Biosensory: rodzaje i ogólne cechy biosensorów
Biosensory: rodzaje i ogólne cechy biosensorów!
Biosensor jest urządzeniem analitycznym, które wykorzystuje materiał biologiczny do specyficznego oddziaływania z analitem.
Wytwarzanie wykrywalnych zmian fizycznych, które są mierzone i przetwarzane na sygnał elektryczny przez przetwornik. Sygnał elektryczny jest ostatecznie wzmacniany, interpretowany i wyświetlany jako stężenie analitu w roztworze / preparacie. Analit jest związkiem, którego stężenie ma zostać określone, materiałami biologicznymi są zazwyczaj enzymy, ale stosuje się również kwasy nukleinowe, przeciwciała, lektyny, całe komórki, całe narządy lub plastry tkanki (Tabela 12.4).
Charakter interakcji między analitem a materiałem biologicznym wykorzystywanym w biosensorze jest dwojakiego rodzaju:
(a) Analit można przekształcić w nową cząsteczkę chemiczną za pomocą enzymów; takie biosensory są nazywane katalitycznymi biosensorami, oraz
(b) Analit może po prostu wiązać się z materiałem biologicznym obecnym na biosensorze (np. do przeciwciał, kwasu nukleinowego); te biosensory są znane jako czujniki powinowactwa.
Z powodzeniem biosensor musi mieć przynajmniej następujące cechy: (a) Powinien być wysoce specyficzny dla analitu.
(b) Zastosowana reakcja powinna być niezależna od czynników, które można kontrolować, takich jak pH, temperatura, mieszanie itp.
(c) Odpowiedź powinna być liniowa w zakresie przydatnego zakresu stężeń analitu.
(d) Urządzenie powinno być małe i biokompatybilne, w przypadku, gdy ma być używane do analiz w ciele.
(e) Urządzenie powinno być tanie, małe, łatwe w użyciu i zdolne do wielokrotnego użytku.
Ogólne cechy biosensora:
Biosensor ma dwa różne typy komponentów:
(a) Biologiczny, np. enzym, przeciwciała i
(b) Fizyczne np. przetwornik, wzmacniacz itp.
Biologiczny składnik biosensora spełnia dwie ważne funkcje.
(a) specjalnie rozpoznaje analit i
(b) Oddziałuje z nią w taki sposób, że powoduje pewną fizyczną zmianę wykrywalną przez przetwornik.
Te właściwości składnika biologicznego nadają jego biosensorowi specyficzność, czułość i zdolność wykrywania i pomiaru analitu. Składnik biologiczny jest odpowiednio unieruchomiony na przetworniku. Ogólnie rzecz biorąc, prawidłowe unieruchomienie enzymów zwiększa ich stabilność. W rezultacie wiele systemów immobilizowanych enzymami może być używanych ponad 10 000 razy w ciągu kilku miesięcy.
Składnik biologiczny wchodzi w interakcję z analitem, który powoduje fizyczną zmianę w pobliżu powierzchni przetwornika. Ta fizyczna zmiana może być:
1. Ciepło uwalniane lub pochłaniane przez reakcję (kalorymetryczne biosensory)
2. Wytwarzanie potencjału elektrycznego ze względu na zmienioną dystrybucję elektronów (biosensory potencjometryczne).
3. Ruch elektronów w wyniku reakcji redoks (amperometryczne biosensory).
4. Światło wytwarzane lub pochłaniane podczas reakcji (bioczujniki optyczne).
5. Zmiana masy składnika biologicznego w wyniku reakcji (biosensory fal akustycznych).
Przetwornik wykrywa i mierzy tę zmianę i przekształca ją w sygnał elektryczny. Sygnał ten jest bardzo mały, wzmacniany przez wzmacniacz przed wprowadzeniem go do mikroprocesora. Sygnał jest następnie przetwarzany i interpretowany i jest wyświetlany w odpowiednich jednostkach.
W związku z tym biosensory przekształcają przepływ informacji chemicznych w przepływ informacji elektrycznych, który obejmuje następujące kroki:
(a) Analit dyfunduje z roztworu na powierzchnię biosensora.
(b) Analit reaguje specyficznie i skutecznie za pomocą składnika biologicznego "biosensora.
(c) Ta reakcja zmienia właściwości fizykochemiczne powierzchni przetwornika.
(d) Prowadzi to do zmiany optycznych lub elektronicznych właściwości powierzchni przetwornika.
(e) Zmierzona jest właściwość optyczna / elektroniczna, przekształcona na sygnał elektryczny, który jest wzmacniany, przetwarzany i wyświetlany.
Rodzaje biosensorów:
Biosensory są 5 typów:
1. Kalorymetryczne biosensory:
Wiele katalizowanych enzymem reakcji jest egzotermicznych. Kalorymetryczne biosensory mierzą zmianę temperatury roztworu zawierającego analit po działaniu enzymu i interpretują go pod względem stężenia analitu w roztworze. Roztwór analitu przepuszcza się przez kolumnę z małymi wypełnieniami zawierającą unieruchomiony enzym; temperaturę roztworu ustala się tuż przed wejściem roztworu do kolumny i tak samo, jak opuszcza kolumnę za pomocą oddzielnych termistorów.
Jest to najbardziej powszechnie stosowany typ biosensora i może być stosowany do roztworów mętnych i mocno zabarwionych. Największą wadą jest utrzymywanie temperatury strumienia próbki, powiedzmy ± 0, 01 ° C, temperatury. Czułość i zakres takich biosensorów jest dość niski dla większości zastosowań. Czułość można zwiększyć, stosując dwa lub więcej enzymów szlaku w biosensorze, aby połączyć kilka reakcji w celu zwiększenia mocy cieplnej. Alternatywnie można stosować wielofunkcyjne enzymy. Przykładem jest zastosowanie oksydazy glukozy do oznaczania glukozy.
2. Biosensory potencjometryczne:
Te biosensory wykorzystują elektrody jonoselektywne do konwersji reakcji biologicznej na sygnał elektroniczny. Stosowane elektrody to najczęściej elektrody szklane pH (do kationów), szklane elektrody pH pokryte membraną selektywną dla gazu (dla CO 2, NH lub H 2 S) lub elektrody półprzewodnikowe. Wiele reakcji generuje lub wykorzystuje H +, który jest wykrywany i mierzony przez biosensor; w takich przypadkach stosuje się bardzo słabe roztwory buforowane. Czujniki gazu wykrywają i mierzą ilość wytwarzanego gazu. Przykład takich elektrod opiera się na ureazie, która katalizuje następujące reakcje:
CO (NH2) 2 + 2H 2O + H + → 2NH 4 + + HCO - 3
Ta reakcja może być zmierzona za pomocą wrażliwej na pH, wrażliwej na jony amonowe, wrażliwej na NH 3 lub wrażliwej na CO2 elektrody. Biosensory można teraz wytwarzać przez umieszczenie powleczonych enzymem membran na selektywnych jonach bramach tranzystorów z selektywnymi tranzystorami jonowymi; te biosensory są wyjątkowo małe.
3. Biosensory akustyczne Wave:
Są one również nazywane urządzeniami piezoelektrycznymi. Ich powierzchnia jest zwykle pokryta przeciwciałami, które wiążą się z komplementarnym antygenem obecnym w roztworze próbki. Prowadzi to do zwiększenia masy, co zmniejsza ich częstotliwość wibracji; ta zmiana jest używana do określenia ilości antygenu obecnego w roztworze próbki.
4. Amperometryczne biosensory:
Elektrody te działają poprzez wytwarzanie prądu, gdy potencjał jest przykładany między dwiema elektrodami, przy czym wielkość prądu jest proporcjonalna do stężenia substratu. Najprostsze amperometryczne biosensory wykorzystują elektrodę tlenową Clark, która określa redukcję O2 obecnego w roztworze próbki (analitu). Są to biosensory pierwszej generacji. Te biosensory służą do pomiaru reakcji redoks, typowym przykładem jest oznaczanie glukozy za pomocą oksydazy glukozowej.
Głównym problemem takich biosensorów jest ich zależność od stężenia rozpuszczonego O2 w roztworze analitu. Można to pokonać przez zastosowanie mediatorów; cząsteczki te przenoszą elektrony generowane przez reakcję bezpośrednio na elektrodę, a nie redukują rozpuszczony w roztworze analitu O2. Są one również nazywane biosensorami drugiej generacji. Dzisiejsze elektrody usuwają elektrony bezpośrednio ze zredukowanych enzymów bez pomocy mediatorów i są pokryte elektrycznie przewodzącymi solami organicznymi.
5. Optyczne biosensory:
Te biosensory mierzą reakcje katalityczne i powinowactwa. Mierzą zmianę w fluorescencji lub absorbancji spowodowanej przez produkty generowane przez reakcje katalityczne. Alternatywnie, mierzą one zmiany indukowane we wrodzonych właściwościach optycznych powierzchni biosensora z powodu obciążenia na nim cząsteczek dielektrycznych, takich jak białko (w przypadku reakcji powinowactwa). Najbardziej obiecujący biosensor z luminescencją wykorzystuje lucyferazę enzymu świetlika do wykrywania bakterii w żywności lub próbkach klinicznych. Bakterie są specyficznie lizowane w celu uwolnienia ATP, który jest wykorzystywany przez lucyferazę w obecności 0 2 w celu wytworzenia światła, które jest mierzone przez biosensor.
