Что такое биосенсор: типы и применение 
Первый биосенсор был изобретен в 1950 году американским биохимиком Л.Л. Кларком. Этот биосенсор используется для измерения содержания кислорода в крови, а электрод, используемый в этом датчике, называется электродом Кларка или кислородным электродом. Затем на кислородный электрод был нанесен гель с ферментом, окисляющим глюкозу, для расчета уровня сахара в крови.
В настоящее время на рынке существует три поколения биосенсоров. В биосенсорах первого типа реакция продукта попадает на сенсор и вызывает электрическую реакцию. Во втором типе сенсор включает определенные посредники между сенсором и реакцией для получения лучшего ответа. В третьем типе датчик сам вызывает реакцию, и посредник в этом процессе не участвует. В этой статье дается обзор биосенсоров разного типа, их работы и применения.
Биосенсоры можно определить как аналитические устройства, которые включают в себя комбинацию биологических детектирующих элементов, таких как сенсорная система и преобразователь. Применения этих биосенсоров в основном включают контроль экологического загрязнения, в сельском хозяйстве, а также в пищевой промышленности. Основными характеристиками биосенсоров являются стабильность, стоимость, чувствительность и воспроизводимость.
В биологическом датчике основной элемент может быть ферментом, нуклеиновой кислотой или антителом. Биоэлемент взаимодействует с проверяемым аналитом, и биологический ответ может быть преобразован в электрический сигнал с помощью преобразователя.
Блок-схема биосенсора включает три сегмента, а именно: сенсор, преобразователь и связанные с ними электронные компоненты. В первом сегменте датчик представляет собой реагирующую биологическую часть, второй сегмент — это детекторная часть, которая изменяет результирующий сигнал от контакта с аналитом, а полученные результаты отображает в доступной форме. Последняя секция включает в себя усилитель, который известен как схема формирования сигнала, блок отображения, а также процессор.
Схематическая диаграмма, показывающая основной компонент биосенсора. Биокатализатор (A) преобразует субстрат (S) в продукт (P). Эта реакция определяется преобразователем (B), который преобразует ее в электрические сигналы. Выходящий из преобразователя сигнал усиливается (C), обрабатывается (D) и отображается (E).
Обычно определенный фермент или желаемый биологический материал деактивируется одним из обычных методов, и деактивированный биологический материал находится в непосредственном контакте с преобразователем. Аналит соединяется с биологическим объектом, образуя чистый аналит, который, в свою очередь, дает электронную реакцию, которую можно рассчитать. В некоторых примерах аналит меняется на устройство, которое может быть связано с разрядом газа, тепла, ионов, электронов или ионов водорода. При этом преобразователь может изменять связанное с ним устройство, преобразуя его в электрические сигналы, которые могут быть изменены и рассчитаны.
Электрический сигнал преобразователя часто бывает низким и накладывается на достаточно высокий базовый уровень. Как правило, обработка сигнала включает вычитание сигнала базовой линии положения, полученного от родственного датчика без покрытия биокатализатором.
Классификация биосенсоров может быть проведена на 3 поколения, основанные особенностях техники соединения молекулы биорецептора иначе биораспознавателя с элементом базового преобразователя.
В первом поколении молекула биорецептора физически захватывается в области базового датчика после дискриминационной мембраны, такой как диализная мембрана. В следующих поколениях иммобилизация может осуществляться посредством ковалентных связей на соответствующим образом настроенном интерфейсе датчика или путем включения в полимерную матрицу на поверхности датчика.
Во 2-м поколении отдельные компоненты остаются раздельными: управляющая электроника, биомолекула и электрод.
В 3-м поколении молекулоподобный биорецептор превращается в существенный элемент базового чувствительного элемента. Именно в рамках 2-го и 3-го поколений семейств в настоящее время можно наблюдать основные попытки развития.
Характеристики биосенсоров в основном включают линейность, чувствительность, избирательность и время отклика.
Биосенсор включает в себя два основных компонента: биологический компонент, такой как клетка, фермент, и физический компонент, такой как усилитель и преобразователь.
Биологический компонент идентифицирует, а также взаимодействует с аналитом для генерирования сигнала, который может быть воспринят через датчик. Биологический материал должным образом иммобилизуется на преобразователе и может использоваться многократно в течение длительного периода времени.
Различные типы биосенсоров классифицируются в зависимости от устройства датчика, а также биологического материала, о которых пойдет речь ниже.
Как правило, электрохимический биосенсор основан на реакции ферментативного катализа, который потребляет или генерирует электроны. Такие типы ферментов называются редокс-ферментами. Субстрат такого биосенсора обычно включает три электрода, такие как счетчик, эталонный и рабочий.
Объект-аналитик участвует в реакции, которая происходит на поверхности активного электрода, и источником этой реакции может быть также перенос электронов через двухслойный потенциал. Ток может быть рассчитан при заданном потенциале.
Электрохимические биосенсоры классифицируются на четыре типа
Амперометрический биосенсор — это автономное встроенное устройство, основанное на величине тока, возникающего в результате окисления, и предоставляющее точную количественную аналитическую информацию.
Как правило, эти биосенсоры имеют время реакции, энергетический диапазон и чувствительность, сравнимые с потенциометрическими биосенсорами. К простым амперометрическим биосенсорам, которые редко используются, относится кислородный электрод Кларка.
Принцип действия этого биосенсора основан на величине тока, протекающего между счетным и рабочим электродом, который стимулируется окислительно-восстановительной реакцией на рабочем электроде.
Этот тип биосенсора обеспечивает логарифмический ответ посредством высокого энергетического диапазона. Эти биосенсоры часто комплектуются монитором содержащим прототипы электродов, лежащих на синтетической подложке, покрытой полимером, с которым соединен какой-либо фермент.
Ионно-чувствительный потенциометрический биосенсор на основе FET.
Они состоят из двух электродов, обладающих огромной чувствительностью и прочностью. Они позволяют распознавать аналиты на стадиях, ранее достижимых только с помощью ВЭЖХ, ЖХ/МС и без точной подготовки модели.
Все типы биосенсоров, как правило, требуют наименьшей подготовки образца, поскольку биологический детектирующий компонент чрезвычайно разборчив в выборе аналита. В результате изменений физических и электрохимических сигнал будет генерироваться в слое проводящего полимера из-за изменений, происходящих снаружи биосенсора.
Основными типами потенциометрических биосенсоров являются ISE или ион-селективные электроды на основе мембраны, ISFET (ион-селективные полевые транзисторы), твердотельные устройства, электроды с трафаретной печатью и модифицированные электроды с помощью химического воздействия, например, оксидов металлов, иначе электроосажденных полимеров, как чувствительных слоев.
ЭИС (электрохимическая импедансная спектроскопия) является чувствительным индикатором для широкого спектра физических, а также химических свойств. В настоящее время наблюдается тенденция к расширению применения импедиметрических биосенсоров. Импедиметрические методы были использованы для дифференциации изобретения биосенсоров, а также для изучения катализируемых реакций ферментов лектинов, нуклеиновых кислот, рецепторов, целых клеток и антител.
Структура и электрохимическая функция импедиметрических биосенсоров для обнаружения бактерий. (A) Послойная конструкция датчика обычно включает поверхность электрода, функционализированную (например, с помощью полимера или самособирающегося монослоя) для обеспечения возможности присоединения биорецепторов, включая антитела, полуантитела, искусственные связывающие белки, аптамеры нуклеиновых кислот и бактериофаги. В большинстве систем на основе импеданса используются медиаторы электронов, например, ферри/ферроцианид [Fe(CN 6 ) 3/4 ] для контроля сопротивления переносу заряда. Диаграмма не соответствует масштабу. Схема Рэндлса иллюстрирует компоненты системы: емкость двойного слоя (C dl ), сопротивление переноса заряда (R ct ), сопротивление раствора (R s ) и импеданс Варбурга (W) (W наблюдается только в некоторых системах на низкой частоте). (B) График Найквиста, показывающий особенности схемы Рэндлса. (C) Изменения импеданса, возникающие в результате взаимодействия аналита с поверхностью, пропорциональны концентрации аналита.
Вольтамперометрический биосенсор для обнаружения акриламида был построен с помощью углеродного клеевого электрода, настроенного на Hb (гемоглобин), который включает четыре простетические группы гема (Fe). Этот тип электрода показывает обратимую процедуру окисления или восстановления Hb (Fe).
В условиях классификации физические биосенсоры являются наиболее фундаментальными, а также широко используемыми сенсорами. Любое детекторное устройство, которое предлагает реакцию на физические свойства среды, было названо физическим биосенсором.
Физические биосенсоры делятся на два типа: пьезоэлектрические биосенсоры и термометрические биосенсоры.
Эти датчики представляют собой набор аналитических устройств, которые работают по закону записи аффинного взаимодействия. Пьезоэлектрическая платформа — это сенсорный элемент, работающий по закону преобразования колебаний за счет скачка коллектора на поверхности пьезоэлектрического кристалла. В данном анализе биосенсоры имеют модифицированную поверхность с антигеном или антителом, молекулярно штампованный полимер и наследственную информацию. Заявленные части детектирования обычно объединяются с помощью наночастиц.
Существуют различные типы биологических реакций, которые связаны с выработкой тепла, и это составляет основу термометрических биосенсоров. Такие датчики обычно называют термометрическими биосенсорами.
Термометрический биосенсор используется для измерения или оценки уровня холестерина в сыворотке крови. Когда холестерин окисляется с помощью фермента холестерин-оксидазы, выделяется тепло, которое можно рассчитать. Аналогичным образом с помощью этих биосенсоров можно оценить уровень глюкозы, мочевины, мочевой кислоты и пенициллина G.
Оптический биосенсор — это устройство, использующее оптический принцип измерения. В них используется волоконная оптика, а также оптоэлектронные преобразователи. Термин «оптрод» представляет собой сжатие двух терминов — «оптический» и «электрод». В качестве преобразующих элементов в этих сенсорах в основном используются антитела и ферменты.
Оптические биосенсоры позволяют проводить безопасное неэлектрическое бесконтактное зондирование оборудования. Дополнительным преимуществом является то, что они часто не нуждаются в эталонных датчиках, поскольку сравнительный сигнал может быть получен с помощью источника света, аналогичного датчику отбора проб. Оптические биосенсоры делятся на два типа: биосенсоры прямого оптического обнаружения и биосенсоры меченого оптического обнаружения.
Этот датчик является одним из видов аналитических устройств, используемых для слияния фермента с помощью преобразователя для генерирования сигнала, который пропорционален концентрации целевого аналита. Далее этот сигнал может быть усилен, сохранен, обработан для последующего анализа.
Разработка ДНК-биосенсоров может быть осуществлена на основе методов идентификации нуклеиновой кислоты для простого, быстрого и экономичного тестирования генетических и инфекционных заболеваний. Кроме того, точное обнаружение серий ДНК важно в нескольких областях, таких как анализ продуктов питания, клинический анализ, анализ окружающей среды и т.д. Для улучшения методов обнаружения используются технологии SAM и SELEX, позволяющие разрабатывать лучшие методы распознавания для ДНК-биосенсоров.
По сравнению с обычной гибридизацией, эти датчики, а также генные чипы, имеют много преимуществ из-за их огромного потенциала для получения конкретных данных более простым, дешевым и быстрым способом.
Иммуносенсоры были созданы на основе того факта, что антитела обладают высоким сродством к своим конкретным антигенам, например, антитела особым образом соединяются с токсинами или патогенами или взаимодействуют через компоненты иммунной системы хозяина. Эти типы биосенсоров основаны на твердотельных устройствах с аффинными лигандами, где реакция иммунохимического вещества может быть связана с преобразователем.
Эти типы датчиков используются для определения изменений в магнитных эффектах или магнитных свойствах. Данные виды датчиков используют кристаллы или частицы суперпарамагнетика или парамагнетика для обнаружения биологических коммуникаций путем измерения изменений магнитных свойств, таких как изменения индуктивности катушки, сопротивления.
В резонансном биосенсоре преобразователь, такой как акустическая волна, может быть подключен через биоэлемент. Когда молекула аналита подключается к мембране, масса мембраны изменяется. Таким образом, окончательное изменение массы приводит к изменению резонансной частоты преобразователя. После этого изменение частоты может быть измерено.
Биосенсорные устройства включают в себя биологический элемент, а также физиохимический детектор, и основной функцией этого устройства является обнаружение аналитов. Таким образом, применение биосенсоров имеет широкий спектр. Эти устройства применимы в медицине, пищевой промышленности, при мониторинге окружающей среды, поскольку они обладают хорошей чувствительностью и стабильностью по сравнению с обычными методами. В последние годы эти датчики стали очень популярны и применяются в различных областях, которые перечислены ниже:
Таким образом, биосенсоры постепенно усложняются, в основном благодаря сочетанию достижений в двух технологических областях — биотехнологии и микроэлектронике. Это очень важные устройства для измерения широкого спектра аналитов, таких как газы, органические соединения, бактерии и ионы. В дальнейшем существующие сейчас сенсоры могут быть усовершенствованы в рамках нанобиотехнологий.
На нашем сайте вы можете купить биосенсоры компании WPI, подходящие для измерения уровня свободных радикалов в клеточных культурах. Помимо собственно датчиков, избирательно чувствительных к разным аналитам, в нашем каталоге вы найдете анализаторы на один или четыре канала, а также волоконно-оптические измерители уровня кислорода и pH.
Склад
Каталог
О компании
Услуги
Новости
Контакты
Партнеры
конкурентные цены
