Существование такого направления как биоэлектроника стало возможным благодаря работам Л. Гальвани и А. Вольта еще в 18 веке. Гальвани первый предположил, что сокращение нервно-мышечного аппарата лягушки было вызвано биоэлектричеством. Он считал, что нервное волокно выступало проводником.  Только в 19 веке было выяснено, что существует ряд возбудимых клеток, способных создавать электрические поля. Именно благодаря работам Гальвани и Вольта стали моделировать различные биологические системы, изучать их функции и возможности. Это поспособствовало созданию искусственных органов, биочипов, биосенсоров.

Содержание:

Как обстоят дела в наше время

Сегодня имеет место взаимосвязь между двумя разными областями: биохимией и электроникой, которая выразилась в новом направлении – биоэлектронике. Это область, которая объединяет биотехнологию и электронику. Она основана на электрических свойствах биологических материалов. Биоэлекторника способствует замене традиционных неорганических полупроводников на органические. Первым достижением биоэлектроники является создание биосенсоров, за которые следует благодарить создателей первого в своем роде биосенсора Л. Кларка, а также К. Лионе.

Биосенсоры

Это анализирующие устройства, применяющие биологические материалы для обнаружения различных молекул и посылающих электросигнал об их количестве и присутствии. Это изобретение позволяет анализировать разные биологические жидкости, оно работает как биорецептор живого организма. Любой из биосенсеров состоят из пары частей: биохимического (состоящего из биологического материала) и физического преобразователя сигнала в электрический (речь идет о трансдьюсере). В качестве биологического материала могут использоваться ферменты, белки, иммобилизованные клетки, антитела и прочие биологические объекты. Назначение физического трансдьюсера – преобразование сигнала. В этом процессе участвуют электроды, оптические, спектроскопические, термические преобразователи, гравитационные, калориметрические системы. Схема работы биосенсора: концентрация биологической жидкости ->биосенсор ->трансдьюсер ->запись и преобразование сигнала. Самые распространенные биосенсоры: ферментные; клеточные. Первые включают электроды, микрокалориметрические датчики. Также в конструктивными элементами являются датчики на основе хеми- и биолюминесценции.

Особенность работы микрокалориметрических датчиков – используют тепловой эффект от химической реакции, участниками которой являются ферменты. Их конструкция включает измерительную и контрольную колонки, которые содержат субстрат с иммобилизованными ферментами, а также термисторы. Что касается хеми- и биолюминесцентных вариантов датчиков, то в их работа основывается на улавливании излучения, образующегося в результате ферментативной реакции. Конструктивные особенности – колонки с иммобилизованными ферментами + элемент, улавливающий свет. Этот вид датчика обладает высокой чувствительностью. Биосенсоры, имеющие в своем составе электроды с иммобилизованными ферментами, способны проводить до нескольких сотен измерений, а биосенсоры с простыми ферментными препаратами только около 50. Биосенсоры, также способны определять субстраты различных ферментов (на кислородном электроде), а также наоборот, способны определять по концентрации субстрата активность ферментов. Клеточные биосенсоры. Широко применяются для иммобилизации клетки микроорганизмов, растений, животных. Они должны легко культивироваться и развиваться в чистой культуре. Для их применения не нужно дорогостоящих стадий очистки. Благодаря современным методикам возможно длительное сохранение активности ферментов, реализация сложных последовательных реакций.

Клеточные биосенсоры обладают рядом недостатков:

  • Так как применяются толстые мембраны, то электрод обладает медленным откликом.
  • Низкая селективность.

Биосенсоры могут применяться для:

  • измерения пищевой ценности и безопасности продукции,
  • анализа различных биологических жидкостей,
  • определения степени загрязнения экологических ниш,
  • получения металлов стоков,
  • очистки различных видов вод, в том числе сточных вод,
  • генетической терапии.

Биочипы

Также перспективным направлением в биоэлектронике является производство биочипов. Биочип – миниатюрная аналитическая система, которая применяется для разработок новых препаратов, создания новых диагностических тестов, для секвенирования. Биочипы состоят из сенсорной системы, трансдьюсера, аналого-цифрового преобразователя и микропроцессора, который рассчитывает результаты анализа. Впервые что-то подобное современному биочипу создал Э. Саузерн в 1975 году. В России разработкой биочипов занялись в начале 90-х. Сегодня биочипы широко применяются в медицине, фармацевтике, экологии, различных видах экспертиз и анализов.

Среди биочипов выделяют:

  • на матричной оснвое,
  • на микрофлюидной основе,
  • на микросферной основе, с задаваемой цветной кодировкой.

Сумма всех ячеек на чипе составляет 103-105, а его линейный размер примерно равен 1 см. Микрозонды, взаимодействующие с исследуемым материалом, наносят на подложку небольшого размера. Микрозонд представлен небольшой каплей около 100 микрон. Ячейки одного микрозонда имеют один размер и расположены по10-30 капелек на 1 мм2. Биочипы различаются по плотности расположения ячеек.При помощи данного механизма на обычном биочипе стало возможным размещать анализаторы, которые способны обрабатывать информации 100 тысяч генов. Биочипы изготавливаются из стекла, пластика, полупроводников и металлов. На пластиковые, стеклянные и прочие пластинки наносят ДНК, белки, ферменты, которые могут избирательно связывать вещества в исследуемом растворе. Практически все биочипы используют при своей работе различные химические реакции. Механизм работы биочипов заключается в том, что молекулы анализируемого материала объединяются с микрозондом, который размещен в ячейке биочипа. Присутствие определенных веществ или генов определяют по люминесцентному свечению на прореагировавшем чипе. Перед началом работы биочипа, анализируемый материал метят флуоресцентным красителем. При взаимодействии биочипа с образцом в определенной ячейке, происходит реакция, в результате которой происходит свечение этой ячейки. Анализ результатов проводят с помощью широкопольного микроскопа, соединенного с компьютером и видеокамерой.

В гелевых биочипах поверхность стекла предварительно обрабатывается, далее на стекло наносят полиакриламидный гель и проводят фиксацию ДНК. Механизм иммобилизации основан на формировании химических связей, образующихся в результате фотореакции при обработке УФ лучами. ДНК-микрочипы применяются для:

  • обнаружения мутаций в генах,
  • установления функций генов,
  • генетической терапии,
  • распознавания генов,
  • для исследования патогенных и полезных микроорганизмов.

Нашумевшие достижения

Карбин. Это линейный углеродный полимер, форма молекул которого напоминает длинную тонкую цепочку, включающую углеродные атомы.

Фуллеренами. Эта новинка представлена полыми молекулами – полыми многогранниками, включающими атомы углерода. В одной 1 молекуле может быть до 560 атомов.

Нанотрубки. Представляют собой материал в составе которого имеется углерод. Длинна не превышает пары микронов.

Графен. Это уникальный пленочный материал, который имеет особую углеродную структуру. Ее толщина равняется толщине одного атома углерода.

Материал «заживляющий раны». Парижские ученые не так давно получили эластичный материал, заживляющий раны. Этот чудо-материал в какой-то степени схож с резиной. Хитрость быстрого эффекта заживления связана с надмолекулярными связями.

Человек-невидимка – миф или реальность?

Мы привыкли, что невидимка – это не более чем сказочный персонаж. Шапка-невидимка или таковой плащ – это одежда персонажей фильмов, мультиков – миф. Ранее подобные размышления были на все сто правильными. В наше время ситуация несколько иная. Ученые разработали материалы, которые на перспективу действительно позволят людям становится невидимыми. Представители биомолекулярной электроники предъявили общественности результаты своих исследований. Столичными научными деятелями И. А. Наумовым, В.А. Каплуном получены материалы с оптическими световодами, которые на перспективу будут использоваться в качестве военной маскировочной формы. В этом плане не отстают японские инженеры – запатентовали «костюм», также делающего человека невидимым. Он сделан из наноматериала, представленного тонким пленочным, кристаллическим телеэкраном. Затылочная миниатюрная телекамера передает изображение на перед камуфляжа, а передняя камера проецирует картинку на его заднюю часть.  Американцы заверили, что им удалось получить при помощи зеленого лазера объект-невидимку.