Биосенсоры (ч. 3)

Технологическое сравнение биосенсоров

Продолжение. Начало статьи – здесь.

В предыдущих разделах статьи обсуждаются разные типы биосенсоров и их применение. В данном разделе представлено сравнение биосенсоров с точки зрения технологии, специфичности и порога обнаружения, диапазона линейности, продолжительности анализа, стоимости и портативности.

Инновации в области электрохимических сенсоров с высокой пропускной способностью, направленные на оптимизацию порога обнаружения, продолжительности анализа и портативности, обеспечили появление масштабных потребительских рынков недорогих биосенсоров, применяемых в качестве тестов на уровень глюкозы и беременность. Последний основан на использовании тест-полосок с мобилизованными антителами к хорионическому гонадотропину человека, выявляемому с помощью технологии иммунохроматографии. Иммобилизация аналитов с помощью полимеров и наноматериалов является ключом к улучшению чувствительности и порога обнаружения. С данной точки зрения, иммунохроматографический анализ на тест-полосках позволяет помещать образцы в заданное место для запуска специфичных взаимодействий, а не взаимодействий, происходящих случайным образом. Большая часть упомянутых выше биосенсоров основана на этой технологии, которая фактически проложила путь биопроизводству с использованием контактного и бесконтактного формирования. Использование для биопроизводства наноматериалов, таких как золото, серебро и оксид кремния, привело к появлению новых методов. Помимо этого нанесение полимерного покрытия на такие наноматериалы произвело революцию в сфере контактных электрохимических методов регистрации сигналов. Одним из основных преимуществ этого типа электрохимических сенсоров является чувствительность и специфичность при проведении анализа в режиме реального времени. Ограничениями в данном случае являются способность к регенерации или долгосрочное использование полимеров/других материалов, однако снижение стоимости делает такие электрохимические сенсоры более доступными. Выявление одного аналита с помощью методов контактной регистрации сигнала имеет огромные преимущества, например, возможность изменения концентрации молекул с высокой специфичностью в режиме реального времени. Для улучшения специфичности и чувствительности при выявлении единичных молекул были внедрены такие технологии, как резонансный перенос энергии флуоресценции, резонансный перенос энергии биолюменесценции, а также преобразователей на основе флуоресценции и плазмонного резонанса. При одновременном выявлении нескольких аналитов эти технологии имеют ограничения, обусловленные наложением эмиссии сигналов, однако методы, основанные на резонансном переносе энергии, часто применяют в таких ситуациях, что имеет очень большое значение для клинической диагностики из-за различий уровней биомаркеров у разных пациентов и при схожих патологиях. Применение микро- и нанокантилеверов в качестве преобразователей при биопроизводстве электрохимических сенсоров также более перспективно для одновременного выявления нескольких аналитов. Также хорошие результаты продемонстрировали неконтактные сенсоры, производимые методом трехмерной биопечати с помощью струйного или лазерного принтера. Тем не менее, необходимые затраты и адаптируемые возможности этих методов имеют серьезные ограничения. Интересно то, что большинство из этих биосенсоров с высокой пропускной способностью для выполнения специфичных целей комбинируют с методами электрохимической регистрации. Некоторые из наиболее достойных внимания портативных амперометрических электрохимических биосенсоров, работающих в режиме реального времени, были разработаны для диагностики заболеваний с использованием биологических жидкостей. В целом электрохимические биосенсоры в комбинации биопроизводством имеют низкий порог выявления для индивидуальных аналитов при проведении анализа в режиме реального времени, а также доступную цену, учитывая портативность устройства.

Оптические биосенсоры представляют собой еще одну важную технологию в области биосенсорного анализа, основывающуюся на применении оптоволоконной химии. Выявление индивидуальных молекул, например, ДНК или пептидов, наиболее эффективно при использовании перекрестно-сшитых гидрогелей, имеющих высокий коэффициент вместимости и гидрофильную природу. Были разработаны оптические биосенсоры для измерения количества ДНК, имеющие широкое применение в биомедицине и криминалистике. Комбинации биологических материалов, такие как фермент/субстрат, антитело/антиген и нуклеиновые кислоты совершили революцию в технологии оптических биосенсоров. Помимо этого в биосенсорную систему можно инкорпорировать микроорганизмы, животные или растительные клетки, а также срезы тканей. Недавние достижения в области молекулярной оптоэлектроники обусловили возможность появления оптических биометрических систем распознавания. Интегрированная оптическая технология позволяет инкорпорировать как пассивных, так и активных оптических компонентов в один и тот же субстрат для разработки минимизированных компактных регистрирующих устройств при производстве множества сенсоров на одном чипе. В данном контексте высококачественные полимеры используются для изготовления гибридных систем для оптических биосенсоров. Фактически технология оптических биосенсоров была усовершенствована с помощью современных инноваций в области анализа морфологии поверхностей с помощью высокотехнологичных электронной и атомно-силовой микроскопии. Не смотря на это, порог обнаружения оптических биосенсоров никогда не приближался к фемто-уровню из-за стоимости приборного оснащения и непортативности устройства. Современные оптические технологии с использованием наномеханических биосенсоров на основе микрокантилеверов или технологии поверхностного резонанса легли в основу инновационных ДНК-чипов, по крайней мере, для проведения специфичного и чувствительного анализа в режиме реального времени. Преимущества оптических биосенсоров главным образом заключаются в высокой скорости проведения анализа с устойчивостью сигнала к электрической или магнитной интерференции, а также потенциальном спектре предоставляемой информации. С другой стороны, основным недостатком является высокая стоимость, обусловленная определенными требованиями к оборудованию. Решение других технических проблем, таких как сложность иммобилизации, в особенности для биопроизводства, и необходимость стерильных условий, является критичным вопросом для получения максимальной пользы от оптических биосенсоров.

Биопроизводство медицинских устройств обеспечивает лучшие результаты с точки зрения массового производства биосенсоров. Электрохимические и оптические биосенсоры являются основными технологическими компонентами при разработке высококлассных биосенсоров. Серьезные достижения в области технологий микро- и нанопроизводства обеспечили возможность разработки механических устройств с движущимися деталями наноразмеров. Возможность производства таких структур с применением процедур обработки полупроводниковых материалов объединила биофизические и биоинженерные принципы в направлении прогресса микро- и наноэлектромеханических биосенсоров, пригодных для массового производства. Материалы на основе стекла, оксида кремния и кварца успешно используются после мечения флуоресцирующими агентами или золотыми наночастицами. Несмотря на то, что такие биосенсоры обладают более высокой точностью при выявлении индивидуальных молекул, их малозатратное массовое производство менее реально. Массовое производство сенсоров связано с рядом проблем, а именно со сложностью более прочного связывания агентов на наноуровне при производстве с помощью микроэлектронных технологий для высокоскоростного анализа. В этом отношении стоит упомянуть огромный потенциал применения полупроводниковых материалов и технологии квантовых точек. На сегодняшний день ни одна из существующих биосенсорных технологий не позволяет в режиме реального времени осуществлять одновременный количественный анализ больших массивов образцов, однако внедрение технологий производства кантилеверов в микро- и наномасштабах может сделать это реальностью.

Еще одним важным техническим переворотов в области биосенсоров стала возможность создания генетически закодированных или синтетических флуоресцентных биосенсоров для анализа молекулярных механизмов биологических процессов. Несмотря на то, что такие биосенсоры имеют огромные перспективы в области выявления отдельных молекул с измерением количества специфичного аналита, методология пробоподготовки и выявления очень сложна и требует высокотехнологичного оборудования. С точки зрения биоматериалов, хорошими характеристиками в плане высокой чувствительности и избирательности обладают биосенсоры, работающие микробиологических топливных элементах. Однако методы массовой продукции и генной инженерии, требующиеся для создания штамма микроорганизмов, очень сложны и затратны. В то же время, преимуществом микробных биосенсоров является возможность их использования в качестве инструмента для биоремедиации, что имеет большую значимость с точки зрения мониторинга состояния окружающей среды. Однако разработка и высвобождение в окружающую среду такого генетически модифицированного штамма микроорганизмов, помимо регулирования затрат на производство, должно подвергаться строгому контролю, соответствовать этическим требованиям, а также регулироваться законодательством.

В целом можно заявлять, что для создания высокочувствительных миниатюрных устройств требуется разработка различных микро- и нанобиосенсорных платформ с вовлечением интегрированных технологий, использующих электрохимический или оптический биоэлектронный принципы с комбинацией биомолекул или биологических материалов, полимеров и наноматериалов.

Окончание: Современные исследовательские тенденции, будущие задачи и ограничения технологии биосенсоров.

Портал «Вечная молодость» http://vechnayamolodost.ru

16.06.2017