Biosensorer: Typer og generelle egenskaper av biosensorer

Biosensorer: Typer og generelle egenskaper av Biosensors!

En biosensor er en analytisk enhet som benytter biologisk materiale for å spesifikt samhandle med en analyt.

Produserer noen påviselige fysiske endringer som måles og omdannes til et elektrisk signal av en transduser. Det elektriske signalet blir til slutt forsterket, tolket og vist som analytkonsentrasjon i løsningen / preparatet. En analyt er en forbindelse hvis konsentrasjon skal bestemmes, de biologiske materialene er vanligvis enzymer, men nukleinsyrer, antistoffer, lektiner, hele celler, hele organer eller vevstykker brukes også (tabell 12.4).

Arten av samspillet mellom analytten og det biologiske materialet som brukes i biosensoren, er av to typer:

(a) Analytten kan omdannes til et nytt kjemisk molekyl ved enzymer; slike biosensorer kalles katalytiske biosensorer, og

(b) Analytten kan enkelt binde seg til det biologiske materialet som er tilstede på biosensoren (f.eks. til antistoffer, nukleinsyre); Disse biosensorene er kjent som affinitetssensorer.

En vellykket biosensor må ha minst noen av følgende egenskaper: (a) Den bør være svært spesifikk for analytten.

(b) Reaksjonen som brukes, bør være uavhengig av håndterbare faktorer som pH, temperatur, omrøring etc.

(c) Responsen skal være lineær over et anvendelig område av analytkonsentrasjoner.

(d) Enheten skal være liten og biokompatibel, hvis den skal brukes til analyser i kroppen.

(e) Enheten skal være billig, liten, enkel å bruke og i stand til gjentatt bruk.

Generelle egenskaper av Biosensor:

En biosensor har to forskjellige typer komponenter:

(a) Biologisk, f.eks. enzym, antistoffer og

(b) Fysisk, f.eks. transduser, forsterker, etc.

Den biologiske komponenten i biosensoren utfører to viktige funksjoner.

(a) Det gjenkjenner spesifikt analytten og

(b) Det samhandler med det på en slik måte som gir noen fysiske forandringer som kan detekteres av transduseren.

Disse egenskapene til den biologiske komponenten gir biosensoren sin spesifikt, følsomhet og evne til å detektere og måle analyten. Den biologiske komponenten er passende immobilisert til transduseren. Generelt forbedrer korrekt immobilisering av enzymer stabiliteten deres. Som et resultat kan mange enzymimmobiliserte systemer brukes mer enn 10.000 ganger over en periode på flere måneder.

Den biologiske komponenten interagerer spesielt med analytten som gir en fysisk forandring nær transduseroverflaten. Denne fysiske endringen kan være:

1. Varme frigjort eller absorbert av reaksjonen (kalorimetriske biosensorer)

2. Produksjon av elektrisk potensial på grunn av endret distribusjon av elektroner (potensiometriske biosensorer).

3. Bevegelse av elektroner på grunn av redoksreaksjon (amperometriske biosensorer).

4. Lys produsert eller absorbert under reaksjonen (optiske biosensorer).

5. Endring i masse av den biologiske komponenten som et resultat av reaksjonen (akustiske bølge biosensorer).

Transduseren detekterer og måler denne endringen og konverterer den til et elektrisk signal. Dette signalet er svært lite forsterkes av en forsterker før den blir matet inn i mikroprosessoren. Signalet behandles og tolkes deretter, og vises i egnede enheter.

Dermed konverterer biosensorer en kjemisk informasjonsflyt til en elektrisk informasjonsflyt, som innebærer følgende trinn:

(a) Analytten diffunderer fra løsningen til overflaten av biosensoren.

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

(c) Denne reaksjonen endrer de fysisk-kjemiske egenskapene til transduseroverflaten.

(d) Dette fører til en endring i de optiske eller elektroniske egenskapene til transduseroverflaten.

(e) Endringen i optiske / elektroniske egenskaper måles, konverteres til elektrisk signal som forsterkes, behandles og vises.

Typer av biosensorer:

Biosensorene er av 5 typer:

1. Kalorimetriske biosensorer:

Mange enzymkatalyserte reaksjoner er eksoterme. Kalorimetriske biosensorer måler temperaturendringen av løsningen som inneholder analysen som følger enzymaktivitet og tolker den når det gjelder analytkoncentrasjonen i oppløsningen. Analyttens oppløsning føres gjennom en liten, pakket søylekolonne som inneholder immobilisert enzym; Temperaturen på løsningen bestemmes like før oppløsningen kommer inn i kolonnen, og akkurat som den forlater kolonnen ved hjelp av separate termistorer.

Dette er den mest anvendelige typen biosensor, og den kan brukes til uklare og kraftig fargede løsninger. Den største ulempen er å opprettholde temperaturen i prøve-strømmen, si ± 0, 01 ° C, temperatur. Følsomheten og omfanget av slike biosensorer er ganske lav for de fleste applikasjoner. Følsomheten kan økes ved å bruke to eller flere enzymer av banen i biosensoren for å knytte flere reaksjoner for å øke varmeeffekten. Alternativt kan multifunksjonelle enzymer benyttes. Et eksempel er bruken av glukoseoksidase for bestemmelse av glukose.

2. Potensiometriske biosensorer:

Disse biosensorene bruker ion-selektive elektroder for å konvertere den biologiske reaksjonen til elektronisk signal. Elektroder som benyttes er oftest pH-glasselektroder (for kationer), glass-pH-elektroder belagt med en gass-selektiv membran (for CO ₂, NH eller H ₂ S) eller faststoffelektroder. Mange reaksjoner genererer eller bruker H ⁺ som detekteres og måles av biosensoren; I slike tilfeller brukes svært svake bufrede løsninger. Gassavkjenningselektroder detekterer og måler mengden gass som produseres. Et eksempel på slike elektroder er basert på urease som katalyserer følgende reaksjoner:

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

Denne reaksjonen kan måles ved en pH-følsom, ammonium-ionfølsom, NH3-følsom eller CO2-følsom elektrode. Biosensorer kan nå fremstilles ved å plassere enzymbelagte membraner på de ion-selektive portene av ion-selektive arkiverte effekttransistorer; Disse biosensorene er ekstremt små.

3. Akustiske bølgesensorer:

Disse kalles også piezoelektriske enheter. Overflaten deres er vanligvis belagt med antistoffer som binder til det komplementære antigenet som er tilstede i prøveoppløsningen. Dette fører til økt masse som reduserer sin vibrasjonsfrekvens; Denne endringen brukes til å bestemme mengden antigen tilstede i prøveoppløsningen.

4. Amperometriske biosensorer:

Disse elektrodene fungerer ved produksjon av en strøm når potensialet blir påført mellom to elektroder, idet strømmenes størrelse er proporsjonal med substratkonsentrasjonen. De enkleste amperometriske biosensorene bruker Clark-oksygenelektroden som bestemmer reduksjonen av O ₂ tilstede i prøven (analyt) -oppløsningen. Dette er første generasjon biosensorer. Disse biosensorene brukes til å måle redoksreaksjoner, et typisk eksempel er bestemmelse av glukose ved bruk av glukoseoksidase.

Et stort problem med slike biosensorer er deres avhengighet av den oppløste O2-konsentrasjonen i analytoppløsningen. Dette kan bli overvunnet ved å bruke mediatorer; disse molekylene overfører elektronene som genereres ved reaksjonen direkte til elektroden, i stedet for å redusere O2 oppløst i analytoppløsningen. Disse kalles også andre generasjons biosensorer. Dagens elektroder fjerner imidlertid elektronene direkte fra de reduserte enzymer uten hjelp av mediatorer, og de er belagt med elektrisk ledende organiske salter.

5. Optiske biosensorer:

Disse biosensorer måler både katalytiske og affinitetsreaksjoner. De måler en endring i fluorescens eller i absorbanse forårsaket av produktene som genereres ved katalytiske reaksjoner. Alternativt måler de endringene som induseres i biosensoroverflatenes indre optiske egenskaper på grunn av belastning av dielektriske molekyler som protein (i tilfelle avfinitetsreaksjoner). En mest lovende biosensor som involverer luminescens, bruker fireflyenzym luciferase til påvisning av bakterier i mat eller kliniske prøver. Bakteriene er spesielt lysert for å frigjøre ATP, som brukes ved luciferase i nærvær av 0 _{2 for} å produsere lys som måles av biosensoren.