Биосенсоры: инновационные технологии анализа на основе биологических компонентов — Производство и поставка электростанций, Бензиновые и дизельные генераторы от 1 до 100 кВт. Мини ТЭЦ на базе двигателя Стирлинга.

Что такое биосенсоры. Как они устроены. Какие бывают типы биосенсоров. Где применяются биосенсоры. Каковы перспективы развития биосенсорных технологий.

Содержание

Что такое биосенсоры и как они работают

Биосенсор — это аналитическое устройство, использующее биологический компонент в качестве чувствительного элемента в сочетании с физико-химическим преобразователем. Биологическим компонентом может выступать фермент, антитело, нуклеиновая кислота, клетка или ткань. Преобразователь трансформирует сигнал от биокомпонента в измеряемый электрический сигнал.

Принцип работы биосенсора заключается в следующем:

Биологический компонент специфически взаимодействует с определяемым веществом в анализируемом образце
В результате этого взаимодействия происходят изменения, регистрируемые преобразователем
Преобразователь трансформирует полученный сигнал в электрический
Электрический сигнал усиливается и обрабатывается для получения результата анализа

Благодаря использованию биологических молекул биосенсоры обладают высокой селективностью и чувствительностью. Они позволяют проводить быстрый и точный анализ в режиме реального времени.

Основные типы биосенсоров

В зависимости от используемого биологического компонента и типа преобразователя выделяют следующие основные виды биосенсоров:

По типу биокомпонента:

Ферментные биосенсоры
Иммуносенсоры
ДНК-сенсоры
Клеточные и тканевые биосенсоры

По типу преобразователя:

Электрохимические (амперометрические, потенциометрические)
Оптические
Пьезоэлектрические
Термометрические

Наиболее распространенными являются ферментные электрохимические биосенсоры благодаря их высокой чувствительности и простоте использования.

Применение биосенсоров в различных областях

Биосенсоры находят широкое применение в следующих сферах:

Медицина и здравоохранение:

Экспресс-диагностика заболеваний
Мониторинг уровня глюкозы в крови
Определение биомаркеров различных патологий
Анализ лекарственных препаратов

Пищевая промышленность:

Контроль качества продуктов питания
Определение пищевых аллергенов
Обнаружение патогенных микроорганизмов

Экологический мониторинг:

Анализ загрязнений воды, воздуха и почвы
Определение пестицидов и токсинов
Контроль биологического загрязнения

Биотехнология:

Контроль биотехнологических процессов
Скрининг лекарственных препаратов
Анализ биомолекул

Благодаря своим преимуществам биосенсоры активно внедряются в различные области аналитики, заменяя традиционные методы анализа.

Преимущества и ограничения биосенсоров

Биосенсоры обладают рядом важных преимуществ по сравнению с классическими аналитическими методами:

Преимущества:

Высокая селективность и чувствительность анализа
Быстрота получения результатов (минуты или секунды)
Возможность миниатюризации и создания портативных устройств
Простота использования, не требующая высокой квалификации
Возможность проведения анализа в режиме реального времени
Низкая стоимость анализа

Ограничения:

Ограниченный срок хранения из-за нестабильности биокомпонентов
Зависимость от условий окружающей среды (pH, температура)
Возможность неспецифических реакций
Сложность массового производства идентичных биосенсоров
Ограниченный диапазон определяемых веществ

Несмотря на некоторые ограничения, преимущества биосенсоров обуславливают их активное внедрение и развитие. Ведутся работы по преодолению существующих недостатков.

Инновационные разработки в области биосенсоров

Современные исследования направлены на создание новых типов биосенсоров с улучшенными характеристиками:

Наноматериалы в биосенсорах

Использование наночастиц, нанотрубок, квантовых точек позволяет повысить чувствительность и стабильность биосенсоров. Например, сенсоры на основе графена демонстрируют рекордную чувствительность к определяемым молекулам.

Беспроводные имплантируемые биосенсоры

Разрабатываются миниатюрные биосенсоры, которые можно имплантировать в организм для непрерывного мониторинга важных параметров. Это особенно актуально для контроля уровня глюкозы у диабетиков.

Мультисенсорные системы

Создаются устройства, сочетающие несколько различных биосенсоров на одном чипе. Это позволяет одновременно определять множество параметров в одном образце.

Бесферментные биосенсоры

Ведутся работы по созданию сенсоров без использования ферментов, на основе синтетических рецепторов. Это позволит повысить стабильность и расширить спектр определяемых веществ.

3D-печатные биосенсоры

Технологии 3D-печати позволяют быстро создавать прототипы и мелкосерийные партии биосенсоров сложной конфигурации.

Эти и другие инновации способствуют дальнейшему развитию и расширению областей применения биосенсорных технологий.

Перспективы развития биосенсоров

Биосенсорные технологии активно развиваются и имеют большие перспективы в различных областях:

Персонализированная медицина

Создание персональных биосенсорных устройств для постоянного мониторинга состояния здоровья позволит перейти к индивидуальному подходу в диагностике и лечении заболеваний.

Экспресс-диагностика

Разработка простых в использовании биосенсоров для быстрой диагностики различных заболеваний, в том числе инфекционных, непосредственно в месте оказания медицинской помощи.

Биосенсорные системы контроля окружающей среды

Создание сетей биосенсоров для непрерывного мониторинга загрязнений воздуха, воды и почвы в режиме реального времени.

Биосенсоры в пищевой промышленности

Внедрение биосенсоров для быстрого контроля качества и безопасности продуктов питания на всех этапах производства и реализации.

Нейроинтерфейсы на основе биосенсоров

Разработка имплантируемых биосенсоров для считывания нервных импульсов может привести к созданию эффективных интерфейсов мозг-компьютер.

Дальнейшее развитие биосенсорных технологий позволит создать новые эффективные инструменты для медицины, экологии, биотехнологии и других областей.

Биосенсоры: основы и приложения

Описание:

Коллективная монография посвящена одному из важнейших достижений биоэлектрохимии — биосенсорам, «ферментным электродам». Рассмотрено также использование в биосенсорах других компонентов биологических систем: антител, клеток, тканей, целых микроорганизмов. Помимо электрических обсуждаются акустические, оптические и другие датчики. С помощью биосенсоров становится реальным непрерывный мониторинг in vivo метаболитов, ферментов, белков и лекарственных препаратов. Книга предназначена для биохимиков, электрохимиков, биологов, медиков.

Оглавление:

Сведения об авторах [5]
Предисловие [7]
Предисловие к английскому изданию [9]
БИОЛОГИЧЕСКИЕ КОМПОНЕНТЫ [11]
  Глава 1. Ферментный электрод. Лиланд С. Кларк-младший [11]
    Литература [18]
  Глава 2. Сенсоры на основе микроорганизмов. Исао Карубе [20]
    2.1. Введение [20]
    2.2. Сенсор для определения усваиваемых сахаров [20]
    2.

3. Глюкозный сенсор [22]
    2.4. Сенсор уксусной кислоты [23]
    2.5. Сенсор спиртов [24]
    2.6. Сенсор муравьиной кислоты [25]
    2.7. Метановый сенсор [26]
    2.8. Сенсор глутаминовой кислоты [28]
    2.9. Цефалоспориновый сенсор [29]

    2.10. Сенсор БПК [30]
    2.11. Сенсор аммиака [31]
    2.12. Другие микробные сенсоры [32]
    Литература [32]
  Глава 3. Биосенсоры на основе растительных и животных тканей. Марк А. Арнольд, Гарри А. Рехнитц [34]
    3.1. Глутаминовый биосенсор [35]
    3.2. Аденозиновый биосенсор [39]
    3.3. Биосенсор AMP [43]
    3.4. Гуаниновый биосенсор [45]
    3.5. Биосенсор пероксида водорода [47]
    3.6. Биосенсор глутамината [48]
    3.7. Пируватный биосенсор [48]
    3.8. Биосенсор мочевины [49]
    3.9. Фосфат-фторидный сенсор [50]
    3.10. Допаминовый биосенсор [51]
    3.11. Тирозиновый биосенсор [51]
    3.12. Цистеиновый биосенсор [52]
    3.13. Митохондриальный биосенсор [53]
    3.

14. Механизм отклика тканевого биосенсора [53]
    Литература [55]
  Глава 4. Новые подходы в электрохимическом иммуноанализе. Моника Дж. Грин [57]
    4.1. Амперометрический иммуноанализ с использованием электрода Кларка [58]
    4.2. Амперометрический иммуноферментный анализ [59]
    4.3. Амперометрический иммуноанализ с использованием антигенов, меченных электроактивными частицами [60]
    4.4. Потенциометрический иммуноанализ [61]
    4.5. Иммуноанализ с использованием потенциометрических электродов [61]
    Литература [65]
  Глава 5. Диагностика генетических заболеваний человека. Джон М. Оулд, Кей Е. Дэвис [66]
    5.1. Введение [66]
    5.2. Методики определения генетических болезней [66]
      5.2.1. ДНК-зонды [66]
      5.2.2. Введение метки в зонды [68]
      5.2.3. Рестриктазный анализ [69]
    5.3. ДНК-зонды в диагностике генетических болезней [70]
      5.3.1. Обнаружение носителей генетических болезней [70]
      5.

3.2. Пренатальная диагностика [73]
5.4. Дальнейшие перспективы нерадиометрического детектирования [75]

    Литература [75]
  Глава 6. Иммобилизация биологических компонентов в биосенсорах. С. А. Баркер [78]
    6.1. Специфические требования к методам иммобилизации в биосенсорах [78]
    6.2. Введение [79]
    6.3. Методы иммобилизации [80]
      6.3.1. Адсорбция [84]
      6.3.2. Захват [84]
      6.3.3. Сшивание [85]
      6.3.4. Образование ковалентных связей [86]
    Литература [87]
  Глава 7. Генная инженерия. П. Дж. Уорнер [89]
    7.1. Введение [89]
    7.2. Техника получения рекомбинантных ДНК [89]
      7.2.1. Молекулярное клонирование [89]
      7.2.2. Гибридизация нуклеиновых кислот [94]
      7.2.3. Определение нуклеотидной последовательности ДНК [94]
      7.2.4. Сайт-специфический мутагенез [95]
    7.3. Применение генной инженерии в сенсорной технологии [96]
      7.3.1. Увеличение выхода фермента [96]
      7.

3.2. Улучшение свойств ферментов [97]
      7.3.3. Генетическое манипулирование целыми организмами, используемыми в сенсорах [97]
    7.4. Выводы [98]
    Литература [98]
  Глава 8. Белковая инженерия и её возможные приложения в биосенсорах. Энтони Э. Г. Касс, Энда Кенни [100]
    8.1. Введение [100]
    8.2. Модификация на уровне ДНК [102]
    8.3. Модификация полипептидной цепи [106]
      8.3.1. Модифицирование с целью повышения активности фермента [107]
      8.3.2. Модификация, вызывающая изменение поверхностных свойств [107]
      8.3.3. Модификация с изменением специфичности [109]
      8.3.4. Присоединение кофермента [110]
      8.3.5. Новые типы ферментативной активности [110]
      8.3.6. Частичный синтез белков [111]
      8.3.7. Модификация иммобилизацией [111]
    8.4. Заключение [113]
    Литература [113]
БИОЭЛЕКТРОХИМИЯ
  А. ПОТЕНЦИОМЕТРИЧЕСКИЕ СЕНСОРЫ [116]
    Глава 9. Ионоселективные электроды и биосенсоры на их основе.

С. С. Куан, Дж. Дж. Гилболт [116]
      9.1. Введение [116]
      9.2. Ионоселективные электроды [116]
      9.3. Ферментные электроды [120]
      9.4. Методика изготовления типичного электрода [121]
        9.4.1. Аппаратура [121]
      9.5. Рабочие характеристики электродов [122]
      9.6. Примеры ферментных сенсоров на основе ионоселективных электродов [125]
        9.6.1. Некоторые наиболее распространённые приложения ферментных электродов [125]
      9.7. Производство ферментных датчиков [128]
      Литература [128]
    Глава 10. Потенциометрические биосенсоры на основе редокс-электродов. Лемюэль Б. Уингард-младший, Джеймс Кастнер [131]
      10.1. Введение [131]
      10.2. Примеры биосенсоров на основе редокс-электродов [133]
      Литература [137]
  Б. АМПЕРОМЕТРИЧЕСКИЕ СЕНСОРЫ [138]
    Глава 11. Принципы работы амперометрических сенсоров. Джордж С. Уилсон [138]
      11.1. Введение [138]
      11.2. Диффузия (массоперенос) [138]
      11.

3. Гетерогенный перенос электрона [141]
      11.4. Теория формирования амперометрического сигнала ферментного электрода [143]
      11.5. Электроды и их геометрия [144]
      Литература [146]
    Глава 12. Амперометрические ферментные электроды: теория и эксперимент. У. Джон Элбери, Дерек X. Крэстон [149]
      12.1. Введение [149]
      12.2. Модель ферментного электрода [150]
      12.3. Уравнение стационарного состояния [151]
      12.4. Электроды второго поколения [153]
      12.5. NADH-электроды [154]
      12.6. Отсутствие ингибирования фермента продуктом реакции [157]
      12.7. Выбор между чувствительностью электрода и концентрационным диапазоном [159]
      12.8. Электроды на основе проводящих органических солей [160]
      12.9. Механизм электрохимической реакции [164]
      12.10. Стабильность электрода [166]
      12.11. Другие ферменты [166]
      12.12. NADH-электроды [170]
      12.13. Выводы [171]
      Литература [172]
    Глава 13.

Исследование модифицированных электродов электрохимическими методами. Н. П. Барлетт [174]
      13.1. Введение [174]
      13.2. Кинетика в системах с модифицированными электродами [177]
      13.3. Электрохимические измерения в стационарном состоянии [182]
        13.3.1. Циклическая вольтамперометрия [182]
        13.3.2. Импульсная полярография [184]
        13.3.3. Переменнотоковая вольтамперометрия [188]
        13.3.4. Ступенчатая хроноамперометрия [188]
      13.4. Методы, основанные на вынужденной конвекции [191]
        13.4.1. Вращающийся дисковый электрод [191]
        13.4.2. Вращающийся дисковый электрод с кольцом [196]
      13.5. Выводы [199]
      Литература [199]
    Глава 14. Изучение ферментативных реакций, используемых в медиаторных биосенсорах, методом циклической вольтамперометрии. Грэм Дэвис [203]
      14.1. Введение [203]
      14.2. Постояннотоковая циклическая вольтамперометрия [204]
      14.3. Электрохимически сопряжённые ферментативные реакции [205]
      14.

4. Амперометрические биосенсоры [209]
      Литература [209]
    Глава 15. Перенос электрона от биологических молекул на электроды. М. Ф. Кардози, Э. П. Ф. Тернер [211]
      15.1. Введение [211]
      15.2. Медиаторы и химически модифицированные электроды [213]
      15.3. Ферментные электроды, основанные на регенерации кофактора [216]
      15.4. Амперометрические сенсоры на основе редокс-белков [219]
      15.5. Электроды из проводящих органических металлов, сопряжённые с оксидазами [221]
      15.6. Заключение [223]
      Литература [223]
    Глава 16. Конструирование медиаторных амперометрических биосенсоров. У. Дж. Астон [226]
      16.1. Биотопливные элементы [227]
      16.2. Ячейки с задаваемым потенциалом [229]
      16.3. Конструкция медиаторных амперометрических датчиков [231]
      16.4. Плоские приборы [234]
      16.5. Производственные соображения [234]
      16.6. Заключение [235]
      Литература [236]
    Глава 17.

Редокс-медиаторные электрохимические процессы с участием цельных микроорганизмов: от топливных элементов к биосенсорам. X. П. Бенетто, Дж. Бокс, Дж. М. Деланей, Дж. Р. Мейсон, С. Д. Роллер, Дж. Л. Стирлинг, К. Ф. Тэрстон [238]
      17.1. Введение [238]
        17.1.1. Сенсоры с «прямым» и «косвенным» использованием микроорганизмов [238]
        17.1.2. Перенос электронов в ферментных и клеточных системах [239]
      17.2. Клетки как катализаторы в биосенсорах [239]
      17.3. Генерирование электрического тока микроорганизмами [241]
        17.3.1. Микробные топливные элементы [241]
        17.3.2. Взаимодействие медиаторов с микроорганизмами [243]
        17.3.3. Электрохимические аспекты [244]
      17.4. Экспериментальные устройства с цельными клетками [246]
      17.5. Перспективы развития микробных сенсоров [248]
        17.5.1. Общие соображения при конструировании микробных сенсоров [248]
        17.5.2. Конструирование биоактивных слоёв [249]
        17.

5.3. Иммобилизация микроорганизмов [249]
        17.5.4. Редокс-медиаторные системы [250]
        17.5.5. Селективность, специфичность и помехи [252]
      17.6. Дальнейшие перспективы [253]
      Литература [254]
    Глава 18. Применение ферментных амперометрических биосенсоров в анализе реальных объектов. Фридер В. Шеллер, Доротея Пфайфер, Флориан Шуберт, Рейнхард Реннеберг, Дитер Кирштейн [257]
      18.1. Введение [257]
      18.2. Применение амперометрических биосенсоров [258]
        18.2.1. Низкомолекулярные растворимые вещества [258]
        18.2.2. Низкомолекулярные поверхностно-активные вещества [271]
        18.2.3. Высокомолекулярные растворимые вещества [273]
        18.2.4. Активность ферментов [275]
      18.3. Заключение [278]
      Литература [278]
    Глава 19. Компенсированные ферментные электроды для контроля процессов in situ. Свен-Олоф Энфорс [282]
      19.1. Введение [282]
      19.2. Кислород-стабилизированный глюкозный электрод [282]
      19.

3. Принцип действия ферментного электрода с внешним буферированием [286]
      19.4. Компенсационные ферментные электроды для технологического контроля [287]
      Литература [288]
    Глава 20. Применение in vivo химических сенсоров и биосенсоров в клинической медицине. Дензил Дж. Клеремонт, Джон С. Пикап [289]
      20.1. Введение [289]
      20.2. Газы крови [290]
        20.2.1. Мониторинг газов крови у недоношенных новорожденных детей [290]
        20.2.2. Мониторинг газов в крови пациентов с дыхательной недостаточностью [292]
        20.2.3. Мониторинг газов крови в ходе и после операции на сердце [294]
      20.3. Мониторинг калия [296]
      20.4. Концентрация ионов водорода [297]
      20.5. Глюкоза [297]
      20.6. Заключительные замечания [302]
      Литература [302]
    Глава 21. Тонкоплёночные микроэлектроды для электрохимического анализа. О. Прохазка [305]
      21.1. Резюме [305]
      21.2. Введение [305]
      21.

3. Миниатюрные тонкоплёночные многоэлектродные датчики [306]
        21.3.1. Изготовление датчика [306]
        21.3.2. Электрические характеристики датчиков [308]
        21.3.3. Источники искажения сигнала и практические ограничения [311]
      21.4. Электроды камерного типа [312]
      21.5. Заключительные замечания [313]
      Литература [314]
    Глава 22. Проектирование и разработка глюкозных сенсоров для искусственной поджелудочной железы. Гилберто Д. Велхо, Джерард Рич, Даниэль Р. Тевено [316]
      22.1. Введение [316]
      22.2. Нужны ли на самом деле инсулиновые системы с замкнутым контуром? [318]
      22.3. Почему до сих пор отсутствует портативное устройство для введения инсулина с замкнутым контуром? [320]
      22.4. Электрохимические глюкозооксидазные сенсоры для искусственной поджелудочной железы: типы детекторов [322]
        22.4.1. Кислородные детекторы [322]
        22.4.2. рН-детекторы [323]
        22.4.3. Амперометрические детекторы пероксида водорода [323]
        22.

4.4. Потенциометрическое детектирование пероксида. водорода [324]
        22.4.5. Детекторы кофакторов [324]
      22.5. Конструкции глюкозооксидазных in vivo сенсоров [325]
      22.6. Глюкозные сенсоры: альтернативные подходы [326]
      22.7. Искусственная поджелудочная железа [327]
      22.8. Заключение [328]
      Литература [328]
    Глава 23. Игольчатые глюкозные сенсоры и их клиническое применение. Мото яки Шичири, Рюзо Кавамори, Ёшимииу Ямасаки [331]
      23.1. Введение [331]
      23.2. Принцип определения глюкозы с помощью введённого в организм глюкозного сенсора [331]
      23.3. Изготовление глюкозного сенсора игольчатого типа [332]
      23.4. Характеристики глюкозного сенсора in vitro [333]
        23.4.1. Методика определения характеристик сенсора in vitro [333]
        23.4.2. Дрейф и шум при измерениях [333]
        23.4.3. Зависимость отклика сенсора от концентрации глюкозы [334]
        23.4.4. Влияние температуры и давления кислорода [334]
        23.

4.5. Срок службы сенсора [334]
      23.5. Характеристики глюкозного сенсора in vivo [334]
        23.5.1. Методика определения характеристик сенсора in vivo [334]
        23.5.2. Шумы при измерениях in vivo [335]
        23.5.3. Отклик сенсора на уровень глюкозы в крови [335]
        23.5.4. Отклик сенсора на изменение содержания глюкозы в крови [335]
        23.5.5. Влияние давления кислорода при измерениях in vivo [335]
        23.5.6. Срок службы сенсора в условиях in vivo [336]
        23.5.7. Изучение поверхности сенсора с помощью сканирующего электронного микроскопа [338]
      23.6. Мониторинг глюкозы in vivo [338]
        23.6.1. Телеметрическая система мониторинга глюкозы [338]
        23.6.2. Процедура телеметрического контроля глюкозы in vivo [340]
        23.6.3. Непрерывный мониторинг глюкозы in vivo [340]
      23.7. Применение системы контроля гликемии с замкнутым контуром [340]
        23.7.1. Носимая искусственная поджелудочная железа [340]
        23.

7.2. Алгоритм управления замкнутой системой влияния инсулина и глюкагона [341]
        23.7.3. Подавление шума [341]
        23.7.4. Методика гликемического контроля в системе с замкнутым контуром с помощью носимой искусственной поджелудочной железы [341]
        23.7.5. Замкнутая система контроля гликемии у больных диабетом [342]
      23.8. Заключение [342]
      Литература [343]
  В. ИЗУЧЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ИМПЕДАНСА [344]
    Глава 24. Принципы и возможности спектроскопии электрического адмиттанса. Дуглас Б. Келл [344]
      24.1. Введение [344]
      24.2. Электрический импеданс и адмиттанс [345]
      24.3. Импедансные диаграммы [347]
      24.4. Импедансные диаграммы в электрохимических системах [349]
      24.5. Диэлектрическая проницаемость, удельная проводимость и дисперсия диэлектрической проницаемости [351]
      24.6. Диэлектрическая спектроскопия биологических веществ [355]
      24.7. Использование кондуктометрии и импедансометрии в биоанализе [357]
      24.

8. Импедансометрические системы [359]
      24.9. Анализ спектров как неотъемлемый элемент биосенсорных измерений [361]
      24.10. Использование кондуктометрических корреляционных функций для оценки двухфазных потоков в биореакторах [364]
      24.11. Использование в биосенсорных устройствах многомерных диэлектрических спектров внутримолекулярных движений в белках [365]
      Литература [367]
  Г. СЕНСОРЫ НА ОСНОВЕ КРЕМНИЕВЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВ [375]
    Глава 25. Микробиосенсоры на основе кремниевых транзисторов. Исао Карубе [375]
      25.1. Введение [375]
      25.2. Сенсоры на основе полевых транзисторов [375]
        25.2.1. Микросенсор для определения мочевины [375]
        25.2.2. Микросенсор для определения АТР [377]
      25.3. Микроэлектродные сенсоры [379]
        25.3.1. Сенсор глюкозы на основе микроэлектрода, чувствительного к пероксиду водорода [379]
        25.3.2. Сенсор глутамата на основе кислородного микроэлектрода [381]
      Литература [382]
    Глава 26.

Химически чувствительные полевые транзисторы. Гэри Ф. Блэкберн [384]
      26.1. Введение [384]
      26.2. Теория химических сенсоров на основе полевых транзисторов [384]
        26.2.1. Физика полупроводников [384]
        26.2.2. Структура металл-диэлектрик-полупроводник [387]
        26.2.3. Полевой транзистор с диэлектрическим затвором [390]
        26.2.4. Химически чувствительный полевой транзистор [395]
      26.3. Производство сенсоров [396]
        26.3.1. Производство пластин [396]
        26.3.2. Монтаж сенсоров [397]
      26.4. Схемы управления и измерения [399]
        26.4.1. Режим с постоянным напряжением затвора [399]
        26.4.2. Режим с постоянным током стока [399]
      26.5. Ионоселективный полевой транзистор [401]
        26.5.1. Теория [401]
        26.5.2. Ионоселективные мембраны для ИСПТ [402]
        26.5.3. Временные характеристики [405]
        26.5.4. ИСПТ с висящей сеткой [406]
      26.

6. Химически чувствительные полевые транзисторы на основе ферментов [408]
        26.6.1. Теория [408]
        26.6.2. Конструкции и характеристики ФПТ [409]
      26.7. Иммунохимически чувствительные полевые транзисторы [411]
        26.7.1. Теория [412]
        26.7.2. Практические попытки разработки ИМПТ [415]
      26.8. Газочувствительные полевые транзисторы [418]
        26.8.1. Чувствительный к водороду ДЗПТ с палладиевым затвором [418]
        26.8.2. ГПТ с висящим затвором [420]
      26.9. Заключение [422]
      Литература [423]
    Глава 27. Биосенсоры на основе полупроводниковых газовых сенсоров. Бенгт Даниелъссон, Фредрик Винквист [425]
      27.1. Введение [425]
      27.2. Физические основы [426]
        27.2.1. Повышение чувствительности сенсоров к газообразному аммиаку [428]
      27.3. Экспериментальные исследования [429]
        27.3.1. Получение иммобилизованной гидрогеназы [431]
      27.4. Результаты [431]
        27.

4.1. Определение газообразного водорода [431]
        27.4.2. Аналитические системы на основе определения Nh4 [434]
      27.5. Заключение [437]
      Литература [439]
МЕХАНИЧЕСКИЙ И АКУСТИЧЕСКИЙ ИМПЕДАНС [441]
  Глава 28. Принципы и возможности пьезоэлектрических преобразователей и акустических методов. Дэвид Дж. Кларк, Барри С. Блейк-Колеман, Майкл Р. Кэлдер [441]
    28.1. Введение [441]
    28.2. Пьезоэлектрические преобразователи [441]
      28.2.1. Керамические материалы [442]
      28.2.2. Полимеры [443]
      28.2.3. Режимы преобразования [444]
    28.3. Биосенсорные устройства с пьезоэлектрическими преобразователями [445]
      28.3.1. Принцип действия электрогравиметрических сенсоров [445]
      28.3.2. Гравиметрические биосенсоры [446]
    28.4. Распространение акустических волн и акустический импеданс [448]
      28.4.1. Основные принципы [448]
      28.4.2. Приложения [449]
    28.5. Акустическая микроскопия [451]
    28.

6. Акустическая резонансная денситометрия (АРД) [452]
    28.7. Заключение и перспективы методов [454]
    Литература [454]
КАЛОРИМЕТРИЯ [457]
  Глава 29. Теория и практика калориметрических сенсоров. Бенгт Даниельсон, Клаус Мосбах [457]
    29.1. Введение [457]
    29.2. Оборудование и методика эксперимента [458]
      29.2.1. Аппаратура [458]
      29.2.2. Колонка с ферментом [460]
      29.2.3. Методика анализа [461]
      29.2.4. Усиление теплового сигнала [461]
    29.3. Практические приложения [462]
      29.3.1. Термический ферментный иммуносорбентный анализ [464]
      29.3.2. Применение в клинической медицине [464]
      29.3.3. Определение активности фермента [467]
      29.3.4. Калориметрический контроль в хроматографии [467]
      29.3.5. Контроль технологических и ферментационных процессов [467]
      29.3.6. Анализ объектов окружающей среды [470]
    29.4. Заключение [470]
    Литература [471]
СПЕКТРОМЕТРИЯ [473]
  Глава 30.

Оптические сенсоры на основе иммобилизованных реагентов. В. Рудольф Зейц [473]
    30.1. Введение [473]
      30.1.1. Диапазон проблем, обсуждаемых в этой главе [473]
    30.2. Достоинства и ограничения волоконно-оптических сенсоров [474]
    30.3. Технические вопросы [475]
    30.4. Выбор реагента [478]
      30.4.1. Индикатор [478]
      30.4.2. Конкурентное связывание [479]
      30.4.3. Катализатор [480]
      30.4.4. Хемилюминесценция [481]
      30.4.5. Адсорбент [481]
    30.5. Применение оптических сенсоров на практике [482]
      30.5.1. Определение рН [482]
      30.5.2. Определение рСО2 [483]
      30.5.3. Определение кислорода [484]
      30.5.4. Сенсоры, чувствительные к ионам металлов [485]
      30.5.5. Галогенидные сенсоры [485]
      30.5.6. Другие сенсоры [486]
    Литература [486]
  Глава 31. Перспективы применения био- и хемилюминесценции в биосенсорах. Ф. Мак-Капра [488]
    31.1. Введение [488]
    31.

2. Биолюминесценция [488]
      31.2.1. Биолюминесценция светляка [489]
      31.2.2. Использование люциферазы светляка для определения АТР [490]
      31.2.3. Люминесценция бактерий [491]
      31.2.4. Применение бактериальной люминесценции [491]
      31.2.5. Другие биолюминесцентные системы [492]
    31.3. Хемилюминесценция [494]
      31.3.1. Механизмы хемилюминесценции [495]
      31.3.2. Хемилюминесцентный иммуноанализ [497]
      31.3.3. Методика измерения света [498]
      31.3.4. Кинетические измерения [499]
      31.3.5. Светоизмерительные приборы [499]
    31.4. Возможные применения биосенсоров [500]
    Литература [502]
  Глава 32. Конструирование волоконно-оптических биосенсоров на основе биорецепторов. Джером С. Шульц [505]
    32.1. Введение [505]
    32.2. Оптические волокна [505]
    32.3. Биосенсоры на основе биорецепторов [507]
      32.3.1. Биосенсоры прямого действия [507]
      32.3.2. Биосенсоры косвенного действия [508]
    32.

4. Математические модели аналитических характеристик биосенсоров [513]
      32.4.1. Сенсоры прямого действия [513]
      32.4.2. Сенсоры косвенного действия [513]
      32.4.3. Сенсоры с многовалентным связыванием [516]
    32.5. Заключение [516]
    Литература [516]
  Глава 33. Спектроскопия внутреннего отражения в оптическом иммуноанализе. Ранальд М. Сазерлэнд, Клаус Дене [518]
    33.1. Введение [518]
    33.2. Теоретические аспекты [520]
      33.2.1. Принципы спектроскопии внутреннего отражения [520]
      33.2.2. Нарушенное полное внутреннее отражение и нарушенное полное внутреннее отражение с флуоресценцией [522]
      33.2.3. Поверхностный плазмонный резонанс [523]
      33.2.4. Эллипсометрия [525]
    33.3. Практические соображения при выборе и использовании элементов внутреннего отражения [525]
      33.3.1. Элементы внутреннего отражения [525]
      33.3.2. Поверхностный плазмонный резонанс [527]
      33.3.3. Требования к оптическим материалам [528]
      33.

3.4. Иммобилизация антител [528]
    33.4. Применение СВО-приборов в иммуноанализе [530]
      33.4.1. Нарушенное полное внутреннее отражение [530]
      33.4.2. Нарушенное полное внутреннее отражение с флуоресценцией [531]
      33.4.3. Поверхностный плазмонный резонанс [533]
    33.5. Обсуждение [533]
    Литература [535]
  Глава 34. Рассеяние лазерного света и связанные с ним методы. Роберт Дж. Г. Карр, Роберт Г. У. Браун, Джон Г. Рэрити, Дэвид Дж. Кларке [538]
    34.1. Введение [538]
    34.2. Основы теории рассеяния света [539]
      34.2.1. Рэлеевское рассеяние [539]
      34.2.2. Рассеяние Рэлея-Ганса-Дебая [540]
      34.2.3. Рассеяние Ми [541]
    34.3. Методы, основанные на рассеянии света [541]
      34.3.1. Статические методы светорассеяния [541]
      34.3.2. Динамические методы светорассеяния [543]
    34.4. Применение динамических методов светорассеяния в биологии [547]
    34.5. Перспективы методов светорассеяния [549]
    Литература [550]
ПРИМЕНЕНИЕ МИКРОПРОЦЕССОРОВ [555]
  Глава 35.

Использование микропроцессоров для повышения эффективности анализа при помощи ферментных сенсоров. Даниэль Тевено, Тьери Теллагранд, Роберт Стернберг [555]
    35.1. Введение [555]
    35.2. Материалы и методика работы [555]
      35.2.1. Ферментные электроды [555]
      35.2.2. Программируемый настольный калькулятор для ферментного электрода [556]
      35.2.3. Микрокомпьютер для ферментного электрода [557]
      35.2.4. Отклик электродов [558]
      35.2.5. Оценка аналитических характеристик сенсоров [558]
    35.3. Автоматизация ферментных глюкозных электродов с помощью программируемого калькулятора [559]
    35.4. Использование микрокомпьютера для автоматизации ферментных глюкозных электродов [561]
      35.4.1. Разработка автоматизированного устройства для оценки параметров ферментного электрода [561]
      35.4.2. Оценка характеристик глюкозного электрода при помощи автоматизированного устройства [564]
    35.5. Выводы [566]
    Литература [567]
КОММЕРЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ И ПЕРСПЕКТИВЫ [568]
  Глава 36.

Биосенсоры в медицине: клинические требования. П. Д. Хоум, К. Дж. М. М. Альберти [568]
    36.1. Возможности применения биосенсоров в медицине [569]
      36.1.1. Отделение интенсивной терапии [569]
      36.1.2. Пункты срочной и неотложной помощи и общетерапевтические палаты [570]
      36.1.3. Кабинет врача [571]
      36.1.4. Лечение сахарного диабета [572]
    36.2. Применение биосенсоров в медицине [574]
      36.2.1. Правильность, воспроизводимость и чувствительность [575]
      36.2.2. Время отклика [575]
      36.2.3. Градуировка [576]
      36.2.4. Мешающие вещества [576]
      36.2.5. Анализируемые пробы [577]
      36.2.6. Безопасность и надёжность [577]
    Литература [578]
  Глава 37. Проблемы распространения и сбыта биосенсоров. Джеймс Маккан [580]
    37.1. Цикл жизни товара [580]
    37.2. Здравоохранение [584]
    37.3. Ветеринария [586]
    37.4. Контроль ферментационных и других технологических процессов [586]
    37.

5. Заключение [587]
Предметный указатель [588]

Биосенсоры потеснили традиционную электронику

Копирование природы и интегрирование биологии рождает новые технологии и решения. Миниатюрные электронные устройства с биологическими элементами становятся двигателями технологической революции. Скоро в нашу жизнь войдут особые биосенсоры, которые будут контролировать и сообщать о тех процессах, отследить которые напрямую человек не способен.

Кстати, с их помощью можно будет контролировать и состояние самого человека.

Сам принцип использования биологических организмов для получения сигналов о других процессах известен человечеству издавна. Народные приметы — обобщения той же природы. Они сложились в результате анализа поведения тех или иных видов живых существ и бытовали как способ обнаружения невидимых глазу процессов через изменения в живом посредники.

Читайте также: Муха подсказала идею скафандра

Живые объекты использовали и в индустрии. Спускаясь в забои в начале прошлого века шахтёры, брали с собой клетку с канарейками, которые предупреждали их об утечке взрывоопасного метана. Но применение полноценного живого организма не всегда оправданно и надежно, а иногда и спорно с моральной точки зрения. Страдает точность определения, да и изменения на микроуровне с помощью канареек не отследишь.

Здесь на помощь человеку пришла техника. Созданы многочисленные устройства, которые способны реагировать на те или иные изменения определенных параметров окружающей среды. Развитие микроэлектроники сделало возможным соединение биологического и технического подхода.

Порождение этого союза — появление особого вида миниатюрных сигнальных устройств — биосенсоров. Это техническая аналитическая система, центральной частью которой являются биологические объекты — начиная от ферментов и заканчивая клеточными культурами или тканями. Например, в лаборатории генной инженерии НИИ физико-химической медицины Росздрава российские учёные удалось сконструировали биосенсор с бактерией Helicobacter pylori, по которой на ранней стадии по изменению среды желудка выявляют раковую опухоль.

Использование органики — это готовое решение, так как клетки являются живыми детекторами определенных молекул. Они опознают присутствие, а техническая периферия фиксирует возникшую реакцию и позволяет трансформировать изменение параметров среды в понятный для человека оптический или электрический сигнал.

Большинство биосенсоров первоначально создавалось для анализа биологических жидкостей. И это понятно, так как к электрохимическим реакциям такого рода живые клетки и приспособлены. Наибольшее развитие получили ферментные и клеточные биосенсоры.

Принципиальная схема биосенсора включает в себя биоселектирующую мембрану (ферменты, рецепторы, нуклеиновые кислоты, антитела, клетки, бактерии) и трансдьюсер, который преобразует сигнал в электрический. В роли трансдьюсера могут выступать преобразователи на различных принципах — от оптических до гравитационных. Различные мембраны могут комбинироваться с разными трансдьюсерами, что и позволяет создавать различные типы сенсоров. Также монтируются микросистемы считывания и записи информации.

Создание таких устройств стало возможным благодаря работам на стыке научных областей, где и происходят сейчас наиболее значительные открытия. На потенциально громадном мировом рынке биосенсоров, который сейчас оценивается примерно в 15 миллиардов долларов, используются и комбинируются наработки самых различных научных отраслей — от биологии до электроники.

Первая волна устройств — диагностические системы на основе биосенсоров и биочипов. Созданы устройства отслеживающие содержание кислорода, водорода показателя, бактерий и нескольких других физико-химических параметров среды для применения экспресс-тестах различных биологических образцов, например, мочи, крови. Но логичным видится следующий шаг, который на практике реализует заложенный в самой идее потенциал воздействия на точечные объекты.

Биосенсоры могут не только фиксировать, но и влиять, выступать инструментом вмешательства и корректировки процессов, идущих на микроуровне. Разработаны подключаемые к нейронам сенсоры не только регистрирующие электрическую активность мозга, но способные к раздражению нейроном микроимпульсами, что влияет на поведение нейрона, группы нервных клеток и, соответственно, обладателя этой нервной системы. Такие возможности вызывают особый интерес и нетрудно прогнозировать рост объема инвестиций в исследования и НИОКР.

И даже компьютеры могут быть сделаны из живых клеток — реальная перспектива на ближайшие годы. Сразу две группы ученых из США распортуют о создании биологических аналогов транзистора. В Стэнфордском университете сконструирован биологический прото-транзистор из белков, который контролирует движение РНК-полимеразы по ДНК. Он работает как переключатель, регулируя приток этого фермента и, следовательно, плотность полимеразного потока. Еще одно достижение — это схема с использованием ряда биотранзисторов, которая способна выполнять определенные вычисления. Подобные разработки принадлежат Массачусетскому технологическому институту.

Читайте также: Робот-малютка: сделал дело — растворись!

В этом случае человечество сможет не только экспериментировать со своим здоровьем под присмотром ДНК-компьютеров, но и создавать живые здания, которые могут самостоятельно собираться в определенной последовательности. Учёные уже додумались до «умной пыли» — сети, состоящей из тысяч наносенсоров, способных анализировать окружающую среду и передавать друг другу информацию.

Читайте самое интересное в рубрике «Наука и техника»

Инновационный биосенсор стимулирует потоотделение у расслабленного пациента

Носимые сенсоры, осуществляющие мониторинг состояния человека по его поту, в последнее время всё больше интересуют исследователей. Они уверяют, что небольшие устройства смогут молниеносно определять молекулярный состав пота, а данные анализа будут отправляться, например, на смартфон. Таким образом, пользователь и доктор получат информацию о состоянии здоровья пациента за считанные минуты.

Но есть очевидная проблема: сенсоры работают за счёт пота, следовательно, такие устройства могут использоваться либо,например, спортсменами, либо в ситуациях, требующих физических нагрузок. Иными словами, практическое использование подобных сенсоров довольно ограничено.

Теперь же команда исследователей из Университета Цинциннати в США (UC) решила эту проблему, разработав устройство размером с лейкопластырь, которое стимулирует работу потовых желез организма лишь на небольшом участке кожи.

Огромное разнообразие ключевых химических веществ теперь можно отслеживать при помощи пота человека. Так, люди, страдающие диабетом, смогут контролировать уровень глюкозы в крови.

Устройство, разработанное в UC, отличается от аналогов тем, что позволяет биосенсору измерять выделение гормонов и химических веществ даже у расслабленного человека.

По словам профессора UC Джейсона Хайкенфельда (Jason Heikenfeld), люди долгое время не уделяли должного внимания поту, из-за того его, грубо говоря, не всегда можно получить. Хотя он является высококачественной жидкостью для выявления биомаркеров, добавляет он. «Наша цель заключается в разработке методов стимулирования пота, когда это необходимо», — отмечает профессор.

Специалисты разработали несколько методов стимуляции потоотделения на локальном участке кожи. Первоначальные исследования показали, что гель, содержащий соединение карбахол (используется в глазных каплях), успешно стимулирует выделение пота. Затем была разработан особая подушечка для того, чтобы обеспечить наилучший контакт между биосенсором и кожей.

И наконец, команда использовала процесс под названием ионофорез, который позволяет ввести небольшое количество карбахола в верхний слой кожи. Для этого на нужный участок кожи подаётся слабый незаметный для человека электрический ток. Исследователи говорят, что все эти ухищрения помогают сенсору, который изучает состав пота, успешно работать на протяжении нескольких дней ношения девайса.

Подобная разработка поможет сделать такие носимые биосенсоры широко используемыми, считают авторы научного исследования. Наиболее интересная особенность таких гаджетов – способность фиксировать малейшие изменения содержания некоторых химических веществ или гормонов в разные периоды времени. Причём подобные девайсы, анализирующие пот, будут выгодно отличаться от анализа крови.

«Если вы сделали забор крови, то получили лишь один результат наблюдения. Но чаще всего врачам хотелось бы знать, уменьшается или увеличивается концентрация определённых веществ с течением времени», — говорит Хайкенфельд.

Результаты исследования и описание разработки опубликовано в научном издании Lab on a Chip.

Ранее проект «Вести.Наука» рассказывал об электронной татуировке, которая будет питаться от человеческого пота. К слову, недавно учёные выяснили, что счастье действительно пахнет: через пот могут передаваться позитивные эмоции.

Биосенсоры (ч. 4) — vechnayamolodost.ru

Современные исследовательские тенденции, будущие задачи и ограничения технологии биосенсоров

Окончание. Начало статьи – здесь.

Интегрированные стратегии с использованием множества технологий, начиная от электрохимических, электромеханических и флюоресцентно-оптических биосенсоров и заканчивая генетически модифицированными микроорганизмами, являются современными методами разработки биосенсоров (таблица 1). Некоторые из этих биосенсоров имеют обширные перспективы применения для применения в диагностике заболеваний и медицине в целом (таблица 2). Потребности в использовании биосенсоров для быстрого экономически целесообразного анализа требуют биопроизводства, что позволит регистрировать биологическую активность на разных уровнях, начиная от клеточного из заканчивая уровнем живого организма, с высокой точностью и пределом чувствительности, стремящимся к отдельным молекулам. Помимо этого биосенсоры должны функционировать в сложных условиях. В данной ситуации требуется как двухмерное, так и трехмерное выявление с использованием сложных преобразователей для индентификации и количественной оценки исследуемых аналитов. В данном отношении было сделано несколько знаковых открытий в области контактного и бесконтактного структурирования на разных уровнях. Целью следующего уровня разработки должно быть создание более стабильных регенерирующих биосенсоров для длительного использования. Если это произойдет, появиться возможность создания новых диагностических биосенсоров, которые помогут врачам и пациентам в давнем стремлении к более интегративному пониманию механизмов развития болезней и эффектов терапии. С этой точки зрения, биосенсор на основе резонансного переноса энергии флуоресценции предоставляет возможность проведения превосходной диагностической процедуры по оценке эффективности терапии иматинибом по поводу хронической миелоидной лейкемии. Современное использование аптамеров, аффител, пептидных матриц и полимеров с молекулярными отпечатками представляет собой классические примеры проспективных исследовательских подходов в данной области. Определенные успехи также достигнуты с рядом потенциальных молекул для доставки новых лекарственных препаратов, в том числе антибиотиков. Разработки в данной сфере привелик появлению электрохимических биосенсоров, являющихся надежными аналитическими устройствами для выявления вируса-возбудителя так называемого птичьего гриппа в сложных средах. Более поздние публикации описывают потенциальное применение основанных на афинности биосенсоров в спортивной медицине и допинг-контроле. Также не так давно были подробно проанализированы возможности применения нательных электрохимических биосенсоров для неинвазивного скрининга электролитов и метаболитов в жидких средах организма в режиме реального времени для оценки состояния здоровья человека. Еще одним интересным направлением применения является оценка качества мясной и рыбной продукции с помощью гипоксантиновых биосенсоров. Разработка биосенсоров для выявления агентов биологического оружия, таких как бактерии, вирусы и токсины, производится с использованием различных технологий, в том числе электрохимической, нуклеиновых кислот, оптической и пьезоэлектрической, что позволит активно применять их не только в военной сфере и здравоохранении, но в области обороны и безопасности. В целом можно сказать, что комбинирование наноматериалов и полимеров с различными типами биосенсоров позволит разрабатывать гибридные устройства для эффективного использования в перечисленных выше отраслях. Помимо этого, научные достижения в области разработки микробных биосенсоров с использованием технологии синтетической биологии внесут большой вклад в мониторинг окружающей среды. Авторы данной статьи особенно подчеркивают важность использования микробиологических топливных элементов в разработке методов очистки и в качестве источника энергии для сенсоров, применяемых в мониторинге окружающей среды. В более широком смысле, авторы описывают различные типы биосенсоров, потенциальные возможности их применения и характеристики, такие как способность регистрировать аналит, время анализа, портативность, стоимость и адаптируемость (таблица 3).

Таблица 1. Список биосенсоров, принципов их работы и областей применения

№	*Тип*	*Принцип*	*Области применения*
1	Биосенсоры на основе электродов с иммобилизованной глюкозооксидазой	Электрохимия с использованием окисления глюкозы	Анализ уровня глюкозы в биологических образцах
2	HbA1c биосенсор	Электрохимия с использованием ферроценбороновой кислоты	Надежный аналитический метод для анализа гликированного гемоглобина
3	Биосенсор мочевой кислоты	Электрохимия	Для выявления клинический аномалий или заболеваний
4	Биосенсоры на основе ингибирования ацетилхолинестеразы	Электрохимия	Анализ влияния пестицидов
5	Пьезоэлектронные биосенсоры	Электрохимия	Выявления органофосфатов и карбаматов
6	Микротехнологические биосенсоры	Оптические/визуальные биосенсоры с использованием фермента цитохрома Р450	Для разработки лекарственных препаратов
7	Биосенсоры на основе гидрогеля (полиакриламида)	Оптические/визуальные биосенсоры	Иммобилизация биомолекул
8	Биосенсоры на основе оксида кремния	Оптические/визуальные/флуоресцентные	Биовизуализация, биосенсорное обнаружение и терапия рака
9	Биосенсоры на кристаллах кварца	Электромагнитные	Для разработки ультравысокочувствительных методов выявления белков в жидкостях
10	Биосенсоры на основе наноматериалов	Электрохимические или оптические/визуальные/флуоресцентные	Для разнообразных областей применения, в том числе биомедицины, например, в качестве инструментов для диагностики
11	Генетически закодированные или меченые флуоресцентным агентом биосенсоры	Флуоресценция	Для изучения биологических процессов, в том числе различных внутриклеточных молекулярных систем
12	Биосенсоры на основе микробиологических топливных элементов	Оптические	Для мониторинга биохимической потребности в кислороде и токсичности в окружающей среде, а также токсичности тяжелых металлов и пестицидов

Таблица 2. Применение биосенсоров в диагностике заболеваний

№	*Биосенсоры*	*Диагностика заболеваний или применение в* медицине
1	Биосенсоры на основе электродов с иммобилизованной глюкозооксидазой и HbA1c биосенсор	Сахарный диабет
2	Биосенсор мочевой кислоты	Диагностика сердечно-сосудистых заболеваний и заболеваний общего профиля
3	Микротехнологические биосенсоры	Коррекция зрения
4	Биосенсоры на основе гидрогеля (полиакриламида)	Регенеративная медицина
5	Биосенсоры на основе оксида кремния	Разработка и применение иомаркеров рака
6	Биосенсоры на основе наноматериалов	Для терапевтического применения

Таблица 3. Типы биосенсоров, области их применения и характеристики

№	*Тип биосенсора*	*Области применения*	*Характеристики*
№	*Тип биосенсора*	*Области применения*	*Выявление аналитов: единичных (S) или множественных (M)*	*Режим реального времени () и чувствительность ()*	*Портативность (да/нет)*	*Стоимость ($$$$) и возможность адаптации ()**
1	Электрохимический (традиционный/старый)	Диагностика заболеваний	S	Нет и *	Нет	$ и *
2	Электрохимический с применением микротехнологии (современный)	Диагностика заболеваний и мониторинг состояния окружающей среды	S & M	* и	Да	$$ и ***
3	Оптический/визуальный/флуоресцентный	Разработка лекарственных препаратов, биовизуализация и биосенсорные исследования	S	* и *	Нет	$$$ и ***
4	Оптический/визуальный/флуоресцентный с использованием биопроизводства	Разработка лекарственных препаратов, биовизуализация и биосенсорные исследования	M	* и *	Нет	$$$$ и ***
5	Микробный	Производство энергии и изучения состояния окружающей среды	S	* и **	Да	$$ и **
6	Электромагнитный	Биология белков	S	и	Нет	$ и *

Разработка биосенсоров преимущественно направлена на обеспечение чувствительности, специфичности, отсутствие токсичности, возможности выявления малых молекул и экономической эффективности. Эти характеристики в конечном итоге позволят достичь требуемых критических параметров и устранить основные ограничения биосенсорной технологии. Некоторые достижения, как это видно по комбинированию электрохимических сенсоров с наноматериалами, приводят к появлению новых типов биосенсоров. С данной точки зрения следует отметить изобретение «электронной кожи», заключающейся в нанесении на поверхность кожи в виде временной татуировки электрохимических биосенсоров для определения содержания в организме химических соединений. В целом более эффективное комбинирование биосенсорного исследования и биопроизводства с методами синтетической биологии, основанное на использовании электрохимических, оптических или биоэлектронных принципов или их комбинации, является ключом к успешной разработки мощных биосенсоров для современной жизни.

Ссылки на источники см. в оригинале статьи.

Портал «Вечная молодость» http://vechnayamolodost.ru

биосенсоров и ваше здоровье | Новости здравоохранения NIH

июль 2017

Распечатать этот номер

Что ваше тело пытается вам сказать?

Ваше тело предупреждает вас о многих аспектах вашего здоровья. Урчание в животе подсказывает, когда поесть Сильный зевок дает понять, что вы устали. Ваше тело излучает множество других ценных сигналов, но для их обнаружения необходимы технологии.Ученые ищут новые способы отслеживать и использовать сигналы вашего тела для улучшения вашего здоровья и борьбы с болезнями.

Трекеры физической активности и счетчики шагов теперь помогают людям развивать и поддерживать здоровые привычки. Эти устройства также открыли людям двери для участия в медицинских исследованиях. Теперь исследователи разрабатывают более совершенные устройства, называемые биосенсорами, которые измеряют биологические, химические и физические признаки здоровья.

«Разнообразие биосенсоров, используемых исследователями, клиницистами и людьми из всех слоев общества, растет», — говорит д-р.Шейла Селимович, эксперт по биосенсорам в NIH. «Некоторые ускоряют результаты анализов, поэтому лечение можно начинать быстро. Другие обеспечивают преимущества постоянного наблюдения за состоянием здоровья. [Биосенсоры] функционируют удивительным образом. [Они используют] химическое притяжение, электрические токи, системы обнаружения света и компактные технологии беспроводного обнаружения ».

Ртутный термометр — одна из первых биосенсорных технологий, используемых в медицине. В современных термометрах ртуть заменена более безопасными термочувствительными датчиками.Но цель все та же: обнаруживать изменения температуры тела.

Другой распространенный биосенсор, используемый дома, — это тест на беременность. В домашних тестах на беременность используются меняющие цвет полоски для определения гормонов беременности — веществ, вырабатываемых в одной части тела, чтобы сигнализировать о том, что другая часть отреагирует определенным образом. в моче. Тесты на беременность по-прежнему делают в кабинетах врачей. Но домашний тест стал надежной альтернативой, так как он был впервые представлен более 40 лет назад.

Быстрый стрептококковый тест — еще один широко используемый биосенсор.Если у вас болит горло, ваш врач может использовать его для анализа на бактерии, называемые стрептококками. Быстрый стрептококковый тест может предоставить результаты мазка из задней стенки глотки за несколько минут с точностью 95%. Ваш врач может отправить мазок из горла в лабораторию для подтверждения положительного результата теста. Но они могут использовать результаты экспресс-тестов, чтобы немедленно начать лечение.

В тех частях мира, где общественное здравоохранение недоступно, исследователи надеются внедрить экспресс-тесты для людей, живущих в отдаленных регионах, на наличие таких инфекций, как грипп, ВИЧ и гепатит С.Новые биосенсорные технологии теперь можно комбинировать с камерами смартфонов и беспроводной передачей сигналов. Эти достижения делают тесты здоровья более портативными и доступными, чем лабораторное оборудование.

Биосенсоры также можно использовать для постоянного контроля состояния здоровья. Мониторы кислорода в крови теперь можно найти в больницах и на дому у пациентов. Эти устройства обнаруживают изменения уровня кислорода в кровотоке. Быстрое падение кислорода может вызвать травму головного мозга и требует быстрой медицинской помощи.Мониторы кислорода в крови идеально подходят для людей с заболеваниями легких и сердца, для тех, кто проходит анестезию, а также для тех, кто проходит интенсивную, неонатальную или неотложную помощь. Другие биосенсоры можно использовать для постоянного контроля уровня сахара в крови (для контроля диабета), артериального давления или частоты сердечных сокращений.

Гибкие датчики делают возможным еще больше видов мониторинга. Команда инженеров под руководством доктора Патрика Мерсье и доктора Джозефа Ванга из Калифорнийского университета в Сан-Диего разрабатывает гибкий датчик, измеряющий уровень алкоголя в крови.Похоже на временную татуировку. Датчик выделяет на кожу химическое вещество, способствующее потоотделению, и обнаруживает алкоголь в поте. Затем датчик отправляет информацию по беспроводной сети на ноутбук или мобильное устройство. Аналогичные устройства разрабатываются другими группами для мониторинга муковисцидоза и других заболеваний и состояний.

В Университете Миннесоты группа исследователей во главе с доктором Майклом Макалпайном разработала гибкие, растягиваемые и чувствительные чернила для датчиков трехмерной печати.Эти датчики можно использовать для обнаружения движений человека, например, сгибания пальца. Их можно напечатать прямо на коже и использовать для обнаружения телесных сигналов, например пульса. Они также могут обнаруживать химические вещества в окружающей среде и использоваться для предупреждения об опасностях.

NIH также поддерживает исследования по использованию датчиков для сбора данных об окружающей среде и других факторах, связанных с детской астмой. Эти сенсорные системы отслеживают то, чему подвергаются дети, и реакции их тела. Например, доктор Чжэнью Ли, инженер-биомедик из Университета Джорджа Вашингтона, разрабатывает датчик, который можно носить на запястье ребенка, чтобы определять формальдегид — загрязнитель воздуха, который может вызвать астму.

«У исследователей в настоящий момент нет инструментов, которые могли бы отслеживать триггеры окружающей среды, физиологические реакции и поведение, не прерывая нормальной деятельности», — говорит Ли. Он объясняет, что существует много разных триггеров астмы. Он рассчитывает получить прототип носимого датчика, который он и его партнеры по клинической практике смогут начать тестирование на пациентах. Он также работает над устройством, которое можно разместить в доме ребенка, чтобы обнаруживать различные загрязнители воздуха, такие как табачный дым и некоторые изделия из дерева, такие как полы и мебель.

Биосенсоры также можно разместить внутри вашего тела. Доктор Натали Вишневски, биомедицинский инженер в компании по производству медицинского оборудования Profusa в Сан-Франциско, разрабатывает миниатюрные сенсоры, которые можно вводить под кожу. Эти датчики автоматически отслеживают химические вещества в вашем теле без забора крови. Они непрерывно просматривают сразу несколько факторов. Обычно вам нужно оставаться в больнице, чтобы постоянно контролировать химический состав вашего тела. С помощью этой технологии информация о химических веществах в вашем теле может быть доступна круглосуточно из любого места.

После размещения под кожей такие биосенсоры могут прослужить от месяцев до лет. Они могут контролировать различные функции организма посредством химических изменений. Всю эту информацию можно собрать в приложении для мобильного телефона и поделиться с вашим врачом, опекуном или кем-либо еще по вашему выбору.

«Датчики здоровья могут значительно улучшить методы нашей медицинской практики и сместить акцент с реактивного лечения на профилактическое обслуживание», — объясняет Вишневски.

Биосенсоры быстро становятся частью нашей повседневной медицинской помощи.Новые сенсорные технологии открывают возможности для улучшения здоровья. Исследователи работают над созданием биосенсоров завтрашнего дня. Они могут обеспечить доступ к лучшему здоровью способами, которые мы еще не можем себе представить.

определение биосенсора по The Free Dictionary

Улучшения в обнаружении биосенсоров, таких как cTns, в крови требуют усовершенствования конструкции биосенсора ». (ANI) ЧЕТВЕРГ, 24 мая 2018 г. (Новости HealthDay) — Микробиоэлектронное устройство (IMBED) может быть использовано для Биомолекулярное обнаружение in situ на основе экологически устойчивых биосенсорных бактерий и люминесцентной считывающей электроники, согласно исследованию, опубликованному в выпуске журнала Science от 25 мая.Альтернатива высокочувствительного, быстрого и портативного ферментативного биосенсора также дорога из-за стоимости чистой уриказы (Attala et al., 2009). Биосенсор использует биологические и химические компоненты для обнаружения присутствия целевых веществ, таких как бактерии или Два биосенсора демонстрируют разное поведение в зависимости от стандартных добавлений раствора глюкозы: в частности, после каждого добавления аналита установившийся ток для биосенсора на основе поли (2,2 ‘-BT), а не основанный на поли (4,4’-bBT).Помимо своей генетической роли, ДНК представляет собой один из наиболее важных и интеллектуальных самособирающихся наноматериалов, широко используемых в нанотехнологиях ДНК и биосенсорных технологиях [1]. Биосенсор должен обеспечивать малый форм-фактор, портативность и возможность работы в режиме реального времени и точный анализ человеческих клеток [2]. Изготовление полоски электрохимического биосенсора SPCE. M2 PHARMA — 8 декабря 2017 г. — VitalConnect получил пятый допуск FDA США для устройства для мониторинга состояния пациента, носимого биосенсора VitalPatch M2 EQUITYBITES — 8 декабря 2017 г. — VitalConnect получил пятый приз в США. Разрешение FDA для устройства мониторинга пациента, носимого биосенсора VitalPatch Чтобы преодолеть одноцелевое действие датчика и количество обнаруженных целевых молекул за определенное время, рассматривается биосенсор с тремя нанополостями.Недавно нанопроволоки, нанотрубки и наносферы в качестве доноров электрических откликов были изучены для получения минимизированных наноструктур в области биосенсоров. Наноразмерные биосенсорные устройства могут поддерживать приложения in vivo, высокую чувствительность и низкий предел концентрации обнаружения [8].

Топ-17 стартапов, создающих медицинские биосенсоры

Обновлено: 5 ноября 2020 г.

Носимые медицинские биосенсоры позволяют отслеживать параметры здоровья тела в режиме реального времени и включают ферментные, тканевые, иммуносенсоры, ДНК-биосенсоры, тепловые и пьезоэлектрические биосенсоры.

Страна: Израиль | Финансирование: 145 миллионов долларов
EarlySense разрабатывает технологию обработки сигналов, предлагает EverOn, бесконтактную систему наблюдения за пациентами на ранней стадии.

Страна: США | Финансирование: 104,1 млн долларов
Endotronix разрабатывает миниатюрные, беспроводные и имплантируемые датчики давления, имплантируемые в рамках интервенционных сердечно-сосудистых процедур.

Страна: США | Финансирование: 86 долларов США.7M
Носимый биосенсор для беспроводного больничного и удаленного мониторинга пациентов

Страна: США | Финансирование: 80,9 млн долларов
Миссия Profusa — сделать химию нашего тела легко доступной для улучшения здоровья и благополучия. Мы стремимся стать лидером в разработке биосенсоров реального времени, которые обеспечивают беспрецедентное понимание нашего общего состояния здоровья.

Страна: США | Финансирование: 43 $.7M
InfoBionic разрабатывает MoMe System, платформу для мониторинга пациентов, которая позволяет врачам точно диагностировать и лечить пациентов.

Страна: США | Финансирование: 35 миллионов долларов
Ceribell сосредоточена на обеспечении широкого доступа, повышения эффективности и рентабельности электроэнцефалографии (ЭЭГ)

Страна: USA | Финансирование: 30,8 млн долл.
G Medical Innovations разрабатывает и продает решения для мониторинга состояния здоровья медицинского уровня на

Страна: США | Финансирование: 22 миллиона долларов
Glympse Bio, стартап, который создает биоинженерные датчики in vivo для выявления заболеваний.Glympse Bio разрабатывает новую мощную парадигму диагностики, позволяющую осуществлять неинвазивный и прогностический мониторинг множества заболеваний человека.

Страна: Израиль | Финансирование: $ 20 млн.
Sensible Medical разрабатывает точную, абсолютную и действенную систему измерения легочной жидкости для пациентов с сердечной недостаточностью

Страна: Швейцария | Финансирование: CHF10M
Aktiia производит браслеты для непрерывного мониторинга артериального давления

Объявление

Рекламируйте свой стартап

Страна: Франция | Финансирование: $ 12.8M
FeetMe — это стартап, специализирующийся на разработке подключаемых стелек.

Страна: США | Финансирование: 11,7 млн долларов
Основное устройство платформы мониторинга Current — это одобренное FDA устройство для ношения на плече, которое отслеживает температуру кожи, частоту пульса, сатурацию кислорода, движения и другие показатели. Он использует ИИ для точного раннего предупреждения.

Страна: США | Финансирование: 11 миллионов долларов
Peerbridge Health разрабатывает новое поколение носимых беспроводных технологий мониторинга жизненно важных функций.

Страна: США | Финансирование: 3,6 миллиона долларов
Siren Care создает нейроткани; Первый продукт — носки Siren Diabetic Socks, которые помогают людям, живущим с диабетом, предотвращать ампутации.

Страна: Канада
Sensassure стремится обеспечить ориентированный на человека уход за пожилыми людьми, способствуя более здоровой, счастливой и достойной жизни.