Biosensoren: Types en algemene kenmerken van Biosensoren

Biosensoren: types en algemene kenmerken van Biosensoren!

Een biosensor is een analytisch apparaat dat biologisch materiaal gebruikt om specifiek interactie te hebben met een analyt.

Het produceren van enkele detecteerbare fysieke veranderingen die wordt gemeten en omgezet in een elektrisch signaal door een transducer. Het elektrische signaal wordt uiteindelijk geamplificeerd, geïnterpreteerd en weergegeven als analytconcentratie in de oplossing / bereiding. Een analyt is een verbinding waarvan de concentratie moet worden bepaald, de biologische materialen zijn gewoonlijk enzymen, maar nucleïnezuren, antilichamen, lectinen, gehele cellen, gehele organen of weefselplakjes worden ook gebruikt (tabel 12.4).

De aard van de interactie tussen de analyt en het biologische materiaal dat in de biosensor wordt gebruikt, is van twee soorten:

(a) De analyt kan door enzymen worden omgezet in een nieuw chemisch molecuul; dergelijke biosensoren worden katalytische biosensoren genoemd, en

(b) De analyt kan eenvoudigweg binden aan het biologische materiaal dat aanwezig is op de biosensor (bijvoorbeeld tegen antilichamen, nucleïnezuur); deze biosensoren staan bekend als affiniteitssensoren.

Een succesvolle biosensor moet ten minste enkele van de volgende kenmerken hebben: (a) Het moet zeer specifiek zijn voor de analyt.

(b) De gebruikte reactie moet onafhankelijk zijn van beheersbare factoren zoals pH, temperatuur, roeren, enz.

(d) Het apparaat moet klein en biocompatibel zijn, voor het geval het voor analyses binnen het lichaam wordt gebruikt.

(e) Het apparaat moet goedkoop, klein, gebruiksvriendelijk en herhaaldelijk gebruikt kunnen worden.

Algemene kenmerken van Biosensor:

Een biosensor heeft twee verschillende soorten componenten:

(a) Biologisch, bijvoorbeeld enzym, antilichamen en

(b) Fysiek, bijv. transducer, versterker, etc.

De biologische component van de biosensor vervult twee belangrijke functies.

(a) Het herkent specifiek de analyt en

(b) Het interageert ermee op een zodanige wijze dat enige fysieke verandering wordt geproduceerd die detecteerbaar is door de transducer.

Deze eigenschappen van de biologische component geven aan de biosensor zijn specifieke gevoeligheid en het vermogen om de analyt te detecteren en te meten. De biologische component is geschikt geïmmobiliseerd op de transducer. Over het algemeen verbetert de juiste immobilisatie van enzymen hun stabiliteit. Als gevolg hiervan kunnen veel met enzym geïmmobiliseerde systemen meer dan 10.000 keer worden gebruikt gedurende een periode van enkele maanden.

De biologische component interageert specifiek met de analyt die een fysische verandering produceert dicht bij het oppervlak van de transducer. Deze fysieke verandering kan zijn:

1. Warmte vrijkomt of geabsorbeerd door de reactie (calorimetrische biosensoren)

2. Productie van een elektrisch potentieel als gevolg van veranderde distributie van elektronen (potentiometrische biosensoren).

3. Beweging van elektronen als gevolg van redoxreactie (amperometrische biosensoren).

4. Tijdens de reactie geproduceerd of geabsorbeerd licht (optische biosensoren).

5. Verandering in massa van de biologische component als gevolg van de reactie (akoestische golf biosensoren).

De transducer detecteert en meet deze verandering en zet deze om in een elektrisch signaal. Dit signaal is erg klein en wordt versterkt door een versterker voordat het in de microprocessor wordt gevoerd. Het signaal wordt vervolgens verwerkt en geïnterpreteerd en wordt weergegeven in geschikte eenheden.

Zo zetten biosensoren een chemische informatiestroom om in een elektrische informatiestroom, die de volgende stappen omvat:

(a) De analyt diffundeert van de oplossing naar het oppervlak van de biosensor.

(b) De analyt reageert specifiek en efficiënt met de biologische component "van de biosensor.

(d) Dit leidt tot een verandering in de optische of elektronische eigenschappen van het transduceroppervlak.

(e) De verandering in optische / elektronische eigenschappen wordt gemeten, omgezet in een elektrisch signaal dat wordt versterkt, verwerkt en weergegeven.

Typen Biosensors:

De biosensoren zijn van 5 types:

1. Calorimetrische Biosensoren:

Veel door enzymen gekatalyseerde reacties zijn exotherm. Calorimetrische biosensoren meten de temperatuurverandering van de oplossing die de analyt bevat na enzymwerking en interpreteren deze in termen van de analytconcentratie in de oplossing. De analytoplossing wordt door een kleine gepakte bedkolom gevoerd die geïmmobiliseerd enzym bevat; de temperatuur van de oplossing wordt bepaald vlak voor het binnentreden van de oplossing in de kolom en net als het verlaten van de kolom met behulp van afzonderlijke thermistors.

Dit is het meest algemeen toepasbare type biosensor en kan worden gebruikt voor troebele en sterk gekleurde oplossingen. Het grootste nadeel is het handhaven van de temperatuur van de monsterstroom, bijvoorbeeld ± 0, 01 ° C, temperatuur. De gevoeligheid en het bereik van dergelijke biosensoren is vrij laag voor de meeste toepassingen. De gevoeligheid kan worden verhoogd door twee of meer enzymen van de route in de biosensor te gebruiken om verschillende reacties te koppelen om de warmteafgifte te verhogen. Als alternatief kunnen multifunctionele enzymen worden gebruikt. Een voorbeeld is het gebruik van glucose-oxidase voor de bepaling van glucose.

2. Potentiometrische Biosensoren:

Deze biosensoren maken gebruik van ion-selectieve elektroden om de biologische reactie om te zetten in een elektronisch signaal. De gebruikte elektroden zijn meestal pH-meter glaselektroden (voor kationen), glas-pH-elektroden bekleed met een gas-selectief membraan (voor CO2, NH of H2S) of vaste-stofelektroden. Veel reacties genereren of gebruiken H ⁺ dat wordt gedetecteerd en gemeten door de biosensor; in dergelijke gevallen worden zeer zwakke gebufferde oplossingen gebruikt. Gasdetectie-elektroden detecteren en meten de hoeveelheid geproduceerd gas. Een voorbeeld van dergelijke elektroden is gebaseerd op urease dat de volgende reacties katalyseert:

CO (NH ₂ ) ₂ + 2H ₂ O + H ⁺ → 2NH ₄ ⁺ + HCO ^- ₃

Deze reactie kan worden gemeten met een pH-gevoelige, voor ammoniumion gevoelige, voor NH3 gevoelige of voor C02 gevoelige elektrode. Biosensoren kunnen nu worden bereid door enzym-gecoate membranen te plaatsen op de ionenselectieve poorten van ion-selectieve geordende effecttransistoren; deze biosensoren zijn extreem klein.

3. Acoustic Wave Biosensors:

Dit worden ook piëzo-elektrische apparaten genoemd. Hun oppervlak is gewoonlijk bekleed met antilichamen die binden aan het complementaire antigeen dat in de monsteroplossing aanwezig is. Dit leidt tot een verhoogde massa die hun trillingsfrequentie vermindert; deze verandering wordt gebruikt om de hoeveelheid antigeen die in de monsteroplossing aanwezig is te bepalen.

4. Amperometrische Biosensoren:

Deze elektroden werken door de productie van een stroom wanneer een potentiaal wordt aangelegd tussen twee elektroden, waarbij de stroomsterkte evenredig is met de substraatconcentratie. De eenvoudigste amperometrische biosensoren maken gebruik van de Clark-zuurstofelektrode die de reductie van O2 bepaalt die aanwezig is in de monster (analyt) oplossing. Dit zijn de eerste generatie biosensoren. Deze biosensoren worden gebruikt om redoxreacties te meten, een typisch voorbeeld is de bepaling van glucose met behulp van glucose-oxidase.

Een groot probleem van dergelijke biosensoren is hun afhankelijkheid van de opgeloste O2-concentratie in de analytoplossing. Dit kan worden overwonnen door bemiddelaars te gebruiken; deze moleculen brengen de door de reactie gegenereerde elektronen direct over op de elektrode in plaats van de O ₂ opgelost in analytoplossing te verminderen. Dit worden ook biosensoren van de tweede generatie genoemd. De huidige elektroden verwijderen echter de elektronen direct uit de gereduceerde enzymen zonder de hulp van mediatoren en zijn bekleed met elektrisch geleidende organische zouten.

5. Optische biosensoren:

Deze biosensoren meten zowel katalytische als affiniteitsreacties. Ze meten een verandering in fluorescentie of in absorptie veroorzaakt door de producten gegenereerd door katalytische reacties. Als alternatief meten ze de veranderingen geïnduceerd in de intrinsieke optische eigenschappen van het biosensoroppervlak als gevolg van het laden van diëlektrische moleculen zoals eiwit (in het geval van affiniteitsreacties). Een meest veelbelovende biosensor met luminescentie gebruikt luciferase van vuurvliegenzym voor detectie van bacteriën in voedsel of klinische monsters. De bacteriën worden specifiek gelyseerd om ATP vrij te maken, dat wordt gebruikt door luciferase in de aanwezigheid van 0 ₂ om licht te produceren dat wordt gemeten door de biosensor.