Biosensorer: Typer og generelle funktioner af biosensorer

Biosensorer: Typer og generelle funktioner af biosensorer!

En biosensor er en analytisk enhed, der anvender biologisk materiale til specifikt at interagere med en analyt.

Producerer nogle detekterbare fysiske ændringer, som måles og omdannes til et elektrisk signal af en transducer. Det elektriske signal forstærkes endelig, fortolkes og vises som analytkoncentration i opløsningen / præparatet. En analyt er en forbindelse, hvis koncentration skal bestemmes, de biologiske materialer er normalt enzymer, men også nukleinsyrer, antistoffer, lectiner, hele celler, hele organer eller vævsskiver anvendes (tabel 12.4).

Arten af interaktion mellem analytten og det biologiske materiale, der anvendes i biosensoren, er af to typer:

(a) Analytten kan omdannes til et nyt kemisk molekyle ved hjælp af enzymer; Sådanne biosensorer kaldes katalytiske biosensorer og

(b) Analytten kan simpelthen binde til det biologiske materiale, der er til stede på biosensoren (fx til antistoffer, nukleinsyre); Disse biosensorer er kendt som affinitetssensorer.

En vellykket biosensor skal mindst have nogle af følgende egenskaber: (a) Den bør være særdeles specifik for analytten.

(b) Den anvendte reaktion bør være uafhængig af håndterbare faktorer som pH, temperatur, omrøring osv.

(d) Enheden skal være lille og biokompatibel, hvis den skal bruges til analyser i kroppen.

(e) Enheden skal være billig, lille, nem at bruge og i stand til gentagen brug.

Generelle egenskaber ved Biosensor:

En biosensor har to forskellige typer af komponenter:

(a) Biologisk, fx enzym, antistoffer og

(b) Fysisk, fx transducer, forstærker osv.

Den biologiske komponent i biosensoren udfører to vigtige funktioner.

(a) Det anerkender specifikt analyten og

(b) Det interagerer med det på en sådan måde, at der frembringes en eller anden fysisk ændring, der kan detekteres af transduceren.

Disse egenskaber af den biologiske komponent giver biosensoren sin specifikke følsomhed og evnen til at detektere og måle analytten. Den biologiske komponent er passende immobiliseret på transduceren. Generelt forbedrer den korrekte immobilisering af enzymer deres stabilitet. Som følge heraf kan mange enzymimmobiliserede systemer anvendes mere end 10.000 gange over en periode på flere måneder.

Den biologiske komponent interagerer specifikt til analytten, der frembringer en fysisk forandring tæt på transduceroverfladen. Denne fysiske ændring kan være:

1. Varme frigivet eller absorberet af reaktionen (kalorimetriske biosensorer)

2. Produktion af elektrisk potentiale som følge af ændret distribution af elektroner (potentiometriske biosensorer).

3. Bevægelse af elektroner på grund af redox reaktion (amperometriske biosensorer).

4. Lys produceret eller absorberet under reaktionen (optiske biosensorer).

5. Ændring i masse af den biologiske komponent som følge af reaktionen (akustiske bølge biosensorer).

Transduceren registrerer og måler denne ændring og konverterer den til et elektrisk signal. Dette signal er meget lille forstærkes af en forstærker, før den føres ind i mikroprocessoren. Signalet behandles og tolkes derefter og vises i egnede enheder.

Således konverterer biosensorer en kemisk informationsstrøm til et elektrisk informationsstrøm, hvilket indebærer følgende trin:

(a) Analytten diffunderer fra opløsningen til overfladen af biosensoren.

(b) Analytten reagerer specifikt og effektivt med biosensorens biologiske komponent.

(d) Dette medfører en ændring i transducerens optiske eller elektroniske egenskaber.

(e) Ændringen i optiske / elektroniske egenskaber måles, konverteres til elektrisk signal, der forstærkes, behandles og vises.

Typer af biosensorer:

Biosensorerne er af 5 typer:

1. Kalorimetriske biosensorer:

Mange enzymkatalyserede reaktioner er exoterme. Kalorimetriske biosensorer måler temperaturændringen af opløsningen indeholdende analytten efter enzymaktivitet og fortolker den med hensyn til analytkoncentrationen i opløsningen. Analytopløsningen ledes gennem en lille, pakket søjlekolonne indeholdende immobiliseret enzym; opløsningens temperatur bestemmes lige før opløsningens indtræden ind i søjlen og ligesom det forlader søjlen ved hjælp af separate termistorer.

Dette er den mest almindeligt anvendelige type biosensor, og den kan bruges til uklare og stærkt farvede opløsninger. Den største ulempe er at opretholde temperaturen af prøve strømmen, sige ± 0, 01 ° C, temperatur. Sensibiliteten og rækkevidden af sådanne biosensorer er ret lav for de fleste applikationer. Følsomheden kan øges ved at bruge to eller flere enzymer af banen i biosensoren for at forbinde flere reaktioner for at øge varmeudgangen. Alternativt kan multifunktionelle enzymer anvendes. Et eksempel er brugen af glucoseoxidase til bestemmelse af glucose.

2. Potentiometriske biosensorer:

Disse biosensorer bruger ion-selektive elektroder til at omdanne den biologiske reaktion til elektronisk signal. De anvendte elektroder er mest almindeligt anvendte glaselektroder med pH-meter (til kationer), glas-pH-elektroder belagt med en gasselektiv membran (for CO ₂, NH eller H ₂ S) eller faststofelektroder. Mange reaktioner genererer eller bruger H ^+, som detekteres og måles af biosensoren; i sådanne tilfælde anvendes meget svage bufrede løsninger. Gasfølerelektroder registrerer og måler mængden af produceret gas. Et eksempel på sådanne elektroder er baseret på urease, der katalyserer følgende reaktioner:

CO (NH2) ₂ + 2H20 + H ⁺ → 2NH4 ⁺ + HCO ^- ₃

Denne reaktion kan måles ved hjælp af en pH-følsom, ammoniumionfølsom, NH3-følsom eller CO ₂ -følsom elektrode. Biosensorer kan nu fremstilles ved at placere enzymbelagte membraner på de ion-selektive porte af ion-selektive arkiverede effekttransistorer; Disse biosensorer er ekstremt små.

3. Akustiske bølgesensorer:

Disse kaldes også piezoelektriske enheder. Deres overflade er normalt overtrukket med antistoffer, som binder til det komplementære antigen, der er til stede i prøveopløsningen. Dette fører til øget masse, hvilket reducerer deres vibrationsfrekvens; denne ændring anvendes til at bestemme mængden af antigen der er til stede i prøveopløsningen.

4. Amperometriske biosensorer:

Disse elektroder virker ved produktion af en strøm, når potentialet påføres mellem to elektroder, idet størrelsen af strøm er proportional med substratkoncentrationen. De enkleste amperometriske biosensorer anvender Clarks oxygenelektrode, som bestemmer reduktionen af O2 til stede i prøven (analyt) opløsningen. Dette er den første generation biosensorer. Disse biosensorer anvendes til at måle redox reaktioner, et typisk eksempel er bestemmelse af glucose ved hjælp af glucoseoxidase.

Et stort problem med sådanne biosensorer er deres afhængighed af den opløste O2-koncentration i analytopløsningen. Dette kan overvindes ved at bruge mediatorer; disse molekyler overfører de elektroner, der genereres af reaktionen direkte til elektroden, snarere end at reducere O2 opløst i analytopløsningen. Disse kaldes også anden generation biosensorer. Nuværende elektroder fjerner elektronerne direkte fra de reducerede enzymer uden hjælp af mediatorer og er overtrukket med elektrisk ledende organiske salte.

5. Optiske biosensorer:

Disse biosensorer måler både katalytiske og affinitetsreaktioner. De måler en ændring i fluorescens eller i absorbans forårsaget af produkterne frembragt ved katalytiske reaktioner. Alternativt måler de ændringer, der induceres i biosensoroverfladenes indre optiske egenskaber på grund af påsætning af dielektriske molekyler som protein (i tilfælde af affinitetsreaktioner). En mest lovende biosensor, der involverer luminescens, bruger fireflyenzym luciferase til påvisning af bakterier i fødevarer eller kliniske prøver. Bakterierne lyseres specifikt for at frigive ATP, som anvendes ved luciferase i nærværelse af 0 ₂ til fremstilling af lys, som måles af biosensoren.