Компоненты биосенсорной системы. Пример применения биосенсоров при производстве этанола

 На работоспособность БСС влияет целый комплекс биологических, химических, технических факторов. Для проведения анализа с помощью БСС требуется многие их узлы (подсистемы) и элементы постоянно обновлять или заменять. Подсистемы с подобными функциями обозначим термином «линии». Для построения БСС необходимы линии подготовки: пробы (П), биообъекта (БО), принадлежностей методики (ПМ), вспомогательного оборудования (ВО), а также линия утилизации материалов и оборудования (УТ). В общем случае БСС строят на основе методологии организации биологического эксперимента, предполагающей сравнение свойств биохимических преобразователей контрольного и опытного стимула – БХПк и БХПоп. Для получения численного значения реакции БХП требуется ИП, включающий:

• первичный измерительный преобразователь (ПИП),
• блок выделения информативного параметра (БВИП),
• блок обработки данных (БОД),
• систему отображения информации (СОИ).

Блок стабилизации параметров среды – БСПС поддерживает условия, необходимые для культивации организмов и воспроизводимости реакции БХП на стимул.Рассмотрим лишь некоторые важные факторы, влияющие на результат эксперимента, связанные с различными элементами структурной схемы БСС.

Линия подготовки пробы включает блоки забора пробы, дозирования, консервации. На результаты БСС могут повлиять антисвертывающие консерванты типа гепарина, добавляемые в кровь для увеличения сроков хранения. Требуется учитывать возможность попадания в пробу антибактериальных или антипротозоальных антибиотиков, которые могли вводиться больным. Все эти факторы могут оказывать влияние на жизнеспособность ферментов и бактерий. Если проба разбавляется каким-либо веществом, то разбавитель может оказывать действие на БХП или же в результате ошибки разбавления может быть неверно определена концентрация вещества.Пробы для экологических анализов отбирают из воды, донных осадков или воздуха специализированными пробоотборниками и обычно хранят в емкостях из пластика или в стеклянных сосудах. Следует учитывать, что не пищевой полиэтилен и пробки из вулканизированной резины (с содержанием серы) выделяют вещества, токсичные для организмов.

Линия подготовки биообъекта (БО) может существенно влиять на результаты БСС, если не соблюдены правила культивации клеток или выделения и модификации клеточных структур (пп. 2.2.2, 2.4).

Линия подготовки принадлежностей методики (ПМ) необходима, так как БХП разрабатывается с применением стеклянных или пластиковых изделий, гелей, полимерных мембран и растворов. Их влияние на БО требуется учитывать при конструировании БХП. Для этой цели следует предварительно поставить опыты на выживаемость и сохранение этологических реакций (например подвижности) организмов при внесении в культуральную среду материалов БХП.Эта подсистема также выполняет операции подготовки и хранения таких принадлежностей проведения эксперимента, как кювет, химических стаканов, колб, чашек Петри.

 Линия стерилизации требуется для очистки, промывания, дезинфекции материалов и вспомогательного оборудования (ВО). При этом нежелательно применять сильные биоцидные моющие или дезинфицирующие вещества и обязательно следует тщательно ополаскивать чистой водой посуду и оборудование для забора проб.

Линия утилизации непосредственно не влияет на результат, полученный с помощью БСС. Разработчику необходимо выбрать, какое вспомогательное оборудование более рационально утилизировать, а какое использовать многократно. При анализе биопроб линия утилизации предотвращает опасность инфицирования окружающей среды отработанным лабораторным материалом.

БХПк и БХПоп должны использоваться при одинаковых внешних условиях. Необходимо учесть внешние факторы, которые могут оказывать влияние на тест-реакции БХП.

Блок ПИП может негативно воздействовать на БХП за счет вредного влияния как основных конструкционных материалов ПИП – меди, латуни, бронзы, свинца, железа и т. п., так и вспомогательны – клеев, лаков, красок, растворителей, гальванических покрытий. Изменение реакции живого может возникнуть даже при кратковременном контакте некоторой части БО с этими материалами. Излучения ПИП могут изменять поведение или ухудшать жизнеспособность биообъектов.

БВИП позволяет выделять сигнал БХП на фоне помех. Полезный сигнал ИП обычно представляет собой сверхмалые величины. Это требует применения современных схем усилителей, детекторов, фильтров и др. Их качество существенно влияет на результат измерения реакций живого.

БОД предназначен для получения результата статистической обработки массива измеренных значений реакций. В блоке реализуется математический алгоритм, позволяющий получить воспроизводимый результат на основе исходных данных БВИП.

Для обработки данных БСС как сложных систем используется математический аппарат теории вероятностей: случайных событий, случайных величин, случайных процессов. Для описания изменения случайных величин неслучайными функциями применяются регрессионные модели, а выявление взаимосвязей между случайными величинами оценивается с помощью коэффициентов корреляции.

СОИ предъявляет оператору (ОП) промежуточные и окончательные результаты обработки данных. При построении СОИ должны учитываться профессиональные стереотипы врача или исследователя, для того чтобы, не перегружая восприятие оператора промежуточными данными, давать ему возможность отслеживать процесс измерения, особенно если реакция происходит в течение десятков минут или часов.

БСПС требуется для работы БСС тогда, когда скорость роста организма, возникновение реакции биообъекта или ее измерение зависят от различных внешних условий.

Ферментные сенсоры для оценки содержания этанола могут быть основаны на алкогольдегидрогеназе либо на алкогольоксидазе, иммобилизованных на соответствующем преобразователе. Амперометрический биосенсор для определения этанола в парах на основе алкогольдегидрогеназы и никотинамидадениндинуклеотида ( NAD + ) в качестве кофактора представлен в работе . Детекция этанола в парах была возможна в диапазоне 20-800 ppm . Этанольный биосенсор на основе алкогольоксидазы и кислородного электрода Кларка описан в работе . Диапазон измерений охватывал область концентраций от 0.05 до 10 мМ.

С помощью прибора «Биолан-1010» возможно решение следующих задач, стоящих в настоящее время перед спиртовой отраслью:

•  анализ зерна на зараженность микотоксинами а также на содержание в нем крахмала и сахаров; 
•  определение содержания растворенного крахмала на стадии его разваривания; 
•  определение степени конверсии растворенного крахмала в сахара на стадии осахаривания крахмала; 
•  определение бродильной активности дрожжей; 
•  определение степени конверсии растворенных сахаров в этанол на стадии сбраживания сусла; 
•  определение несброженных углеводов (крахмала и сахаров) и этанола в послеспиртовой барде; 
•  определение активности ферментных препаратов; 
•  определение концентрации этанола в сбраживаемом сусле и водно-спиртовых парах; 
•  подбор оптимальных в заданном смысле марок и норм дозировок ферментных препаратов на различных стадиях технологического процесса; 
•  обоснование целесообразности и оптимизация параметров нетрадиционных методов воздействия на зерно и полупродукты, таких как пародинамическая гомогенизация, экструзия, различные виды магнитных (электромагнитных) и электрических полей; 
•  подбор оптимальных температурных режимов на различных стадиях технологического процесса.