Биопреобразователь

Биотрансдуктор — это компонент распознавания-трансдукции биосенсорной системы. Он состоит из двух тесно связанных частей; слой биораспознавания и физико-химический преобразователь , которые, действуя вместе, преобразуют биохимический сигнал в электронный или оптический сигнал. Слой биораспознавания обычно содержит фермент или другой связывающий белок, например антитело . Однако олигонуклеотидные последовательности, субклеточные фрагменты, такие как органеллы (например, митохондрии ) и фрагменты, несущие рецепторы (например, клеточная стенка ), отдельные целые клетки, небольшое количество клеток на синтетических каркасах или тонкие срезы тканей животных или растений, также могут включать слой биораспознавания. Это придает биосенсору избирательность и специфичность. Физико-химический преобразователь обычно находится в тесном и контролируемом контакте со слоем распознавания. В результате присутствия и биохимического действия аналита (объекта интереса) в слое биораспознавания происходят физико-химические изменения, которые измеряются физико-химическим преобразователем, вырабатывающим сигнал, пропорциональный концентрации аналита. ^[1] Физико-химический преобразователь может быть электрохимическим, оптическим, электронным, гравиметрическим, пироэлектрическим или пьезоэлектрическим. В зависимости от типа биопреобразователя биосенсоры можно классифицировать, как показано справа.

Электрохимические биопреобразователи

Электрохимические биосенсоры содержат элемент биораспознавания, который избирательно реагирует с целевым аналитом и генерирует электрический сигнал, пропорциональный концентрации аналита. В общем, существует несколько подходов, которые можно использовать для обнаружения электрохимических изменений во время процесса биораспознавания, и их можно классифицировать следующим образом: амперометрический, потенциометрический, импедансный и кондуктометрический.

Амперометрический

Амперометрические преобразователи обнаруживают изменение тока в результате электрохимического окисления или восстановления. Обычно молекула биорецептора иммобилизована на рабочем электроде (обычно золотом, углероде или платине). Потенциал между рабочим электродом и электродом сравнения (обычно Ag/AgCl) фиксируется на определенном значении, а затем ток измеряется во времени. Приложенный потенциал является движущей силой реакции переноса электрона. Произведенный ток является прямой мерой скорости переноса электронов. Ток отражает реакцию, происходящую между молекулой биорецептора и аналитом, и ограничивается скоростью массопереноса аналита к электроду.

потенциометрический

Потенциометрические датчики измеряют потенциал или накопление заряда гальванической ячейки . Преобразователь обычно содержит ионоселективный электрод (ИСЭ) и электрод сравнения. ИСЭ имеет мембрану, которая избирательно взаимодействует с интересующим заряженным ионом, вызывая накопление потенциала заряда по сравнению с электродом сравнения. Электрод сравнения обеспечивает постоянный потенциал полуячейки, на который не влияет концентрация аналита. Вольтметр с высоким импедансом используется для измерения электродвижущей силы или потенциала между двумя электродами, когда между ними протекает нулевой или незначительный ток. Потенциометрический отклик определяется уравнением Нернста , в котором потенциал пропорционален логарифму концентрации аналита.

Импеданс

Электрохимическая импедансная спектроскопия (ЭИС) включает измерение резистивных и емкостных изменений, вызванных событием биораспознавания. Обычно применяется синусоидальный электрический стимул небольшой амплитуды, вызывающий протекание тока через биосенсор. Частота варьируется в диапазоне для получения спектра импеданса. Резистивные и емкостные компоненты импеданса определяются на основе синфазных и противофазных токовых характеристик. Обычно традиционную трехэлектродную систему делают специфичной для аналита путем иммобилизации элемента биораспознавания на поверхности. Подается напряжение и измеряется ток. Межфазное сопротивление между электродом и раствором изменяется в результате связывания аналита. Анализатор импеданса можно использовать для контроля и применения стимула, а также для измерения изменений импеданса.

Кондуктометрия

Кондуктометрическое зондирование включает измерение изменения проводящих свойств раствора образца или среды. Реакция между биомолекулой и аналитом изменяет концентрацию ионных частиц, что приводит к изменению электропроводности раствора или тока. Два металлических электрода разнесены на определенное расстояние, и к электродам прикладывается потенциал переменного тока, вызывающий ток между электродами. Во время биораспознавания ионный состав меняется, с помощью омметра можно измерить изменение проводимости.

Оптические биопреобразователи

Оптические биопреобразователи, используемые в оптических биосенсорах для передачи сигнала, используют фотоны для сбора информации об аналите. ^[2] Они высокочувствительны, высокоспецифичны, малы по размеру и экономически эффективны.

Механизм обнаружения оптического биопреобразователя зависит от ферментной системы, которая преобразует аналит в продукты, которые либо окисляются, либо восстанавливаются на рабочем электроде. ^[3]

Принцип обнаружения исчезающего поля чаще всего используется в оптических биосенсорных системах в качестве принципа трансдукции. Этот принцип является одним из наиболее чувствительных методов обнаружения. Он позволяет обнаруживать флуорофоры исключительно в непосредственной близости от оптического волокна. ^[4]

Электронные биопреобразователи на основе полевых транзисторов

Электронное биосенсорство предлагает значительные преимущества перед оптическими , биохимическими и биофизическими методами с точки зрения высокой чувствительности и новых механизмов обнаружения, высокого пространственного разрешения для локализованного обнаружения, простой интеграции со стандартной обработкой полупроводников в масштабе пластины и обнаружения в реальном времени без меток. неразрушающим способом [6].

Устройства на основе полевых транзисторов (FET) привлекли большое внимание, поскольку они могут напрямую преобразовывать взаимодействия между целевыми биологическими молекулами и поверхностью полевого транзистора в читаемые электрические сигналы. В полевом транзисторе ток течет по каналу, который соединен с истоком и стоком. Проводимость канала между истоком и стоком включается и выключается электродом затвора, который емкостно связан через тонкий диэлектрический слой [6].

В биосенсорах на основе полевых транзисторов канал находится в прямом контакте с окружающей средой, что обеспечивает лучший контроль над поверхностным зарядом. Это повышает чувствительность поверхностных биосенсоров на основе полевых транзисторов, поскольку биологические события, происходящие на поверхности канала, могут привести к изменению поверхностного потенциала полупроводникового канала, а затем модулировать проводимость канала. Помимо простоты интеграции массивов устройств на кристалле и экономичности изготовления устройств, поверхностная сверхчувствительность биосенсоров на основе полевых транзисторов делает их привлекательной альтернативой существующим биосенсорным технологиям [6].

Гравиметрические/пьезоэлектрические биопреобразователи

Гравиметрические биосенсоры используют основной принцип реакции на изменение массы. В большинстве гравиметрических биосенсоров используются тонкие пьезоэлектрические кристаллы кварца либо в виде резонирующих кристаллов ( QCM на объемных/поверхностных акустических волнах ( SAW ), либо в качестве устройств ). В большинстве из них массовый отклик обратно пропорционален толщине кристалла. Также используются тонкие полимерные пленки, в которые можно добавлять на поверхность биомолекулы с известной поверхностной массой. Акустические волны можно проецировать на тонкую пленку, чтобы создать колебательное устройство, которое затем следует уравнению, которое почти идентично уравнению Зауэрбрея, используемому в методе ККМ. ^[5] Биомолекулы, такие как белки или антитела, могут связываться, и изменение их массы дает измеримый сигнал, пропорциональный присутствию целевого аналита в образце.

Пироэлектрические биопреобразователи

Пироэлектрические биосенсоры генерируют электрический ток в результате изменения температуры. Этот дифференциал вызывает поляризацию вещества, создавая дипольный момент в направлении температурного градиента. В результате получается чистое напряжение на материале. Это чистое напряжение можно рассчитать по следующему уравнению. ^[6]

$\Delta V=\omega PAr\Delta T\left(1+\omega ^{2}\tau _{E}^{2}\right)^{-1/2}$

$\tau _{E}=rC$

где V = напряжение,ω = угловая частота модулированного падающего сигнала,P = пироэлектрический коэффициент,L = толщина пленки,ε = диэлектрическая проницаемость пленки,A = площадь пленки,r = сопротивление пленки,C = емкость пленки,τE = электрическая постоянная времени выхода детектора.

См. также

Ссылки

^ Ван, Дж. (2008). «Электрохимические биосенсоры глюкозы». Химические обзоры . 108 (2): 814–825. дои : 10.1021/cr068123a . ПМИД 18154363 .
^ Сергей М. Борисов, Отто С. Вольфбайс, Оптические биосенсоры, Chemical Reviews, 2008, Vol. 108, № 2
^ Лиглер, Фрэнсис С.; Роу Тейтт, Крис А. Оптические биосенсоры – настоящее и будущее. Эльзевир.2002
^ А.П. Абель, М.Г. Веллер, Г.Л. Дювенек, М. Эрат, М. Видмер, «Волоконно-оптические биосенсоры с затухающей волной для обнаружения олигонуклеотидов». Анал. Chem, 1996, 68, 2905-2912.
^ П.В. Уолтон; г-н О'Флаэрти; М. Е. Батлер; П. Комптон (1993). «Гравиметрические биосенсоры на основе акустических волн в тонких полимерных пленках». Биосенсоры и биоэлектроника . 8 (9–10): 401–407. дои : 10.1016/0956-5663(93)80024-J .
^ Геймлих и др. Биосенсорная технология: Основы и приложения, Marcel Dekker, INC.: Нью-Йорк, 1990. Стр. 338

[ElectrochemicalGlucoseBiosensor-1] Ван, Дж. (2008). «Электрохимические биосенсоры глюкозы». Химические обзоры . 108 (2): 814–825. дои : 10.1021/cr068123a . ПМИД 18154363 .

[2] Сергей М. Борисов, Отто С. Вольфбайс, Оптические биосенсоры, Chemical Reviews, 2008, Vol. 108, № 2

[3] Лиглер, Фрэнсис С.; Роу Тейтт, Крис А. Оптические биосенсоры – настоящее и будущее. Эльзевир.2002

[4] А.П. Абель, М.Г. Веллер, Г.Л. Дювенек, М. Эрат, М. Видмер, «Волоконно-оптические биосенсоры с затухающей волной для обнаружения олигонуклеотидов». Анал. Chem, 1996, 68, 2905-2912.

[5] П.В. Уолтон; г-н О'Флаэрти; М. Е. Батлер; П. Комптон (1993). «Гравиметрические биосенсоры на основе акустических волн в тонких полимерных пленках». Биосенсоры и биоэлектроника . 8 (9–10): 401–407. дои : 10.1016/0956-5663(93)80024-J .

[6] Геймлих и др. Биосенсорная технология: Основы и приложения, Marcel Dekker, INC.: Нью-Йорк, 1990. Стр. 338

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]