Biosensor

Den aktuelle version af siden er endnu ikke blevet gennemgået af erfarne bidragydere og kan afvige væsentligt fra den version , der blev gennemgået den 12. december 2019; checks kræver 6 redigeringer .

En biosensor  er en analytisk enhed, der bruger reaktionerne af disse forbindelser katalyseret af enzymer, immunokemiske reaktioner eller reaktioner, der forekommer i organeller , celler eller væv til at bestemme kemiske forbindelser [1] . I biosensorer kombineres en biologisk komponent med en fysisk-kemisk transducer.

Biosensorer består af tre dele:

• bioselektivt element (biologisk materiale, såsom væv , mikroorganismer , organeller , cellereceptorer , enzymer , antistoffer , nukleinsyrer osv.), materiale af biologisk oprindelse eller biomimic). Sanseelementet kan skabes gennem bioengineering .
• en transducer (fungerer efter fysiske og kemiske principper; optisk, piezoelektrisk, elektrokemisk osv.), som konverterer signalet, der er et resultat af analyttens interaktion med et bioselektivt element, til et andet signal, der er lettere at måle;
• tilhørende elektronik, som primært har ansvaret for at vise resultaterne på en brugervenlig måde. [2] .

Det bedst kendte eksempel på en kommerciel biosensor er blodsukkerbiosensoren, som bruger enzymet glucoseoxidase til at nedbryde glucose i blodet. Under fordøjelsen oxiderer enzymet først glukose og bruger to elektroner til at reducere FAD (en komponent af enzymet) til FAD H2, som igen oxideres i flere trin af elektroden. Den resulterende strøm er proportional med glukosekoncentrationen. I dette tilfælde er elektroden en transducer, og enzymet er et bioselektivt element.

På det seneste er arrays af mange forskellige detektormolekyler blevet brugt i såkaldte elektronnæser, hvor responssæt fra detektorer bruges til at detektere stoffer. Moderne elektroniske næser bruger dog ikke biologisk materiale (det vil sige, de er kemosensorer).

Den indenlandske kanariefugl , som blev brugt af minearbejdere til at advare om gaslækager, kunne betragtes som en biosensor. Mange af nutidens biosensorer arbejder efter samme princip, det vil sige, at de bruger organismer, der reagerer på meget lavere koncentrationer af giftige stoffer, end mennesker gør, og advarer dermed om tilstedeværelsen af ​​gift. Disse enheder kan bruges til miljøovervågning, bestemmelse af mindre urenheder i olieprodukter og i spildevandsrensningsanlæg.

Biosensorers historie

Ideen om at skabe biosensorer går tilbage til det eksperiment udført af den tyske fysiolog Max Kremer i 1906, da han viste, at koncentrationen af ​​syre i en væske er proportional med det elektriske potentiale , der opstår mellem delene af væske placeret på modsatte sider af glasmembranen [3] . Den første biosensor af den moderne type blev designet af Leland Clark, Jr. (1918-2005) i 1956 til at detektere ilt, senere blev denne elektrode kendt som "Clarke-elektroden" [3] [4] . I 1962 havde Clark demonstreret den første amperometriske enzymelektrode til glukosedetektering. I 1969 skabte George Guilbaud og Joseph Montalvo, Jr. den første potentiometriske biosensor til påvisning af urinstof. Den første kommercielle biosensor blev udviklet i 1975 af Yellow Spring Instruments (YSI) [3] .

Klassificering af biosensorer

Afhængigt af typen af ​​transducer klassificeres biosensorer i optiske, akustiske, kalorimetriske, termiske og elektrokemiske. Elektrokemiske biosensorer er til gengæld opdelt i potentiometriske, amperometriske og konduktometriske. [5]

Optiske biosensorer

Funktionsprincippet for de fleste optiske biosensorer er baseret på fænomenet overfladeplasmonresonans. Denne effekt kan opnås ved at bestråle overfladen af ​​glasplast med en tynd belægning af metallisk guld eller et andet ædelmetal med en laserlysstråle af en vis bølgelængde, på grund af hvilken elektronbølger (overfladeplasmoner) dannes under dens delvise sorption. Som regel forekommer effekten af ​​plasmonresonans ikke kun ved en vis bølgelængde af laserstråling, men også ved en specifik værdi af vinklen af ​​indfaldende lys og afhænger af de fysiske egenskaber af overfladen af ​​metalfilmen, som analytten blev tilsat som et resultat af reaktionen.

Sensorer baseret på overfladeplasmonresonans er en chip, der består af en plastikkassette, der bærer en glasplade, hvoraf den ene side er dækket med et mikroskopisk tyndt lag metallisk guld og er i stand til at interagere med den optiske del af enhedens elektroniske sensor . Den modsatte side af glassensorskålen er forbundet med instrumentets væskestrømningssystem, som prøven kommer ind i, mens prøvestofferne opløst i væsken kommer i direkte kontakt med skålens overflade. Overfladen af ​​den modsatte side af glaspladen er normalt belagt med en polymer. Ofte fungerer et lag af carboxymethyldextran eller et andet kemisk lignende stof som en sådan polymerbelægning.

En lysstråle med en fast bølgelængde, der falder på overfladen af ​​pladen, reflekteres fra den guldbelagte side af glaschippen i en vinkel med total intern refleksion og detekteres af enhedens elektroniske hardware. I dette tilfælde inducerer lysstrålen en forsvindende bølge, som trænger gennem glasskålen ind i opløsningen nær dens overflade.

Brydningsindekset for flowsiden af ​​sensorchippen påvirker direkte opførselen af ​​lys, der reflekteres fra den guldbelagte side. Bindingen af ​​stoffer til overfladen af ​​strømningssiden af ​​chippen påvirker brydningsindekset, som kan registreres af optisk udstyr; biologiske interaktioner kan således måles med et højt niveau af følsomhed.

Andre forsvindende bølgebiosensorer er blevet kommercialiseret ved hjælp af bølgeledere, hvor lysets udbredelseskonstant gennem bølgelederen ændres, efterhånden som molekyler absorberes på overfladen af ​​bølgelederen. For eksempel i dobbeltpolarisationsinterferometri anvendes to bølgeledere, hvoraf den ene er isoleret og er en reference, og den anden bølgeleder er i direkte kontakt med prøven under undersøgelse. Ved at sammenligne lysudbredelsens hastighedskonstanter i begge bølgeledere drages en konklusion om koncentrationen af ​​analytten.

Optiske biosensorer er primært baseret på en ændring i absorbans eller fluorescens af den respektive indikatorkomponent og kræver ikke total intern refleksion. For eksempel er der udviklet en fuldt fungerende prototypeanordning til bestemmelse af kasein i mælk. Instrumentet er baseret på at detektere ændringer i guldlagets absorbans. [6] Et udbredt forskningsværktøj inden for molekylærbiologi, DNA-mikroarrayet kan også betragtes som en optisk biosensor.

Elektrokemiske biosensorer

Elektrokemiske biosensorer er normalt baseret på den enzymatiske katalyse af en reaktion, hvor elektroner frigives eller absorberes (de anvendte enzymer tilhører klassen af ​​oxidoreduktaser ). Biosensoren inkluderer normalt tre elektroder : en referenceelektrode , en arbejdselektrode og en hjælpeelektrode. Et biologisk materiale påføres overfladen af ​​arbejdselektroden, som specifikt reagerer med analytten. De ladede reaktionsprodukter skaber et potentiale ved arbejdselektroden, som trækkes fra potentialet ved referenceelektroden for at opnå et udgangssignal. Strømmåling anvendes også (i dette tilfælde er intensiteten af ​​elektronstrømmen proportional med koncentrationen af ​​analytten) ved et konstant potentiale, eller potentialet kan måles ved nulstrøm (dette giver en logaritmisk respons). Det skal bemærkes, at elektrodernes potentiale påvirkes af ladningen af ​​deres miljø, som ofte bruges. Desuden er det muligt direkte elektrisk at detektere små peptider og proteiner ved deres karakteristiske ladning ved hjælp af biologisk modificerede ion-selektive felteffekttransistorer ( ISFET'er ). [7]

Andre typer biosensorer

Piezoelektriske sensorer bruger krystaller , der deformeres elastisk, når de udsættes for et elektrisk potentiale. Et vekslende potentiale ved en bestemt frekvens forårsager en stående bølge i krystallen. Denne frekvens er meget afhængig af krystallens elastiske egenskaber, så hvis krystallen er belagt med et biologisk genkendelseselement, vil bindingen af ​​en stor mængde analyt til receptoren forårsage en ændring i resonansfrekvensen, som tjener som en binding. signal.

Termiske og magnetiske biosensorer er praktisk talt ikke udbredte. Nanoenheder med nanoantenner kan bruges som biologiske sensorer [8] .

Se også

• Multiplex analyse

Noter

1. ↑ biosensor // IUPAC Gold Book . Hentet 31. august 2010. Arkiveret fra originalen 12. februar 2010. (ubestemt)
2. ↑ Cavalcanti A., Shirinzadeh B., Zhang M., Kretly LC Nanorobot Hardware Architecture for Medical Defense  //  Sensorer: journal. - 2008. - Bd. 8 , nr. 5 . - P. 2932-2958 . - doi : 10.3390/s8052932 .
3. ↑ 1 2 3 Bhalla N., Jolly P., Formisano N. og Estrela P. Introduktion til biosensorer   // Essays Biochem . - 2016. - Bd. 60 , nr. 1 . — S. 1–8 . - doi : 10.1042/EBC20150001 .
4. ↑ Heineman WR, Jensen WB Leland C. Clark Jr. (1918–2005)  (engelsk)  // Biosensors and Bioelectronics. - 2006. - Bd. 21 , nr. 8 . - S. 1403-1404 . - doi : 10.1016/j.bios.2005.12.005 .
5. ↑ Dzyadevich S.V., Soldatkin O.P. Videnskabeligt og teknologisk baghold for skabelsen af ​​miniature elektrokemiske biosensorer. - 1. udg. - Kiev: Naukova Dumka, 2006. - S. 3, 6. - 256 s. — ISBN 966-00-0595-4 .
6. ↑ HM Hiep et al. "En lokaliseret overfladeplasmonresonansbaseret immunosensor til påvisning af kasein i mælk" Sci. Teknol. Adv. mater. 8 (2007) 331 gratis download Arkiveret 9. juli 2012.
7. ↑ SQ Lud, MG Nikolaides, I. Haase, M. Fischer og AR Bausch (2006). "Field Effect of Screened Charges: Electrical Detection of Peptides and Proteins by a Thin Film Resistor" ChemPhysChem 7(2), 379-384 [ en]
8. ↑ Slyusar V. I. Nanoantenner: tilgange og udsigter Arkivkopi dateret 3. juni 2021 på Wayback Machine // Elektronik: Videnskab, Teknologi, Erhverv. - 2009. - Nr. 2. - S. 60.

Litteratur

• Banica F.-G., Kemiske og biologiske sensorer: grundlæggende og anvendelser. Technosphere, Moskva, 2014; Pris: 869. ISBN 978-5-94836-380-6
• Budnikov G.K. Biosensorer som en ny type analytiske anordninger // Soros Educational Journal , 1996, nr. 12, s. 26-32.
• Varfolomeev S.D. Biosensorer // Soros Educational Journal , 1997, nr. 1, s. 45-49.
• Kompanets O.N. Bærbare optiske biosensorer til bestemmelse af biologisk aktive og giftige forbindelser // Uspekhi fizicheskikh nauk , 2004, v. 174, nr. 6, s. 684-686.
• Voronov V. K. , Podoplelov A. V.  Fysik ved årtusindskiftet: kondenseret tilstand, 2. udgave, M.: LKI, 2012, 336 sider, ISBN 978-5-382-01365-7

Ordbøger og encyklopædier	Stor russer
I bibliografiske kataloger	BNF : 12125424b GND : 4193016-2 J9U : 987007282392505171 LCCN : sh85014260 NKC : ph162459