Конспекты лекций / Лекция 12

английского squid — «кальмар») — сверхчувствительные магнитометры, используемые

для измерения очень слабых магнитных полей. СКВИД-магнитометры обладают рекордно высокой чувствительностью, достигающей 5·10−33 Дж/Гц (чувствительность по магнитному полю — 10−13 Тл). СКВИД представляет собой сверхпроводящее кольцо с двумя джозефсоновскими туннельными контактами (так называемые слабые звенья).

Подробнее: В.Л. Гинзбург, Е. А. Андрюшин. Сверхпроводимость. Альфа-М, 2006 год. http://elementy.ru/lib/430825/430831

Сверхпроводи́мость — свойство некоторых материалов обладать строго нулевым электрическим сопротивлением при достижении ими температуры ниже определённого значения (критическая температура). Известны несколько сотен соединений, чистых элементов, сплавов и керамик, переходящих в сверхпроводящее состояние.

Сверхпроводимость – квантовое явление. Оно характеризуется также эффектом Мейснера,

заключающемся в полном вытеснении магнитного поля из объема сверхпроводника.

Существование этого эффекта показывает, что сверхпроводимость не может быть описана просто как идеальная проводимость в классическом понимании.

Открытие в 1986 – 1993 гг. ряда высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП)

далеко отодвинуло температурную границу сверхпроводимости и позволило практически использовать сверхпроводящие материалы не только при температуре жидкого гелия (4.2

К), но и при температуре кипения жидкого азота (77 К), гораздо более дешевой криогенной жидкости.

С помощью СКВИДов в медицинских исследованиях ведутся записи магнитных сигналов от органов человеческого тела – в дополнение к электрическим исследованиям

(электрокардиограммы или электроэнцефалограммы). Для съемки магнитных сигналов не нужен непосредственный контакт с телом. Более того, возможна регистрация сигналов,

гораздо более слабых или исходящих от небольших участков тела. За годы экспериментов научились получать магнитограммы практически от всех органов человеческого тела,

причем удается регистрировать сигналы с напряженностью 5·10–7 Э, и это не предел!

Напомним, что напряженность магнитного поля Земли в миллион раз больше.

Таким способом удается получить магнитограмму плода беременной женщины.

Это существенно, поскольку раннее обнаружение отклонений в ритме сердца и назначение лечения могут уменьшить возникающее повреждение мозга ребенка и

1

устранить его умственную отсталость. А электрокардиограмму плода на фоне электрической активности органов матери получить очень трудно или вообще невозможно. С физической точки зрения этот метод уже разработан, однако распространенным диагностическим методом не стал прежде всего потому, что не всегда надежна расшифровка магнитограммы.

Магнитоэнцефалография (МЭГ) — технология, позволяющая измерять и визуализировать магнитные поля, возникающие вследствие электрической активности мозга. Портативный клинический магнитоэнцефалометр имеет вид шлема, начинка которого охлаждается до температуры жидкого гелия, используется до 150 СКВИД датчиков. Данная методика позволяет получать трехмерные изображения мозга с выделением участков наибольшей активности.

2. Биосенсоры

2.1.Устройство биосенсоров

Биосенсоры – устройства, преобразующие информацию о составе исследуемой среды в электрический сигнал посредством биологических веществ, избирательно реагирующих на компоненты этой среды и измеряющие концентрацию вещества без добавления в биопробу дополнительных реагентов.

Биосенсоры – аналитические устройства, конструктивно состоящие из двух блоков:

биологического, включающего ферменты и антитела, целые клетки либо их органеллы,

срезы тканей и т.п., и физико-химического датчика (трансдуктора) для регистрации физических величин (температуры, интенсивности светового потока, электрического тока,

потенциала) 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 общем случае цепь информационного преобразования при использовании биосенсоров представима в следующем виде:

где БП – биопроба с концентрацией измеряемого вещества с;

2

Р- рецептор (молекулярно-чувствительный биокомпонент), в котором осуществляется преобразование I=f(c), где I – значение выходного сигнала;

П – преобразователь;

Д – регистрирующее устройство.

Взаимодействие (1) порождает некоторый измерительный эффект (2) –

электрический, гравиметрический, оптический, термический и др., который затем обнаруживается измерительным преобразователем. Полученный сигнал преобразуется

(усиливается, фильтруется и т.д.) аналоговым или цифровым устройством в цифровой эквивалент (число) и передается на устройство отображения – дисплей Д.

2.2.Классификация биосенсоров

Практическая реализация биосенсоров может быть очень различной, например, группу электрохимических биосенсоров составляют подгруппы потенциометрических и амперометрических:

3

Тип биосенора определяется либо биологическим материалом, используемым для определения концентрации аналита, либо применяемым трансдуктором. Так, если на поверхности трансдуктора иммобилизованы (закреплены) антитела или ферменты, то говорят об иммунологических или ферментативных биосенсорах, если микроорганизмы или целые клетки, то говорят о микробных или клеточных биосенсорах. Если же в работе сделан акцент на тип трансдуктора, то речь идет об оптических, потенциометрических, амперометрических или гравиметрических биосенсорах, т.е., в зависимости от исследуемого биологического компонента, используются те или иные преобразователи.

4

2.3.Характеристики биосенсоров

Основными характеристиками биосенсоров, как и для физических и

химических датчиков являются чувствительность, время отклика, линейный

диапазон, предел обнаружения, селективность и специфичность. Относительно специфичной характеристикой является время его жизни, поскольку чувствительность биосенсоров со временем уменьшается из-за деструкции биологического материала. Это также вызывает необходимость переградуировки биосенсоров с течением времени.

Чувствительность - способность метода правильно определять тех, у кого болезнь есть. Она измеряется долей положительных результатов у действительно больных - долей истинноположительных результатов.

Специфичность - способность метода правильно определять, у кого нет болезни.

Она измеряется долей истинноотрицательных результатов - отрицательных результатов у здоровых людей.

Положительные результаты состоят из истинноположительных A и

ложноположительных B. Отрицательные результаты состоят из ложноотрицательных C и

истинноотрицательных D.

Чувствительность равняется А/(А+С)

Специфичность равняется D/(B+D)

2.4.Примеры реальных биосенсоров Ферментные электроды относятся к самым последним достижением аналитической

химии. Эти устройства сочетают в себе селективность и чувствительность ферментативных методов анализа со скоростью и простотой измерений с помощью ионоселективных электродов. В результате появилось устройство, позволяющее быстро измерять концентрацию определенного соединения в растворе, и метод, требующий минимальной пробоподготовки. Разработаны ферментные электроды для определения глюкозы, мочевины, L-аминокислот, пенициллина и других веществ, важных в клинической практике.

Классический потенциометрический ферментный электрод представляет собой комбинацию ионоселективного электрода с иммобилизованным (нерастворимым)

ферментом, который обеспечивает высокую селективность и чувствительность определения конкретного субстрата.

Конструкция ферментного электрода на основе стеклянного электрода для измерения

рН (потенциометрический датчик) и схема его подключения представлены на рис1.

5

Рис. 1

Показания снимаются непосредственно с цифрового вольтметра, после чего строится график зависимости потенциала (мВ) от концентрации измеряемого вещества, при этом разность потенциалов Е прямо пропорционально ln(c'/c"), где с' и

с"- значения концентраций ионов во внутреннем и внешнем объемах электродного пространства.

При подобных измерениях можно применить полярограф - тогда к электроду прикладывают потенциал и регистрируют значение тока (мкА), при этом диффузный ток l=k c, где c- концентрация определяемого вещества, которое окисляется на электроде, k – коэффициент пропорциональности. Затем строят калибровочный график зависимости тока от концентрации вещества.

Для амперометрических электродов вместо полярографа можно использовать специальный преобразователь (рис. ) - устройство, подающее потенциал на амперометрический датчик и преобразующее возникающий ток в разность потенциалов, которая измеряется вольтметром.

В табл. 2 перечислены некоторые ионоселективные электроды, пригодные для конструирования ферментных электродов.

Таблица 2.

Потенциометрический

датчик

NH3

CO2

PH

I*

CN

Достоинствами таких потенциометрических сенсоров являются простота оборудованиям требуется только рН-метр, тогда как для амперометрических сенсоров необходимо полярографическая установка, низкая стоимость, доступность большого числа хороших и надежных базовых ионоселективных электродов.

2.5.Биосенсоры на основе полупроводниковых структур

Полевой транзистор может быть использован для контроля любого процесса,

результатом которого явилось бы изменение величины электрического поля в области затвора. Для придания полевому транзистору химической чувтвительности к определенному веществу хемоселективную мембрану присоединяют последовательно к подзатворному диэлектрику (ионоселективные мембраны, мембраны с иммобилизированным ферментом).

Основными преимуществами биосенсоров на основе полевого транзистора являются:

-миниатюрность (микроны);

-малое время отклика (минуты);

-высокая чувствительность;

-возможность создания микромульти-датчика;

-интеграция с электрической схемой – интеллектуализация измерительного предобразователя;

-низкая цена, обусловленная групповой технологией.

Вопросы по лекции:

1.Сквиды и их применение в медицине. Явление сверхпроводимости.

2.Биосенсоры: определение, цепь информационного преобразования. Принципы классификациии биосенсоров (см. схему «Классификация биосенсоров») и

принцип составления названия биосенсоров (привести минимум 2 примера).

7

3. Характеристики биосенсоров.

8