Наука и технологии России

Вход Регистрация
26.09.13 | Наука и техника: Нанотехнологии Ширяев Михаил

Оксид цинка для лаборатории на ладони

Биосенсоры – технология будущего, которая со всё возрастающим интересом обсуждается в научной литературе сегодня и может изменить нашу жизнь уже завтра. Оксид цинка – одна из верных рабочих лошадок материаловедов с интересным набором свойств для практических применений и с внушительным научным «послужным списком». Эти два понятия объединяет тот факт, что потенциал как рынка биосенсоров, так и материалов на основе оксида цинка далеко не исчерпан. Ему ещё предстоит сойти со страниц научных журналов в мир реальности. Но уже сейчас можно утверждать: оксид цинка – один из важнейших неорганических материалов для биосенсорики.

Биосенсоры: от истоков к современности

Контроль уровня глюкозы в крови, диагностика заболеваний, регулирование выбросов химических производств, мониторинг окружающей среды, проверка качества продуктов – вот далеко не полный перечень задач, которые могут решаться или уже успешно решаются с помощью биосенсоров. Несмотря на разнообразие этих проблем, их сущность едина: за скобками нюансов и специфики конкретной задачи остаётся простая цель – экспрессное и точное обнаружение (детекция) определённых химических веществ. С точки зрения учёного-химика, биосенсор – это устройство, одна часть которого (биоматрица) связывается или реагирует с анализируемым веществом (аналитом), а другая (преобразователь) – преобразует информацию об этом событии (химической реакции или связывании) в сигнал, доступный измерению. Этот подход появился полвека назад – именно тогда Леланд Кларк опубликовал результаты своей работы, посвящённой первому биосенсору на глюкозу. Идея биосенсоров – в том, чтобы заменить громоздкое оборудование химических лабораторий на компактное, простое в использовании и недорогое устройство. Важнейшая из многих областей применения биосенсоров – медицина, где от быстроты и качества определения биомолекул (будь то глюкоза или, к примеру, С-реактивный белок – биомаркер сердечно-сосудистых заболеваний) зачастую зависит жизнь пациентов. Кроме уменьшения стоимости детектирования аналитов, разработчики биосенсоров стремятся к повышению точности и селективности детекции по сравнению с традиционными биоаналитическими методами.

Принципиальная_схема_биосенсора Принципиальная схема биосенсора. Иллюстрации предоставлены лабораторией неорганического материаловедения, химического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова

Селективность биосенсора (то есть избирательность детекции нужного вещества) определяется биологическими компонентами биоматрицы – ферментами, антителами, фрагментами ДНК – аптамерами (отсюда приставка «био» в терминах «биосенсор» и «биоматрица»). По самой своей природе эти биомолекулы селективны: ферменты катализируют лишь определённую реакцию (или класс реакций), анитела связываются с конкретным антигеном, аптамеры взаимодействуют с комплементарными себе участками ДНК. В зависимости от типа биоматрицы различают классы биосенсоров: энзиматические биосенсоры используют ферменты, иммуносенсоры – антитела, аптосенсоры – участки ДНК. Но молекулярное событие, акт детекции важен не сам по себе. Получение информации о нём в виде физического сигнала – вот конечная цель работы биосенсора.

Почему ZnO?

В задачи преобразователя входит не только превращение химической информации в электрохимическую, акустическую, пьезоэлектрическую (список можно продолжать) и в конечном счёте в электрический сигнал. Преобразователь является и носителем биоматрицы: он способствует её компактному и структурированному расположению, а это напрямую влияет на срок службы биосенсора и его эффективность.

Наноструктуры_оксида_цинка Многообразие наноструктур оксида цинка (слева направо, сверху вниз): наностержни, сферические наночастицы, пластинки, тетраподы, цветкообразные (flowerlike) структуры, гексагональные пластинки

Оксид цинка (ZnO) был «заново рождён» для материаловедения в 90-х годах прошлого века. Тогда материаловедение предложило подходы для синтеза наноструктур – материалов, проявляющих свойства, недостижимые в объёмной фазе, с высокой удельной площадью поверхности и с ещё более высоким потенциалом применения в разнообразных областях. Материалы на основе оксида цинка отнюдь не затерялись в семействе наноструктур: они применяются для создания солнечных батарей, оптоэлектрических устройств, прозрачных электродов, а также газовых сенсоров и биосенсоров. Многогранность свойств ZnO находит приложение практически во всех уголках биоаналитики. Полупроводниковые свойства позволяют конструировать электрохимические биосенсоры на основе ZnO, способность к излучению в УФ и видимом диапазоне и высокая энергия связи экситона (что по сути означает высокий выход излучения) используется для флуоресцентных биосенсоров, химическая стабильность – необходимое условие длительного срока службы биосенсоров. Химические свойства оксида цинка позволяют использовать любые типы биоматрицы: поверхность ZnO легко модифицируется специальными органическими молекулами – линкерами для присоединения антител или аптамеров. Присоединение многих ферментов возможно и без предварительной модификации – поверхность ZnO при нейтральных pH заряжена положительно и может взаимодействовать с отрицательно заряженными ферментами электростатически. Если прибавить к этому редкое богатство морфологий (наностержни, наноленты, наноспирали, тетраподы, цветкообразные (flowerlike) структуры) и методов синтеза ZnO в виде свободных частиц, а также тонких плёнок или массивов практически на любых подложках – становится понятно, что эти физико-химические свойства, сами по себе не являющиеся исключительными, в совокупности делают оксид цинка уникальным. Путь, по которому развивается биоаналитика, лишь подтверждает это: среди всего разнообразия неорганического мира лишь два других «гиганта» могут конкурировать с ZnO в сфере создания биосенсоров – наночастицы золота и углеродные нанотрубки.

Перспективы и проблемы

Принцип создания биосенсора очень прост: подобрать биоматрицу, способную реагировать с выбранным аналитом, соединить её с преобразователем, составить электрическую цепь или другую физическую систему измерения сигнала. С тех пор как Кларк в 1962 году впервые выполнил этот ряд действий, создав биосенсор на глюкозу, рецепт не изменился. Но в вечной погоне за совершенством – компактностью, быстродействием, дешевизной, улучшением воспроизводимости, повышением чувствительности, расширением сферы определяемых веществ – он оброс бесконечным множеством деталей. Выбор схемы измерения и связанной с этим морфологии материала, химическая модификация поверхности преобразователя для последующей иммобилизации биоматрицы, поиск путей для достижения стабильной и многократной детекции – каждый из этих пунктов является отдельной научной задачей. Оксид цинка предлагает свои инструменты для их решения. Уже упомянутое уникальное сочетание разнообразных физико-химических свойств ZnO не прошло незамеченным для исследователей: за последние десять лет количество статей, посвящённых этому материалу, возросло в шесть раз! На его основе разрабатываются электрохимические, флуоресцентные, акустические биосенсоры, биосенсоры на основе поверхностного плазмонного резонанса для детекции как простейших молекул – глюкозы и пероксида водорода, как и белков – биомаркеров заболеваний и даже бактерий.

И все же, несмотря на резкое увеличение числа публикаций, посвящённых биосенсорам на основе оксида цинка и биосенсорам вообще, замена биосенсорами традиционных аналитических методик, например медицинских анализов, часто невозможных без дорогостоящего оборудования и классифицированного персонала, ещё впереди. Такова специфика любых научных достижений: поликлинике будущего необходимо пройти долгий путь от научных публикаций до реализации в действительности.

Источники информации:

  • Z. Zhao, W. Lei, X. Zhang, B. Wang, H. Jiang, Sensors, 10, 1216, 2010.
  • L.C. Clark, C. Lyons, Annals of the New York Academy of Sciences, 102, 29, 1962.
  • Z.L. Wang, Materials Today, 7, 26, 2004.
  • U. Ozgur et al., J. Appl. Phys., 98, 2005.

РЕЙТИНГ

4.92
голосов: 13

Обсуждение