Ugljeni hidrati su široko rasprostranjeni u biljnom i životinjskom svetu. Njihova uloga varira od strukturne do energetske. Glukoza je jedan od najzastupljenijh monosaharida u prirodi. Najčešće se javlja u svom D obliku. U organizmu glukoza potiče iz ishrane, ali i iz nekih endogenih izvora (biosinteza u organizmu, razgradnja nekih polisaharida-glikogena).
Slika 1.: Fišerova formula D-glukoze
Slika 2.: Hejvortova formula α-D-glukopiranoze
Slika 3.: Hejvortova folmula β-D-glukopiranoze
Koncentracija glukoze je u krvi je regulisana u okviru relativno uskog opsega koncentracija pod dejstvom hormona insulina, glukagona, itd. Najčešći poremećaj metabolizma glukoze koji se javlja je dijabetes melitus (diabetes mellitus). Tada imamo povećanu koncentraciju glukoze u krvi. Dijabetes predstavlja hroničnu bolest od koje danas boluje više od 422 miliona ljudi. Javlja se kada pankreas ne luči dovoljnu količinu insulina. Ukoliko ćelije ne dobiju glukozu, ćelijsko disanje nije moguće, a samim tim i stvaranje molekula ATP-a postaje onemogućeno, što dovodi do zastoja rada ćelija. Praćenje koncentracije glukoze u krvi, je danas jedna od najčešćih laboratorijskih analiza koje se izvode. Merači glukoze u krvi, za upotrebu u kućnim uslovima, funkcionišu po principu elektrohemijskih biosenzora.
Slika 4.: Aparat za merenje koncentracije glukoze u krvi
Da bismo počeli priču o osnovnom principu funkcionisanja merača glukoze u krvi najpre moramo da se upoznamo se nekim osnovnim terminima. Senzori predstavljaju uređaje koji mogu detektovati (zapaziti, kvantifikovati) određene supstance (u našem primeru glukozu). Supstanca koja se određuje naziva se analit. Svaki biosenzor se pored fizičko-hemijske komponente (elektrode) sastoji i od biološki aktivne komponente koja specifično reaguje sa našim analitom. Princip rada biosenzora može se prikazati sledećom ilustracijom:
Biološki aktivna komponenta specifično reaguje sa analitom, to znači da ukoliko u uzorku imamo više različitih supstanci, sa našom aktivnom komponentom reaguje samo ona supstanca koja njoj najviše odgovara (molekulsko prepoznavanje). Kako bi vam ovo bilo jasnije, zamislite da imate gomilu rukavica različitih veličina. Ukoliko biste tražili samo desnu rukavicu, iz gomile rukavica morali biste da izaberete tačno onu koja odgovara vašoj ruci. U gomili će se naći veliki broj rukavica, kako desnih, tako i levih ali samo jedna desna rukavica će odgovarati vašoj šaci.
Kada aktivna komponenta biosenzora detektuje analit, dolazi do promene neke fizičke veličine koju pretvarač signala detektuje. Te promene mogu biti nastanak elektroaktivne vrste, promena pH, oslobađanje toplote, emisija svetlosti, promena mase. Odgovarajući detektori poput elektroda, termistora, brojača fotona itd., detektuju signal i prevode ga u električni signal koji odgovara koncentraciji analita. Dakle, ukoliko u dva različita uzorka (u našem slučaju krv dve osobe) imamo različite koncentracije glukoze, npr. u prvom 4 mmol/L a u drugom 6 mmol/L, električni signali koje pretvarač signala šalje uređaju za interpretaciju signala će biti različiti: prvi električni signal biće nižeg intenziteta i odgovaraće manjoj koncentraciji, drugi signal će biti intenzivniji i odgovaraće koncentraciji drugog rastvora.
Merači šećera u krvi funkcionišu na principu elektrohemijskih biosenzora. Postoji biološki aktivna komponenta koja prepoznaje naš analit u uzorku. Kada se analit veže, dolazi do nastanka nove elektroaktivne vrste čiju koncentraciju merimo elektrodom. Elektroda pretvara hemijski signal u električni koji se nakon obrade ispisuje na displeju uređaja. Kao biološki aktivna komponenta u meračima šećera u krvi, koristi se enzim glukozo-oksidaza GOD. Ovaj enzim katalizuje (ubrzava reakciju) oksidaciju glukoze (otpuštanje elektrona, prelazak u više oksidaciono stanje) do glukonske kiseline pri čemu se kofaktor ovog enzima FAD redukuje do FADH2 koji se kasnije reoksiduje do FAD. Upravo ovaj korak reoksidacija FADH2 do FAD je ključan za određivanje. Dolazi do transfera elektrona sa FADH2 na elektrodu preko druge pomoćne supstance-medijatora. Medijator se na elektrodi oksiduje pri čemu struja oksidacije odgovara koncentraciji naše glukoze. Ovakav sklop biohemijskih reakcija koristi se u biosenzorima druge generacije. Kako bi se izbegla upotreba medijatora, razvijeni su biosenzori treće generacije kod kojih se transfer elektrona dešava direktno sa FAD na elektrodu.
Slika 5.: Biosenzori druge generacije
U današnjim meračima za merenje glukoze u krvi koriste se štampane elektrode, popularne trakice. Trakice se proizvode tako što se različitim procesima nanose tanki slojevi provodnika i izolatora na plastične materijale. Svaka trakica poseduje štampanu radnu i referentnu elektrodu pri čemu je radna elektroda prevučena enzimom, vezivajućim agensima, surfaktantnima, medijatorom. Pored ove dve, moguće je i postojanje treće, pomoćne elektode. Sam uređaj poseduje određene električne komponente koje omogućavaju amperometrijsko određivanje glukoze.
