Биосенсоры представляют собой аналитические устройства, которые преобразуют биохимические реакции в измеряемый сигнал, чаще всего электрический. Основными компонентами биосенсора являются: биоразпознающий элемент, трансдьюсер и система обработки сигнала. Биоразпознающий элемент отвечает за специфическое взаимодействие с исследуемым веществом (анализантом), в роли которого могут выступать ферменты, антитела, нуклеиновые кислоты, клетки или их органеллы. Трансдьюсер преобразует биохимический процесс в электрический сигнал, который затем усиливается и обрабатывается.
С точки зрения электрохимии, биосенсоры делятся на несколько основных типов: амперометрические, потенциометрические, кондуктометрические и импедансные.
Амперометрические биосенсоры измеряют ток, возникающий в результате окислительно-восстановительных реакций анализанта на электроде. Основной принцип работы заключается в контроле тока при фиксированном потенциале (потенциостат). Классическим примером является глюкозный биосенсор, использующий фермент глюкозооксидазу, который катализирует окисление глюкозы с образованием перекиси водорода. Электрохимическое окисление H₂O₂ на рабочем электроде создаёт амперный сигнал, пропорциональный концентрации глюкозы.
Ключевые параметры амперометрических биосенсоров:
Используются методы модификации электродов, включая наноматериалы (графен, углеродные нанотрубки, металлокомпозиты), для увеличения площади поверхности и улучшения кинетики электронного переноса.
Потенциометрические биосенсоры измеряют разность потенциалов между индикаторным и эталонным электродами без значимого тока. Измеряемый потенциал отражает концентрацию ионов, продуктов ферментативной реакции или изменения локального pH. Основой таких сенсоров являются ионселективные электроды или полимерные мембраны, чувствительные к конкретным аналитам.
Пример применения: ферментативные биосенсоры на основе уреазы для определения концентрации мочевины. Реакция расщепления мочевины приводит к локальному изменению концентрации ионов NH₄⁺ и pH, что фиксируется потенциометрическим сигналом.
Кондуктометрические сенсоры измеряют изменение проводимости раствора, вызванное биохимическими реакциями. Изменение концентрации ионов вследствие ферментативной реакции приводит к изменению электрической проводимости среды. Этот метод чувствителен к электролитическому составу раствора и подходит для анализа в низкоконцентрированных средах.
Импедансные биосенсоры используют переменный ток для измерения комплексного сопротивления электрод-раствор системы. Изменения импеданса связаны с адсорбцией анализанта, конформационными изменениями биомолекул или модификациями поверхности электрода. Применение метода включает биоанализ антител, нуклеиновых кислот и микробных клеток.
Эффективность биосенсоров определяется стабильностью биоразпознающего элемента и скоростью электронного переноса. Для повышения стабильности ферментов применяются иммобилизация на матрицах (полимеры, гидрогели, наночастицы), обеспечивающая сохранение активности и защиту от денатурации. Электродные поверхности часто модифицируются металлами (Au, Pt), углеродными наноструктурами и проводящими полимерами, что снижает сопротивление и ускоряет электрохимические реакции.
Биосенсоры находят широкое применение в медицинской диагностике, мониторинге качества пищи, контроле окружающей среды и биотехнологии. Основные направления:
Развитие нанотехнологий и микроэлектроники позволяет создавать портативные, высокочувствительные биосенсорные устройства с возможностью интеграции в носимые системы для постоянного мониторинга.
Следующим этапом является создание мультисенсорных платформ, способных одновременно определять несколько анализантов и интегрироваться с цифровыми системами обработки данных. Разработка синтетических биорецепторов и искусственных ферментов позволяет расширять диапазон определяемых веществ, улучшать чувствительность и долговечность сенсоров. Акцент делается на микрофлюидные системы, комбинирующие электрохимию и микроаналитику, что открывает возможности для быстрых и точных анализов с минимальным объёмом пробы.