Biosensors: Design, Classification and Application

Abstract

Узагальнено дані сучасних наукових досліджень про будову біосенсорів, їх класифікацію та використання у різних галузях практичної діяльності людини. Охарактеризовано різновиди біосенсорів залежно від типу біорецептора і фізико-хімічного перетворювача у їх складі. Розглянуто особливості будови біосенсорів на основі ферментів, клітин, клітинних органел, тканин, нуклеїнових кислот, антитіл, аптамерів. Описано принципи функціонування оптичних, акустичних, калориметричних, п’єзоелектричних, електрохімічних біосенсорів. Узагальнено дані про конструювання біосенсорів нового покоління. Проведено порівняння ефективності різних методів іммобілізації біорецепторів. Охарактеризовано фізичні (фізична адсорбція, включення у матрицю, інкапсулювання) та хімічні (ковалентне зв’язування, перехресні міжмолекулярні взаємодії) методи іммобілізації біорецепторів. Розглянуто способи покращення електрохімічних властивостей біосенсорів шляхом включення до їх складу вуглецевих наноматеріалів (нанотрубки, графен, оксид графену) та наночастинок металів. Наведено приклади застосування біосенсорів для оцінки якості харчових продуктів та питної води, контролю технологічних процесів у різних галузях промисловості, визначення рівня забруднення довкілля токсичними сполуками, моніторингу показників стану здоров’я людини, виявлення мікроорганізмів та їх токсинів, що можуть бути використані в якості біологічної зброї та ін. Обговорюються подальші перспективи розвитку біосенсорних технологій.

The data of modern scientific research on the structure of biosensors, their classification and use in various fields of human practice are presented. Varieties of biosensors are characterized based on the type of bioreceptor and physical-chemical transducer in their structure. The peculiarities of the structure of biosensors on the basis of enzymes, cells, cellular organelles, tissues, nucleic acids, antibodies, and aptamers are reviewed. The principles of functioning of optical, acoustic, calorimetric, piezoelectric, and electrochemical biosensors are described. The data on the design of a new generation of biosensors are summarized. The effectiveness of various methods of bioreceptor immobilization is compared. Physical (physical adsorption, incorporation into the matrix, encapsulation) and chemical (covalent binding, crossmolecular interactions) methods of bioreceptor immobilization are described. Methods of improvement of electrochemical properties of biosensors by including carbon nanomaterials (nanotubes, graphene, graphene oxide) and metal nanoparticles in their composition are considered. Examples of the use of biosensors for assessing the quality of food and drinking water, monitoring technological processes in various industries, determining the level of environmental pollution with toxic compounds, monitoring of human health indicators, identifying micro-organisms and their toxins that can be used as biological weapons, etc. are provided. Further prospects for the development of biosensor technologies are discussed.