1 — 2 сентября 2010 г Новосибирск Биосенсоры

1 - 2 сентября 2010 г. Новосибирск Биосенсоры в определении взаимодействий молекул 18 сентября 2014

Биосенсор Датчик, который объединяет биологический элемент с физикохимическим преобразователем для получения электронного (электрического) сигнала, пропорционального концентрации анализируемого вещества (аналита), который затем передается на детектор.

Один из древних биосенсоров В старину шахтёры брали с собой в шахту клетку с канарейкой, и пока слышалось пение птицы можно было работать спокойно: в шахте нет метана. Если же канарейка замолкала на долгое время — концентрация метана высока.

Компоненты биосенсоров Detector

Основные направления исследований • • • Узнавание в биологических комплексах Изучение активности и специфичности белков Быстрая кинетика Решение проблем сложных in vivo систем Различные характеристики гибридизации ДНК, в том числе и для диагностики

Основные характеристики биосенсоров 1. ЛИНЕЙНОСТЬ Линейность датчика должна быть высокой для обнаружения высоких и низких концентраций субстрата. 2. ЧУСТВИТЕЛЬНОСТЬ Значение сигнала электрода в ответ на концентрации субстрата. 3. СЕЛЕКТИВНОСТЬ Биосенсор должен выдавать сигнал только в ответ на специфическую частицу 4.

Биосенсоры: решаемые задачи • Быстрое и, главное, количественное определение физико -химических характеристик в надмолекулярных комплексах; • Автоматизация и упрощение скрининговых исследований; • Создание детектирующих модулей и приборов; • Быстрые клинические анализы; • Детекторы инфекционных заболеваний; • Детекторы отравляющих веществ и т. д. • Криминалистическое определение. • Домашние биохимические анализы • Анализ пищевых продуктов (пестициды, гербициды, антибиотики, гормоны, ГМО)

«Отец» биосенсоров Prof. Leland C. Clark Jnr. 1918– 2005 Clark Jr, LC; Wolf, R; Granger, D; Taylor, Z (1953). "Continuous recording of blood oxygen tensions by polarography". Journal of applied physiology 6 (3): 189– 93.

История биосенсоров • 1916 First report on immobilization of proteins : adsorption of invertase on activated charcoal • 1922 First glass p. H electrode • 1953 Clark published his definitive paper on the oxygen electrode. • 1962 First description of a biosensor: an amperometric enzyme electrode for glucose (Clark) • 1969 Guilbault and Montalvo – First potentiometric biosensor: urease immobilized on an ammonia electrode to detect urea • 1970 Bergveld – ion selective Field Effect Transistor (ISFET) • 1975 Lubbers and Opitz described a fibre-optic sensor with immobilised indicator to measure carbon dioxide or oxygen.

• 1987 Blood-glucose biosensor launched by Medi. Sense Exac. Tech • 1990 SPR based biosensor by Pharmacia BIACore • 1992 Hand held blood biosensor by i-STAT • 1996 Launching of Glucocard • 1998 Blood glucose biosensor launch by Life. Scan Fast. Take • 1998 Roche Diagnostics by Merger of Roche and Boehringer mannheim • Current Quantom dots, nanoparicles, nanowire, nanotube, etc

Современные биосенсоры • Поверхностный плазмонный резонанс (Surface Plasmon Resonance (Resonant Mirror): BIACORE, IAsys, Prote. ON; • DNA Based Biosensors; Электрохимические ДНК-сенсоры; • Quartz Crystal Microbalance (QCM); • Биосенсоры на углеродных нанотрубках (Carbon Nanotube Biosensor); • Биосенсоры на основе целых клеток

$Поверхностный плазмонный резонанс Surface Plasmon Resonance Теоретические основы метода How? Связывание – изменение refractive$

Поверхностный плазмонный резонанс Surface Plasmon Resonance Теоретические основы метода How? Связывание – изменение refractive index

Biospecific Interaction Analysis (BIA) Angular scanning ) R( sp Before d After d’

SPR и его применение

Сенсограммы Offers kinetic monitoring of bin and determination of kon, koff, K

Иммобилизация образцов: используемые подходы

Микрофлюидика – ввод проб

IAsys

BIACORE

DNA Based Biosensors Электрохимические ДНК-сенсоры (Target Sequence) (Hybridization) ss. DNA (Probe) (Stable ds. DNA)

Электрохимические ДНК-сенсоры “Stem-loop” s Gold electrode

Target “Stem-loop” s Gold electrode

(Open, extended) (Stem-loop) Source: Ricci et al. , Langmuir, 2007, 23, 6827 -6834

Зависимость сигнала электрохимического ДНК-сенсора от плотности иммобилизации Langmuir, 2007, 23, pp 6827– 6834 DOI: 10. 1021/la 700328 r

Quartz Crystal Microbalance – Utilizes quartz crystals functionalized with monoclonal antibody – Detects adsorption of molecules to the crystal surface as changes in resonance frequency. – Allows for theoretical detection of ~5 ng/cm 2 (Q-Sense, Inc. )

Quartz Crystal Microbalance

Пьезоэлектрические ДНК-сенсоры • quartz crystal microbalance (QCM) transducers Immobilized DNA probe Target DNA Form duplex---mass increase Decrease in crystal’s resonance frequency

Mismatch-Sensitive Hybridization Detection by Peptide Nucleic Acids Immobilized on a Quartz Crystal Microbalance Frequency–time response of a PNA/QCM to additions of the target (T) and mismatch (M) oligonucleotides. The hybridization event results in decreased frequency, reflecting the increased mass of the crystal Anal. Chem. , 1997, 69 (24), pp 5200– 5202 DOI: 10. 1021/ac 9706077

QCM-Based Measurement of Bond Rupture Forces in DNA Double Helices for Complementarity Sensing The measured rupture forces were within 30− 40 p. N, and the sensitivity was 108 molecules Langmuir, 2014, 30, pp 3795– 3801 DOI: 10. 1021/la 402971 a

Carbon Nanotube Biosensor

Углеродные нанотрубки n n n Толщина в один атом Диаметр 1 нанометр Способность к химической функционализации Электрическая проводимость, как у меди Термическая стабильность характеристик

Carbon Nanotube Biosensor (CNT) Biosensor Signal Detection O 2 H 2 O 2 Glucose Gluconic Acid e- Окисление глюкозы глюкозоксидазой

CNT Biosensor Signal Detection e- e- Увеличение электрического тока от концентрации глюкозы в крови

Cell-Based Sensors Toxins 2013, 5, 2366 -2383; doi: 10. 3390/toxins 5122366

Toxins 2013, 5, 2366 -2383; doi: 10. 3390/toxins 5122366

Определение вирусных частиц с помощью биосенсоров Usage of carbon nanotube electric immunoassay for the detection of swine influenza virus H 1 N 1 Int. J. Electrochem. Sci. , 7 (2012) 10779 - 10801

Современный пример «живых» биосенсоров Лучшие контролеры воды — раки, которые живут в аквариумах на каждом водозаборе петербургского «Водоканала» . К панцирю рака, сидящего в аквариуме, приклеен волоконно-оптический датчик, который позволяет незаметно для животного в течение длительного времени регистрировать его сердцебиение. На экран компьютера диспетчера смены непрерывно выводятся уже обработанные результаты показателей сердечного ритма и стресс-индекса раков. При попадании в воду токсичных веществ раки реагируют в течение 1, 5 — 2 минут. Их кардиоритм учащается, приборы дают сигнал тревоги.

Современные биосенсоры в быту Тест на беременность Определяет h. CG (хорионический гонадотропин человека) в моче Современный глюкометр Определяет уровень глюкозы в крови

Современные биосенсоры в быту Тест на содержание этилового спирта в слюне Определение солей жесткости в воде

«Умная одежда» (Smart Shirt) – немного будущего

Наносенсор для определения болезнетворных бактерий в полости рта Чтобы сделать графен чувствительным к бактериям, на него наносят пептиды, имеющие сродство к поверхности бактериальных клеток. Информация с беспроводного детектора считывается с помощью антенны. Расстояние от антенны сенсора до принимающей антенны не должно превышать одного сантиметра. Энергию для работы сенсора и для передачи сигнала датчик получает от колебаний электромагнитного поля. Чувствительности устройства достаточно для обнаружения отдельных бактериальных клеток. NATURE COMMUNICATIONS 2012 | 3: 763 | DOI: 10. 1038/ncomms 1767

Наносенсор для определения взрывчатых веществ Способен определять в воздухе следующие ВВ: TNT (trinitrotoluene), RDX (1, 3, 5 -Trinitro-1, 3, 5 triazacyclohexane), PETN ([3 -Nitroxy-2, 2 -bis(nitromethyl)propyl]nitrate), HMX (Octahydro-1, 3, 5, 7 -tetranitro-1, 3, 5, 7 tetrazocine), TATP (Triacetone triperoxide), HMDT (Hexamethylene triperoxide diamine) NATURE COMMUNICATIONS 2014 | 5: 4195 | DOI: 10. 1038/ncomms 5195

Контактные линзы с сенсором уровня глюкозы Контактные линзы, над которыми сейчас (январь 2014 г. ) работают компании Google и Novartis , имеют встроенный миниатюрный сенсор уровня сахара, беспроводной чип и небольшой светодиод. Информацию об уровне сахара датчик будет передавать в смартфон; при критичном повышении или понижении уровня сахара светодиод будет оповещать об этом человека. Наблюдение ведется непрерывно — показания считываются ежесекундно, поэтому больной диабетом будет предупрежден максимально оперативно.