Тканевые биосенсоры

МИНИСТЕРСТВО  ОБРАЗОВАНИЯ И  НАУКИ РФ

ТАМБОВСКИЙ  ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ 
 
 
 

Кафедра Биомедицинской техники  
 
 
 

РЕФЕРАТ 

по  дисциплине: «ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ  И ЭЛЕКТРОДЫ» 
 
 
 
 

Тема: «БИОСНЕСОРЫ». 
 
 
 
 

  Выполнил:                                                   

   студентка группы  ИМ-41                          Баганова Анастасия Александровна                                                                     

                                                                             
 
 
 
 

    Руководитель:

    кандидат технических  наук, доцент                Леонтьев Евгений Алексеевич

      
 
 
 

ТАМБОВ

2009

 

СОДЕРЖАНИЕ. 

1. Биосенсоры…………………………………………………………………………………………..……...3

2. Области применения биосенсоров..............................................................4

3. Применение биосенсоров в медицине………………………………………………….……5

4. Характеристики биосенсоров…………………………………………………………………….6

5. Время отклика……………………………………………………………………………………….....11

6. Градуировка…………………………………………………………………………………………..…..12

7. Мешающие вещества………………………………………………………………………….…….13

8. Анализируемые пробы……………………………………………………………………….……..13

9. Безопасность и надежность………………………………………………………………………14

10. Токсичность………………………………………………………………………………………..…..…15

11.механические повреждения…………………………………………………………..………..15

12. Тканевые биосенсоры………………………………………………………………………………..17

13.  Проблемы и перспективы развития……………………………………………………….…27

Список источников…………………………………………………………………………………….…….32 
 
 

 

 

     БИОСЕНСОРЫ.

     Биосенсоры - аналитические устройства, конструктивно состоящие из двух блоков: биологического, включающего ферменты или антитела, целые клетки либо их органеллы, срезы тканей и т. п., и физико-химического датчика (трансдуктора) для регистрации сравнительно небольшого числа величин (температуры, интенсивности светового потока, электрический ток или потенциал) или концентрации простых химических соединений (кислорода, углекислого газа, аммиака). На входе первого блока протекает специфическая биологическая реакция, а на выходе формируется сигнал, который преобразуется трансдуктором в физически измеряемую величину.

     В литературе тип биосенсора определяется либо биологическим материалом, использующимся для определения концентрации аналита, либо применяемым трансдуктором. Так, если на поверхности трансдуктора иммобилизованы антитела или ферменты, то говорят о иммунологических или ферментативных биосенсорах, если микроорганизмы или целые клетки - то о микробных или клеточных биосенсорах. Если же сделан акцент на тип трансдуктора, то речь идет об оптических, потен-циометрических, амперометрических или гравиметрических биосенсорах. Количество различных типов биосенсоров как сочетание какой-либо специфической биологической системы и определенного вида трансдуктора практически не ограничено.

     Расширение  сферы применения биосенсоров в  настоящее время обусловлено не только высокой чувствительностью этих систем, но и тем, что биосенсор, как правило, содержит весь набор реагентов, необходимых для определения концентрации какого-либо вещества, а это позволяет свести процедуру анализа к одному этапу. Можно говорить о своего рода автоматизации определения химических параметров тестируемых образцов, поскольку структура сенсоров, создаваемых методами биотехнологии, реализует алгоритм биохимического анализа. 

     ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ БИОСЕНСОРОВ.

     Благодаря своим свойствам биосенсоры находят  применение во многих областях человеческой деятельности. В сельском хозяйстве  и пищевой промышленности биосенсоры используются для контроля качества продукции (например, биосенсор на основе тиллакоидов шпината для определения концентрации гербицидов - атразина и диурона или биосенсор для определения гипоксантина при оценке качества рыбы).

     В экологии биосенсоры используются для  мониторинга параметров окружающей среды, например, биосенсор для определения химического состава сточных вод. Датчик позволяет определять концентрации органических веществ в воде и детектировать наличие в среде гербицидов и мутагенов. Для определения концентраций фосфорорганических пестицидов на основе электрода Кларка разработаны биосенсоры, в которых чувствительным элементом является иммобилизованная в целлюлозную мембрану холиноксидаза либо бутирилхолиноксидаза. Разработаны амперометрические микробные биосенсоры, в которых уровень загрязнения окружающей среды определяется по влиянию вредных веществ на дыхание микробной компоненты. 
 

     

     ПРИМЕНЕНИЕ  БИОСЕНСОРОВ В  МЕДИЦИНЕ.

     В медицине биосенсоры применяются при  биохимическом скрининге жидких сред организма во время массовых обследований, для непрерывного мониторинга физиологических параметров больных, как первичные датчики при разработке систем биохимического протезирования. Спектрофотометрические и храматографические методы, которые традиционно используются в клинике для определения органических веществ, малопригодны для измерений в режиме on-line. Этим обусловлены интенсивные исследования и разработки биосенсоров на физиологические значимые соединения, ответ которых составлял бы минуты, а при использовании кинетических методов - секунды. Такие датчики можно будет применять для непрерывного контроля биохимических показателей жидких сред организма. Например, разрабатываются имплантируемые ферментные датчики на глюкозу, которые предполагается использовать при лечении диабета с помощью компенсаторных устройств, управляемых микропроцессорами, поддерживающих нормальную концентрацию инсулина в крови.

     Характеристики  биосенсоров - чувствительность, время  отклика, линейный диапазон, предел обнаружения, селективность и специфичность - совпадают с таковыми для физических химических датчиков. Относительно специфической характеристикой биосенсора является время его жизни; чувствительность биосенсоров со временем уменьшается из-за деструкции биологического материала. Понятно, что время жизни зависит от условий хранения и эксплуатации датчика (температуры, рН, применяемых консервантов).

     Применение  техники в медицине налагает специальные  требования, которые неизбежно меняются в зависимости от того, соседствует ли прибор с тканями человека, насколько его выходной сигнал, несущий информацию или воздействующий на организм, важен для обеспечения жизненных функций. Во многих ситуациях детектирующие и измерительные приборы, хотя и могут предупреждать об отклонениях от нормы, но не обеспечивают модификации лечения без вмешательства человека. Так, например, отклонения частоты сердечных сокращений сами по себе, без врача, не вызывают импульсы постоянного тока, стимулирующие работу сердца (кардиоверсия). В более сложных случаях это связующее звено может быть утеряно, и его невозможно восстановить. Наиболее известный пример - водители ритма сердца, выходной сигнал которых может спасти жизнь, но может быть и фатальным.

     Эти различия приводят к тому, что выдвигаются  самые разные требования к надежности, точности, биосовместимости, безвредности для пациента и взаимодействию с ним. С инженерной точки зрения прибор для внешних измерений, проходящий обычный контроль качества, может быть сконструирован немногим надежнее, чем требуют обычные потребительские стандарты; постоянно используемые дома приборы, от которых зависит жизнь пациента, должны удовлетворять техническим условиям уровня военной и аэрокосмической промышленности.

     ХАРАКТЕРИСТИКИ  БИОСЕНСОРОВ.

     Совершенно  очевидно, что любой измерительный  прибор должен давать результат, близкий к реальному значению измеряемой величины (правильность) и с достаточной воспроизводимостью, чтобы можно было доверять его показаниям. Обычно правильность не является проблемой для приборов, градуируемых по известным эталонным методам, если только отсутствует дрейф градуировки. Клиническая медицина удивительно нетребовательна к воспроизводимости в отличие от, например, химической технологии. По крайней мере врачи, принимая решение на месте, обычно не реагируют на различия в ±10 %, хотя при последовательных измерениях такая разница вполне может быть значимой и отражать тенденцию, обуславливаемую лечением. В некоторых обстоятельствах (определение мочевой кислоты в сыворотке или, например, высоких концентраций амилазы или парацетамола в крови) достаточно даже меньшей воспроизводимости.

     Необходимо, однако, с осторожностью интерпретировать клинические требования в свете современной медицинской практики. Сейчас многие пациенты сами определяют содержание глюкозы в крови по индикаторным полоскам с точностью ±30 % (что соответствует шагу эталонной шкалы цветности) и представляют данные своим врачам, которым вполне достаточно этих данных для уточнения дозировки инсулина. Такая неточность, однако, неприемлема, если каждое измерение используется для регулировки дозы инсулина, поддерживающей постоянную физиологическую концентрацию глюкозы в крови. Это возможно в случае, когда терапевтически более эффективно подкожное введение инсулина. Можно предполагать, что если данные по содержанию глюкозы используются для решения более сложных задач (расчет дозы, установление связи между поглощением пищи и инсулиновой чувствительностью, введение обратной связи в управление внутривенной подачей инсулина), то требуется большая воспроизводимость.

     Важно понимать, что рабочий диапазон измерительного прибора, предназначенного для использования  в клинической медицине, определяется в общем случае патофизиологическим, а не физиологическим диапазоном измерения измеряемой величины. В норме концентрация глюкозы поддерживается между 3,5 и 5,5 ммоль/л, но важно и чтобы \ прибор мог различить 1 ммоль/л и 2 ммоль/л. При этом следует иметь в виду, что зарегистрированное изменение от 50 до 40 ммоль/л вполне реально. При низкой активности щитовидной железы большое значение имеет контроль за содержанием гормона тиреотропина, которое при данном обстоятельстве возрастает. Эндокринологи же долгое время использовали   метод   анализа,   который   не   позволяет   различать   концентрации тиреотропина ниже верхнего предела его физиологического диапазона. Следовательно, чувствительность прибора необходимо специально "подгонять" к его назначению в медицине.

     Создание  все более портативных, точных и  надежных измерительных приборов неизбежно будет дальнейшим стимулом к увеличению спроса на эти приборы в исследовательской медицине. От разработчиков биосенсоров можно ожидать новых приборов, обладающих высокой правильностью и воспроизводимостью, пригодных для клинической практики и фундаментальных физиологических исследований.

     

     

     ВРЕМЯ ОТКЛИКА.

     Результаты  анализа проб крови, посланных в  обычную больничную лабораторию, получают обычно в пределах от 30 мин до нескольких дней. В течение этого времени врач продолжает лечение, исходя из клинического диагноза. Парадоксально, но при проведении анализа у постели больного время отклика прибора приобретает большое значение, поскольку здесь обычно приходится принимать немедленное решение. Как уже отмечалось, именно в этом отношении биосенсоры должны влиять на организацию работы в клинике. Дело в том, что в ожидании получения результатов анализа от прибора сенсорного типа персоналу не хватит времени, чтобы заняться какой-либо другой деятельностью. Поэтому общее время измерения (включая и градуировочные и подготовительные процедуры) не должно превышать 120 с. Желательно, чтобы время отклика сенсора составляло 30 с. Важно также, чтобы до истечения этого времени не было возможности считывать промежуточные результаты.

     ГРАДУИРОВКА.

     В настоящее время трудно представить  себе биосенсоры, которые могли бы сохранять необходимую точность при периодическом или непрерывном использовании в течение длительного времени. Конечно, такой проблемы не возникает в случае одноразовых устройств. Более того, если физические приборы, например рефлектометры, можно градуировать, используя подготовленные заранее сухие индикаторные полоски или фильтры, биосенсоры нуждаются в градуировке по растворам, содержащим определенное вещество. При необходимости в растворы приходится вводить фиксированные количества мешающих веществ. Даже при малых временах отклика проводить градуировку сенсора при каждом его использовании было бы неудобно. Очень желательно, чтобы приборы заранее программировались на градуировку после фиксированного числа анализов и через фиксированные интервалы времени. Сенсор, используемый для серийных анализов, непрактично подвергать внешней градуировке с использованием лабораторного оборудования. Следует, однако, предусмотреть возможность контроля качества работы прибора клиническим или лабораторным персоналом.