Иммуносенсоры представляют собой аналитические устройства, основанные на специфическом взаимодействии антиген–антитело. Их действие опирается на биологическую селективность антител, способных избирательно распознавать молекулы мишени. Электрохимическая регистрация события связывания позволяет преобразовать биологический сигнал в измеряемый электрический ответ, что обеспечивает высокую чувствительность и скорость анализа.
Основные типы иммуносенсоров различаются по способу детекции: амперометрические, потенциометрические, кондуктометрические и импедансные. Амперометрические сенсоры измеряют ток, возникающий при электрохимической реакции метки или каталитической активности фермента, связанного с антителом. Потенциометрические сенсоры фиксируют изменения потенциала электрода, вызванные связыванием антигена. Импедансные методы основаны на изменении электрической проводимости или диэлектрических свойств поверхности после взаимодействия биомолекул.
Иммуносенсор состоит из биологической рецепторной части (антитела, антитела-фрагменты, молекулы типа aptamer), поверхности трандуктора и вспомогательных слоёв, обеспечивающих стабилизацию и функционализацию. Ключевым элементом является поверхность электрода, которая модифицируется для улучшения связывания антител и минимизации неспецифической адсорбции. Наиболее часто применяются углеродные материалы (графит, углеродные нанотрубки, графен), благородные металлы (золото, платина) и наноструктурированные покрытия, обеспечивающие высокую площадь поверхности и улучшенную электрохимическую проводимость.
Для закрепления антител используют физическое поглощение, химическое сшивание через карбоксильные или аминосоединения, а также специфические биоконъюгаты типа биотин–стрептавидин. Стабилизация поверхности достигается введением блокирующих агентов (BSA, полиэтиленгликоль) для снижения фоновых сигналов и улучшения селективности.
Прямые иммуносенсоры регистрируют изменение электрического сигнала напрямую при связывании антигена с антителом. Примеры включают использование ферментативно активированных электронов-переносных красителей или конформационных изменений молекулы антитела, влияющих на электронную проводимость поверхности.
Методы с ферментативной меткой основаны на применении ферментов (например, щелочной фосфатазы, пероксидазы), которые катализируют электрохимически детектируемую реакцию субстрата. Электрохимический сигнал пропорционален количеству связанного антигена.
Неметаллические наноматериалы и наночастицы используются как усилители сигнала. Золотые и серебряные наночастицы повышают электрическую проводимость и создают платформу для мультиконъюгации антител, что увеличивает чувствительность сенсора.
Чувствительность иммуносенсора определяется как способность фиксировать низкие концентрации антигена, обычно в диапазоне пико- до наномолярных концентраций. Диапазон измерения зависит от плотности иммобилизованных антител и эффективности трансдукции сигнала.
Селективность определяется специфичностью антитела к молекуле мишени и минимизацией перекрёстной реакции с другими компонентами образца. Важными параметрами также являются скорость отклика, стабильность сенсора и возможность повторного использования.
Иммуносенсоры широко применяются в клинической диагностике, позволяя выявлять биомаркеры болезней, такие как белки воспаления, гормоны, антитела к инфекционным агентам. В пищевой промышленности они используются для контроля аллергенов и токсинов, а в экологическом мониторинге — для обнаружения загрязнителей, включая пестициды и тяжелые металлы.
Использование многофункциональных наноматериалов, гибридных систем с биосовместимыми полимерами и интеграция с микроэлектронными устройствами открывают возможности для создания портативных иммуносенсорных платформ с высокой чувствительностью и быстрым анализом. Разработка многоаналитических сенсорных чипов позволяет одновременно детектировать несколько мишеней, что существенно повышает эффективность анализа.
Интеграция с цифровыми технологиями, включая обработку сигналов и алгоритмы машинного обучения, способствует улучшению точности, уменьшению фона и автоматизации процесса анализа.