Biyosensörler: Biyosensör Çeşitleri ve Genel Özellikleri

Biyosensörler: Biyosensör Çeşitleri ve Genel Özellikleri!

Bir biyosensör, bir analit ile spesifik olarak etkileşime girmek için biyolojik materyal kullanan analitik bir cihazdır.

Bir dönüştürücü tarafından ölçülen ve bir elektrik sinyaline dönüştürülen bazı tespit edilebilir fiziksel değişiklikler üretmek. Elektriksel sinyal sonunda çözelti / preparasyonda analit konsantrasyonu olarak büyütülür, yorumlanır ve gösterilir. Bir analit, konsantrasyonu belirlenecek bir bileşiktir, biyolojik materyaller genellikle enzimlerdir, ancak nükleik asitler, antikorlar, lektinler, bütün hücreler, tüm organlar veya doku dilimleri de kullanılır (Tablo 12.4).

Biyosensörde kullanılan analit ve biyolojik materyal arasındaki etkileşimin doğası iki türdür:

(a) Analit, enzimler tarafından yeni bir kimyasal moleküle dönüştürülebilir; bu tür biyosensörler katalitik biyosensörler olarak adlandırılır ve

(b) Analit, biyosensörde bulunan biyolojik materyale (örneğin antikorlara, nükleik aside) kolayca bağlanabilir; Bu biyosensörler, afinite sensörleri olarak bilinir.

Başarılı bir biyosensör aşağıdaki özelliklerden bazılarına sahip olmalıdır: (a) Analit için oldukça spesifik olmalıdır.

(b) Kullanılan reaksiyon pH, sıcaklık, karıştırma vb. gibi yönetilebilir faktörlerden bağımsız olmalıdır.

(d) Vücutta analizler için kullanılması durumunda, cihaz küçük ve biyo-uyumlu olmalıdır.

(e) Cihaz ucuz, küçük, kullanımı kolay ve tekrarlı kullanım yapabilmelidir.

Biyosensörün Genel Özellikleri:

Bir biyosensör iki farklı tipte bileşene sahiptir:

(a) Biyolojik, örneğin enzim, antikorlar ve

(b) Fiziksel, örneğin, dönüştürücü, yükseltici vb.

Biyosensörün biyolojik bileşeni iki önemli işlevi yerine getirir.

(a) Özel olarak analiti tanır ve

(b) Transdüser tarafından tespit edilebilen bir miktar fiziksel değişiklik üretecek şekilde onunla etkileşime girer.

Biyolojik bileşenin bu özellikleri biyosensöre spesifik olarak duyarlılık ve analiti tespit etme ve ölçme kabiliyeti verir. Biyolojik bileşen dönüştürücüye uygun şekilde sabitlenmiştir. Genel olarak, enzimlerin doğru immobilizasyonu stabilitelerini arttırır. Sonuç olarak, birçok enzim immobilize sistem birkaç ay boyunca 10.000 defadan fazla kullanılabilir.

Biyolojik bileşen, özellikle dönüştürücü yüzeyine yakın fiziksel bir değişiklik üreten analitle etkileşime girer. Bu fiziksel değişim şunlar olabilir:

1. Reaksiyon tarafından serbest bırakılan veya absorbe edilen ısı (kalorimetrik biyosensörler)

2. Değişen elektron dağılımına bağlı olarak elektrik potansiyeli üretimi (potansiyometrik biyosensörler).

3. Redoks reaksiyonu nedeniyle elektronların hareketi (amperometrik biyosensörler).

4. Reaksiyon sırasında üretilen veya absorbe edilen ışık (optik biyosensörler).

5. Reaksiyonun sonucu olarak biyolojik bileşenin kütlesindeki değişim (akustik dalga biyosensörleri).

Dönüştürücü bu değişikliği algılar ve ölçer ve bunu bir elektrik sinyaline dönüştürür. Çok küçük olan bu sinyal, bir mikroişlemciye beslenmeden önce bir yükseltici tarafından yükseltilir. Sinyal daha sonra işlenir ve yorumlanır ve uygun birimler halinde görüntülenir.

Böylece, biyosensörler kimyasal bilgi akışını aşağıdaki adımları içeren elektriksel bilgi akışına dönüştürür:

(a) Analit, çözeltiden biyosensörün yüzeyine yayılır.

(b) Analit, biyosensörün biyolojik bileşeni ile spesifik ve verimli bir şekilde tepki verir ”.

(d) Bu, dönüştürücü yüzeyinin optik veya elektronik özelliklerinde bir değişikliğe yol açar.

(e) Optik / elektronik özelliklerdeki değişim ölçülür, büyütülen, işlenen ve görüntülenen elektrik sinyaline dönüştürülür.

Biyosensör Çeşitleri:

Biyosensörler 5 tiptedir:

1. Kalorimetrik Biyosensörler:

Birçok enzim katalizli reaksiyonlar ekzotermiktir. Kalorimetrik biyosensörler, enzim etkisinin ardından analiti içeren çözeltinin sıcaklık değişimini ölçer ve çözeltideki analit konsantrasyonu açısından yorumlar. Analit çözeltisi, immobilize edilmiş enzim içeren küçük paketlenmiş bir yatak kolonundan geçirilir; Solüsyonun sıcaklığı, solüsyonun kolona girmesinden hemen önce ve aynen ayrı termistörler kullanarak kolondan çıkarken olduğu gibi belirlenir.

Bu, en genel uygulanabilir biyosensör türüdür ve bulanık ve güçlü renkli çözeltiler için kullanılabilir. En büyük dezavantaj, numune akımının sıcaklığını, yani ± 0.01 ° C sıcaklığını korumaktır. Bu tür biyosensörlerin duyarlılığı ve aralığı çoğu uygulama için oldukça düşüktür. Hassasiyet, ısı çıkışını arttırmak için çeşitli reaksiyonları bağlamak üzere biyosensörde iki veya daha fazla yol enzimi kullanılarak arttırılabilir. Alternatif olarak, çok işlevli enzimler kullanılabilir. Bir örnek, glikozun belirlenmesi için glukoz oksidazın kullanılmasıdır.

2. Potansiyometrik Biyosensörler:

Bu biyosensörler, biyolojik reaksiyonu elektronik sinyale dönüştürmek için iyon seçici elektrotlar kullanır. Kullanılan elektrotlar en çok pH-metre cam elektrotları (katyonlar için), bir gaz seçici membran (CO2, NH veya H2S için) ile kaplanmış cam pH elektrotları veya katı hal elektrotlarıdır. Pek çok reaksiyon, biyosensör tarafından tespit edilen ve ölçülen H ⁺ üretir veya kullanır; Bu gibi durumlarda çok zayıf tamponlanmış çözeltiler kullanılır. Gaz algılama elektrotları, üretilen gaz miktarını algılar ve ölçer. Böyle bir elektrot örneği, aşağıdaki reaksiyonları katalize eden üreaz üzerine kuruludur:

CO (NH2) ₂ + 2H20 + H ⁺ → 2NH ₄ ⁺ + HCO ^- ₃

Bu reaksiyon pH'a duyarlı, amonyum iyonuna duyarlı, NH3'e duyarlı veya CO2'ye duyarlı elektrot ile ölçülebilir. Biyosensörler şimdi, iyon seçici kaynaklı etki transistörlerinin iyon seçici geçitlerine enzim kaplı membranlar koyarak hazırlanabilir; Bu biyosensörler son derece küçüktür.

3. Akustik Dalga Biyosensörleri:

Bunlara piezoelektrik cihazlar da denir. Yüzeyleri genellikle numune çözeltisinde bulunan tamamlayıcı antijene bağlanan antikorlarla kaplanır. Bu, titreşim frekanslarını azaltan kütlenin artmasına neden olur; Bu değişiklik, numune çözeltisinde bulunan antijen miktarını belirlemek için kullanılır.

4. Amperometrik Biyosensörler:

Bu elektrotlar, iki elektrot arasına potansiyel uygulandığında bir akımın üretilmesiyle işlev görür, akımın büyüklüğü substrat konsantrasyonuyla orantılıdır. En basit amperometrik biyosensörler, numune (analit) çözeltisinde bulunan ₀₂ azalmasını belirleyen Clark oksijen elektrodunu kullanır. Bunlar ilk nesil biyosensörler. Bu biyosensörler redoks reaksiyonlarını ölçmek için kullanılır, tipik bir örnek, glukoz oksidaz kullanarak glikozun belirlenmesidir.

Bu tür biyosensörlerin önemli bir sorunu, analit çözeltisindeki çözünmüş ₀₂ konsantrasyonuna bağımlı olmalarıdır. Bu aracılar kullanarak üstesinden gelinebilir; bu moleküller, reaksiyonun ürettiği elektronları analit çözeltisinde çözünmüş 02'yi azaltmak yerine doğrudan elektrotlara aktarır. Bunlara ikinci nesil biyosensörler de denir. Bununla birlikte, günümüz elektrotları, elektronları aracıların yardımı olmadan doğrudan indirgenmiş enzimlerden uzaklaştırmakta ve elektrik ileten organik tuzlarla kaplanmaktadır.

5. Optik Biyosensörler:

Bu biyosensörler hem katalitik hem de afinite reaksiyonlarını ölçer. Katalitik reaksiyonlar tarafından üretilen ürünlerin neden olduğu floresans veya absorbanstaki bir değişikliği ölçerler. Alternatif olarak, biyosensör yüzeyinin kendine özgü optik özelliklerinde indüklenen değişiklikleri protein gibi dielektrik moleküllerin üzerine yüklenmesinden (afinite reaksiyonları durumunda) ölçerler. Lüminesans içeren en umut verici bir biyosensör, gıda veya klinik örneklerde bakteri tespiti için ateş böceği enzimi lusiferaz kullanır. Bakteriler, biyosensör tarafından ölçülen ışığı üretmek için ₀₂ mevcudiyetinde lusiferaz tarafından kullanılan ATP'yi serbest bırakmak için özel olarak parçalanır.