Біосе́нсор (від — життя і — відчуття) або біодатчик — аналітичний пристрій, призначений для виявлення, кількісного визначення та аналізу специфічних біологічних речовин, які часто називають аналітами, у складних зразках. Біосенсор вимірює біологічні або хімічні реакції шляхом генерування сигналів, пропорційних концентрації аналіту в реакції.
Біосенсор працює за принципом використання елемента біологічного розпізнавання в поєднанні з датчиком для генерації вимірюваних сигналів, що відповідають присутності та концентрації цільового аналіту. Це поєднання біологічних компонентів із передовими технологіями датчиків дозволяє біосенсорам запропонувати швидкі, чутливі та специфічні можливості виявлення в різних областях. Ключові компоненти біосенсора складаються з елемента біологічного розпізнавання та перетворювача. Елемент біологічного розпізнавання, також відомий як біорецептор, відповідає за вибіркову взаємодію з цільовим аналітом. Біорецептори можуть включати ферменти, антитіла, нуклеїнові кислоти, клітини або біоміметичні матеріали, кожен з яких має високий ступінь специфічності та спорідненості до відповідних аналітів. Датчик, з іншого боку, перетворює взаємодію біорецептор-аналіт у вимірюваний сигнал. Використовуються різні механізми трансдукції, такі як електрохімічні, оптичні, п’єзоелектричні, термічні, які перетворюють біохімічні реакції в електричні, оптичні чи фізичні сигнали. Потім ці сигнали обробляються та інтерпретуються для отримання кількісної або якісної інформації про досліджуваний аналіт.
Біосенсори знаходять широке застосування в багатьох областях, включаючи охорону здоров’я, моніторинг навколишнього середовища, сільське господарство, безпеку харчових продуктів і біотехнології. В охороні здоров’я вони відіграють вирішальну роль у медичній діагностиці, постійному моніторингу біомаркерів і системах доставки ліків. Додатки моніторингу навколишнього середовища передбачають виявлення забруднювачів, хвороботворних мікроорганізмів та інших забруднень у повітрі, воді та ґрунті, сприяючи екологічній стійкості та здоров’ю населення. У сфері безпеки харчових продуктів біосенсори допомагають виявляти алергени, патогени та маркери псування, забезпечуючи якість і безпеку харчових продуктів.
В еволюції біосенсорів відбувся значний прогрес, зокрема мініатюризація, що призвело до портативних біосенсорних пристроїв, які можна носити. Інтеграція зі штучним інтелектом та Інтернетом речей (IoT) дозволила аналізувати дані та приймати рішення в режимі реального часу, підвищуючи точність і зв’язок мереж біосенсорів. Однак біосенсори також стикаються з проблемами та обмеженнями. До них належать стабільність і довговічність біологічних елементів, стандартизація, відтворюваність, економічна ефективність, етичні міркування та нормативні рамки, що регулюють їх розробку й використання, та конфіденційність даних. Біосенсори являють собою ключову технологію, яка революціонізує аналітичні методи виявлення, і тривають дослідження, спрямовані на розширення їх можливостей.
Історія Ранні розробки Виникнення біосенсорів сходить до ранніх концепцій використання біологічних систем для аналітичних цілей. Ідея використання біологічних елементів для виявлення конкретних речовин виникла, коли вчені шукали інноваційні методи для точних і ефективних вимірювань. Ранні розробки наприкінці 1950-х і на початку 1960-х років заклали основу для створення біосенсорів.
В 1950-х роках описав аналітичне застосування винайденого ним кисневого електрода, який у подальшому стали називати «електродом Кларка». Він призначався для вимірювання вмісту кисню в рідких і газових середовищах, зокрема в крові і тканинах організма.
Переломний момент в історії біосенсорів стався в 1962 році, коли Леланд Кларк і Чемп Лайонс розробили перший біосенсор на основі ферментів. Свої напрацювання Леланд Кларк спільно з Чампом Ліонсом опублікували 1962 року в статті «Електродні системи для безперервного моніторингу в серцево-судинній хірургії». Ця новаторська робота представила концепцію використання ферментів як елементів біологічного розпізнавання, поєднаних з електродами для виявлення та кількісного визначення аналітів. Робота Кларка та Лайонса заклала основу для подальшого прогресу в технології біосенсорів, продемонструвавши можливість проведення ферментативних реакцій для аналітичних цілей. У 1962 році Кларк виступив в Академії наук США, де повідомив результати експериментів, а також плани на майбутнє, пов'язані з можливістю аналізу складу біологічних рідин. Він розповів як можливо зробити електрохімічні сенсори (pH, полярографічні, потенціометричні або кондуктометричні електроди) більш «розумними», поєднуючи їх з ферментами. Вчений продемонстрував експеримент, у якому на електроді була іммобілізована глюкозооксидаза. Глюкоза окиснюється ферментом, процес супроводжувався споживанням кисню. Зниження концентрації кисню було пропорційно концентрації глюкози.
Термін «ферментний електрод», який спочатку використовувався для опису першого біосенсора на основі ферментів був прийнятий Апдайком і Хіксом для опису подібного пристрою в 1967 році. Гільбо і Монтальво використовували скляні електроди, поєднані з уреазою, для вимірювання концентрації сечовини за допомогою потенціометричного вимірювання замість амперометричного методу.
В електрохімічному співтоваристві в той період дослідження іонних іонселективних електродів були дуже активними, і ідея розширення діапазону датчиків до неелектрохімічних активних сполук була широко прийнята, навіть для неіоногенних речовин, таких як глюкоза. Відтоді було досягнуто великих успіхів у розробці високочутливих та селективних біосенсорних пристроїв, де біологічні елементи поєднуються з електрохімічними сенсорами. Деякі з них перераховані нижче:
У 1976 році командою Клемена була розроблена «штучна підшлункова залоза біля ліжка», яка включала електрохімічний біосенсор глюкози. Незабаром після цього було вона почала продаватись компанією Miles (Elkhart) під назвою Biostator Glucose-Controlled Insulin Infusion System. У 1984 році Касс і його колеги опублікували наукову статтю, яка демонструє використання фероцену та його похідних як посередників для амперометричних біосенсорів. Через кілька років глюкометр Medisense Exac Tech був випущений на ринок і став найбільш продаваним біосенсором у світі. Початковим продуктом був лічильник у формі ручки з одноразовим надрукованим електродом. З 1999 року по теперішній час дослідження біосенсору призвели до розробки наноелектромеханічного біосенсора (BioNMES), квантових точок, наночастинок, нанокантилевера, нанодротин та нанотрубок.
Еволюція конструкцій біосенсорів
Сфера біосенсорів пережила швидку еволюцію від своїх рудиментарних форм до складних, мініатюрних систем. Ранні біосенсори переважно використовували ферментативні реакції та прості механізми перетворювача. Проте прогрес у матеріалознавстві, мікрофабрикаціях і біотехнологіях уможливив розробку більш складних і ефективних конструкцій біосенсорів. Удосконалення біосенсорної технології зосереджено на підвищенні чутливості, вибірковості та можливостей моніторингу в реальному часі. Це включало інновації в інженерії біорецепторів, розробку нових матеріалів перетворювачів і методи посилення сигналу. Ці вдосконалення призвели до створення біосенсорів, здатних виявляти аналіти в наднизьких концентраціях з винятковою специфічністю.
Постійне дослідження різноманітних методів трансдукції та інновацій у дизайні біорецепторів ознаменувало ключові моменти в історії біосенсорів, сприяючи еволюції цих пристроїв від стадії зародження до високопрогресивних і універсальних інструментів, які можна побачити сьогодні.
Будова Біосенсори поєднують в собі елементи біологічного розпізнавання (біорецептори) та перетворювачі, щоб розрізняти та кількісно визначати аналіти з точністю та специфічністю.
Елементи біологічного розпізнавання
Суть біосенсорів полягає в їх елементах біологічного розпізнавання, які надають цим аналітичним пристроям специфічність і вибірковість. Ці елементи, включаючи ферменти, антитіла, нуклеїнові кислоти, клітини, тканини та полімери з молекулярним імпринтом, забезпечують цілеспрямовану взаємодію з аналітами, закладаючи основу для точного виявлення та кількісного визначення в різноманітних застосуваннях.
Ферменти: ферментативні біосенсори використовують такі ферменти, як , ацетилхолінестераза, уреаза та інші. Ці елементи пропонують виняткову специфічність і каталітичну активність, розширюючи можливості застосування в біомедичних застосуваннях та клінічній діагностиці, моніторингу навколишнього середовища, сільському господарстві та оцінці якості харчових продуктів. Антитіла: такі біосенсори називають імуносенсори, і вони покладаються на моноклональні або поліклональні антитіла як елементи розпізнавання. Їх незрівнянна специфічність у розпізнаванні антигенів дає змогу діагностувати захворювання, стежити за навколишнім середовищем та перевіряти безпечність харчових продуктів. Нуклеїнові кислоти: використовуючи послідовності ДНК або РНК як елементи розпізнавання, біосенсори на основі нуклеїнових кислот використовують аптамери, або події гібридизації (Hybridization events) для цілеспрямованого виявлення аналітів. Вони найкращі в , ідентифікації патогенів та викристовуються для інших біомедичних застосувань, та в аналізі довкілля. Клітини та тканини: клітинні та тканинні біосенсори інтегрують живі клітини або тканини як елементи розпізнавання. Ці динамічні біосенсори пропонують відповіді в реальному часі на різні аналіти, служачи для оцінки токсичності, скринінгу ліків і моніторингу навколишнього середовища. (MIP): ці синтетичні полімери мають селективні сайти зв’язування, сформовані до конкретних цільових молекул, що відображають природні елементи розпізнавання. Біосенсори на основі MIP виявляють стабільність і специфічність, придатні для різних застосувань, включаючи хімічний і біологічний аналіз в медичній діагностиці та інших сферах.
Перетворювачі Перетворювачі служать перетворювачами біологічних взаємодій у вимірювані сигнали, що визначає ефективність і чутливість біосенсорних пристроїв.
Електрохімічні перетворювачі: різноманітні методи охоплюють цю категорію, перетворюючи біологічні реакції в електричні сигнали, або підсилюючи наявні електричні сигнали. Амперометричні біосенсори вимірюють зміни струму; потенціометричні біосенсори виявляють зміни потенціалів під час окисно-відновних реакцій. Спектроскопія імпедансу фіксує зміни в електричному імпедансі, пропонуючи високу чутливість. Оптичні перетворювачі: використовуючи зміни у властивостях світла внаслідок біологічних взаємодій, оптичні біосенсори включають методи поверхневого плазмонного резонансу (SPR), флуоресценції, люмінесценції та абсорбції. Ці високочутливі методи знаходять широке застосування в біомедичних дослідженнях і медичній діагностиці, та моніторингу навколишнього середовища. (див. також Нанофотоніка, ) П’єзоелектричні перетворювачі: вимірювання змін маси на поверхні датчика, і пристрої з поверхневими акустичними хвилями забезпечують високу чутливість і моніторинг у реальному часі. Вони знаходять застосування в різних галузях від медичної діагностики до аналізу навколишнього середовища. Термоперетворювачі: виявляючи теплові зміни в біохімічних реакціях, калориметричні біосенсори забезпечують чутливе виявлення без міток. Ці біосенсори є корисними для вивчення кінетики ферментів, зв’язування лігандів і молекулярних взаємодій. Механічні перетворювачі: ці перетворювачі вимірюють механічні зміни, спричинені біохімічними взаємодіями. Біосенсори на основі мікроконсольної балки (мікрокантилевера) та наномеханічні біосенсори пропонують високу чутливість, дозволяючи виявлення без міток і дослідження біомолекулярної взаємодії.