Biosenzor

Versiunea actuală a paginii nu a fost încă examinată de colaboratori experimentați și poate diferi semnificativ de versiunea revizuită pe 12 decembrie 2019; verificările necesită 6 modificări .

Un biosenzor  este un dispozitiv analitic care utilizează reacțiile acestor compuși catalizați de enzime, reacții imunochimice sau reacții care au loc în organele , celule sau țesuturi pentru a determina compuși chimici [1] . În biosenzori, o componentă biologică este combinată cu un traductor fizico-chimic.

Biosenzorii constau din trei părți:

Cel mai cunoscut exemplu de biosenzor comercial este biosenzorul de glucoză din sânge, care utilizează enzima glucozooxidază pentru a descompune glucoza din sânge. În timpul digestiei, enzima oxidează mai întâi glucoza și folosește doi electroni pentru a reduce FAD (o componentă a enzimei) la FAD H2, care la rândul său este oxidat în mai multe etape de către electrod. Curentul rezultat este proporțional cu concentrația de glucoză. În acest caz, electrodul este un traductor, iar enzima este un element bioselectiv.

Mai recent, rețele de multe molecule detectoare diferite au fost utilizate în așa-numitele nasuri de electroni, unde seturile de răspuns de la detectoare sunt folosite pentru a detecta substanțe. Nasurile electronice moderne, însă, nu folosesc material biologic (adică sunt chemosenzori).

Canarul domestic , care a fost folosit de mineri pentru a avertiza despre scurgeri de gaz, ar putea fi considerat un biosenzor. Mulți dintre biosenzorii de astăzi funcționează pe același principiu, adică folosesc organisme care reacționează la concentrații mult mai mici de substanțe toxice decât o fac oamenii, avertizând astfel despre prezența otravii. Aceste dispozitive pot fi utilizate pentru monitorizarea mediului, determinarea impurităților minore ale produselor petroliere și în stațiile de tratare a apelor uzate.

Istoria biosenzorilor

Ideea creării de biosenzori se întoarce la experimentul efectuat de fiziologul german Max Kremer în 1906, când a arătat că concentrația de acid într-un lichid este proporțională cu potențialul electric care apare între părțile lichid situat pe laturile opuse ale membranei de sticla [3] . Primul biosenzor de tip modern a fost proiectat de Leland Clark, Jr. (1918–2005) în 1956 pentru a detecta oxigenul, mai târziu acest electrod a devenit cunoscut sub numele de „electrodul Clarke” [3] [4] . Până în 1962, Clark a demonstrat primul electrod enzimatic amperometric pentru detectarea glucozei. În 1969, George Guilbaud și Joseph Montalvo, Jr. au creat primul biosenzor potențiometric pentru detectarea ureei. Primul biosenzor comercial a fost dezvoltat în 1975 de Yellow Spring Instruments (YSI) [3] .

Clasificarea biosenzorilor

În funcție de tipul de traductor, biosenzorii sunt clasificați în optici, acustici, calorimetrici, termici și electrochimici. Biosenzorii electrochimici, la rândul lor, sunt împărțiți în potențiometrici, amperometrici și conductometrici. [5]

Biosenzori optici

Principiul de funcționare al majorității biosenzorilor optici se bazează pe fenomenul rezonanței plasmonilor de suprafață. Acest efect poate fi obținut prin iradierea suprafeței plasticului de sticlă cu un strat subțire de aur metalic sau alt metal nobil cu un fascicul de lumină laser de o anumită lungime de undă, datorită căruia sunt create unde de electroni (plasmoni de suprafață) în timpul sorbției sale parțiale. De regulă, efectul rezonanței plasmonilor are loc nu numai la o anumită lungime de undă a radiației laser, ci și la o anumită valoare a unghiului luminii incidente și depinde de caracteristicile fizice ale suprafeței filmului metalic, la care analitul. a fost adăugată ca rezultat al reacției.

Senzorii bazați pe rezonanța plasmonică de suprafață sunt un cip care constă dintr-o casetă de plastic care poartă o placă de sticlă, a cărei latură este acoperită cu un strat subțire microscopic de aur metalic și este capabil să interacționeze cu partea optică a senzorului electronic al dispozitivului. . Partea opusă a recipientului cu senzor de sticlă este conectată la sistemul de curgere a lichidului al instrumentului, în care intră proba, în timp ce substanțele eșantionului dizolvate în lichid vin în contact direct cu suprafața vasului. Suprafața părții opuse a plăcii de sticlă este de obicei acoperită cu un polimer. Adesea, un strat de carboximetil dextran sau o altă substanță similară chimic acționează ca un astfel de înveliș polimeric.

Un fascicul de lumină cu o lungime de undă fixă, care cade pe suprafața plăcii, este reflectat de partea acoperită cu aur a cipului de sticlă la un unghi de reflexie internă totală și este detectat de hardware-ul electronic al dispozitivului. În acest caz, fasciculul de lumină induce o undă de dispariție, care pătrunde prin vasul de sticlă în soluția de lângă suprafața sa.

Indicele de refracție al părții de curgere a cipului senzorului afectează direct comportamentul luminii reflectate de partea placată cu aur. Legarea substanțelor de suprafața părții de curgere a cipului afectează indicele de refracție, care poate fi înregistrat de echipamente optice; astfel interacțiunile biologice pot fi măsurate cu un nivel ridicat de sensibilitate.

Alți biosenzori cu unde evanescente au fost comercializați folosind ghiduri de undă în care constanta de propagare a luminii prin ghidul de undă se modifică pe măsură ce moleculele sunt absorbite pe suprafața ghidului de undă. De exemplu, în interferometria cu polarizare dublă , sunt utilizate două ghiduri de undă, dintre care unul este izolat și este o referință, iar al doilea ghid de undă este în contact direct cu proba studiată. Comparând constantele vitezei de propagare a luminii în ambele ghiduri de undă, se ajunge la o concluzie despre concentrația analitului.

Biosenzorii optici se bazează în primul rând pe o modificare a absorbanței sau fluorescenței componentei indicatorului respectiv și nu necesită reflexie internă totală. De exemplu, a fost dezvoltat un dispozitiv prototip complet funcțional pentru determinarea cazeinei în lapte. Instrumentul se bazează pe detectarea modificărilor în absorbanța stratului de aur. [6] Un instrument de cercetare utilizat pe scară largă în biologia moleculară, microarrayul ADN poate fi considerat și un biosenzor optic.

Biosenzori electrochimici

Biosenzorii electrochimici se bazează de obicei pe cataliza enzimatică a unei reacții în care electronii sunt eliberați sau absorbiți (enzimele utilizate aparțin clasei oxidoreductazelor ). Biosenzorul include de obicei trei electrozi : un electrod de referință , un electrod de lucru și unul auxiliar. Un material biologic este aplicat pe suprafața electrodului de lucru, care reacționează în mod specific cu analitul. Produșii de reacție încărcați creează un potențial la electrodul de lucru, care este scăzut din potențialul de la electrodul de referință pentru a obține un semnal de ieșire. Se folosește și măsurarea curentului (în acest caz, intensitatea fluxului de electroni este proporțională cu concentrația analitului) la un potențial constant, sau potențialul poate fi măsurat la curent zero (aceasta dă un răspuns logaritmic). Trebuie remarcat faptul că potențialul electrozilor este afectat de încărcarea mediului lor, care este adesea folosit. Mai mult, este posibilă detectarea directă electrică a peptidelor și proteinelor mici prin sarcina lor caracteristică utilizând tranzistori cu efect de câmp selectiv de ioni ( ISFET ) modificați biologic. [7]

Alte tipuri de biosenzori

Senzorii piezoelectrici folosesc cristale care se deformează elastic atunci când sunt supuse unui potențial electric. Un potențial alternativ la o anumită frecvență provoacă o undă staționară în cristal. Această frecvență depinde în mare măsură de proprietățile elastice ale cristalului, așa că, dacă cristalul este acoperit cu un element de recunoaștere biologică, atașarea unei cantități mari de analit la receptor va provoca o modificare a frecvenței de rezonanță, care servește ca o legare. semnal.

Biosenzorii termici și magnetici nu sunt practic răspândiți. Nanodispozitivele cu nanoantene pot fi folosite ca senzori biologici [8] .

Vezi și

Note

  1. ↑ biosenzor // Cartea de aur IUPAC . Consultat la 31 august 2010. Arhivat din original la 12 februarie 2010.
  2. ↑ Cavalcanti A., Shirinzadeh B., Zhang M., Kretly LC Nanorobot Hardware Architecture for Medical Defense  //  Senzori: jurnal. - 2008. - Vol. 8 , nr. 5 . - P. 2932-2958 . - doi : 10.3390/s8052932 .
  3. ↑ 1 2 3 Bhalla N., Jolly P., Formisano N. și Estrela P. Introduction to biosensors   // Essays Biochem . - 2016. - Vol. 60 , nr. 1 . — P. 1–8 . - doi : 10.1042/EBC20150001 .
  4. ↑ Heineman WR, Jensen WB Leland C. Clark Jr. (1918–2005)  (engleză)  // Biosenzori și bioelectronică. - 2006. - Vol. 21 , nr. 8 . - P. 1403-1404 . - doi : 10.1016/j.bios.2005.12.005 .
  5. ↑ Dzyadevich S.V., Soldatkin O.P. Ambuscadă științifică și tehnologică a creării de biosenzori electrochimici în miniatură. - Ed. I. - Kiev: Naukova Dumka, 2006. - S. 3, 6. - 256 p. — ISBN 966-00-0595-4 .
  6. ↑ HM Hiep și colab. „Un imunosenzor bazat pe rezonanța plasmonilor de suprafață localizat pentru detectarea cazeinei în lapte” Sci. Tehnol. Adv. mater. 8 (2007) 331 descărcare gratuită Arhivat la 9 iulie 2012.
  7. ^ SQ Lud, MG Nikolaides, I. Haase, M. Fischer și AR Bausch (2006), „Field Effect of Screened Charges: Electrical Detection of Peptides and Proteins by a Thin Film Resistor” ChemPhysChem 7(2), 379-384 [ unu]
  8. ↑ Slyusar V. I. Nanoantennas: approaches and perspectives Copie de arhivă din 3 iunie 2021 la Wayback Machine // Electronics: Science, Technology, Business. - 2009. - Nr. 2. - P. 60.

Literatură

  Accesați articolul Wikidata  Dicționare și enciclopedii
În cataloagele bibliografice