Авиационно инженерство Административно право Административно право Беларус Алгебра Архитектура Безопасност на живота Въведение в професията „психолог” Въведение в икономиката на културата Висша математика Геология Геоморфология Хидрология и хидрометрия Хидросистеми и хидравлични машини Културология Медицина Психология икономика дескриптивна геометрия Основи на икономически т Oria професионална безопасност Пожарна тактика процеси и структури на мисълта, Професионална психология Психология Психология на управлението на съвременната фундаментални и приложни изследвания в апаратура социалната психология социални и философски проблеми Социология Статистика теоретичните основи на компютъра автоматично управление теория на вероятностите транспорт Закон Turoperator Наказателно право Наказателно-процесуалния управление модерна производствена Физика Физични феномени Философски хладилни инсталации и екология Икономика История на икономиката Основи на икономиката Икономика на предприятията Икономическа история Икономическа теория Икономически анализ Развитие на икономиката на ЕС Спешни ситуации ВКонтакте Однокласници Моят свят Facebook LiveJournal Instagram
border=0

Конзолни сензори, базирани на системи с високо молекулно тегло и биополимери

<== предишна статия |

Сензорни устройства, при които рецепторният слой е биологичен

естествените съединения се наричат ​​биосензори. Като правило, в подобни системи

Използват се механизми за молекулно разпознаване “key-lock”

естествена селективност към определени видове вещества. По вид разпознаване

вещества биологични сензори могат да бъдат разделени в три групи [81]: биокаталитични,

афинитет и сензори на базата на супрамолекулни структури.

Биокаталитичните сензори включват системи със свързваща схема.

тип

B + A = BA + P (15)

където В е биомолекулата на сетивния слой, А е молекулата на аналита, Р е

реакционен продукт. В случай на биокаталитично разпознаване на рецепторната молекула

слой взаимодейства с разпознаваема субстанция, като резултат от това

реакция, възниква нов продукт, който се използва като част от трансформационния механизъм

биологичен отговор в контролиран отговор. Пример за биосензори са

глюкозни сензори на базата на микромеханични системи [82-85]: on

се прилага повърхността на конзолата, която при взаимодействие с нея

окислява глюкозата и образува глюконова киселина:

В зависимост от морфологията на конзолния рецепторен слой, резултатът от тази реакция

може да генерира аналитичен сигнал на датчика по няколко начина. Първата

методът е да се създаде рецепторен слой, състоящ се от матрица от полиакрил

хидрогел, в който са включени молекули на глюкозна оксидаза [82]. при

взаимодействието на ензима с глюкозата е образуването на йонни продукти

(глюкони и протони) вътре в полимерния гел, които го карат да набъбва,

причиняващи огъване на гредата. Във втория случай се прилага глюкозна оксидаза

повърхността на конзолата чрез многостепенно шиене [83,84]. по време на

ензимната реакция на повърхността на конзолата, ензимът се е променил

конформация, която доведе до огъване на гредата. Третият начин за контрол на ензимните

реакцията беше да се измери нейния термичен добив, използвайки биметален

конзолата [85], обаче, чувствителността на такава система е доста ниска.

Трябва да се отбележи, че във всички случаи в рецепторния слой на сензора не е наблюдавано

необратими промени, при които молекулите на аналита са преустановени

ще реагира с биосензорни молекули. След намаляване на концентрацията

конзолата на аналита е освободена без първоначалното си състояние

допълнителни процедури за регенерация. Най-чувствителен сензор за откриване

глюкоза е конзола с полимерно покритие [82], което позволява да се определи

глюкоза в 2 тМ разтвор на обемна концентрация. Описаните анализатори са имали

висока селективност към глюкозни мономери, за разлика от други

Захари: маноза, галактоза и фруктоза.

По-общ клас биосензори с механични преобразуватели

са сензори със свързващ тип афинитет, в които протича реакцията

вътре в рецепторния слой, не води до появата на нови продукти, но форми

стабилен комплекс от рецепторни молекули с молекули аналит,

процесът на формиране на който е описан в реакцията:

B + A = BA (17)

В е биомолекулата на сетивния слой, А е молекулата на аналита. механизъм

Отговорът на рецепторния слой директно зависи от свойствата на крайния продукт ВА. K

Сензори с биоафинов тип свързване включват имунохимични сензори,

въз основа на взаимодействието на антитела с антиген.

Към тях принадлежат сензори антиген-антитяло на базата на микромеханични системи

хетерогенни (твърдофазни) имуноанализи [23], които могат да бъдат разделени на

два класа. Първият клас се отнася до системи, които използват допълнителни етикети,

поради което се получава аналитичен сигнал за свързване и системите на втория

клас (без етикет), който може да генерира аналитичен сигнал директно, когато

образуването на имунен комплекс. В резонансни микромеханични системи за

Развитието на по-голям аналитичен сигнал обикновено се използва с висока молекулна маса

масивни антигени, драматично увеличаващи масата на рецепторния слой [87] и в някои

Специални магнитни маркери се използват за усилващи системи [27]. предимства

конзолни имунохимични сензори, които произвеждат пряк отговор

процесът на обвързване е очевиден, тъй като броят на етапите на анализ е намален с един,

и появата на сигнала се появява директно. В [88], метод на директно

анализ на простатен специфичен антиген, използвайки микрокантилевири.

Чувствителността, постигната от тази система, е 0.2 ng / ml при скорост

анализ около час. В [89], имунохимичен сензор за 2,4-

2,4-дихлорофеноксиоцетна киселина (дефолиант), имобилизирана на повърхността

конзолен като конюгат с говежди серумен албумин. След като се добави към

система от 5 mg / ml моноклонални антитела към този хербициден конзолен носач за 3

минути, насочени към рецепторния слой със сила 24 mN / m, което показва това

антитела инициират свиване между конюгатните молекули. Беше по-късно

публикувана статия [90], която описва взаимодействието на миоглобина,

биологичен маркер на миокарден инфаркт с присадени с злато антитела

повърхностен конзолен. Показано е, че когато се инкубира в разтвор на хормона

настъпва огъване на гредата, което е свързано със сорбцията на миоглобина на повърхността и

образуването на имунни комплекси. Чувствителността на представения имуносензор

възлиза на около 85 ng / ml (физиологична концентрация) и времето за реакция е 0.5 h, т.е.

Този анализатор потвърждава клиничната приложимост. Друга група [91], провеждаща

свързани с разработването на високо чувствителни методи за определяне на биологични

инфаркт на миокарда - миоглобин и кератинкеназа - в човешката кръв,

установено, че за да се избегне неспецифичното свързване, повърхността на кремното

конзолата без антитела трябва да бъде блокирана от протеинови молекули,

например BSA. По-късно селективността на моноклоналното

антитела D- и L-а-аминокиселини към енантиомерите на а-аминокиселини [92]. От изследователи

Показано е също, че сензорът е базиран на две модифицирани конзоли

антитела към D- и L-изомерите на аминокиселини, могат да служат като дискриминатор

оптични изомери на аминокиселина и като детектор на енантиомерни примеси.

Хибридизацията на комплементарни олигонуклеотидни двойки е също афинитет

взаимодействие, което се използва активно в сетивната биомедицинска дейност

технологии за диагностика на наследствени заболявания, опасни инфекции

на организма, както и за контрол на качеството на произведените от \ t

технология на генното инженерство [81]. Хибридизацията процеси допълващи двойки ДНК

олигомери наскоро бяха изследвани с помощта на микромеханични системи

100]. Точно както при метода на имунен анализ, за ​​използване на ДНК анализ

резонансни конзоли използват масови етикети с голяма маса - злато

наночастици [93]. В работа [93] за откриване на ДНК олигомер на определено

последователността на комплементарния олигонуклеотид се разделя на две части. след това

едната част е фиксирана върху златната повърхност на конзолата, а другата върху златната

наночастици, които са в разтвор под формата на колоидна суспензия. След хибридизация

комплементарни нуклеотиди от желаната ДНК с прикрепени към тях нуклеотиди

консервен към нехибридизираната част на желаната молекула по подобен начин

прикрепен олигонуклеотид с етикет за маса. Сензорът беше податлив на

концентрациите в разтвора на желаната ДНК 0.05 nm с времето за реакция

около няколко минути. По-широко разпространена власт

конзолни сензори, които като резултат задържат промените в сила в рецепторния слой

ДНК хибридизация върху повърхността на сензора [94]. Едно от първите работи по тази тема

Появи се статия [34], в която са описани експерименти по хибридизацията на олигомери.

ДНК има 12 базови двойки и се съобщава, че те създават налягане в слоя

около 5 mN / m - с два порядъка по-малък по отношение на налягането, което възниква в

хемосорбция на нискомолекулни тиоли до повърхността на златото. В работата

Мария Рудолф [95] за изследване на сорбционните изотерми на SH модифицирани 25-

дименсионни олигонуклеотиди върху златната повърхност бяха използвани пиезорезистивни

конзолни. Беше показано, че монослой от ДНК олигомери създава повърхностен

налягане, предизвикано от междумолекулни отблъскващи сили. Изчислена промяна

свободната енергия на повърхността, свързана с образуването на монослой, е –32.4

kJ / M, което съответства на по-ранни независими данни за сорбция

нуклеотиди от двойната спирала на ДНК, показващи промяна в свободната

енергия, равна на –34.6 kJ / M [96]. Подробен анализ на причините за прегъването на конзолата

процеси на имобилизация и хибридизация на нуклеотиди на ДНК

изследователи от Калифорнийския университет [97], които експериментално

Доказано е, че в процеса на хибридизация на ДНК вериги присадени на повърхността с опит

вериги от решението има два конкуриращи се ефекта. От една страна, с

ДНК хибридизация и нейният преход в спирална форма на Kuhn сегмента на молекулата

се увеличава от 0.75 nm (два нуклеотида) до 50-80 nm [97], т.е. остри

намаляване на конфигурационната ентропия, в резултат на което отблъскващи сили

между молекулите са намалени. От друга страна, при образуването на двойна спирала

ДНК поради увеличения брой на фосфатни групи PO4

3 - отрицателният му заряд се повишава,

причиняващи отблъскващи сили. Ентропия или електростатично господство

фактор се определя от дължината на олигомерите, тяхната плътност на присаждане към повърхността

етап на имобилизация, както и йонната сила на разтвора, т.е. степента на Деба

защитни молекули в процеса на хибридизация. Интересното е, че авторите разпространяват

неговата хипотеза и други видове междумолекулни взаимодействия, които се случват

повърхности: ДНК - РНК, ДНК - протеин, лиганд - протеин, включително антиген - антитяло.

Често срещаните типове афинитетни взаимодействия са взаимодействия от

тип лиганд - рецептор [49,89,97,102,105]. [97] описва експеримента

взаимодействия на биотин, имобилизиран върху повърхността на конзолата с

неутравидин в разтвор. Експериментално беше показано това

взаимодействието на биотин с неутравидин води до повишаване на налягането

повърхностен слой на рецептора. Въз основа на резултатите, представени в статия [102],

последствие от което е независимостта на силата на свързване на две молекули биотин и

avidin от конформационни промени в ентропията, изразени от авторите [97]

предположението, че повърхностната сорбция на неутравидин може да бъде съпътствана само

увеличаване на налягането в рецепторния слой, което се потвърждава от експеримента. Най-

[89], също така експериментално се потвърждава, че взаимодействието

концентрация на стрептавидин (6 mg / ml) с биотин имобилизиран на една от

страни на конзолата, инициира повърхностно налягане, причиняващо конзолно огъване

до 50 nm за около 10 минути. Мулен [80] изследва естеството на страничните сили в

протеинови слоеве, получени в резултат на сорбцията на протеини върху хидрофилно злато

конзолна повърхност. За да се избегне неспецифичното свързване на силиция

повърхността на конзолата е блокирана от хидрофобен алкил с къса верига

молекули. Установено е, че по време на сорбцията на имуноглобулина върху златната страна

конзолния протеинов филм огъва сензора в посока на блокираната повърхност,

и по време на сорбцията на BSA протеин, в противоположна посока, която е свързана с хидрофобен

и хидрофилен баланс в системата протеин - повърхност - разтворител.

Модерна и обещаваща посока в развитието на селективни реакции

са аптамери - нуклеотиди, които могат да бъдат изкуствено синтезирани от такива

по начин, който свързва определено дадено вещество [105]. [105] беше

Представя анализатор на базата на аптамери, който определя ензима на ДНК полимераза.

Извършва се тестване на селективността на сензора върху продукти за лизиране

бактерии Escherichia coli. При поставяне на конзолата в лизатния разтвор в системата няма

не се наблюдават промени и след добавяне на 50 рМ (4,7 ng / ml) на ДНК полимераза

бе открит остър аналитичен сигнал за отклонение на силата на микроконсолата по време на

няколко минути.

Интересни са и биологичните приложения, които използват

микрокантилеверни сензори на базата на супрамолекулни структури [86, 103, 104]. Карин

G. Feller [103,104] използва търговски достъпни конзоли за определяне

скоростта на растеж на бактериите на повърхността им в зависимост от концентрацията на антибиотика.

Конзолите са предварително покрити със слой от арагоза и са поставени в продължение на 10 минути

разтвори, съдържащи бактерии Escherichia coli XL1-Blue с канамицинов антибиотик,

инхибиране на растежа на бактерии и без антибиотик. След това беше извършен мониторинг.

увеличаване на масата на конзолата чрез контролиране на неговата резонансна честота. Оказа се

че върху повърхността на лъча, модифициран от бактериални клетки от среда без

антибиотик, броят на бактериите за един час се увеличава с 8000, а на конзолата с

бактерии, потиснати антибиотици, повишаване на теглото не се наблюдава. Бактериален растеж

на повърхността на арагозата при 97% влажност при 37

° s В процеса на клетъчно делене, бактериите взеха вода и хранителни вещества

повърхностен слой от aragose, докато слоят е постоянно компенсиран за липсата на вода за

сметката на водната пара на средата, поради което масата на системата като цяло е напълно увеличена.

В работата [86] е описан сензор, базиран на конзолни преобразуватели,

определя се от изместването на резонансната честота, поникването на спорите на плесен

(Aspergillus niger) и гъбички от дрожди (Saccharomyces cerevisiae), обездвижени върху

повърхност чрез имунохимична реакция. При определени условия (27

° C и 97% влажност) спори, абсорбиращи влагата от средата на водните пари, почти

напълно покълнат за 4 часа, което се определя от изместването на резонансната честота

конзола Δf2 (фиг. 1.20.).

Фиг. 1.20. Честота отговор

характеристики на конзолата: (А) до

обездвижване на спора, б) след

обездвижване и (В) след

поникване на спори на повърхността

конзолни.

В момента технологиите позволяват създаването на MEMS, които могат да измерват

отделни вирусни частици с чувствителност 10–19 g / Hz [111] (фиг. 1.21а). В работата

[112] експериментално показа масово измерване на ваксиналния вирус

едра шарка 9,5 fg с помощта на конзола с ширина 1,8 m и дължина 4 m (фиг. 1.21b).

Фиг. 1.21. (А)

Микрокантилевери с

чувствителност

измервания на масата 10-19

g / Hz [112], (b)

конзола

измерете масата на единия

вирусни частици

[111].

През последното десетилетие има критичен пробив в развитието на

микромеханични сензорни системи с рекордни показатели за чувствителност

маса [111] и количеството на свързания аналит [55]. Системни данни

използвайте принципно нов метод за превръщане на биохимичните реакции в

аналитичен сигнал чрез статични деформации, произтичащи от. \ t

топлинни, електростатични и енергийни ефекти вътре в рецептурния слой и

MEMS структури. Микрокантилеверни системи с широк обхват на работа

Режими: статичен, динамичен, Q-фактор и контрол на амплитудата

аналитичните сигнали са ценно допълнение към техните добре познати

аналози: електрохимични, оптични и акустични сензори. Освен това,

комбинации от различни схеми за регистрация на аналитичния сигнал MEMS позволяват

оптимизира работата си във всякаква среда [6]: вакуум, газ и течност

фази на материята. Микроскопичните размери на сензорните устройства позволяват спускане

границата на тяхната чувствителност към размера на отделните бактерии [10] и вирусните частици

[111,112], както и мониторинг на интензивността на IR излъчването [51] и

екзотермични (ендотермични) повърхностни реакции [4,85] с високи

с разрешение. MEMS, комбинирани с интегрални схеми в един чип

неговият размер не надвишава 1 mm [45,68], такива размери на сензорните единици позволяват

интегрират ги в 1D [13,31,54,63,66] и 2D [56] масиви с висока производителност

селективни сензори, работещи на принципа на електронния нос, необходимостта от това

което постоянно нараства.

По този начин може да се заключи, че бъдещото развитие на нанотехнологията

биосензори, способни да измерват масата на отделните вирусни частици и са незначителни

напрежението в молекулярните филми се основава на микрокантилевирни системи, вече на

настоящ момент, демонстриращ ненадмината чувствителност и простота

методи за директен анализ. Въз основа на метода на свързване на аналита към

Приемният слой, микрокантилевирните системи отварят нови посоки

изследване на междумолекулни взаимодействия в биополимерни филми.

Избор и обосновка на оптималния вариант

изследователски направления

Според прегледа относно използването на микрокантилевери като