Új Szó - Vasárnapi kiadás, 1988. július-december (21. évfolyam, 26-52. szám)
1988-09-23 / 38. szám
TUDOMÁNY A -j elektronikus építőelemek MZ mérete az utóbbi két évtizedben kétévenként a felére csökkent. A miniatürizálás fejlődésének eddigi irányából felismerhető, hogy az építőelemek felépítésének fejlődése atomi méretekhez vezet. Ez a tendencia, amely a molekuláris vagy funkciós elektronikában is kifejlődik, arra mutat, hogy a jövő integrált kapcsolói elérhetik a molekulák méreteit. A jelenlegi félvezetőtechnikai fejlődés egyik következménye lehet a következő kb. 30 évben, azaz a XXI. század elején a bioelektronika kialakulása. Ez azt jelenti, hogy a biológia, különösen a biokémia és a mikroelektronika egy új technológiát hoz létre. A „klasszikus" mikroelektronikát egyre több és több bioelektronikai technológiával egészítik ki. Lehetséges, hogy az ember központi ideg- rendszerének élve a jövőben az információfeldolgozás mikroelektronikai megvalósításának hasznára válik. BIOSZENZOROK Az elmúlt években a „biotechnológia" megnevezés egy új szakterületet, egy elsöprő fejlődést jelölt, amely alatt a népgazdaság egyik kulcstechnológiáját is értettük. TECHNIKA hoz hozzáilleszthető. Számos felhasználási területe van. A klinikai diagnosztikában és az élelmiszeriparban a legtöbb fontos anyag pl. glükóz, keményítő, karba- mid stb. elektrokémiailag közvetlenül nem mérhető. A kiút egy enzim- reakció végrehajtásának elektronikai felhasználása. Bioszenzorokkal lehetne a szennyvizet ellenőrizni, a káros anyagok koncentrációját megállapítani. Az egyes mérőhelyek adatait egy központi számítógépre vezethetnék. Mint az ember „fedélzeti számítógépe", egy bioszenzor ellenőrizhetné az egészség szempontjából lényeges biokémiai anyagokat (pl. ko- leszterin-bioszenzor felhasználása a szívinfarktus megelőzésére). Az anyagcsere vagy a növekedési folyamat bonyolult szabályozási rendszerének ma használatos bio- szenzorai gyakran még nem állják meg teljes mértékben a helyüket. Ezek az ilyenfajta vezérléshez túl lassúak. A bioszenzorokkal kapcsolatos kutatásokban nehézséget okoz a biológiailag aktív réteg alkalmasabbá tétele, különösen a stabilitás szempontjából, s probléma a mérési tázott a vezetési mechanizmus a biokémiai struktúrákban, és a fémek beágyazása a fehérjemolekulákba, hogy ezt felhasználva az elektromos működési számítógépes rendszer létrehozható legyen. Bioszubsztrátként leheletvékony rétegek szolgálhatnak. Ehhez elektródákat kell kiépíteni, amelyeken keresztül az enzimek be- és kikapcsolhatok. Az enzimek alkalmazásakor a kémiai reakcióban nem léphet fel lényeges hőmérséklet-változás, hogy a magas hőmérséklet - amely a nagyteljesítményű számítógépek fejlesztésében akadály - elkerülhető legyen. BIOSZÁMÍTÓGÉP Ilyen biochipekkel a nagy bioszámítógép alapelemei megteremthetők lennének. A jövő kapcsolóinak építőkövei fehérjékből állnak majd. Néhány fehérjemolekula, amilyen pl. a DNS (dezoxi-ribo-nukleinsav), mint a sejtek információinak eoye- düli hordozója, jól ismert. A biotechnológia lehetőséget teremt a DNS gyártására, és ezek segítségével bármely fehérje előállítható, így adottak a lehetőségek a géntechnika számára a céltudatos genetikai manipulációra. BIOELEKTRONIKAI ÚJDONSÁGOK A biotechnológia az általános gondolkodásban biológiai eljárást és annak az iparban való alkalmazását jelenti. A mikrobiqlógia és a biokémia szoros kapcsolatban állnak a kémiai technológiával és az alkalmazástechnikával. A felhasználási lehetőségekre, többek között a bioszenzorok vannak hatással. A bioszenzorok olyan biológiai paraméterek méröérzékelői, mint pl. a meghatározott anyagok jelenléte, az ionok vagy sejtek aktivitása, a hang, a nyomás vagy a hőmérséklet. Ehhez biológia vagy kémiai reakciókat használnak fel, amelyeket elektromos jellé alakítanak. A bioszenzor elvileg egy biológiailag, illetve biokémiailag aktív rétegből, és egy elektronikus transzmit- terből, átvivőből tevődik össze. A kimutatandó anyag speciális felismeréséhez egy ilyen réteg enzimből, mikroorganizmusból vagy antitestből állhat. Az enzimreakciók ter- misztorral és térvezérlésű tranzisztorral kombinálhatók. A tranzisztoron keresztül a legtöbb enzimreakció során keletkező hő mérhető, és egy arányos elektromos feszültséghez hozzárendelhető. A térvezérlésű tranzisztor struktúra: egy szigetelőrétegen, egy biológiailag aktív enzimrétegen található. Biokémiai reakció esetén a mérendő anyagban történő változás a tranzisztor határfelületén töltéselosztás-változást eredményez, és így elektromos jellé alakítható (ábra). Az enzimek olyan fehérjék, amelyek minden élő biológiai rendszerben az anyagátalakítást irányítják anélkül, hogy közben önmaguk megváltoznának. Mint biológiai katalizátorok, különleges szerepet játszanak a biotechnológiában. A bioszenzorok a lejátszódó biológiai-kémiai reakcióról mért paraméter-átalakítást irányítják anélkül, hogy közben önmaguk megváltoznának. Mint biológiai katalizátorok, különleges szerepet játszanak a biotechnológiában. A bioszenzor a lejátszódó biológiai-kémiai reakcióról a mért paraméter átalakításán keresztül egy elektromos kimenőjelet szolgáltat, amely elektronikus úton erősíthető és digitalizálható. Az átalakító egység lehet gázfázisú optika, ionsze- lektiv elektróda avagy kémiailag vezérelhető félvezető. Kijelző elemként optoelektronikus, elektrokémiai, piezoelektromos vagy kalorimetrikus detektorok szolgálnak, amelyek a koncentráció változását, illetve a reakciók hőmérsékletét érzékelik. A biológiailag aktív anyagok és mikroelektronikai technológiák összekapcsolása a méréstechnika forradalmához vezethet. A viszonylag könnyű mérhetőségen kívül egy bioszenzor minden lényeges anyagO Táplálás n Elv«z«tés / Kapu mnznnnmnm \ n-ü wwwwwwwww E p-Si Z////J tnzin Ionsz«l«lctív rét«g Szigetelő eredmények reprodukálhatósága is, különösen ha az kivételes alapálla- potjel-arányt tartalmaz. A technikai felhasználás során a magas hőmérséklettel szembeni stabilitást is figyelembe kell venni. Általában nehézséget okoz biológiai, biokémiai és kémiai komponensnek összekapcsolása a mikroelektronikával fizikai úton felhasználható jel képzése céljából. A fejlesztések célja az intelligens szenzor integrálása a mérő- erősítővel. A jövőben az elektronikus és kémiai, illetve biológiai rendszerek közötti összekötő kapcsok (pl. a mikro- kémiai tranzisztorok) a polimerek alapozhatok. Ezek elvileg változtatják tulajdonságaikat, ha kémiailag oxidálják vagy redukálják őket. így pl. a polipirrol oxidálva elektromosan vezető, redukálva pedig szigetelő. A két állapot közötti ugrás megfelel egy Zener-potenciálnak. BIOCHIPEK A további miniatürizálás a bioszenzortól a biochiphez vezet. Ez alatt biológiai, illetve szerves kapcsolószerkezetet kell érteni, amelyben atomok, elektronok és molekulák manipulációján keresztül jönnek létre a molekulaépítésüknek megtelelő tulajdonságú struktúrák a szükséges funkciók megvalósításához. Elvileg a szerves chipnek olyan állapotban kell lennie, hogy vagy információkat tároljon, vagy kapcsolófunkciót gyakoroljon, ha fénnyel vagy elektromos árammal aktivizálják. Jelenleg még nem annyira tisza kapcsolófunkció valamilyen fajtájával, amely a kapcsolóstruktúrában való alkalmazást lehetővé teszi. A molekulán belüli vezetési mechanizmus magyarázata a molekuláris elektronika továbbiakban megoldható alapproblémája. A félvezető-technológia elektronikus töltésátmeneteivel összehasonlítva a szerveskémiai kapcsolatok fizikai-kémiai reakciói során ez lényegesen alacsonyabb energiaszinten és jelentősen kisebb dimenziókban megy végbe. A biológiai kapcsolók előnyei nyilvánvalóak. A biochipek a molekulák nagyságrendjében funkcionálnak, azaz nanométeres méreteik vannak. Szoliton bázison csaknem érzékte- lenek az elektromágneses rezgésekre, aminek katonai jelentősége is van. Egy lehetséges bioszámítógép nemcsak százszor kisebb lenne, hanem százszor nagyobb teljesítményű is, mint a jelenlegi számítógépek. A műveleti sebesség milliárd- szorosra nőhet. Azt, hogy egy ilyen jellegű fejlődés a biotechnikában reális, mutatja a világszerte ugrásszerűen növekvő befektetések összege a biológiai kutatásban. A molekuláris elektronika kutatásai és lehetséges eredményei még vitatottak. Számos probléma vár megoldásra. A kutatási munkák jelenlegi állapota még nem teszi lehetővé végleges következtetések levonását, de a fizikai, a kémiai, a molekuláris biológia és a mikroelektronika legújabb kutatási eredményei megalapozzák az optimizmust. Dr.HELYEY ISTVÁN Bioszenzor, mint a biokémia és a mikroelektronika közötti összekötő kapocs Az enzimmel összekapcsolt fehérjének olyan képességei vannak, hogy különböző kémiai reakcióban fémmel vagy műanyaggal meghatározott helyen tud összekapcsolódni. Ebben az összefüggésben, mint or- ganometallikus egységek alkotói is szerepelhetnek. Ilyen jellegű kémiai képződmények jönnek létre szénhidrogén-tartalmú láncokon, amelyek réz- vagy ezüstatommal sósze- rü vegyületet alkotnak. Erős elektromos mező vagy intenzív fénybesugárzás hatására tranzisztorszerű kapcsolófunkció váltható ki bennük. Kétdimenziójú struktúra szerves anyagon bioszenzorhoz vezet, amely legalábbis rövid időtartamon belül alkalmazható. A fejlődés további útja az átmenet a kétdimenziós biochipröl a három- dimenziós felépítésre. Többrétegű struktúrák képzése biokémiai anyagokból viszonylag könnyű. Itt a rétegek nem illeszkednek össze, csupán egymásra vannak helyezve. Az elektronokon kívül további részecskéket kell megvizsgálni, amelyek a molekulákban, mint jelátvivók szóba jöhetnek. így nemcsak a fotonokra és excitonokra (elektron-lyuk pár, amely a Coulomb-erők hatására keletkezik) gondolhatunk, hanem fononokra (korpuszkuláris rácsrezgés), és szolitonokra (elektrontöltéssel rendelkező részecske, amely az elektronoknál lassabban, de energiaveszteség nélkül pl. a molekulaláncban elmozdul) is, valamint számításba vehető a szupravezetés is. Minden részecske rendelkezik MIT HOZZON MÉG AZ ÚJ TECHNIKA? A munkavégzés fizikai tényezői elsősorban a zaj, a por, a mikroklíma, a térbeni elhelyezkedés, a tisztaság, a világítás nálunk a környezet legkevésbé kielégítő összetevői közé tartoznak és a dolgozók nagy többsége elégedetlen az adott feltételekkel. Leginkább a gépiparban dolgozók panaszkodnak. Az ismételt kutatások és az időszakos felmérések összehasonlítása azt mutatja, hogy az emberek elégedettsége a munkakörnyezet fizikai összetevőivel, évröl-évre inkább csökken mint emelkedik. Ez nemcsak a dolgozók növekvő igényeinek tudható be, amely természetesen ezen a téren is megmutatkozik, hanem sok esetben a fizikai feltételek abszolút értékben is romlanak egyes munkahelyeken. Főleg a zajszint növekedése tekintetében kritikus a helyzet, mivel ez még az új, vagy modernizált részlegeken sem mindig csökken. Noha, a munkakörnyezet fizikai hatásaival szembeni elégedettség csökken, a dolgozók nagy többsége elismeri, hogy azok a változások, amelyeket a műszaki haladás hozott magával a termelésbe, javították a munkakörülményeket. Ebből arra következtethetünk, hogy a munkahellyel szembeni igényesség gyorsabb ütemben növekszik, mint ahogyan halad a termelés olyan műszaki-technológiai megújulása, amelynek része az ergonómiai, formatervezési és higiéniai szempontból való fejlesztés is. A legnagyobb mértékben a munkavégzés fizikai feltételeinek javításához a gépiparnak kellene hozzájárulnia, mégis ebben az ágazatban a legkevésbé kielégítő a helyzet. Ez azt is mutatja, hogy az új technika tervezésénél nem veszik figyelembe az ilyen jellegű követelményeket, s ha igen, csak minimális mértékben. Az utóbbi évek változásai, amelyek a munkakörülmények értékelésében bekövetkeztek, ezen a területen is változásokat kényszerítenek ki. Amíg ugyanis a környezet hatása a teljesítményre kevésbé mutatható ki, addig a szociális klíma egészével, s főleg a fluktuációval szoros kapcsolatban van. A dolgozók egyre gyakrabban szüntetik meg munkaviszonyukat az olyan vállalatoknál, ahol rosszak a környezet fizikai összetevői. Az előrelépés érdekében leginkább az automatizált termelés hatásait kell figyelembe venni, mivel ez a modernizáció leginkább progresszív útja, itt kell figyelni mennyire elégedettek a dolgozók környezetükkel. Úgy mutatkozik ugyanis, hogy a fejlődés jelenlegi szintjén az automatizálás kedvezően befolyásolhatja a környezetet, és segít a por, a nagy hömérsékletváltozások, a kigözölések, a gázképződés, a rázkódás, a hideg, a nedvesség, a tűz- és robbanásveszély, a rendetlenség, vagy a piszok okozta környezet- romlás kiküszöbölésében. Az automatizálás ugyan jelentős konstrukciós és egyéb problémákat is magával hoz, ezeket azonban a vállalatnak saját érdekében meg kell oldania. A legnehezebb a helyzet a zajszint csökkentésével, mivel nem egyszer az új műszaki megoldás éppen ennek növekedésével jár együtt. A magasabb szintű automatizálás esetében azonban ez szinte megengedhetetlen, nemcsak a dolgozók egészségvédelme szempontjából, hanem azért is, mert bizonyos műszaki színvonal elérése után a berendezések már „maguk" is egyre érzékenyebbek lesznek saját munkahelyi körülményeikkel szemben. -TA STRESSZ ES AZ IMMUNITÁS A Szpvjetunió Újítási és Feltalálási Állami Bizottsága bejegyezte azt a találmányt, amelyet a moszkvai Mecsnyikov Központi Vakcina és Vérsavó Intézetében és a Sport Orvosi és Biológiai Problémáinak Központi Intézetében dolgoztak ki. Az, hogy a súlyos testi és lelki megterhelés (stressz) után az ember legyengül és pihenésre van szüksége, jól ismert. Ezeknek az általános jelenségeknek azonban teljesen valós biokémiai alapjuk van: módosul a vér, a verejték és egyéb váladékok összetétele. A stresszkörülmények között eltűnnek a szervezetből bizonyos immunoglobulinok, - a védettségért felelős fehérjemolekulák. Két hét szükséges ahhoz, hogy újra megjelenjenek, nyugodt körülmények között. Ez idő alatt megnő a veszélye annak, hogy az ember megbetegszik. Ezt jó tudni ahhoz, hogy különböző helyzetekben helyesen viselkedjünk. ÓRA AZ ÁLMOSSÁG ELLEN Páratlan óra-kollekciót gyűjtött össze egy karagandai (Kazahsztán) geológus, B. Zebnyic- kij. Húsz éve hódol gyűjtői szenvedélyének. Van például egy órája, amely az őrök éberségét ellenőrzi. Ebbe az elmés szerkezetbe papírszalagot kell betölteni, amelyet a szerkezet elkezd lassan tekerni, miközben minden egész őreikor egy csengettyű szólal meg. Erre a csengettyű- szóra az őr köteles a papírszalagot egy tűvel átlyukasztani. Az óra felnyitása után leellenőrizhető, mennyire éberen teljesítette a szolgálatot. ÚJ MESTERSÉGES SZEMLENCSE Sárgás színű új polimer anyagot hoztak létre szovjet kutatók- ez az anyag ugyanazokat a fénysugarakat fogja fel, mint egy középkorú ember szemlencséje. E polimérböl most Szpektr néven mesterséges szemlencséket készítenek. A korábbiaktól eltérően a Szpektr fényszúróként is működik. A természetes festéknyagot tartalmazó új szemlencséket már néhány száz betegnek be is ültették. A több mint hároméves klinikai tapasztalat mutatja, hogy az új lencsék megbízhatóan óvják a recehártyát a túr erős fénytől. PLASZTIKBANKÓ Papír helyett műanyagból készül az új ausztrál 10 dolláros, amelyet a napokban hoztak forgalomba. A forradalmian új - felettébb tartósnak ígérkező- bankjegy kibocsátását késleltette, hogy az első példányokon hibát fedeztek fel: észrevették, hogy Cook kapitánynak, Ausztrália felfedezőjének szivárványszínű hologramja összegyúrés- sel eltávolítható, illetve eltorzítható (APN)
