Zelo veliko člankov obravnava biosenzorje za glukozo (približno 12%), verjetno zaradi vse večjega števila bolnikov s sladkorno boleznijo.

Biosenzorje lahko definiramo kot analitsko opremo, ki združuje specifičnost biološko občutljivega dela za analit in način prenosa signala, ki je proporcionalen koncentraciji analita, ki nas zanima. Njihovo delovanje temelji na specifičnem prepoznavanju molekul, ki temelji na afiniteti med komplementarnimi strukturami (receptor - hormon, encim - substrat,…). To pa lahko uporabimo za nastanek koncentracijsko odvisnih signalov. Ta proces je sestavljen iz treh faz :

- prepoznavanje analita (molekul)
- prenos signala
- ovrednotenje in odčitavanje signala

Signal, ki pri tem nastaja, je lahko rezultat spremembe v koncentraciji protonov, sproščanju ali porabi plinov (NH3, O2), emisiji svetlobe, spremembi mase,… Prenosnik ta signal spremeni v obliko, ki je merljiva, kot so tok, napetost, sprememba temperature, absorpcija svetlobe ali povečanje mase na elektrokemijske, termične, optične ali piezoelektrične načine.
Kljub vsem prednostim, ki jih nudijo biosenzorji, pa obstaja največja težava pri uporabi v industrijskem merilu. Biološki material (encimi, celice,…), ki je del biosenzorja, je občutljiv na toploto in zato ga ne moremo sterilizirati s paro, kemijska sterilizacija pa ne pride v poštev, saj jo pogosto spremlja tveganje za proizvodne bioreaktorje.

Poznamo metabolne biosenzorje, ki temeljijo na specifičnosti in katalitični moči encimov, saj kemijsko reagirajo z analitom. S tem nam omogočajo spremljanje in kontrolo metabolizma mikrobnih celic. Pravilen potek metabolnih poti in dovolj visoke koncentracije prekurzorjev ali kofaktorjev nam zagotavljajo tudi primerno koncentracijo proizvoda. S spreminjanjem le teh lahko kontroliramo potek sinteze proizvoda.

Biosenzorji za substrat: Bioprocesna kontrola zahteva učinkovito spremljanje porabe substrata. Na tem področju je izbira senzorjev največja. Poznamo senzorje s katerimi lahko spremljamo saharidne komponente, aminokisline in kemijske sestave gojišča. Nekateri niso uporabni v industriji zaradi nestabilnosti in toplotne neodpornosti. Najbolj stabilna sta biosenzorja za glukozo in za merjenje koncentracije aminokislin.

Biosenzorji za proizvode mikroorganizmov: Mikroorganizmi izločajo kot sekundarne metabolite snovi, ki so lahko uporabne v proizvodnji. Vemo, da je bil penicilin odkrit po naklučju, ko je A. Fleming gojil bakterije in po nesreči okužil eno od gojišč s plesnijo, katere stranski proizvod je penicilin.

Imunosenzorji: Pri višje razvitih živalih je imunski sistem najbolj raznolik sistem prepoznavanja molekul (virusov, bakterij in ostalih tujkov). Sposoben je narediti protitelo proti ogromnemu številu molekul, zato so možnosti uporabe skoraj neomejene. Imunski sistem je razvit do te mere, da si 'zapomni' skoraj vse tujke, ki so vstopili v organizem. Zato za nekaterimi boleznimi zbolimo le enkrat (norice, rdečke,…).

Pri imunosenzorju tvori biološki del protitelo, senzorski pa najpogosteje sestavljajo fizikalno-masni ali optični sistemi. Detektorji, ki temeljijo na zaznavnju mase, so sposobni detektirati zelo majhno spremembo mase, ko se protitelo veže na antigen. Antigen ali protitelo so lahko encimi, radionukleotidi, fluorescirajoče spojine ali elektrokemijsko aktivne snovi. Zaznavnje spremebe mase temelji na spremembi frekvence ali na razliki v površinskem akustičnem valovanju (piezoelektrični senzorji).
Imunosenzorje uporabljajo v biotehnologiji za proizvodnjo peptidnih hormonov in monoklonskih protiteles v farmacevtski industriji. To jim omogoča specifičnost antigenov za posamezno protitelo. Večina imunoanaliz je izvedena z imunoglobulinom G. Uporabljajo jih tudi v živilski industriji za dokazovanje sestavin živil, patogenih organizmov in kontaminantov. Žal imunoelektrode še vedno potrebujejo indikatorsko reakcijo. Poleg tega je njihova uporaba omejena zaradi pomankljivosti, kot so nastanek kompleksa, ki je kinetično ireverzibilen in s tem ni večkrat uporaben, nizka občutljivost in problem sterilizacije.

Najboljšo kombinacijo biološkega dela senzorja in pretvornika moramo določiti za vsako spojino posebej. Seveda moramo pri tem upoštevati tudi občutljivost, reakcijski čas, lastnosti nosilca in biloškega dela, moteče spojine, ugotoviti pa moramo tudi linearno območje koncentracije. Poznamo amperometrične, potenciometrične, optične in piezoelektrične pretvornike.

Pravilno delovanje senzorjev, ki temeljo na encimih, je odvisno od kemijskih in fizikalnih lastnosti imobilizirane encimske plasti. Metode imobilizacije lahko delimo na kemijske in fizikalne (imobilizacija encima z adsorpcijo, s kovalentno imobilizacijo, z imobilizacijo encima na kovinsko ali ogljikovo elektrodo).

Biosenzorje uporabljajo za oceno kakovosti hrane (vsebnosti maščob, beljakovin in ogljikovih hidratov), za spremljanje onesnaženosti okolja, pri proizvodni antibiotikov (merimo koncentracijo produkta, hranil,…) in seveda v medicini. V medicin uporabljajo biosenzorje za merjenje različnih substanc v krvi, urinu, … Zelo pomemben faktor je koncentracija glukoze v krvi, ki bo podrobneje opisan v naslednjem prispevku. Pri odpovedi ledvic se poveča koncentracija uree v krvi. Ti senzorji merijo večinoma spremembo pH, ki nastaja pri njenji razgradnji.

Viri:

- Kellner, Robert A.; Analitical Chemistry; Wiley-VCH, Nemčija, 1998
- Hočevar, Samo; Priprava in karakterizacija biosenzorjev za glukozo na osnovi modificiranih -mikroelektrod, Magistrsko delo, UL - FKKT, Ljubljana 2000
- Campbell, M.; Sensors System for Environmental Monitoring; Vol. 1; Blackie Academic & Professional; 1997
- Göpel,W.,Hesse,J., Zemel,J.N.; Sensors - A Compehensive Survey, Vol.1, VCH, Nemčija, 1989
- Raspor, Peter; Biotehnologija, osnovna znanja; BIA; Ljubljana, 1996
- Sosnitza,P., Farooqui,M.,Saleemuddin,M. Ulber,R., Scheper,T.; Application of reversible immobilization techniquues for biosensors; Analytica Chimica Acta; 1998
- Tess,M.E., Cox, J.A.; Chemical and biochemical sensors based on advances in materials chemistry; Journal of Pharmaceutical and biomedical Analysis; 1999

Pripravila:
Maja Kulovec