Biosensori: tipi e caratteristiche generali dei biosensori

Biosensori: tipi e caratteristiche generali dei biosensori!

Un biosensore è un dispositivo analitico che impiega materiale biologico per interagire specificamente con un analita.

Produrre alcuni cambiamenti fisici rilevabili che vengono misurati e convertiti in un segnale elettrico da un trasduttore. Il segnale elettrico è infine amplificato, interpretato e visualizzato come concentrazione dell'analita nella soluzione / preparazione. Un analita è un composto la cui concentrazione deve essere determinata, i materiali biologici di solito sono enzimi, ma vengono utilizzati anche acidi nucleici, anticorpi, lectine, cellule intere, interi organi o fettine di tessuto (Tabella 12.4).

La natura dell'interazione tra l'analita e il materiale biologico utilizzato nel biosensore è di due tipi:

(a) L'analita può essere convertito in una nuova molecola chimica da enzimi; tali biosensori sono chiamati biosensori catalitici e

(b) L'analita può semplicemente legarsi al materiale biologico presente sul biosensore (ad esempio, agli anticorpi, all'acido nucleico); questi biosensori sono noti come sensori di affinità.

Un biosensore con successo deve avere almeno alcune delle seguenti caratteristiche: (a) Dovrebbe essere altamente specifico per l'analita.

(b) La reazione utilizzata deve essere indipendente da fattori gestibili come pH, temperatura, agitazione, ecc.

(c) La risposta dovrebbe essere lineare su un intervallo utile di concentrazioni di analita.

(d) Il dispositivo deve essere piccolo e biocompatibile, nel caso in cui debba essere utilizzato per analisi all'interno del corpo.

(e) Il dispositivo dovrebbe essere economico, piccolo, facile da usare e capace di uso ripetuto.

Caratteristiche generali del biosensore:

Un biosensore ha due distinti tipi di componenti:

a) Biologico, ad es. enzima, anticorpi e

(b) Fisico, ad es. trasduttore, amplificatore, ecc.

La componente biologica del biosensore svolge due importanti funzioni.

(a) Riconosce specificamente l'analita e

(b) Interagisce con esso in modo tale da produrre qualche cambiamento fisico rilevabile dal trasduttore.

Queste proprietà del componente biologico conferiscono al biosensore la sua specificità, sensibilità e capacità di rilevare e misurare l'analita. Il componente biologico è opportunamente immobilizzato sul trasduttore. In generale, la corretta immobilizzazione degli enzimi migliora la loro stabilità. Di conseguenza, molti sistemi immobilizzati da enzimi possono essere utilizzati più di 10.000 volte nell'arco di diversi mesi.

Il componente biologico interagisce in modo specifico con l'analita che produce un cambiamento fisico vicino alla superficie del trasduttore. Questo cambiamento fisico può essere:

1. Calore rilasciato o assorbito dalla reazione (biosensori calorimetrici)

2. Produzione di un potenziale elettrico dovuto alla variazione della distribuzione di elettroni (biosensori potenziometrici).

3. Movimento degli elettroni a causa della reazione redox (biosensori amperometrici).

4. Luce prodotta o assorbita durante la reazione (biosensori ottici).

5. Variazione della massa del componente biologico a seguito della reazione (biosensori a onde acustiche).

Il trasduttore rileva e misura questo cambiamento e lo converte in un segnale elettrico. Questo segnale essendo molto piccolo viene amplificato da un amplificatore prima di essere alimentato nel microprocessore. Il segnale viene quindi elaborato e interpretato e visualizzato in unità appropriate.

Pertanto, i biosensori convertono un flusso di informazioni chimiche in un flusso di informazioni elettriche, che prevede le seguenti fasi:

(a) L'analita si diffonde dalla soluzione alla superficie del biosensore.

(b) L'analita reagisce in modo specifico ed efficiente con la componente biologica "del biosensore.

(c) Questa reazione modifica le proprietà fisico-chimiche della superficie del trasduttore.

(d) Ciò comporta una modifica delle proprietà ottiche o elettroniche della superficie del trasduttore.

(e) La variazione delle proprietà ottiche / elettroniche viene misurata, convertita in un segnale elettrico che viene amplificato, elaborato e visualizzato.

Tipi di Biosensori:

I biosensori sono di 5 tipi:

1. Biosensori calorimetrici:

Molte reazioni catalizzate da enzimi sono esotermiche. I biosensori calorimetrici misurano la variazione di temperatura della soluzione contenente l'analita in seguito all'azione enzimatica e la interpretano in termini di concentrazione dell'analita nella soluzione. La soluzione dell'analita viene fatta passare attraverso una colonna di piccoli letti impaccati contenente enzimi immobilizzati; la temperatura della soluzione viene determinata subito prima dell'entrata della soluzione nella colonna e così come sta lasciando la colonna usando termistori separati.

Questo è il tipo di biosensore più generalmente applicabile e può essere utilizzato per soluzioni torbide e fortemente colorate. Il più grande svantaggio è mantenere la temperatura del flusso del campione, ad esempio ± 0, 01 ° C, temperatura. La sensibilità e la gamma di tali biosensori è piuttosto bassa per la maggior parte delle applicazioni. La sensibilità può essere aumentata utilizzando due o più enzimi del percorso nel biosensore per collegare più reazioni per aumentare la produzione di calore. In alternativa, possono essere utilizzati enzimi multifunzionali. Un esempio è l'uso di glucosio ossidasi per la determinazione del glucosio.

2. Biosensori potenziometrici:

Questi biosensori utilizzano elettrodi iono-selettivi per convertire la reazione biologica in segnale elettronico. Gli elettrodi impiegati sono più comunemente elettrodi di vetro per pH (per i cationi), elettrodi di vetro a pH rivestiti con una membrana selettiva di gas (per CO ₂, NH o H ₂ S) o elettrodi allo stato solido. Molte reazioni generano o usano H ⁺ che viene rilevato e misurato dal biosensore; in questi casi vengono utilizzate soluzioni tampone molto deboli. Gli elettrodi di rilevamento del gas rilevano e misurano la quantità di gas prodotta. Un esempio di tali elettrodi è basato sull'ureasi che catalizza le seguenti reazioni:

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

Questa reazione può essere misurata con un elettrodo sensibile al pH, sensibile agli ioni di ammonio, sensibile al NH ₃ o sensibile al CO ₂ . I biosensori possono ora essere preparati posizionando membrane rivestite con enzimi sui gate ionoselettivi di transistor ad effetto filtrato ion-selective; questi biosensori sono estremamente piccoli.

3. Biosensori a onde acustiche:

Questi sono anche chiamati dispositivi piezoelettrici. La loro superficie è solitamente rivestita con anticorpi che si legano all'antigene complementare presente nella soluzione campione. Ciò porta ad una maggiore massa che riduce la loro frequenza vibratoria; questo cambiamento viene utilizzato per determinare la quantità di antigene presente nella soluzione campione.

4. Biosensori amperometrici:

Questi elettrodi funzionano tramite la produzione di una corrente quando il potenziale viene applicato tra due elettrodi, la grandezza della corrente essendo proporzionale alla concentrazione del substrato. I più semplici biosensori amperometrici utilizzano l'elettrodo di ossigeno Clark che determina la riduzione di O ₂ presente nella soluzione del campione (analita). Questi sono i biosensori di prima generazione. Questi biosensori sono usati per misurare le reazioni redox, un tipico esempio è la determinazione del glucosio usando la glucosio ossidasi.

Uno dei principali problemi di tali biosensori è la loro dipendenza dalla concentrazione di O ₂ disciolta nella soluzione di analita. Questo può essere superato usando mediatori; queste molecole trasferiscono gli elettroni generati dalla reazione direttamente all'elettrodo piuttosto che ridurre l'O ₂ disciolto nella soluzione di analita. Questi sono anche chiamati biosensori di seconda generazione. Gli elettrodi attuali, tuttavia, rimuovono gli elettroni direttamente dagli enzimi ridotti senza l'aiuto di mediatori e sono rivestiti con sali organici elettricamente conduttivi.

5. Biosensor ottici:

Questi biosensori misurano sia le reazioni catalitiche che quelle di affinità. Misurano un cambiamento nella fluorescenza o nell'assorbanza causata dai prodotti generati dalle reazioni catalitiche. In alternativa, misurano i cambiamenti indotti nelle proprietà ottiche intrinseche della superficie del biosensore a causa del carico su di esso di molecole dielettriche come la proteina (in caso di reazioni di affinità). Un biosensore molto promettente che coinvolge la luminescenza utilizza luciferasi enzima lucciola per il rilevamento di batteri negli alimenti o campioni clinici. I batteri sono specificamente lisati per rilasciare ATP, che viene utilizzato dalla luciferasi in presenza di 0 ₂ per produrre luce che viene misurata dal biosensore.