Ім'я файлу: Реферат біосенсори Молчанова.docx
Розширення: docx
Розмір: 31кб.
Дата: 01.06.2022
скачати
Пов'язані файли:
Реферат біосенсори Молчанова.docx

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАїНИ

КИЇВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ТЕХНОЛОГІЙ ТА ДИЗАЙНУ

Кафедра біотехнології, шкіри та хутра

КОНТРОЛЬНА РОБОТА

З дисципліни «Біосенсорні інтелектуальні системи»

Виконала студентка 5 курсу Молчанова К.В

Групи МГЗБТ-2021

Перевірив доц. Грецький І.О

Київ-2022

Зміст

1.Вступ……………………………………………………………………………..3

2.Сенсор для визначення засвоюваних цукрів………………………………….4

3.Сенсор спиртів…………………………………………………………………..5

4.Сенсор БПК……………………………………………….……………………..6

5.Сенсор оцтової кислоти……………...…………………………………...……7

6.Глюкозний сенсор…………………………………….………………..………8

7. Можливе використання біосенсорів, застосування біосенсорів в клінічній медицині ……………………………………………..………………………….9

8.Висновок……………………………………………………………………..10

9.Список використаної літератури…………………………………………….11

Вступ

Біосенсор - це пристрій, що включає біологічний чутливий елемент, тісно пов'язаний з перетворювачем або інтегрований з ним. Зазвичай біосенсор призначений для формування цифрового електричного сигналу, пропорційного концентрації певного хімічного з'єднання або ряду сполук. Сучасна концепція біосенсора значною мірою пов'язана з ідеями Ліланда Кларка-молодшого і співавторів, розвинутими в 1962р. Автори припустили, що якби ферменти можна було іммобілізувати на електрохімічних датчиках, то такі "ферментні електроди" розширили б діапазон аналітичних можливостей базового датчика. Послідувала потім грандіозна робота з нескінченними варіаціями цієї теми поступово розсунула горизонти цій галузі. Її нинішній стан в якійсь мірі характеризують перераховані нижче потенційні чутливі елементи і перетворювачі, які можна використовувати при конструюванні біосенсорів: біологічні компоненти (цілі організми, тканини, клітини, органели, ферменти і тд), перетворювачі (потенціометричні, Амперометричні, кондуктометричні, оптичні , калориметричні, механічні, акустичні, хімічні).

Розвиток біосенсорів обумовлено зусиллям дослідників в декількох напрямів. Значні перспективи е напрям досліджень - створення нових матеріалів для конструювання перетворювачів або більше ефективного зв'язку між компонентами сенсора. Рушійною силою в дослідженні сенсорів було яскраво виражене інстинктивне розуміння можливості їх широких практичних додатків. Ці дослідження стимулювалися перш за все потребами медицини. Можливість негайного аналізу клінічних препаратів, очевидно, однаково привертає і лікарів, і пацієнтів, хоча деякі національні служби охорони здоров'я відчувають труднощі з впровадженням цієї філософії. Більш привабливою є можливість безперервного in vivo моніторингу метаболітів, лікарських препаратів і білків за допомогою мініатюрних і портативних систем. Чудовим прикладом клінічного застосування є сенсор глюкози для хворих на діабет, що став класичним об'єктом досліджень в області біосенсорів.

Сенсор для визначення засвоюваних цукрів

При культивації мікроорганізмів на патоці цукрового очерету, що містить різні цукри, для контролю процесу бродіння важливе визначення сумарного вмісту засвоюваних Сахаров в середовищі. Так, при високій концентрації цукру спостерігається пригнічення катаболізму, що призводить до пригнічення росту клітин. Відновлені цукру і сахарозу в культуральних середовищах можна визначати ферріціанідним методом. Цей метод, однак, не цілком надійний, оскільки неусваіваемие цукру можуть заважати визначенню.

Засвоєння органічних сполук мікроорганізмами можна оцінювати по дихальної активності останніх, яку в свою чергу можна безпосередньо виміряти за допомогою кисневого електроду.

Для безперервного визначення загального вмісту засвоюваних Сахаров (глюкози, фруктози і сахарози) у бродильної середовищі сконструйований мікробний сенсор, що складається з іммобілізованих живих клітин. Загальний вміст засвоюваних Сахаров оцінювали за споживанням кисню іммобілізованими мікроорганізмами. Додавання аліквотної частини глюкози призводило до збільшення поглинання кисню в розчині. У результаті електродний струм поступово знижувався, поки не досягав деякого стаціонарного значення. Час відгуку сенсора становило 10 хв при вимірюванні стаціонарного струму і 1 хв в імпульсному режимі. Існує лінійна залежність між зменшенням струму і концентрацією глюкози (до 1 мМ), фруктози (до 1 мМ) і сахарози (до 0,8 мМ) відповідно. Чутливість мікробного сенсора до цих сахарам оцінюється співвідношенням 1,00: 0,80: 0,92. При використанні розчинів, що містять 0,8 мМ глюкози, відносне стандартне відхилення для величини зменшення струму становило 2%. Загальний вміст засвоюваних Сахаров розраховували, підсумовуючи значення аналітичних сигналів для відгуків на глюкозу, фруктозу і сахарозу, при цьому різниця істинних і розрахункових концентрацій не перевищувала 8%. Мікробний сенсор поміщали в бродильну середовище для отримання глутамінової кислоти, де він надійно працював понад 10 днів і витримав 960 вимірювань.

Сенсор спиртів

У бродильних виробництвах необхідно безперервно визначати концентрації метанолу і етанолу в культуральних середовищах. При використанні спиртів в якості джерела вуглецю для культивованих мікроорганізмів концентрація спиртів повинна підтримуватися на оптимальному рівні, щоб уникнути інгібування субстратом. Як відомо, спирти утилізуються багатьма мікроорганізмами, отже, такі мікроорганізми можна використовувати для конструювання спиртового сенсора [5].

Етанольних сенсор включає іммобілізовані Trichosporon brassicae і кисневий електрод. Спосіб іммобілізації клітин і конструкція електрода такі ж, як у глюкозно сенсорі.

Для вимірів цим сенсором в стаціонарних умовах потрібно багато часу, тому був використаний імпульсний метод, що забезпечує відгук протягом всього 6 хв. Лінійна залежність між зменшенням струму і концентрацією етанолу спостерігається в діапазоні концентрацій від 2 до 22,5 мг / л. Для проби з концентрацією етанолу 16,5 мг / л різницевий струмовий сигнал відтворюємо з відносною похибкою 6%. Стандартне відхилення склало 0,5 мг / л при кількості досвідів, рівному 40.

Сенсор не проявляє чутливості ні до летючих з'єднань, таким, як метанол, мурашина, оцтова та пропіонова кислоти, ні до нелетких речовин.

Мікробний етанольних сенсор використовували в дріжджових бродильних середовищах. Визначення концентрації етанолу в тих же пробах методом газової хроматографії дало результати, порівнянні з отриманими за допомогою мікробного сенсора: коефіцієнт кореляції становив 0,98 з кількості досвідів більше 20. У діапазоні концентрацій етанолу 5,5-22,3 мг / л вихідний струм сенсора залишався постійним більше трьох тижнів, протягом яких було проведено 2100 аналізів. Зараз цей сенсор випускається в Японії серійно.

Сенсор БПК

Біохімічне споживання кисню (БПК) - один з часто використовуваних показників забруднення органічними речовинами. Зазвичай визначення БПК вимагає п'ятиденної інкубації, тому необхідний експресний метод оцінки БПК, що дає більше відтворювані результати.

Насичений киснем фосфатний буферний розчин (0,01 М, рН 7) пропускали через проточну осередок зі швидкістю 1 мл / хв. Коли вимірюваний струм досягав стаціонарного значення, в клітинку вводили пробу зі швидкістю 0,2 мл / хв. Значення стаціонарного струму залежало від БПК аналізованого розчину. Потім струм поступово повертався до початкового рівня. Час відгуку сенсора (час, необхідний для досягнення стаціонарного струму) залежало від природи аналізованого розчину.

Лінійна залежність між різницею струмів (початкового і стаціонарного значень) і БПК, що визначається після п'ятиденної витримки в стандартному розчині глюкози і глютамінатом, спостерігалася до значення БПК 60 мг / л. Нижня межа визначуваних концентрацій становила 3 ​​мг / л. При аналізі розчину з БПК, рівним 40 мг / л, струм відтворювався з відносною похибкою +6% (число дослідів більше 10).

Розглянутий мікробний сенсор застосовували для оцінки п'ятиденного БПК необроблених стічних вод бродильного виробництва. П'ятиденна БПК стічних вод визначали також методом JIS (метод, рекомендований Japanese Industrial Standard Committee). Значення БПК, оцінені мікробним сенсором і визначені методом JIS, добре корелювали між собою. За допомогою даного сенсора оцінювали також БПК необроблених промислових стічних вод різних типів. Знайдено, що сигнал сенсора визначається сполуками, присутніми в стічних водах.

Сенсор оцтової кислоти

При вирощуванні мікроорганізмів на оцтової кислоти як джерелі вуглецю надлишок кислоти пригнічує їх ріст і, отже, її оптимальну концентрацію слід підтримувати за допомогою безперервного контролю в режимі "на лінії".

Пористу мембрану з іммобілізованими дріжджами закріплювали на поверхні тефлоновою мембрани кисневого електроду і покривали інший газопроникному тефлоновою мембраною. Таким чином, мікроорганізми містилися між двома пористими мембранами. Мікробна сенсорна система складалася з проточною осередку з водяною сорочкою, магнітної мішалки, перистальтичного насоса, автоматичного дозатора і самописця, що реєструє струм.

Принцип роботи цього сенсора аналогічний описаному вище. Оскільки ацетат-іони не можуть проходити через мембрану, рН проби підтримували істотно нижче рК оцтової кислоти (4,75 при 30 ° С). Що стосується вибірковості мікробного сенсора по відношенню до оцтової кислоти, то слід зазначити, що він не чутливий до таких летючим з'єднанням, як мурашина кислота і метанол, або нелетких компонентів живильного середовища, таким, як глюкоза або фосфат-іони. Tiichosporon brassicae можуть споживати пропионовую, н-бутанову кислоти і етанол, однак при ферментації ці речовини зазвичай відсутні або їх концентрація занадто мала, щоб заважати визначенню оцтової кислоти.

Для порівняння концентрацію оцтової кислоти в бродильної середовищі для виробництва глутамінової кислоти визначали описаним мікробним сенсором і методом газової хроматографії. Спостерігається гарну згоду результатів, отриманих двома методами: коефіцієнт кореляції дорівнює 1,04 для 26 дослідів. Вихідний сигнал сенсора (0,29-0,25 мкА) був постійний (з точністю до +10% від початкового значення) більше трьох тижнів, при цьому було виконано 1500 вимірів. Тепер цей мікробний сенсор випускається в Японії серійно.

Глюкозний сенсор

Для визначення глюкози запропонований мікробний сенсор, що складається з іммобілізованих цілих клітин Pseudomonas fluorescens і кисневого електрода. Сенсор поміщали в досліджуваний розчин, який під час вимірювань насичували киснем і перемішували магнітною мішалкою.

Сенсор проявляє слабку чутливість до фруктози, галактози, манозе, сахарозі і не чутливий до амінокислот. Тому вибірковість визначення глюкози за допомогою цього мікробного сенсора можна вважати цілком задовільною. При вимірах стаціонарного струму залежність між струмом і концентрацією глюкози лінійна до концентрації 20 мг / л, причому нижня межа визначуваних концентрацій глюкози становила 2 мг / л. При вмісті глюкози 10 мг / л значення струму відтворювалося з точністю +6%. Стандартне відхилення склало 6,5 мг / л при числі дослідів більше 20.

Мікробний глюкозний сенсор дозволяє визначати концентрацію глюкози в патоці із середньою відносною похибкою ± 10%. Для порівняння глюкозу визначали також ферментним методом; результати корелюють з отриманими електрохімічним методом.



Можливе використання біосенсорів, застосування біосенсорів в клінічній медицині

Біосенсор in vivo можна визначити як невеликий датчик зондового типу, який вводиться або прикріплюється до тіла для безперервного визначення (без додавання реагентів) концентрації речовин, що представляють інтерес для виявлення патології або терапії.

У літературі багато сенсори описують як потенційно імплантуються, однак, хоча вони нерідко являють собою значні наукові досягнення, їх автори приділяють мало уваги клінічного підтвердження можливості безперервного моніторингу концентрації того чи іншого речовини. Будь-який in vivo біосенсор (до тих пір, поки вони не стануть в цілому нешкідливі) представляє ризик для пацієнта або добровольця. Тому, вибираючи речовина для безперервного моніторингу, важливо встановити критерії відбору. На нашу думку, передусім це має бути речовина, концентрація якого змінюється так швидко (як, наприклад, у випадку глюкози в крові або артеріального тиску кисню, /> АО2), що звичайний аналіз in vitro не дозволяє адекватно стежити за ходом цієї зміни методу за хвилину. По-друге, зміни концентрації повинні мати фізіологічний або клінічне значення. Загальна мета розвитку in vivo біосенсорів в медицині полягає в тому, щоб поліпшити контроль стану пацієнтів, і, якщо виходити з наведених вище міркувань, в даний час основними компонентами, для яких має сенс безперервний моніторинг, є містяться в крові гази, рН, глюкоза і калій.

У майбутньому, можливо, будуть розроблені системи із замкнутим контуром, в яких за допомогою біосенсорів будуть безупинно контролюватися рівні вмісту різних лікарських речовин у крові, а швидкості їх надходження з подаючого насоса будуть регулюватися за допомогою зворотного зв'язку, що дозволить підтримувати їх концентрації у вузькому терапевтичному діапазоні. Значний інтерес представляють і незамкнуті системи для контрольованого введення декількох лікарських препаратів [38, 45].

За певних обставин імплантуються біосенсори можуть бути також корисні для періодичного аналітичного контролю. Теоретично мініатюрні сенсори повинні забезпечувати: доступ в строго обмежені області в організмі; можливість проведення вимірів у малих обсягах фізіологічних рідин (наприклад, інтерстиціальної рідини) без їх витрачання чи видалення; швидке отримання результатів. Можна припустити, що ці достоїнства сенсорів можна було б успішно використовувати, наприклад, в ході хірургічної операції, для виявлення певних речовин безпосередньо в тканини або в посудині з відсмоктується з неї кров'ю. Це дозволило б локалізувати пухлину, гарантувати правильність видалення і навіть встановити її біохімічну природу.



ВИСНОВОК

Комерційному майбутньому біосенсорів, передбачали, може загрожувати цілий ряд непередбачених ускладнень, у тому числі погані відгуки про товар, посилена конкуренція, відсутність потреби, технічні труднощі, законодавчі або патентні проблеми, поганий маркетинг або збут, поганий дизайн товару. Шлях до комерційного успіху біосенсора лежить через аналіз ринку, глибоке розуміння потенційних переваг, фінансову підтримку, всеосяжний маркетинг і збут, цілеспрямованість. За умови вдалих комерційних рішень потенціал цих приладів дійсно дуже великий. Однак комерційне просування біосенсорів - це область докладання зусиль не для тих, хто згоден зі старим висловом Кромвеля про те, що йде далі за всіх не знає, куди веде дорога

В останні роки біосенсори привертають значну увагу як гідні наступники цілого ряду аналітичних методів контролю, що використовувалися в клінічних лабораторіях, ветеринарії та харчової промисловості. Дійсно, потенційні програми сенсорної техніки настільки широкі, що можна лише відзначити деякі найбільш важливі тенденції, що проявилися при розповсюдженні та збуті цих приладів за останні кілька років.

Список використаної літератури

  1. Біосенсори: основи та застосування / За ред. Д. Тернера. М.: Світ, 1992.

  2. Грін М., Стаут У., Тейлор Д. Біологія: В 3 т. / За ред. Р. Сопер. М.: Світ, 1996.

  3. Євдокимов Ю.М. Біосенсори на основі одноланцюгових і дволанцюжкові нуклеїнових кислот / / Сенсорні системи. 1998. Т.12. Вип.1. С.5-21.

  4. Решетілов О.М. Моделі біосенсорів на основі потенціометричних і амперометричних перетворювачів для використання в медицині, біотехнології, моніторингу об'єктів навколишнього середовища (огляд) / /

  5. Прикладна біохімія та мікробіологія. 1996. Т.32. № 11. С.78-93.

  6. Сафронова О.Г., Хімченко В.І., Штарк М.Б. Тканинні та клітинні біосенсори. Можливості клінічного застосування (огляд) / / Медична техніка. 1995. № 6. С.39-46




скачати

© Усі права захищені
написати до нас