Биосенсор

Принцип работы большинства оптических биосенсоров основан на явлении поверхностного плазмонного резонанса. Этот эффект может достигаться за счёт облучения поверхности стеклянной пластики с тонким покрытием металлического золота, или другого благородного металла, пучком лазерного света определённой длины волны, за счёт чего при его частичной сорбции создаются электронные волны (поверхностные плазмоны). Как правило, эффект плазмонного резонанса наступает не только при определённой длине волны лазерного излучения, но и при конкретном значении величины угла падающего света и зависит физических характеристик поверхности металлической плёнки, к которой в результате реакции произошло присоединение аналита.

Сенсоры на основе поверхностного плазмонного резонанса представляют собой чип, который состоит из пластиковой кассеты, несущей стеклянную тарелку, одна сторона которой покрыта микроскопически-тонким слоем металлического золота и обладает способностью взаимодействовать с оптической частью электронного датчика прибора. Противоположная сторона тарелки стеклянного сенсора соединяется с жидкостной проточной системой прибора, в которую поступает проба, при этом растворенные в жидкости вещества пробы непосредственно контактируют с поверхностью тарелки. Поверхность противоположной стороны стеклянной тарелки, как правило, имеет полимерное покрытие. Зачастую в качестве такого полимерного покрытия выступает слой карбоксиметилдекстрана или другого химически аналогичного вещества.

Пучок света с фиксированной длиной волны, попадая на поверхность тарелки, отражается от покрытой золотом стороны стеклянного чипа под углом полного внутреннего отражения, и детектируется электронно-аппаратной частью прибора. При этом пучок света индуцирует исчезающую волну, которая проникает сквозь стеклянную тарелку, в раствор вблизи её поверхности.

Коэффициент преломления проточной стороны сенсорного чипа прямо влияет на поведение света, отражённого от покрытой золотом стороны. Связывание веществ с поверхностью проточной стороны чипа влияет на коэффициент преломления, что можно зарегистрировать оптической аппаратурой; таким образом биологические взаимодействия могут быть измерены с высоким уровнем чувствительности.

Другие биосенсоры на основе исчезающей волны были коммерциализированы с использованием волноводов, в которых константа распространения света через волновод изменяется при абсорбции молекул на поверхность волновода. Например, в двойной поляризационной интерферометрии используются два волновода, один из которых изолирован и является эталонным, а второй волновод непосредственно контактирует с исследуемым образцом. Сравнивая константы скорости распространения света в обоих волноводах, делают заключение о концентрации аналита.

Оптические биосенсоры основаны в основном на изменении в абсорбции или флуоресценции соответствующего индикаторного компонента и не нуждаются в полном внутреннем отражении. Например, разработан полностью функционирующий прототип прибора для определения казеина в молоке. Прибор основан на обнаружении изменений в абсорбции золотого слоя.[6] Широко используемый в молекулярной биологии исследовательский инструмент, ДНК-микрочип, может также считаться оптическим биосенсором.

Электрохимические биосенсоры обычно основаны на ферментативном катализе реакции, в которой освобождаются или поглощаются электроны (используемые ферменты принадлежат к классу оксидоредуктаз). Биосенсор обычно включает в себя три электрода: электрод сравнения, рабочий и вспомогательный. На поверхность рабочего электрода наносят биологический материал, который специфически вступает в реакцию с аналитом. Заряженные продукты реакции создают на рабочем электроде потенциал, который отнимается от потенциала на электроде сравнения для получения выходящего сигнала. Применяется также измерение силы тока (в этом случае интенсивность потока электронов пропорциональна концентрации аналита) при постоянном потенциале или потенциал можно измерять при нулевой силе тока (это даёт логарифмический отклик). Нужно отметить, что на потенциал электродов влияет заряд их окружения, что часто используется. Более того, возможно прямое электрическое определение небольших пептидов и белков по характерному для них заряду, используя биологически модифицированные ион-селективные полевые транзисторы (ИСПТ).[7]

В пьезоэлектрических сенсорах используются кристаллы, которые эластически деформируются при воздействии на них электрического потенциала. Переменный потенциал при определённой частоте вызывает стоячую волну в кристалле. Эта частота в значительной степени зависит от эластичных свойств кристалла, поэтому, если кристалл покрыт биологическим распознающим элементом, присоединение большого количества аналита к рецептору приведет к изменению резонансной частоты, что и служит сигналом о связывании.

Термические и магнитные биосенсоры практически не распространены. В качестве биологических датчиков могут применяться наноустройства с наноантеннами[8].