Postęp w biotechnologii, pozwalający na pozyskiwanie biologicznie aktywnych składników żywych organizmów oraz ich wiązanie ze sta­łym nośnikiem, pozwolił na opracowanie nowych metod analitycz­nych, które mogą zastępować niektóre fizykochemiczne metody instru­mentalne. Do nich należą metody enzymatyczne i ich rozwinięcie, tj. metody z zastosowaniem biosensorów.

Klasyczne metody analizy chemicznej mimo wielu zalet, jak: dokładność, czułość i duża precyzja, stają się mało przydatne w tych zastosowaniach gdzie pożądane są szybkie oznaczenia, możliwość pracy w trybie monitorowania oraz automatyzacja pomiarów.

Wymienione wymogi spełniają biosensory (rys.1.1), łączące czułość i selektywność klasycznych metod analizy z szerokim wachlarzem rozwiązań konstrukcyjnych, dostosowanych do określonego zastosowania takiego urządzenia.

Termin biosensor pojawił się w literaturze analitycznej w 1977 roku dla opisania jonoselektywnej elektrody modyfikowanej enzymem. Początków należy jednak szukać w roku 1962, kiedy to Clark i Lyons zbudowali pierwszy bioczujnik, w którym jonoselektywna elektroda tlenowa została wyposażona w enzym jako membranę do detekcji glukozy [Brzózka Z., 1999].

Bioczujniki (biosensory) to sensory chemiczne składające się z dwóch zasadniczych elementów:

·   warstwy receptorowej w postaci materiału biologicznego

·   przetwornika elektrycznego lub optycznego

Rysunek 1.1 Schemat ideowy biosensora.

Należy zaznaczyć, że przedrostek „-bio” odnosi się do czujnika (sensora), a nie do oznaczanej substancji, a zastosowanie biosensorów nie ogranicza się do analizowania związków biologicznych [Przybyt M., 1999].

Warstwa receptorowa służy do “rozpoznawania" oznaczanego związku, a przetwornik do “przetłumaczenia" sygnału biologicznego na parametr mierzalny fizycznie oraz do obróbki tego parametru. W części receptorowej sensora informacja chemiczna jest przekształcana w formę energii, która może być mierzona przez przetwornik. Reakcja analitu z częścią biologiczną przetwornika generuje w nim sygnał, który może być łatwo zmierzony, wzmocniony i zanotowany. Receptorem mogą być enzymy, najczęściej w postaci unieruchomionej, mikroorganizmy lub przeciwciała, organelle tkanek roślinnych i zwierzęcych.

Przetworniki to zwykle potencjometryczne lub amperometryczne elektrody jonoselektywne, tranzystory, termistory, piezokryształy, systemy optyczne.

Głównym zadaniem przetwornika jest konwersja mierzonego parametru na sygnał: elektryczny, optyczny lub akustyczny.

Biosensory wykorzystują podstawową cechę materiału biologicz­nego jako warstwy detekcyjnej - selektywność, to znaczy zdolność do reagowania na jeden określony związek w obecności innych. Selektywność biosensora zależy ściśle od użytego materiału biologicznego. Połączenie chemicznie selektywnej warstwy z fizyczną częścią sensora jest bardzo ważne i ma znaczący wpływ na selektywność całego sensora. Jego sygnał może być przetwarzany na wiele sposobów z różnym stopniem skomplikowania, przedstawiany w formie analogowej, odejmowany od sygnału odniesienia, przetwarzany na sygnał cyfrowy i następnie przetwarzany metodami statystycznymi.

Atrakcyjność stosowania bioczujników wynika głównie z tego, że pozwalają one w sposób prosty i szybki oznaczyć interesujący nas składnik najczęściej bardzo złożonej, kompleksowej mieszaniny, jaką jest np. produkt spożywczy czy substancja biologicznie aktywna.

Pomiar za pomocą bioczujnika najczęściej nie wymaga pracochłonnego przygotowania próby. Poza tym bioczujnik może być stosowany zwykle przez kilka tygodni, a nawet miesięcy wykonując w tym czasie setki pomiarów, co sprawia, że koszt analizy jest bardzo mały [Filipiak M., 1993].

Opracowanie metod unieruchamiania enzymów, a następnie innych bioaktywnych elementów, pozwalające na wielokrotne ich stosowanie, dało podstawy do budowy układów pomiarowych, które nazwano biosensorami.

Bioczujniki stanowią w pewnym sensie krok naprzód w dziedzinie analizy składu chemicznego w stosunku do czujników chemicznych, ponieważ na ogół charakteryzują się lepszymi od nich parametrami metrologicznymi (większą selektywnością i większą czułością).

Sensor chemiczny, jako urządzenie, jest określany wieloma parametrami użytkowymi. Obok podstawowych jak: dokładność, powtarzalność, definiowanych jak dla każdego pomiaru, występują parametry analityczne:

·        czułość – nachylenie krzywej odpowiedzi sensora, wyrażonej jako wartość sygnału na jednostkę stężenia, np. mV/j.pH,

·        zakres dynamiczny – zakres stężeń, w których czułość jest większa od zera,

·        selektywność – zdolność sensora do pomiaru stężenia jednego chemicznego składnika w obecności innych,

·        czas odpowiedzi – czas, w którym wyjściowy sygnał sensora osiąga 63% wartości końcowej w odpowiedzi na skokową zmianę stężenia oznaczanej substancji (w praktyce częściej używa się wartości t_95%, tj. czasu odpowiedzi kiedy sygnał osiągnie 95% wartości końcowej,

·        czas życia – okres czasu poprawnie działającego sensora z zaznaczeniem trybu stosowania (przechowywanie, w użyciu), [ Brzózka Z., 1999].

Wszelkie próbki są w swo­jej istocie produktami złożonymi i oznaczanie w nich określonych składników jest często trudne, wymaga skomplikowanego przygotowania, jest czaso­chłonne i kosztowne. Ponadto wszelkie substancje zawie­rają wiele składników, które mogą przeszkadzać w oznaczaniu określonego analitu. Dlatego stale po­szukuje się nowych, lepszych metod analizy. Krokiem naprzód w tej dziedzinie są wlaśnie biosensory.