Физические основы биосенсорики

СЕВАСТОПОЛЬСКИЙ 
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ 
УНИВЕРСИТЕТ
Г.П. ГОРБЕНКО
В.М. ТРУСОВА
М.П. ЕВСТИГНЕЕВ
ФИЗИЧЕСКИЕ 
ОСНОВЫ 
БИОСЕНСОРИКИ
УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ
Москва
ВУЗОВСКИЙ УЧЕБНИК
ИНФРА-М
2020

УДК 577(075.8)
ББК 28.07я73
 
Г67
Горбенко Г.П.
Г67 
 
Физические основы биосенсорики : учебное пособие / Г.П. Горбенко, В.М. Трусова, М.П. Евстигнеев. — Москва : Вузовский учебник : 
ИНФРА-М, 2020. — 140 с.
ISBN 978-5-9558-0415-6 (Вузовский учебник)
ISBN 978-5-16-010613-7 (ИНФРА-М, print)
ISBN 978-5-16-102429-4 (ИНФРА-М, online)
В учебном пособии описаны физико-химические основы функционирования биосенсоров, различные конфигурации биосенсорных анализаторов, 
принципы их действия и современные тенденции развития биосенсорики.
Значительное внимание уделено молекулярному узнаванию и системам усиления сигнала на молекулярном уровне. Подробно рассмотрены 
методы иммобилизации биологических компонентов биосенсоров. Отдельные разделы посвящены детальному описанию процессов, лежащих 
в основе формирования аналитического сигнала в электрохимических 
и оптических биосенсорах. Приведены примеры применения биосенсоров 
в различных областях жизнедеятельности.
Предназначено для студентов и аспирантов физических и биологических специальностей.
УДК 577(075.8)
ББК 28.07я73
ISBN 978-5-9558-0415-6 (Вузовский учебник)
ISBN 978-5-16-010613-7 (ИНФРА-М, print)
ISBN 978-5-16-102429-4 (ИНФРА-М, online)
© Горбенко Г.П., Трусова В.М., 
Евстигнеев М.П., 2015
© Вузовский учебник, 
2015

 
СОДЕРЖАНИЕ 
 
ВВЕДЕНИЕ ............................................................................... 6 
РАЗДЕЛ 1. БИОСЕНСОРЫ КАК НОВЫЙ КЛАСС 
АНАЛИТИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ ........................................ 8 
1.1. Предмет и задачи сенсорики 
............................................. 8 
1.1.1. Основные понятия сенсорики 
........................................ 8 
1.1.2. Предмет и задачи сенсорики 
....................................... 11 
1.2. Классификация биосенсоров .......................................... 11 
1.3. История создания биосенсоров ...................................... 14 
1.4. Вопросы для самоконтроля 
............................................. 17 
РАЗДЕЛ 2. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ 
ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ БИОСЕНСОРОВ ....................... 18 
2.1. Молекулярное узнавание ................................................ 18 
2.2. Комплекс фермент-субстрат 
........................................... 23 
2.2.1.  Гидролазы ..................................................................... 25 
2.2.2. Оксидазы (Н2О2-генерирующие ферменты) .............. 26 
2.2.3.  Дегидрогеназы .............................................................. 27 
2.3. Комплекс антиген-антитело 
............................................ 28 
2.4. Комплекс гормон-рецептор ............................................ 29 
2.5. Молекулярные системы усиления.................................. 31 
2.5.1.  Ферментативное усиление ......................................... 32 
2.5.2.  Модуляция неспецифической реакции 
........................ 33 
2.5.3.  Смещение равновесия .................................................. 35 
2.5.4.  Каскадное усиление 
...................................................... 36 
2.6. Вопросы для самоконтроля 
............................................. 37 
РАЗДЕЛ 3. МЕТОДЫ ИММОБИЛИЗАЦИИ 
БИОЛОГИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ СЕНСОРОВ ............... 39 
3.1. Адсорбция на носителях ................................................. 40 
3.2. Ковалентное присоединение к носителям 
..................... 41 
3.2.1.  Металлохелатный метод 
........................................... 44 
3.3. Сшивание с бифункциональными реагентами ............. 47 
3.4. Включение в пространственную сетку гелей................ 48 
3.5.  Микрокапсулирование ................................................... 51 
3

 
3.6. Сравнительная характеристика методов иммобилизации 
белков 
....................................................................................... 55 
3.7. Методы иммобилизации липидов .................................. 57 
3.7.1. Химическая модификация поверхности подложки 
... 58 
3.7.2.  Формирование липидных мембран на твердой 
подложке ................................................................................. 59 
3.8. Вопросы для самоконтроля 
............................................. 64 
РАЗДЕЛ 4. ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ СЕНСОРЫ ............ 65 
4.1. Физико-химические основы функционирования 
электрохимических сенсоров. Электрохимическая цепь 
.... 65 
4.2. Основные характеристики электрохимических 
процессов ................................................................................. 69 
4.3. Классификация электродов 
............................................. 73 
4.4. Ионселективные электроды 
............................................ 75 
4.5. Стеклянный электрод ...................................................... 78 
4.6.  Другие типы ионселективных электродов ................... 83 
4.7. Ферментные электроды 
................................................... 84 
4.8. Современные тенденции развития электрохимических 
биосенсоров ............................................................................. 87 
4.9.  Вопросы для самоконтроля 
............................................ 88 
РАЗДЕЛ 5. ОПТИЧЕСКИЕ БИОСЕНСОРЫ ....................... 90 
5.1. Распространение света в оптическом волокне 
.............. 90 
5.1.1. Полное внутреннее отражение .................................. 90 
5.1.2. Затухающее поле .......................................................... 94 
5.1.3. Поверхностный плазмонный резонанс ....................... 96 
5.2. Классификация оптических датчиков 
............................ 98 
5.3.  Датчики с модулируемой амплитудой 
........................ 100 
5.3.1. Прямые внешние сенсоры .......................................... 101 
5.3.2. Прямые внутренние сенсоры 
..................................... 102 
5.3.3.  Непрямые внешние сенсоры 
...................................... 103 
5.3.4. Непрямые внутренние сенсоры ................................. 105 
5.4. Датчики с модулируемой длиной волны ..................... 107 
5.4.1. Прямые внешние флуоресцентные сенсоры ............ 108 
5.4.2. Прямые внутренние флуоресцентные сенсоры 
....... 108 
4

 
5.4.3. Непрямые внешние флуоресцентные сенсоры 
......... 109 
5.4.4. Непрямые внутренние флуоресцентные сенсоры ... 113 
5.5. Сенсоры, основанные на комбинационном рассеянии 
(КР-сенсоры).......................................................................... 114 
5.6. Датчики с фазовой модуляцией 
.................................... 117 
5.7. Датчики с поляризационной модуляцией ................... 122 
5.8. Датчики с временной модуляцией ............................... 123 
5.9. Вопросы для самоконтроля 
........................................... 124 
РАЗДЕЛ 6. ДРУГИЕ ТИПЫ БИОСЕНСОРОВ .................. 127 
6.1. Биосенсоры на объемных пьезоэлектрических 
резонаторах 
............................................................................ 127 
6.2. Биосенсоры на поверхностных акустических волнах 
(ПАВ) ..................................................................................... 129 
6.3. Калориметрические биосенсоры .................................. 130 
6.4. Вопросы для самоконтроля 
........................................... 130 
РАЗДЕЛ 7.   ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ               
БИОСЕНСОРОВ ................................................................... 132 
7.1. Применение биосенсоров в медицине ......................... 132 
7.2. Применение биосенсоров для анализа объектов 
окружающей среды 
............................................................... 135 
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ................................. 137 
 
5

 
ВВЕДЕНИЕ 
 
Одной из важнейших черт современной науки 
является формирование контактов между различными 
отраслями 
знаний, 
взаимопроникновение 
и 
взаимообогащение этих отраслей,  возникновение на этой 
основе 
новых 
научных 
направлений. 
Среди 
таких 
направлений в последние десятилетия особенно интенсивно 
развивается биосенсорика, наука о новом классе датчиков - 
биосенсорах.  
Биосенсор - это аналитический прибор, в котором 
высокоспецифичные 
реакции 
между 
чувствительным 
биологическим элементом и веществом, уровень которого 
необходимо определить (аналитом), приводят к генерации 
сигнала, 
зависящего 
от 
концентрации 
аналита. 
Конструктивно биосенсор состоит из биоселективной 
мембраны или биоматрицы и физического элемента, 
который превращает биохимический сигнал в электронный. 
Возникновение 
биосенсорики 
является 
результатом 
интеграции многих отраслей науки и технологии - 
аналитической химии, электрохимии, физики твердого тела, 
биохимии, 
биофизики, 
микроэлектроники, 
материаловедения. Важность биосенсорных анализаторов 
трудно переоценить. Биосенсоры находят все более 
широкое 
применение 
в 
различных 
сферах 
жизнедеятельности - медицине, сельском хозяйстве, охране 
окружающей 
среды, 
пищевом, 
фармацевтическом, 
6

 
химическом производствах и т.д. Наиболее важными 
преимуществами 
биосенсоров 
являются 
высокая 
чувствительность и селективность, безреагентность и 
скорость 
анализа, 
широкий 
диапазон 
анализируемых 
веществ. Несмотря на бурное развитие биосенсорной 
концепции, 
и 
сегодня 
существует 
немало 
проблем, 
связанных, в частности, с необходимостью создания 
безопасных 
для 
организма 
датчиков, 
способных 
к 
продолжительному эффективному функционированию in 
vivo, 
обеспечения 
возможности 
многоразового 
использования биосенсоров, избежания нежелательного 
влияния интерферирующих веществ и т.д. Преодоление 
этих и множества других нерешенных проблем невозможно 
без глубокого понимания процессов, которые протекают в 
биосенсорах, а также без знания свойств биологических и 
физических элементов датчиков. 
 
Цель данного пособия - ознакомить читателя с 
физико-химическими 
основами 
функционирования 
биосенсоров, принципами их действия и основными 
конфигурациями. Наряду с детальным рассмотрением 
фундаментальных 
концепций 
работы 
биосенсоров 
и 
современных 
тенденций 
развития 
биосенсорных 
анализаторов, 
достаточно 
внимания 
уделяется 
и 
прикладным аспектам проблемы. 
7

 
РАЗДЕЛ 1.                                                             
БИОСЕНСОРЫ КАК НОВЫЙ КЛАСС АНАЛИТИЧЕСКИХ 
УСТРОЙСТВ 
1.1. Предмет и задачи сенсорики 
1.1.1. Основные понятия сенсорики 
 
Сенсор - аналитическое устройство, в котором 
высокоспецифичные 
химические 
реакции 
между 
чувствительным химическим элементом и определяемым 
веществом (аналитом) формируют сигнал, зависящий от 
концентрации аналита. 
Биосенсор - аналитический прибор, содержащий 
биологический 
чувствительный 
элемент 
(ферменты, 
рецепторы, гормоны, антитела, нуклеиновые кислоты, 
надмолекулярные комплексы, внутриклеточные органеллы, 
клетки, 
микроорганизмы 
и 
т.д.). 
В 
биосенсоре 
аналитический сигнал формируется за счет биохимических 
процессов. 
Первичный отклик - изменение определенных 
характеристик 
химического 
или 
биологического 
чувствительного 
элемента 
сенсора 
в 
результате 
его 
взаимодействия с аналитом. 
Преобразователь (трансдуктор) - элемент сенсора, 
с 
помощью 
которого 
первичный 
отклик 
системы 
преобразуется в электрический, оптический, механический, 
термический или частотный аналитический сигнал. В 
качестве трансдуктора могут использоваться термисторы, 
8

 
оптические волокна, электроды, полевые транзисторы, 
пьезоэлектрические кристаллы и т.д. 
Головной каскад - система первичной обработки и 
усиления измеряемого сигнала. 
Селективность - способность сенсора к ответу 
только на узко специфический химический сигнал и 
относительная нечувствительность к неспецифическим 
воздействиям. Высокая селективность является одним из 
основных преимуществ биосенсоров по сравнению с 
другими видами датчиков. 
Быстродействие 
(время 
ответа) 
- 
время, 
необходимое для достижения стационарного состояния 
сенсора 
(постоянного 
сигнала) 
при 
изменении 
концентрации аналита. При больших временах ответа 
возможно проведение анализа в кинетическом режиме, т. е. 
без достижения стационарного состояния. 
Динамический 
диапазон 
(пределы 
измерения) 
сенсора - область значений анализируемого параметра, в 
которой 
детектируемый 
сигнал 
с 
высокой 
воспроизводимостью 
коррелирует 
со 
специфическим 
первичным откликом. 
Калибровочная кривая - зависимость аналитического 
сигнала (Х) от концентрации аналита (С). 
Предел 
детектирования 
- 
самая 
низкая 
концентрация 
аналита 
(
LOD
C
), 
которая 
приводит 
к 
генерации сигнала (
LOD
X
), статистически отличимого от 
фонового сигнала.  
9

 
Чувствительность - соотношение детектируемого 
сигнала и концентрации аналита. Эта величина равна 
наклону калибровочной кривой 
C
X
dC
dX
S
'
'
 
 
/
/
. Чем 
выше чувствительность, тем ниже предел детектирования. 
Взаимосвязь между этими параметрами определяется 
соотношением 
S
S
C
B
LOD
/
3
 
, где 
B
S  - стандартное    
отклонение фонового сигнала, измеряемого в отсутствие 
аналита. В таблице 1.1 приведена шкала концентраций 
аналита, измеряемых с помощью биосенсоров. 
Таблица 1.1 
Шкала  концентраций аналита, используемых в 
биосенсорах. 
Концентрация, 
Число молекул в 
Обозначение 
моль/л 
1 —l 
Моль (М) 
1 
a6î1017 
Миллимоль (mM) 
10-3 
a6î1014 
Микромоль (—M) 
10-6 
a6î1011 
Наномоль (nM) 
10-9 
a6î108 
Пикомоль (pM) 
10-12 
a6î105 
Фемтомоль (fM) 
10-15 
a6î102 
Аттомоль (aM) 
10-18 
0,6 
Зептомоль (zM) 
10-21 
0,0006 
10