Самолетни двигатели Административно право Административно право на Беларус Алгебра Архитектура Безопасност на живота Въведение в професията „психолог“ Въведение в икономиката на културата Висша математика Геология Геоморфология Хидрология и хидрометрия Хидравлични системи и хидромашини История на Украйна Културология Културология Логика Маркетинг Машиностроене Медицинска психология Метали и заваръчни инструменти Метали и метали икономика Описателни 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 Социална психология социални и философски проблеми Социология Статистика теоретичните основи на компютъра автоматично управление теория теорията на вероятностите транспорт Закон Turoperator Наказателно право Наказателно-процесуалния управление модерно производство Физика физични явления Философски хладилни агрегати 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 VKontakte Odnoklassniki My World Facebook LiveJournal Instagram
border=0

Конзолни сензори, базирани на високо молекулно тегло и биополимерни системи

<== предишна статия |

Сензорни устройства, в които рецепторният слой е биологичен

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

Използват се механизми за молекулно разпознаване на ключалка, осигуряващи

естествена селективност към определени видове вещества. По вид разпознаване

биологичните сензори могат да бъдат разделени на три групи [81]: биокаталитични,

афинитет и сензомолекулярни сензори.

Биокаталитичните сензори включват системи, които имат модел на свързване.

от тип

B + A = BA + P (15)

където В е биомолекулата на сензорния слой, А е молекулата на аналита, P е

продукт на реакцията. С биокаталитичен тип разпознаване на рецепторна молекула

слоевете взаимодействат с разпознато вещество и в резултат на това

се появява нов продукт, който се използва като част от механизма за преобразуване

биологичен отговор в контролиран отговор. Пример за биосензори са

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

върху повърхността на конзолата се прилага лукозооксидаза, която при взаимодействие с

глюкозата я окислява и образува глюконова киселина:

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

може да генерира аналитичен сензор сигнал по няколко начина. първи

методът беше да се създаде рецепторен слой, състоящ се от полиакрилна матрица

хидрогел, в който са включени молекулите на глюкозооксидазата [82]. при

взаимодействието на ензима с глюкозата е образуването на йонни продукти

(глюкони и протони) вътре в полимерния гел, които водят до подуването му,

причинявайки огъване на гредата. Във втория случай се прилага глюкозооксидаза

конзолна повърхност чрез многостепенно шиене [83,84]. по време на

хода на ензимната реакция на повърхността на конзолата, ензимът се промени

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

Реакцията беше да се измери нейният топлинен добив, като се използва биметал

конзола [85], обаче, чувствителността на такава система се оказа доста ниска.

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

необратими промени, при които молекулите на аналита престанаха

би реагирал с молекули на биосензор. След намаляване на концентрацията

конзолата на аналита се отпусна до първоначалното си състояние без

допълнителни процедури за регенерация Най-чувствителният сензор за откриване

глюкозата се оказа конзола с полимерно покритие [82], която даде възможност да се определи

глюкоза в разтвор на концентрация в обем 2 mM. Описаните анализатори имаха

висока селективност към глюкозни мономери за разлика от другите

захари: маноза, галактоза и фруктоза.

По-често срещаният клас биосензори с механични датчици

са афинитетни сензори, в които протича реакцията

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

стабилен комплекс от рецепторни молекули с аналитични молекули,

процесът на образуване на който се описва чрез реакцията:

B + A = BA (17)

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

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

сензорите с био-афинитетен тип свързване включват имунохимични сензори,

на базата на взаимодействието на антитела с антиген.

Антиген-антитяло-сензори на базата на микромеханични системи са

хетерогенни (твърдофазни) методи за имуноанализ [23], които могат да бъдат разделени на

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

поради което се генерира аналитичен свързващ сигнал, а вторият

клас (без етикети), способен да генерира аналитичен сигнал директно, когато

формирането на имунния комплекс. В резонансни микромеханични системи за

генериране на по-голям аналитичен сигнал обикновено използват високо молекулно тегло

масивни антигени рязко увеличават масата на рецепторния слой [87], а в някои

системите за усилване използват специални магнитни марки [27]. Ползите

конзолни имунохимични сензори, които произвеждат отговор директно

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

и появата на сигнала се случва директно. В [88], директ

анализ на простатен-специфичен антиген с помощта на микрокантил.

Чувствителността, постигната от тази система, е 0,2 ng / ml, със скорост

анализ за около час. Имунохимичен сензор за 2,4-молекули е описан в [89]

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

конзола като конюгат с говежди серумен албумин. След добавяне към

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

минути, наведени към рецепторния слой със сила 24 mN / m, което показва, че

антитела инициират свиване между конюгирани молекули. Беше по-късно

публикувана статия [90], в която е описано взаимодействието на миоглобина,

биологичен маркер на миокарден инфаркт, с антитела към него, ваксиниран със злато

конзолна повърхност. Показано е, че когато се инкубира в хормонален разтвор

има огъване на лъча, което е свързано със сорбцията на миоглобина на повърхността и

образуването на имунни комплекси. Чувствителността на представения имуносенсор

възлиза на около 85 ng / ml (физиологична концентрация), а времето за реакция е 0,5 h, т.е.

Този анализатор е потвърдил клиничната приложимост. Друга група [91], диригент

свързани разработки на високо чувствителни методи за биологично определяне

маркери на миокарден инфаркт - миоглобин и кератинкеназа - в човешка кръв,

установено, че за да се избегне неспецифичното свързване, силициевата повърхност

кантилеверът, свободен от антитела, трябва да бъде блокиран от протеинови молекули,

например BSA. По-късно се демонстрира моноклонална селективност.

антитела на D- и L-α-аминокиселини към енантиомери на α-аминокиселини [92]. От изследователи

беше показано също, че сензорът се основава на два модифицирани конзоли

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

оптични изомери на аминокиселини и като детектор на енантиомерни примеси.

Хибридизацията на комплементарни олигонуклеотидни двойки също е афинитет

взаимодействие, което се използва активно в сензорната биомедицина

технологии за диагностика на наследствени заболявания, опасни инфекции

организъм, както и да контролира качеството на произвежданата храна

технологии за генно инженерство [81]. Процесите на хибридизация на комплементарни ДНК двойки

наскоро са изследвани олигомери с помощта на микромеханични системи [93-

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

резонансните конзоли използват масови етикети с голяма маса - злато

наночастици [93]. В [93] за откриване на ДНК олигомер на специфичен

последователността, допълваща го олигонуклеотид, беше разделена на две части. след това

едната част се обездвижва върху златната повърхност на конзолата, а другата - върху златната

наночастици в разтвор под формата на колоидна суспензия. След хибридизация

комплементарни нуклеотиди на желаната ДНК с прикрепени нуклеотиди

конзола, до нехибридизирания участък на желаната молекула по подобен начин

се присъедини към олигонуклеотида с масов маркер. Сензорът е податлив на

концентрацията в разтвора на желаната ДНК 0,05 nm с времето за реакция

около няколко минути. По-широко разпространена власт

конзолни сензори, откриващи промени в силите в рецепторния слой в резултат

ДНК хибридизация на сензорната повърхност [94]. Една от първите работи по тази тема

е статия [34], в която са описани експерименти върху хибридизацията на олигомери

ДНК има 12 базови двойки и беше съобщено, че те създават налягане в слоя

от порядъка на 5 mN / m - два порядъка по-малък по отношение на налягането, възникващо в

резултат от хемисорбцията на тиоли с ниско молекулно тегло до повърхността на златото. В работа

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

размерни олигонуклеотиди върху златна повърхност, използвана пиезорезивна

конзолни. Доказано е, че монослой от ДНК олигомери създава повърхност

налягане, причинено от междумолекулни отблъскващи сили. Изчислена промяна

повърхностната енергия, свързана с образуването на монослой, е –32,4

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

нуклеотиди на двойна спирала на ДНК на повърхността, показваща промяна в свободната

енергия равна на –34,6 kJ / M [96]. Подробен анализ на причините за отклонението на конзолата в

беше проведена имобилизация и хибридизация на ДНК нуклеотиди

Изследователи от Калифорнийския университет [97], които бяха експериментално

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

вериги от разтвора са два конкуриращи се ефекта. От една страна, с

хибридизация на ДНК и преходът й в спирална форма Kuhn сегмент на молекулата

нараства от 0,75 nm (два нуклеотида) до 50-80 nm [97], т.е. рязко

намаляване на конфигурационната ентропия, в резултат на което отблъскващи сили

между молекулите се намаляват. От друга страна, с образуването на двойна спирала

ДНК поради увеличаване на броя на фосфатните групи на PO4

3- отрицателният му заряд се повишава

отблъскваща сила. Доминирането на ентропични или електростатични

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

етапи на обездвижване, както и йонната сила на разтвора, т.е. степента на Debye

скрининг на молекули по време на хибридизация. Интересното е, че авторите разпространяват

нейната хипотеза за други видове взаимодействия между молекул

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

Често срещан тип взаимодействия на афинитет са взаимодействията

лиганд - рецепторен тип [49.89.97.102.105]. Експеримент е описан в [97]

взаимодействието на биотин, обездвижен на повърхността на конзолата с

неутравидин в разтвор. Експериментално е показано, че

взаимодействието на биотин с неутравидин причинява повишаване на налягането в

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

последствието от което е независимостта на свързващата сила на две молекули биотин и

авидин от конформационните промени в ентропията, авторите на [97] изразиха

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

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

[89] също експериментално потвърди, че взаимодействието

концентрация на стрептавидин (6 mg / ml) с биотин, обездвижен върху един от

страни на конзолата, инициира повърхностно налягане, което кара конзолата да се огъва

до 50 nm за време от порядъка на 10 минути. Мулен [80] изследва природата на страничните сили в

протеинови слоеве, получени от сорбция на протеин върху хидрофилно злато

конзолна повърхност. За да избегнете неспецифичното свързване, силиций

повърхността на конзолата е блокирана от хидрофобен алкил с къса верига

молекули. Установено е, че при сорбция на имуноглобулин от златна страна

конзолен протеинов филм огъва сензора в посока на блокираната повърхност,

и по време на сорбцията на протеина на BSA, в обратна посока, която се свързва с хидрофобна

и хидрофилен баланс в системата протеин - повърхност - разтворител.

Модерна и обещаваща посока в развитието на избирателни реакции

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

така че те свързват определено дадено вещество [105]. В [105] беше

представен е анализатор на базата на аптамер, който определя ензима на ДНК полимераза.

Изпитването на степента на селективност на сензора се извършва върху продукти за лизис.

бактерии Escherichia coli. Когато поставяте конзола в лизатен разтвор в системата, не го правете

не са наблюдавани промени и след добавяне на 50 рМ (4.7 ng / ml) ДНК полимераза

по време на време е открит остър аналитичен сигнал за отклонението на мощността на микроконзолата

няколко минути.

Използване на биологични приложения

микрокантилерни сензори, основани на надмолекулни структури [86, 103, 104]. Карин

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

темпове на растеж на бактериите на повърхността им, в зависимост от концентрацията на антибиотика.

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

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

забавяне на растежа на бактериите и без антибиотик. След това беше извършен мониторинг.

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

че на повърхността на лъч, модифициран с бактериални клетки от среда без

антибиотик, броят на бактериите в рамките на един час се увеличи с 8000, а на конзолата с

бактерии, инхибирани от антибиотик, не се наблюдава масово увеличение. Растеж на бактерии

възникна на повърхността на арагоза при условия на влажност 97% при температура 37

° C. В процеса на делене на клетките бактериите са приемали вода и хранителни вещества от

повърхностния слой арагоза, докато слоят постоянно се попълва липсата на вода за

поради водни пари на средата, поради което масата на системата като цяло се увеличава общо.

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

определя се от изместване на резонансната честота процеса на покълване на плесенните спори

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

повърхност чрез имунохимична реакция. При определени условия (27

° С и 97% влажност) спори, поглъщащи влагата от околната среда на водната пара

напълно покълнали за 4 часа, което се определи чрез изместване на резонансната честота

конзола Δf2 (фиг. 1.20.).

Фиг. 1.20. Честотна характеристика

характеристики на конзолата: (А) до

обездвижване на спори, (В) след

обездвижване и (В) след

покълване на спори по повърхността

конзолни.

В момента технологията позволява създаването на MEMS, способна да измерва

отделни вирусни частици с чувствителност 10-19 g / Hz [111] (фиг. 1.21a). В работа

[112] измерването на масата на вируса на ваксината беше експериментално доказано

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

Фиг. 1.21. (А)

Микрокантилерии с

чувствителност

измервания на маса 10-19

g / Hz [112], (b)

конзолни способни

измерете масата на един

вирусна частица

[111].

През последното десетилетие, критичен пробив в развитието

микромеханични сензорни системи с чувствителност към записа

маса [111] и количеството свързан аналит [55]. Системни данни

използвайте принципно нов метод за превръщане на биохимичните реакции в

аналитичен сигнал чрез статични деформации в резултат на

топлинни, електростатични и енергийни ефекти вътре в рецептурния слой и

MEMS структури. Микрокантилеверни системи, имащи широк спектър на работа

режими: статичен, динамичен, Q-фактор и амплитудно управление

аналитичен сигнал, са пълно допълнение към добре познатите им

аналози: електрохимични, оптични и акустични сензори. В допълнение,

комбинации от различни схеми за регистрация на аналитични сигнали MEMS позволяват

оптимизират работата си в почти всяка среда [6]: вакуум, газ и течност

фази на материята. Микроскопичните размери на сензорните устройства позволяват по-ниски

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

[111, 112], както и да наблюдава интензитета на инфрачервеното лъчение [51] и

екзотермични (ендотермични) повърхностни реакции [4.85] с високи

разделителна способност. MEMS комбинирани с интегрални схеми в един чип от

техните размери не надвишават 1 mm [45.68], такива размери на сензорните единици позволяват

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

селективни сензори, работещи на принципа на електронен нос, необходимостта от

която непрекъснато се увеличава.

Така можем да заключим, че бъдещото развитие на нанотехнологиите

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

напрежението в молекулните филми разчита на микрокантилеверните системи, вече включени

в момента демонстрира несравнима чувствителност и простота

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

рецепторен слой, микрокантилеверните системи отварят нови направления във

проучване на междумолекулни взаимодействия в биополимерни филми.

Избор и обосновка на най-добрия вариант

изследователски области

Според преглед относно използването на микрокантилери като