфигурацияларын ғана пайдалану арқылы биосенсорлар ретінде жіктеуге болады.

Электрохимиялық

Электрохимиялық биосенсорлар әдетте электрондарды өндіретін немесе тұтынатын реакцияның ферментативтік катализіне негізделген (мұндай ферменттер дұрыс тотығу-тотықсыздану ферменттері деп аталады). Сенсор субстраты әдетте үш электродтан тұрады: эталондық электрод, жұмыс электрод және қарсы электрод. Күтілетін аналит белсенді электрод бетінде жүретін реакцияға қатысады, ал реакция екі қабат арқылы электрондық трансферге (ток тудыруға) немесе екі қабаттың потенциалына (кернеу тудыруға) әкелуі мүмкін. Біз белгілі бір потенциалда токты (электрон ағынының жылдамдығы енді аналит концентрациясына пропорционалды) өлшеуге болады немесе нөлдік ток кезінде потенциалды өлшеуге болады (бұл логарифмдік жауап береді). Жұмысшы немесе белсенді электродтың потенциалы кеңістіктегі зарядқа сезімтал екенін ескеріңіз, және бұл жиі пайдаланылады. Сонымен қатар, биофункционалды ионға сезімтал өріс эффекті транзисторларын қолдану арқылы кіші пептидтер мен белоктарды олардың ішкі зарядтары арқылы маркерсіз және тікелей электрлік анықтау мүмкін. Тағы бір мысал, потенциометриялық биосенсор (нөлдік ток кезінде туындайтын потенциал) жоғары динамикалық диапазонмен логарифмдік жауап береді. Мұндай биосенсорлар көбінесе электрод үлгілерін пластик субстратқа экрандық басып шығару арқылы жасалады, ол өткізгіш полимермен қапталады, содан кейін белок (фермент немесе антитело) бекітіледі. Оларда тек екі электрод бар, және олар өте сезімтал және берік. Олар аналиттерді бұрын тек ЖЖХ (HPLC) және ЖЖМС (LC/MS) әдістерімен және қатаң үлгі дайындаусыз анықтауға мүмкіндік береді. Барлық биосенсорлар әдетте минималды үлгі дайындауды қажет етеді, өйткені биологиялық сезіктелгіш компоненті тиісті аналитке өте таңдамалы. Сигнал сенсор бетіндегі өзгерістерге байланысты өткізгіш полимер қабатындағы электрохимиялық және физикалық өзгерістерден туындайды. Мұндай өзгерістер иондық күшке, pH, гидратацияға және тотығу-тотықсыздану реакцияларына байланысты болуы мүмкін, соңғысы фермент маркерінің субстратты өңдеуіне байланысты. Қақпа аймағы фермент немесе антителомен модификацияланған өріс эффекті транзисторлары әртүрлі аналиттердің өте төмен концентрациясын анықтауға мүмкіндік береді, себебі аналиттің FET қақпа аймағына байланысуы ағын-көз тогының өзгеруіне әкеледі. Импеданс спектроскопиясына негізделген биосенсорларды әзірлеу қазіргі уақытта кең таралды және мұндай құрылғылар/әзірлемелер академиялық және өнеркәсіптік салаларда кездеседі. Мұндай құрылғылардың бірі, 4 электродты электрохимиялық жасушаға негізделген, нанокеуекті алюминий мембранасын қолданады және жоғары концентрациядағы сарысу альбуминінің қатысуында адам альфа тромбинінің төмен концентрациясын анықтауға мүмкіндік береді. Импеданстық биосенсорлар үшін араластырылған электродтар да қолданылған.

Electrochemical biosensors are normally based on enzymatic catalysis of a reaction that produces or consumes electrons (such enzymes are rightly called redox enzymes). The sensor substrate usually contains three electrodes; a reference electrode, a working electrode and a counter electrode. The target analyte is involved in the reaction that takes place on the active electrode surface, and the reaction may cause either electron transfer across the double layer (producing a current) or can contribute to the double layer potential (producing a voltage). We can either measure the current (rate of flow of electrons is now proportional to the analyte concentration) at a fixed potential or the potential can be measured at zero current (this gives a logarithmic response). Note that potential of the working or active electrode is space charge sensitive and this is often used. Further, the label free and direct electrical detection of small peptides and proteins is possible by their intrinsic charges using biofunctionalized ion sensitive field effect transistors. Another example, the potentiometric biosensor, (potential produced at zero current) gives a logarithmic response with a high dynamic range. Such biosensors are often made by screen printing the electrode patterns on a plastic substrate, coated with a conducting polymer and then some protein (enzyme or antibody) is attached. They have only two electrodes and are extremely sensitive and robust. They enable the detection of analytes at levels previously only achievable by HPLC and LC/MS and without rigorous sample preparation. All biosensors usually involve minimal sample preparation as the biological sensing component is highly selective for the analyte concerned. The signal is produced by electrochemical and physical changes in the conducting polymer layer due to changes occurring at the surface of the sensor. Such changes can be attributed to ionic strength, pH, hydration and redox reactions, the latter due to the enzyme label turning over a substrate. Field effect transistors, in which the gate region has been modified with an enzyme or antibody, can also detect very low concentrations of various analytes as the binding of the analyte to the gate region of the FET cause a change in the drain source current. Impedance spectroscopy based biosensor development has been gaining traction nowadays and many such devices / developments are found in the academia and industry. One such device, based on a 4 electrode electrochemical cell, using a nanoporous alumina membrane, has been shown to detect low concentrations of human alpha thrombin in presence of high background of serum albumin. Also interdigitated electrodes have been used for impedance biosensors.

Реагентсіз флуоресцентті биосенсор

Реагентсіз биосенсор күрделі биологиялық ортадағы мақсатты аналитті қосымша реагент қолданбастан анықтай алады. Сондықтан, ол қатты тірекке бекітілген жағдайда үздіксіз жұмыс істей алады. Флуоресцентті биосенсор мақсатты аналитпен өзара әрекеттескенде флуоресценциялық қасиеттерінің өзгеруі арқылы реакция жасайды. Реагентсіз флуоресцентті биосенсор (RF биосенсор) мақсатты аналитке бағытталған биологиялық рецепторды және эмиссиялық қасиеттері жергілікті ортаның сипаттамасына сезімтал сольватохромдық флюорофорды бір макромолекулаға біріктіру арқылы алуға болады. Флюорофор тану процесін өлшенетін оптикалық сигналға түрлендіреді. Ақуыздардың, триптофан мен тирозиннің ішкі флюорофорларынан айқын ерекшеленетін сыртқы флюорофорларды қолдану күрделі биологиялық орталардағы аналитті дереу анықтауға және мөлшерлеуге мүмкіндік береді. Флюорофорды интеграциялау рецептордың байланысу қабілетіне әсер етпей, аналит байланысына сезімтал болатын жерге жүргізілуі керек. Антиденелер мен антигенді байланыстыратын ақуыздардың (AgBP) жасанды отбасылары RF биосенсорлардың тану модулін қамтамасыз етуге өте ыңғайлы, себебі оларды кез келген антигенге қарсы бағыттауға болады (биорецепторлар туралы бөлімді қараңыз). АГБП-ға сольватохромдық флюорофорды интеграциялаудың жалпы тәсілі, оның антигенімен бірге кешенінің атомдық құрылымы белгілі болған жағдайда сипатталған, осылайша оны RF биосенсорына айналдыруға болады. Дегенмен, нақты құрылымдық деректер болмаған жағдайда, басқа стратегияларды қолдану қажет. Антиденелер мен AgBP-лардың жасанды отбасылары белоктың бірегей аймағында орналасқан және тұрақты полипептидтік қаңқамен қолдау көрсетілген гиперөзгеретін (немесе кездейсоқ) қалдықтардың жиынтығынан тұрады. Белгілі бір антигенге байланысу орнын құрайтын қалдықтар гиперөзгеретін қалдықтардың арасынан таңдалады. Бұл отбасылардың кез келген AgBP-ін мақсатты антигенге тән RF биосенсорына айналдыруға болады, ол үшін антигенмен өзара әрекеттесуге аз немесе ешқандай маңызы жоқ гиперөзгеретін қалдықтардың біріне сольватохромдық флюорофорды мутагенез арқылы цистеинге айналдырғаннан кейін қосу керек. Нақтырақ айтқанда, стратегия гиперөзгеретін позициялардың қалдықтарын генетикалық деңгейде цистеинге жеке өзгертуден, сольватохромдық флюорофорды мутантты цистеинмен химиялық жолмен біріктіруден және содан кейін ең жоғары сезімталдыққа (бұл параметр байланысу қабілеті мен флуоресценция сигналының өзгеруін қамтиды) ие конъюгаттарды сақтаудан тұрады. А posteriori зерттеулер көрсеткендей, ең жақсы реагентсіз флуоресцентті биосенсорлар флюорофор биорецептордың бетімен ковалентті емес өзара әрекеттеспегенде, бұл фондық сигналды арттырады, және ол мақсатты антигеннің бетіндегі байланысу қуысымен өзара әрекеттескенде алынады. Жоғарыда аталған әдістермен алынған RF биосенсорлары тірі жасушалар ішіндегі мақсатты аналиттерді анықтап, жұмыс істей алады.

A reagentless biosensor can monitor a target analyte in a complex biological mixture without additional reagent. Therefore, it can function continuously if immobilized on a solid support. A fluorescent biosensor reacts to the interaction with its target analyte by a change of its fluorescence properties. A Reagentless Fluorescent biosensor (RF biosensor) can be obtained by integrating a biological receptor, which is directed against the target analyte, and a solvatochromic fluorophore, whose emission properties are sensitive to the nature of its local environment, in a single macromolecule. The fluorophore transduces the recognition event into a measurable optical signal. The use of extrinsic fluorophores, whose emission properties differ widely from those of the intrinsic fluorophores of proteins, tryptophan and tyrosine, enables one to immediately detect and quantify the analyte in complex biological mixtures. The integration of the fluorophore must be done in a site where it is sensitive to the binding of the analyte without perturbing the affinity of the receptor. Antibodies and artificial families of Antigen Binding Proteins (AgBP) are well suited to provide the recognition module of RF biosensors since they can be directed against any antigen (see the paragraph on bioreceptors). A general approach to integrate a solvatochromic fluorophore in an AgBP when the atomic structure of the complex with its antigen is known, and thus transform it into a RF biosensor, has been described. However, in the absence of specific structural data, other strategies must be applied. Antibodies and artificial families of AgBPs are constituted by a set of hypervariable (or randomized) residue positions, located in a unique sub region of the protein, and supported by a constant polypeptide scaffold. The residues that form the binding site for a given antigen, are selected among the hypervariable residues. It is possible to transform any AgBP of these families into a RF biosensor, specific of the target antigen, simply by coupling a solvatochromic fluorophore to one of the hypervariable residues that have little or no importance for the interaction with the antigen, after changing this residue into cysteine by mutagenesis. More specifically, the strategy consists in individually changing the residues of the hypervariable positions into cysteine at the genetic level, in chemically coupling a solvatochromic fluorophore with the mutant cysteine, and then in keeping the resulting conjugates that have the highest sensitivity (a parameter that involves both affinity and variation of fluorescence signal). A posteriori studies have shown that the best reagentless fluorescent biosensors are obtained when the fluorophore does not make non covalent interactions with the surface of the bioreceptor, which would increase the background signal, and when it interacts with a binding pocket at the surface of the target antigen. The RF biosensors that are obtained by the above methods, can function and detect target analytes inside living cells.

Магниттік биосенсорлар

Магниттік биосенсорлар биологиялық өзара әрекеттесулерді анықтау үшін парамагниттік немесе жоғары парамагниттік бөлшектерді немесе кристалдарды қолданады. Мысалдарға катушканың индуктивтілігі, кедергісі немесе басқа магниттік қасиеттері жатуы мүмкін. Магниттік нано немесе микробөлшектерді пайдалану жиі кездеседі. Мұндай бөлшектердің бетінде ДНК (комплементар тізбекке немесе аптамерлерге), антиденелер немесе басқа биорецепторлар орналасады. Биорецептордың байланысуы магниттік бөлшектердің AC сусептометриясымен, Холл эффект сенсорымен, гигант магнит кедергісімен немесе басқа құрылғылармен өлшенетін қасиеттеріне өзгеріс енгізеді.

Басқалар

Пьезоэлектрлік сенсорлар электрлік потенциал қолданғанда серпімді деформацияға ұшырайтын кристалдарды пайдаланады. Ауыспалы потенциал (А.С.) кристаллдағы тұрақты толқынды ерекше жиілікте тудырады. Бұл жиілік кристаллдың серпімді қасиеттеріне өте тәуелді, сондықтан егер кристалл биологиялық тану элементімен қапталса, (ірі) мақсатты аналит рецепторға байланысуы резонанстық жиіліктің өзгеруін тудырады, бұл байланыс сигналын береді. Жер бетіндегі акустикалық толқындарды (SAW) пайдаланатын режимде сезімталдық едәуір артады. Бұл кварцтық кристалл микробалансының биосенсор ретінде арнайы қолданылуы. Электрохимиялық люминесценция (ЭХЛ) қазіргі уақытта биосенсорлардағы жетекші техника болып табылады. Қозған түрлер жарық қоздыру көзіне қарағанда электрохимиялық стимулмен туындағандықтан, ЭХЛ фотолюминесценциямен салыстырғанда сигнал мен шу арақатынасының жақсарғанын көрсетеді, жарық шашырауы және люминесценция фонының әсері азайтылады. Атап айтқанда, буферленген сулы ерітіндіде оң потенциалдар аймағында (тотығу-тотықсыздану механизмі) жұмыс істейтін кореагентті ЭХЛ иммуноанализ үшін ЭХЛ-ді айқын күшейтті, бұл көптеген зерттеу қолданбаларымен және одан да көп, жыл сайын миллиардтаған долларлық нарықта жоғары өнімді иммуноанализдік талдау үшін коммерциялық жабдықтарды әзірлеген ірі компаниялардың болуымен расталды. Термометриялық биосенсорлар сирек кездеседі.

Биосенсорлық MOSFET (BioFET)

MOSFET (металл-оксидті жартылай өткізгіштік өрістік эффектті транзистор немесе MOS транзисторы) 1959 жылы Мохамед М. Атала және Давон Канг ойлап тапты, ал 1960 жылы көрсетілді. Екі жылдан кейін, 1962 жылы Лиланд Кларк пен Чамп Лайонс алғашқы биосенсорды ойлап тапты. Кейіннен биосенсорлық MOSFET (BioFET) құрылғылары жасалды және олар физикалық, химиялық, биологиялық және қоршаған орта параметрлерін өлшеу үшін кеңінен қолданылып келеді. Бірінші BioFET – 1970 жылы Пит Бергвельд электрохимиялық және биологиялық қолданыстар үшін ойлап тапқан ионға сезімтал өрістік эффектті транзистор (ISFET). Адсорбциялық FET (ADFET) 1974 жылы П. Ф. Кокс патенттеді, ал сутегіге сезімтал MOSFET 1975 жылы И. Лундстром, М. С. Шивараман, С. Свенсон және Л. Лундквист көрсетті. ISFET биомедициналық саласында кеңінен қолданылады, мысалы, ДНК гибридтеуін анықтау, қаннан биомаркерлерді анықтау, антиденелерді анықтау, глюкозаны өлшеу, pH-ты анықтау және генетикалық технологиялар. Соңғысының мысалы – сүт өңдеу зауытында лактозаны бақылау. Сыртқы биосенсорлар биоаналитикалық әдістермен салыстырғанда, олар далада емес, зертханада жұмыс істейді. Бұл әдістер негізінен ауыл шаруашылығында, азық-түлік технологиясында және биомедицинада қолданылады. Медициналық қолдануда биосенсорлар әдетте in vitro және in vivo жүйелері ретінде жіктеледі. In vitro биосенсорлық өлшеу сынақ түтігінде, өсіру ыдысында, микротитрлік тақтада немесе тірі организмнен тыс жерде жүргізіледі. Сенсор жоғарыда көрсетілгендей биорецептор мен түрлендіргішті пайдаланады. In vitro биосенсордың мысалы – қандағы глюкозаны бақылауға арналған ферменттік кондуктометриялық биосенсор. Сынақ қажет болған жерде, яғни күтім тану принципі бойынша жұмыс істейтін биосенсор жасау қиындық тудырады. Мұндай зерттеулердің бірі – киілетін биосенсорларды әзірлеу. Зертханалық сынақтарды жою уақыт пен ақшаны үнемдейді. POCT биосенсорының қолданылуы, емделушілердің тексеруге қол жеткізуі қиын аймақтарда, мысалы, ВИЧ-ті тексеру үшін болуы мүмкін. Биосенсор тікелей сол жерге жіберіліп, жылдам және оңай сынақ жүргізілуі мүмкін. In vivo биосенсор – бұл денеге имплантацияланатын және оның ішінде жұмыс істейтін құрылғы. Әрине, биосенсорлық имплантаттар имплантациядан кейін алғашқы қабыну реакциясын болдырмау үшін стерилизация жөніндегі қатаң ережелерді орындауы керек. Екінші мәселе – ұзақ мерзімді биоүйлесімділік, яғни пайдалану кезінде организмнің ортасымен зиянсыз өзара әрекеттесу. Тағы бір мәселе – бұзу. Егер құрылғы бұзылса, оны алып тастап, орнына жаңасын салу қажет, бұл қосымша операцияны тудырады. In vivo биосенсорын қолданудың мысалы – денедегі инсулин деңгейін бақылау, ол әлі қол жетімді емес. Глюкозаны үздіксіз бақылау үшін ең жетілген биосенсорлық имплантаттар жасалды. Суретте жүрек-қан тамырларына арналған имплантаттарда қолданылатын, мысалы, кардиостимуляторлар мен дефибрилляторларда қолданылатын Ti корпусы мен батареясы бар құрылғы көрсетілген.

The MOSFET (metal–oxide–semiconductor field effect transistor, or MOS transistor) was invented by Mohamed M. Atalla and Dawon Kahng in 1959, and demonstrated in 1960. Two years later, Leland C. Clark and Champ Lyons invented the first biosensor in 1962. Biosensor MOSFETs (BioFETs) were later developed, and they have since been widely used to measure physical, chemical, biological and environmental parameters. The first BioFET was the ion sensitive field effect transistor (ISFET), invented by Piet Bergveld for electrochemical and biological applications in 1970. the adsorption FET (ADFET) was patented by P. F. Cox in 1974, and a hydrogen sensitive MOSFET was demonstrated by I. Lundstrom, M. S. Shivaraman, C. S. Svenson and L. Lundkvist in 1975. The ISFET is widely used in biomedical applications, such as the detection of DNA hybridization, biomarker detection from blood, antibody detection, glucose measurement, pH sensing, and genetic technology. An example of the latter is the monitoring of lactose in a dairy processing plant. Off line biosensors compare to bioanalytical techniques that are not operating in the field, but in the laboratory. These techniques are mainly used in agriculture, food technology and biomedicine. In medical applications biosensors are generally categorized as in vitro and in vivo systems. An in vitro, biosensor measurement takes place in a test tube, a culture dish, a microtiter plate or elsewhere outside a living organism. The sensor uses a bioreceptor and transducer as outlined above. An example of an in vitro biosensor is an enzyme conductimetric biosensor for blood glucose monitoring. There is a challenge to create a biosensor that operates by the principle of point of care testing, i. e. at the location where the test is needed. Development of wearable biosensors is among such studies. The elimination of lab testing can save time and money. An application of a POCT biosensor can be for the testing of HIV in areas where it is difficult for patients to be tested. A biosensor can be sent directly to the location and a quick and easy test can be used. An in vivo biosensor is an implantable device that operates inside the body. Of course, biosensor implants have to fulfill the strict regulations on sterilization in order to avoid an initial inflammatory response after implantation. The second concern relates to the long term biocompatibility, i. e. the unharmful interaction with the body environment during the intended period of use. Another issue that arises is failure. If there is failure, the device must be removed and replaced, causing additional surgery. An example for application of an in vivo biosensor would be the insulin monitoring within the body, which is not available yet. Most advanced biosensor implants have been developed for the continuous monitoring of glucose. The figure displays a device, for which a Ti casing and a battery as established for cardiovascular implants like pacemakers and defibrillators is used.

Глюкозаны бақылау

Саудада қол жетімді глюкоза мониторлары глюкоза оксидазасы арқылы глюкозаны амперметрлік түрде анықтауға сүйенеді, ол глюкозаны тотықтырып сутек пероксидін шығарады, ал ол электродпен анықталады. Амперметрлік сенсорлардың шектеулерін еңсеру мақсатында флуоресцентті глюкоза биосенсорлары сияқты жаңа сезіктендіру әдістерін зерттеуге көп күш жұмсалып жатыр.

Интерферометриялық шағылысты бейнелеу сенсоры

Интерферометриялық рефлексиялық бейнелеу сенсоры (IRIS) оптикалық интерференция қағидаттарына негізделген және кремний-кремний оксид субстратынан, стандартты оптикадан және аз қуатты когерентті светодиодтардан тұрады. Жарық төмен үлкейту объективі арқылы қабатты кремний-кремний оксид субстратына бағытталғанда интерферометриялық сигнал пайда болады. Кремний оксидпен ұқсас сындыру көрсеткішіне ие биомасса субстрат бетінде жиналғанда, интерферометриялық сигналда өзгеріс орын алады және бұл өзгеріс сандық түрде өлшенетін массамен байланыстырылуы мүмкін. Daaboul және авторлар IRIS-ті пайдаланып шамамен 19 нг/мл таңбасыз сезімталдыққа қол жеткізді. Ahn және авторлар массалық таңбалау әдісі арқылы IRIS-тің сезімталдығын арттырды. Алғашқы жарияланудан бері IRIS әртүрлі функцияларды орындау үшін бейімделді. Біріншіден, IRIS флуоресценттік бейнелеу мүмкіндігін интерферометриялық бейнелеу құралына интеграциялады, бұл флуоресценттік белок микромассивтерінің өзгеруіне қатысты мәселені шешудің әлеуетті жолы болды. Қысқасы, флуоресценциялық микромассивтердегі өзгерулер негізінен беттердегі белоктардың тұрақсыз бекітілуінен туындайды және аллергиялық микромассивтерде дұрыс емес диагнозға әкелуі мүмкін. Белок бекітілуінің кез келген өзгеруін түзеу үшін флуоресценциялық режимде алынған деректер таңбасыз режимде алынған деректермен нормаланады. Бұл режим күрделі адам биологиялық үлгілерінде өлшемдерді ажыратуға мүмкіндік береді. Monroe және авторлар IRIS-ті адамның толыққанды қаны мен сарысуына қосылған белок деңгейін өлшеу үшін және сипатталған адам қан үлгілерінде аллергенге сезімталдықты анықтау үшін, үлгіні өңдеусіз пайдаланды. Бұл құрылғыны вирус пен патогендерді анықтау сияқты басқа да практикалық мақсаттарда қолдануға болады.

Тамақ талдауы

Биосенсорлар тағам талдауында кеңінен қолданылады. Азық-түлік өнеркәсібінде антиденелермен қапталған оптикалық құрылғылар патогендерді және тағамдық уларды анықтау үшін жиі пайдаланылады. Мұндай биосенсорларда флуоресценция жарық жүйесі көбінесе қолданылады, себебі оптикалық өлшеудің осы түрі сигналды күшті күшейте алады. Суда еритін витаминдер, сульфанамидтер және бета-агонисттер сияқты химиялық ластаушы заттарды (дәрмек қалдықтарын) анықтау және өлшеу үшін SPR негізделген сенсорлық жүйелерде қолдануға арналған иммуно және лигандты байланыстыру әдістерінің бірнешеуі жасалған, олар көбінесе қолданыстағы ELISA және басқа иммунологиялық әдістерден бейімделген. Бұлар азық-түлік өнеркәсібінде кеңінен таралған.

Ластаушы заттарды анықтау/бақылау

Биосенсорлар ауа, су және топырақтағы ластаушыларды – мысалы, пестицидтерді, қатерлі ісік тудыруға, мутацияға және/немесе уытты әсерге ұшыратуға мүмкін заттарды, сондай-ақ эндокриндік жүйені бұзатын химиялық заттарды бақылауға қолданылуы мүмкін.

Озонды өлшеу

Озон зиянды ультракүлгін сәулелерді сүзіп шығарады, сондықтан Жер атмосферасының озон қабатындағы тесіктердің табылуы, қанша ультракүлгін сәуле Жер бетіне жетеді деген алаңдаушылықты тудырды. Ерекше маңызды мәселелер – ультракүлгін сәулелер теңіз суына қаншалықты терең еніп, теңіз организмдеріне, әсіресе планктонға (қалқымалы микроорганизмдер) және планктонға шабуыл жасайтын вирустарға қалай әсер етеді. Планктон теңіз тағам тізбегінің негізін құрайды және фотосинтез үшін көмірқышқыл газын сіңіру арқылы планетамыздың температурасы мен ауа райына әсер етеді деп саналады. Калифорния университеті, Сан-Франциско қаласындағы радиобиология және экологиялық денсаулық зертханасының ғалымы Денеб Каренц ультракүлгін сәулелердің енуін және қарқындылығын өлшеудің оңай әдісін жасады. Антарктика мұхитында жұмыс істеп жүрген ол, әртүрлі тереңдіктерге ультракүлгін сәулелерге қарсы ДНҚ зақымдарын жөндеуге дерлік қабілетсіз E. coli-дің арнайы штамдарын сақтайтын жұқа пластикалық қаптарды батырды. Осы қаптардағы бактериялардың өлу деңгейі сол организмнің әсер етпеген бақылау қаптарындағы бактериялардың өлу деңгейімен салыстырылды. Бактериялық "биосенсорлар" 10 метр тереңдікте және жиі 20 және 30 метрде тұрақты ультракүлгін сәулелердің зақымдалуын анықтады. Каренц мұхиттағы маусымдық планктон гүлдеуіне (өсудің күрт өсуіне) ультракүлгін сәулелердің қалай әсер ететінін зерттеуді жоспарлап отыр.

Метастаздық қатерлі клеткаларды анықтау

Метастаз – қатерлі ісіктің денедегі бір бөлігінен екінші бөлігіне қан айналымы немесе лимфа жүйесі арқылы таралуы. Рентгендік бейнелеу тесттерінен (мамограммалар сияқты), олар энергияның түрлі формаларын (рентген сәулелері, магниттік өрістер және т.б.) денеге жіберіп, ішкі суреттерді ғана түсіретін болса, биосенсорлар ісіктің қатерлі күшін тікелей тексеру мүмкіндігіне ие. Биологиялық және детекторлық элементтердің үйлесімі аз мөлшердегі сынаманы, ықшам конструкцияны, жылдам сигналдарды, тез анықтауды, зерттеліп отырған анализге қатысты жоғары селективтілікті және жоғары сезімталдықты қамтамасыз етеді. Құрамындағы дәстүрлі рентгендік бейнелеу тесттерімен салыстырғанда, биосенсорлардың артықшылығы – қатерлі ісіктің таралу деңгейін анықтау және емнің тиімділігін тексеру ғана емес, сонымен қатар қатерлі ісіктің ерте сатыларындағы метастазды бағалаудың арзан, тиімді (уақыт, құн және өнімділік тұрғысынан) әдістері болып табылады. Биологиялық инженерия зерттеушілері сүт безі қатерлі ісігіне арналған биосенсорларды жасады. Сүт безі қатерлі ісігі – әлемдегі әйелдер арасында ең көп кездесетін қатерлі ісік. Мысалы, трансферрин кварцтық кристалл микросалмағы (QCM) болып табылады. Биосенсор ретінде кварцтық кристалл микросалмақтары кристаллдың тұрақты толқынының жиілігіндегі нанограммдық массалық өзгерістерді анықтау үшін ауыспалы потенциалдан тербелістер жасайды. Бұл биосенсорлар жасуша бетіндегі (қатерлі және қалыпты) рецепторлармен өзара әрекеттесуге және жоғары селективтілікке ие болу үшін арнайы жасалған. Бұл, идеалды жағдайда, маммографиямен берілетін сапалық суретті анықтаудың орнына, беттік ауданы бойынша осы рецепторға ие жасушаларды сандық анықтауды қамтамасыз етеді. Хаджеттепе университетінің биотехнология зерттеушісі Седа Атай, QCM және MDA MB 231 сүт безі жасушалары, MCF 7 жасушалары және ашталған MDA MB 231 жасушалары арасындағы осы ерекшелік пен селективтілікті in vitro жағдайында экспериментальды түрде байқады.

Патогенді анықтау

Биосенсорлар патогенді организмдерді анықтау үшін қолданылуы мүмкін. SARS-CoV-2 сияқты патогендік белгілерді анықтайтын, киілетін биосенсорлар әзірленді – мысалы, ішіне тест салынған бет маскалары. Сондай-ақ қараңыз: COVID-19 қоғамдық көліктегі ҒЗТ.

Жаңа биосенсорлық чиптер түрлері "ұшқышсыз әуе кемелерімен орналастырылған, ауа немесе сарқынды суды белсенді түрде зерттейтін патогендік сенсорлар сияқты" жаңа әдістерді іске асыруға мүмкіндік береді. Жұқпалы аурулардың патогендерін анықтау үшін белок байланыстырғыш аптамерлер қолданылуы мүмкін. Ішіне биосенсорлар (немесе химиялық сенсорлар) және адам-машина интерфейстері енгізілген электрондық терілер (немесе робот терілері) жүйелері киілетін, сондай-ақ қашықтан сезімделетін құрылғылардың немесе роботтардың патогендерді (сондай-ақ бірнеше қауіпті материалдарды және тактильді сезімдерді) анықтауын қамтамасыз ете алады.

Оптикалық биосенсорлар

Көптеген оптикалық биосенсорлар беткі плазмондық резонанс (SPR) құбылысына негізделген. Бұл алтын және басқа материалдардың (металдардың) қасиеттерін пайдаланады; атап айтқанда, жоғары сындыру көрсеткішіне ие шыны бетке жатқан алтынның жұқа қабаты лазерлік сәулені сіңіріп, алтын бетінде электрондық толқындарды (беткі плазмондарды) тудырады. Бұл тек белгілі бір бұрышта және түсетін жарықтың толқын ұзындығында ғана орын алады және алтын бетіне өте сезімтал, яғни мақсатты аналит алтын бетіндегі рецепторға байланысқанда өлшенетін сигнал пайда болады. Беткі плазмондық резонанс сенсорлары сенсорлық чипті пайдаланады, ол пластикалық кассетадан тұрады, оның үстінде бір жағы алтынның микроскопиялық қабатымен жабылған шыны тақта орналасқан. Бұл жағы құралдың оптикалық анықтау аппаратына қосылады. Ал қарсы жағы микроағынды жүйеге қосылады. Ағынды жүйемен байланыс арналарды құрайды, олар арқылы реактивтер ерітіндіде өтеді. Шыны сенсорлық чиптің бұл жағын қызығушылық тудыратын молекулаларды оңай бекіту үшін әртүрлі жолдармен өзгертуге болады. Әдетте ол карбоксиметилдекстран немесе ұқсас қосылыспен қапталады. Чип бетінің ағын жағындағы сындыру көрсеткіші алтын жағынан шағылған жарықтың мінез-құлқына тікелей әсер етеді. Чиптің ағын жағына байланысу сындыру көрсеткішіне әсер етеді және осылайша биологиялық өзара әрекеттесулерді белгілі бір энергиямен жоғары сезімталдықпен өлшеуге болады. Биомолекулалар бетке жабысқанда бетке жақын ортаның сындыру көрсеткіші өзгереді, ал SPR бұрышы осы өзгерістің функциясы ретінде өзгереді. Белгілі бір толқын ұзындығы бар жарық чиптің алтын жағынан толық ішкі шағылысу бұрышы бойынша шағылысады және құрал ішінде анықталады. Түсетін жарықтың бұрышы эвансенттік толқынның таралу жылдамдығымен беткі плазмон полярлитондарының таралу жылдамдығы сәйкес келетіндей етіп өзгертіледі. Бұл эвансенттік толқынның шыны табақтан және бетінен ағып жатқан сұйықтыққа белгілі бір қашықтыққа енуіне мүмкіндік береді. Басқа оптикалық биосенсорлар негізінен тиісті индикаторлық қосылыстың сіңіру немесе люминесценция өзгерістеріне негізделген және толық ішкі шағылысу геометриясын қажет етпейді. Мысалы, сүттегі казеинды анықтайтын толыққанды жұмыс істейтін прототиптік құрылғы жасалды. Құрылғы алтын қабатының сіңіруінің өзгеруін анықтауға негізделген. Микромассив, кеңінен қолданылатын зерттеу құралы, сондай-ақ биосенсор ретінде қарастырылуы мүмкін.

Many optical biosensors are based on the phenomenon of surface plasmon resonance (SPR) techniques. This utilises a property of gold and other materials (metals); specifically that a thin layer of gold on a high refractive index glass surface can absorb laser light, producing electron waves (surface plasmons) on the gold surface. This occurs only at a specific angle and wavelength of incident light and is highly dependent on the surface of the gold, such that binding of a target analyte to a receptor on the gold surface produces a measurable signal. Surface plasmon resonance sensors operate using a sensor chip consisting of a plastic cassette supporting a glass plate, one side of which is coated with a microscopic layer of gold. This side contacts the optical detection apparatus of the instrument. The opposite side is then contacted with a microfluidic flow system. The contact with the flow system creates channels across which reagents can be passed in solution. This side of the glass sensor chip can be modified in a number of ways, to allow easy attachment of molecules of interest. Normally it is coated in carboxymethyl dextran or similar compound. The refractive index at the flow side of the chip surface has a direct influence on the behavior of the light reflected off the gold side. Binding to the flow side of the chip has an effect on the refractive index and in this way biological interactions can be measured to a high degree of sensitivity with some sort of energy. The refractive index of the medium near the surface changes when biomolecules attach to the surface, and the SPR angle varies as a function of this change. Light of a fixed wavelength is reflected off the gold side of the chip at the angle of total internal reflection, and detected inside the instrument. The angle of incident light is varied in order to match the evanescent wave propagation rate with the propagation rate of the surface plasmon polaritons. This induces the evanescent wave to penetrate through the glass plate and some distance into the liquid flowing over the surface. Other optical biosensors are mainly based on changes in absorbance or fluorescence of an appropriate indicator compound and do not need a total internal reflection geometry. For example, a fully operational prototype device detecting casein in milk has been fabricated. The device is based on detecting changes in absorption of a gold layer. A widely used research tool, the micro array, can also be considered a biosensor.

Биологиялық биосенсорлар

Биологиялық биосенсорлар, сондай-ақ оптогенетикалық сенсорлар деп те аталады, көбінесе табиғи белок немесе ферменттің генетикалық түрлендірілген нұсқасын қамтиды. Белок белгілі бір аналиттерді анықтау үшін конфигурацияланады, ал нәтижедегі сигнал флюорометр немесе люминометр сияқты анықтау құралымен оқылады. Жақында жасалған биосенсордың мысалы – клеткалық сигналдауға қатысатын екінші хабаршы, цитозольдық cAMP (циклді аденозин монофосфаты) концентрациясын анықтауға арналған құрал, ол клетка мембранасындағы рецепторлармен өзара әрекеттесетін лигандтар арқылы іске қосылады. Ұқсас жүйелер жасушалардың табиғи лигандтарға немесе ксенобиотиктерге (токсиндерге немесе кішкентай молекулалы тежеушілерге) реакциясын зерттеу үшін құрылды. Мұндай "зерттеулер" фармацевтикалық және биотехнологиялық компаниялар дәрілік препараттарды әзірлеу кезінде кеңінен қолданылады. Қазіргі қолданыстағы көптеген cAMP зерттеулері cAMP өлшемінен бұрын жасушаларды лиздендіруді талап етеді. cAMP үшін тірі жасуша биосенсоры лизденбеген жасушаларда қолданылуы мүмкін, рецепторлық реакцияның кинетикасын зерттеу үшін бірнеше рет оқудың қосымша артықшылығы бар. Нанобиосенсорлар мақсатты аналиттерге селективті иммобильді биорецепторлық зондты пайдаланады. Наноматериалдар – өте сезімтал химиялық және биологиялық сенсорлар. Наноөлшемді материалдар ерекше қасиеттерді көрсетеді. Олардың үлкен бетінің көлеміне қатынасы әртүрлі конструкцияларды қолдана отырып, жылдам және төмен құнмен реакцияларға қол жеткізуге мүмкіндік береді. Толқын жетектерін пайдаланатын басқа да жоғалып кететін толқындық биосенсорлар коммерцияландырылған, онда толқын жетектері арқылы таралу тұрақтысы толқын жетектерінің бетіне молекулалардың сіңірілуімен өзгереді. Мұндай мысалдың бірі – қос поляризациялық интерферометрия, ол таралу тұрақтысының өзгеруін өлшеу үшін көмілген толқын жетегін анықтама ретінде пайдаланады. Mach-Zehnder сияқты басқа конфигурациялар субстратқа литографиялық түрде анықталған анықтамалық қолдарға ие. Молекулалар сіңірілгенде сақиналы резонатордың резонанстық жиілігі өзгеретін резонатор геометриясын пайдалану арқылы интеграцияның жоғары деңгейіне қол жеткізуге болады.

Электрондық мұрын құрылғылары

Соңғы уақытта көптеген түрлі детектор молекулаларының массивтері «электронды мұрын» деп аталатын құрылғыларда қолданылып келеді, онда детекторлардың жауап беру үлгісі затты анықтау үшін қолданылады. "Wasp Hound" иіс детекторындағы механикалық элемент – бейнекамера, ал биологиялық элементі – белгілі бір химиялық затқа жауап ретінде үйіріліп жүретін бес паразиттік ара. Дегенмен, қазіргі заманғы коммерциялық электронды мұрындар биологиялық элементтерді пайдаланбайды.

ДНК биосенсорлары

ДНК биосенсордың аналиті бола алады, оны арнайы тәсілдермен анықтауға болады, бірақ оны биосенсордың құрамына немесе теориялық тұрғыдан тіпті толыққанды биосенсор ретінде де пайдалануға болады. ДНК-ны анықтаудың көптеген әдістері бар, әдетте бұл сол ДНК-ға ие организмдерді анықтауға мүмкіндік береді. ДНК тізбектерін жоғарыда айтылғандай қолдануға болады. Алайда, одан да перспективалы тәсілдер бар, онда ДНК ферменттерді биологиялық тұрақты гельде сақтау үшін синтезделеді. Басқа қолданыстар – аптамерлерді, яғни белгілі бір молекуланы байланыстыруға қабілетті нақты пішінге ие ДНК тізбектерін жасау. Ең инновациялық процестер ДНК-оригамиді қолданады, осы арқылы анықтау үшін пайдалы болжамды құрылымға жиналатын тізбектер құрылады. Ғалымдар жануарлардың ДНК-сын ауа арқылы анықтауға арналған прототиптік сенсорларды жасады, яғни "әуедегі ДНК". ДНК-дан жасалған "наноантенналар" – наноөлшемдегі оптикалық антеннаның жаңа түрі – ақуыздарға бекітіліп, олардың биологиялық функцияларын орындағанда, әсіресе конформациялық өзгерістер кезінде флуоресценция арқылы сигнал бере алады.

Графен негізіндегі биосенсор

Графен – оптикалық, электрлік, механикалық, жылулық және механикалық қасиеттері жоғары екі өлшемді көміртекті материал. Әртүрлі ақуыздарды, әсіресе көміртекті сақиналы құрылымдарды сіңіру және бекіту қабілеті графенді биосенсор түрлендіргіші ретінде тамаша кандидат етеді деп дәлелденді. Соның салдарынан, графенге негізделген әртүрлі биосенсорлар зерттелді және жасалған. Графен әртүрлі форматтағы биосенсорларда қолданылады, әсіресе электрохимиялық сенсорлар мен өріс эффектісі транзисторларында. Олардың ішінде графен өріс эффектісі транзисторлары (GFET) жедел сақтық диагностикасы (PoC) ретінде ерекше өнімділік көрсетті, бұл GFET қолданылып COVID-19 диагностикасы туралы ғылыми мақалалардың көбеюінен көрінеді. Олардың анықтау шегінің төменгі деңгейі, бірнеше секундтық жылдам нәтиже беру уақыты және мультиплекстеу мүмкіндігі бар екендігі хабарланды. Бұл қабілеттер ауруды, әсіресе бастапқыда ажырату қиын, ұқсас белгілері бар жағдайларда дереу анықтауға мүмкіндік береді, соның арқасында, әсіресе ресурстары шектеулі медициналық орталарда пациенттердің жағдайы жақсарады.