Biosensorer: Typer och Allmänna Funktioner hos Biosensorer

Biosensorer: Typer och Allmänna Funktioner hos Biosensorer!

En biosensor är en analytisk anordning som använder biologiskt material för att specifikt interagera med en analyt.

Producerar några detekterbara fysiska förändringar som mäts och omvandlas till en elektrisk signal av en transduktor. Den elektriska signalen förstärks, tolkas och visas som analytkoncentration i lösningen / beredningen. En analyt är en förening vars koncentration ska bestämmas, de biologiska materialen är vanligtvis enzymer, men nukleinsyror, antikroppar, lektiner, helceller, hela organ eller vävnadsskivor används också (tabell 12.4).

Naturen av interaktion mellan analyten och det biologiska materialet som används i biosensorn är av två typer:

(a) Analysen kan omvandlas till en ny kemisk molekyl med hjälp av enzymer; Sådana biosensorer kallas katalytiska biosensorer, och

(b) Analysen kan helt enkelt binda till det biologiska materialet som finns närvarande på biosensorn (t ex till antikroppar, nukleinsyra); Dessa biosensorer är kända som affinitetssensorer.

En framgångsrik biosensor måste ha åtminstone några av följande egenskaper: (a) Det bör vara mycket specifikt för analyten.

(b) Den använda reaktionen bör vara oberoende av hanterbara faktorer som pH, temperatur, omröring etc.

c) Svaret bör vara linjärt över ett användbart intervall av analytkoncentrationer.

(d) Anordningen ska vara liten och biokompatibel, om den ska användas för analyser inom kroppen.

e) Enheten ska vara billig, liten, lätt att använda och kunna användas för upprepad användning.

Allmänna egenskaper hos Biosensor:

En biosensor har två olika typer av komponenter:

(a) Biologiskt, t.ex. enzym, antikroppar och

(b) Fysisk, t ex omvandlare, förstärkare etc.

Biosensorns biologiska komponent utför två viktiga funktioner.

(a) Det erkänner specifikt analyten och

(b) Det interagerar med det på ett sådant sätt, vilket ger någon fysisk förändring detekterbar av omvandlaren.

Dessa egenskaper hos den biologiska komponenten ger biosensorn sin specifika känslighet och förmågan att detektera och mäta analyten. Den biologiska komponenten immobiliseras lämpligen på transducern. Generellt förbättrar den korrekta immobiliseringen av enzymer deras stabilitet. Som ett resultat kan många enzymimmobiliserade system användas mer än 10 000 gånger under en period av flera månader.

Den biologiska komponenten interagerar specifikt med analyten som alstrar en fysisk förändring nära transducerytan. Denna fysiska förändring kan vara:

1. Värme som frigörs eller absorberas av reaktionen (kalorimetriska biosensorer)

2. Produktion av en elektrisk potential på grund av förändrad distribution av elektroner (potentiometriska biosensorer).

3. Rörelse av elektroner på grund av redoxreaktion (amperometriska biosensorer).

4. Ljus som produceras eller absorberas under reaktionen (optiska biosensorer).

5. Förändring i massa av den biologiska komponenten som ett resultat av reaktionen (akustiska våg biosensorer).

Givaren detekterar och mäter denna förändring och omvandlar den till en elektrisk signal. Denna signal är väldigt liten förstärks av en förstärkare innan den matas in till mikroprocessorn. Signalen bearbetas och tolkas sedan och visas i lämpliga enheter.

Således omvandlar biosensorer ett kemiskt informationsflöde till ett elektriskt informationsflöde, vilket innefattar följande steg:

(a) Analysen diffunderar från lösningen till biosensorns yta.

(b) Analytan reagerar specifikt och effektivt med biosensorns biologiska komponent ".

(d) Detta leder till en förändring i transducerytans optiska eller elektroniska egenskaper.

(e) Förändringen i optiska / elektroniska egenskaper mäts, omvandlas till elektrisk signal som förstärks, bearbetas och visas.

Typer av biosensorer:

Biosensorerna är av 5 typer:

1. Kalorimetriska biosensorer:

Många enzymkatalyserade reaktioner är exoterma. Kalorimetriska biosensorer mäter temperaturförändringen av lösningen innehållande analyten som följer enzymaktivitet och tolkar den i termer av analytkoncentrationen i lösningen. Analytlösningen passerar genom en liten packad bädd-kolonn innehållande immobiliserat enzym; Lösningens temperatur bestäms strax innan lösningen går in i kolonnen och precis som den lämnar kolonnen med separata termistorer.

Detta är den vanligaste typen av biosensor, och den kan användas för grumliga och starkt färgade lösningar. Den största nackdelen är att hålla temperaturen i provströmmen, säg ± 0, 01 ° C, temperatur. Känsligheten och intervallet för sådana biosensorer är ganska låg för de flesta tillämpningar. Känsligheten kan ökas genom att använda två eller flera enzymer av vägen i biosensorn för att länka flera reaktioner för att öka värmeeffekten. Alternativt kan multifunktionella enzymer användas. Ett exempel är användningen av glukosoxidas för bestämning av glukos.

2. Potentiometriska biosensorer:

Dessa biosensorer använder jonselektiva elektroder för att omvandla den biologiska reaktionen till elektronisk signal. Elektroderna som används är vanligtvis pH-mätglaselektroder (för katjoner), glas-pH-elektroder belagda med ett gasselektivt membran (för CO, NH eller H2S) eller fast-tillståndselektroder. Många reaktioner genererar eller använder H ⁺ som detekteras och mäts av biosensorn; i sådana fall används mycket svaga buffrade lösningar. Gasavkänningselektroder detekterar och mäter mängden gas som produceras. Ett exempel på en sådan elektrod är baserad på ureas som katalyserar följande reaktioner:

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

Denna reaktion kan mätas med en pH-känslig ammoniumjonskänslig, NH3-känslig eller CO2-känslig elektrod. Biosensorer kan nu framställas genom att placera enzymbelagda membran på de jonselektiva grindarna av jon-selektiva arkiverade effekttransistorer; Dessa biosensorer är extremt små.

3. Akustiska vågbiosensorer:

Dessa kallas även piezoelektriska enheter. Deras yta är vanligtvis belagd med antikroppar som binder till det komplementära antigenet närvarande i provlösningen. Detta leder till ökad massa som minskar deras vibrationsfrekvens; Denna ändring används för att bestämma mängden antigen närvarande i provlösningen.

4. Amperometriska biosensorer:

Dessa elektroder fungerar genom produktion av en ström när potential appliceras mellan två elektroder, varvid strömstyrkan är proportionell mot substratkoncentrationen. De enklaste amperometriska biosensorerna använder Clark-syreelektroden som bestämmer reduktionen av O2 närvarande i provet (analyt) -lösningen. Dessa är första generationens biosensorer. Dessa biosensorer används för att mäta redoxreaktioner, ett typiskt exempel är bestämning av glukos med användning av glukosoxidas.

Ett stort problem med sådana biosensorer är deras beroende av den upplösta O2-koncentrationen i analytlösningen. Detta kan övervinnas genom att använda medlare; dessa molekyler överför elektronerna alstrade av reaktionen direkt till elektroden i stället för att reducera O2 upplöst i analytlösning. Dessa kallas också andra generationens biosensorer. Nuvarande elektroder avlägsnar elektronerna direkt från de reducerade enzymerna utan mediators hjälp och beläggs med elektriskt ledande organiska salter.

5. Optiska biosensorer:

Dessa biosensorer mäter både katalytiska och affinitetsreaktioner. De mäter en förändring i fluorescens eller i absorbans orsakad av produkterna som alstras av katalytiska reaktioner. Alternativt mäter de förändringar som induceras i biosensorytans inbyggda optiska egenskaper på grund av belastning på dielektriska molekyler som protein (i fall av affinitetsreaktioner). En mest lovande biosensor som involverar luminescens använder firefly enzym-luciferas för detektering av bakterier i mat eller kliniska prover. Bakterierna lyseras specifikt för att frigöra ATP, som används av luciferas i närvaro av O2 för att producera ljus som mäts av biosensorn.