Файл: Физические основы молекулярной электроники (Плотников), 2000, c.164.pdf

Глава IV Принципы построения действующих 11 перспектнвных устройств .~/ОЛ. электроники

сора на основе РУОР. ПЛенка с двумя алюминиевыми электродами, не обладающими избирательностью по отношению к адсорбции во­ дорода, используется в качестве опорного датчика. Полученый сен­ сор способен работать в диапазоне концентраций водорода от еди­ ниц до 104 ррш,

7) Биосенсоры - это специальный класс химических сен­ соров, который использует высокую чувствительность и селекгив­ ность биологически активных материалов, являющуюся резуль­ татом многих миллионов лет эволюции живых объектов, переда­ ча информации между которыми основана на химических сигна­ лах. Биосенсор можно определить как систему, объединяющую биологический чувствительный элемент, обычно иммобилизован­ ный на поверхности твердого тела, с традиционным преобразова­ телем сигнала. Чувствительный элемент распознает конкретную молекулу благодаря реакции, специфической адсорбции или дру­ гому физическому или химическому процессу, а преобразователь

конвертирует результат такого распознавания в легко используе­

мый сигнал - обычно электрический или оптический. Существует два класса процессов био-распознавания -

это распознавание по био-сродству и био-метаболическое распоз­

навание, отличающиеся методом детектирования. Оба класса включают образование сильной связи одного вещества с другим,

имеющим комплементарную структуру - так называемая связь

"ключ-замок". При распознавании по био-сродству образующая­ ся связь является достаточно сильной, и преобразователь должен зафиксировать наличие этой связи. Наиболее распространенные типы распознавания по био-сродству - это механизмы антитело­ антиген и рецептор-лиганд. В случае био-метаболического рас­ познавания после образования связи происходит реакция иссле­ дуемого вещества с другими реактантами и образуется новый про­ дукт. В этом случае преобразователь должен зафиксировать изме­

нение концентрации продуктов реакции или исходных реактан­

тов или выделение тепла в результате реакции. К механизмам био­ метаболического распознавания относятся реакции с участием эн­ зимов и "переработка" некоторых молекул органеллами, живыми

тканями и клетками.

139

Физические основы молекулярной электроники

Первый биосенсор, созданный Кларком и Лионсом в 1962 г., использовал электрохимический электрод, покрытый иммобилизо­ ванным ферментом. С тех пор появилось множество различных биосенсоров, основанных на химически чувствительных полупро­ водниковых устройствах, волоконной оптике, терморезисторах,

поверхностных акустических волнах, электрохимических элект­

родах, пьезорезонапсных кварцевых весах и многих других пре­

образователях. Основное отличие биосенсоров от других типов химических сенсоров состоит в их гораздо более высокой чув­ ствительности и избирательности. Понять ее причины можно на основе связи "ключ-замок", которая образуется только когда ис­

следуемое вещество имеет структуру комплиментарную к струк­

туре эпзима или антитела, и в результате образования связи пара оказывается в более низком энергетическом положении, чем две пезависимые молекулы. Разнообразие реакций в биологическом мире дает возможность создания очень разнообразных биосенсо­

ров, поскольку существуют системы, органеллы, клетки, ткани и

микроорганизмы, способные реагировать на очень разные веще­

ства, начиная с маленьких неорганических молекул, таких как кис­

лород, и кончая большими сложными молекулами протеинов и уг­ леводородов. Основные типы веществ, которые можно распозна­ вать с помощью биосенсоров, представлены в таб.4.2.

Таблица.4.2.

Примеры основных типов веществ, распознаваемых биссенсорами

140

Глава /V Принципыпостроениядействующихи перспективныхустройствмоч электроники

Следующаятаблицадемонстрируетширокие возможнос­ ти для подбора пар биологический чувствительныйэлемент - преобразователь сигнала.

Как видно из таблицы, можно создать очень много сочета­ ний, выбирая чувствительный элемент из первой колонки, а затем подбирая к нему подходящий преобразователь одного из типов, указанных в колонке 2, конкретные примеры которых приведены в следующей колонке.

Ключевым моментом при создании биосенсора является иммобилизация биологически активного элемента на поверхнос­ ти преобразователя. Иммобилизация должна 1) удерживать актив­ ный материал на поверхности твердого тела, не давая ему ото­ рваться в течении всего времени жизни сенсора, 2) давать возмож­

ность вводить сенсор в соприкосновение с исследуемым веще­

ством, 3) давать возможность для удаления из иммобилизоваиио-

Таблица 4.3 Компонентыбиосенсоров

141

Физические основы молекулярной электроники

го слоя продуктов реакции и, наконец, самое главное, 4) не изме­ нять естественные свойства биологически активного материала (не денатурировать его). Последнее требование является крити­

ческим, так как энзимы, антигены, органеллы, клетки и ткани ЯВ­

ляются очень хрупкими объектами, которые могут легко потерять

активность в результате механического повреждения, перегрева

или переохлаждения, воздействия токсинов, нехватки необходи­

мых химических элементов или даже в результате изменения КОН­

формации м:олекул. Существует два основных типа техники им­ мобилизации - присоединение и удержание, схематически изоб­ раженные на рис. 4.8. Присоединение предполагает образование связи биологически активного материала непосредственно с по­ верхностью преобразователя или с нанесенной на нее буферной мембраной. Вид связи - физическая или химическая адсорбция. Техника удержания биологически активного компанента состоит в его отделении от окружающей среды с помощью внешней мем­ браны или с помощью специальной матрицы. Мембрана или мат-

Рис.4.8. Различные варианты иммобилизации биологичес­ ки активного материала: а) под мембраной, б) в матрице, в) физическая адсорбция, г) химическая адсорбция

142

Глава /V Принципыпостроениядействующихи перспективныхустройствМО.7. электроники

рица в этом случаедолжны быть хорошо проницаемыдля анали­ зируемоговеществаи для продуктовреакциираспознавания.Наи­ большейпроблемойпри созданиибиосенсоровна настоящиймо­ ментявляетсяпроблемаих стабильности,связанная,во-первых,с созданиемстабильныхиммобилизованныхбиологическихпленок и, во-вторых, с проблемой создания эффективныхи стабильных преобразователейсигнала,оптимальнымобразомподходящихдля того или иногобиологическиактивногокомпонента.Однакоблаго­ даря высокойчувствительностии избирательностибиологических системсозданиекомбинированныхбиосенсоровявляетсянаиболее перспективнымпутем развития сенсорной аппаратурыДЛЯ хими­

ческого анализа.

4.3. Запоминание и хранение информации

в молекулярных системах

Как было отмечено выше (см. 2.1), в качестве логических элементов могут работать только специфические молекулярные системы, представляющие собой комбинацию довольно сложных органических молекул. Для систем, которые используются для за­ поминания числовой информации, необходимыми являются сле­ дующие условия: наличие двух устойчивых состояний с доста­ точно большим временем жизни, возможность перевести систему в каждое из этих СОСТОЯНИЙ управляющим физическим воздей­ ствием и идентифицировать эти состояния. Достаточно перспек­ тивными для этих целей являются молекулы органических краси­ телей, имеющие большое сечение захвата по отношению к кван­ там света, переводящим их в возбужденное синглетное состояние. Недостатком таких молекул является малое время жизни возбуж­ денных состояний красителей как в растворах (----1 О -9с), так и на поверхности твердых тел (--1 O-ll c). Принципиальная возможность обойти эти трудности была обозначена в 3.1.2: использовать для

143