Biosenzori

Indrumator : Realizator:

Universitatea “Stefan cel Mare” SuceavaFacultatea de Inginerie Alimentara

Controlul si Expertiza Produselor Alimentare

Cuprins

1. Definitie2. Componentele biologice ale biosenzorilor 2.1. Tipuri de componente biologice 2.2. Clasificarea senzorilor in functie de componentele biologice3. Traducatori si electrozi 3.1. Electrozi4. Biosenzori electrochimici 4.1 Clasificare5. Biosenzorii cu fibra optica6. Biosenzorii si nanotehnologia 6.1. Biosenzorii cu unda acustica 6.2. Biosenzori magnetici 6.3. Concluzii

1.Definitie

Biosenzorul constă în cuplarea spaţială între un substrat biologic activ (receptorul) imobilizat pe un traductor de semnal (dispozitiv electronic) şi un circuit electronic de amplificare. Toate aceste elemente integrate într-o singură capsulă poartă numele de biocip. În figura 1 este prezentată schematic structura bloc a unui biosenzor.

O problemă specifică a biosenzorilor este imobilizarea receptorilor pe suprafeţele dispozitivelor electronice. Doar cu titlu informativ, dăm ca exemple câteva metode:

a) adsorbţia biomoleculelor pe suprafeţe (ce utilizează forţele de adeziune, iar alteori forţele de atracţie electrostatică);

b) captarea biomoleculelor în geluri din polimeri (fixarea moleculelor este mai sigură); c) crearea unor reacţii chimice prin care biomoleculele se leagă covalent de elementele

traductorului. O altă problemă specifică este refacerea substratului biologic (după consumarea complexului

receptor-ligant) pentru o nouă măsurătoare. Timpul de regenerare al receptorului este un parametru important în alegerea unui biosenzor de către un utilizator.

Modificările ce au loc în biosenzor la reţinerea analitului, pot fi: modificarea grosimii unui strat, schimbarea indicelui de refracţie, a temperaturii, modificări în absorbţia luminii, creşterea sarcinii electrice, modificări de potenţial electric sau de curent electric.

Fig. 1. Diagrama schematica a principalelor componente ale unui biosenzor. Biocatalizatorul (a) converge substratul la produs. Aceatsa reactie este constatata de traductor (b) care o converge intr-un semnal electric. Iesirea din traductor este amplificata (c), prelucrata (d)si prezentata (e).

 

2.Componentele biologice ale biosenzorilor

Un senzor ideal este un dispozitiv care va detecta un “analit”, ţinta supusă analizei şi care este prezentă într-o probă dată. Majoritatea probelor conţin şi alţi “analiţi” care pot interfera cu răspunsul biosenzorului. Acesta trebuie să posede o selectivitate specifică pentru a identifica “analitul” ţintă. Prin urmare este necesar să se proiecteze biosenzori cu selectivitate pentru un “analit” cu capacitatea de discriminare a interferenţelor produse de ceilalalţi componenţi din proba analizată.

Capacitatea de identificare şi selectivitate specifică reprezintă componenta cheie a recunoaşterii moleculare.

Recunoaşterea moleculară se realizează prin componenta din senzor formată din o moleculă gazdă , ce se leagă selectiv cu “analitul” ţintă ce necesită a fi identificat.

2.1. Tipuri de componente biologice

Biosenzorii utilizeaza sisteme biologice cu diferite nivele de recunoastere ale substantelor ce vor fi determinate.Primul pas in aceasta interactie este formarea complexului specific al substantei biologice active, imobilizate, R( substratul cu componenta biologica senzitiva) cu analitul A (definit adeseori ca semnal chimic).Se constată că există două clase generale de biosenzori care sunt bazaţi pe răspunsul datorită bioafinităţii dintre R cu A ce modifică distribuţia de sarcini electrice ce poate fi măsurată cu traductori specifici, fie de consumarea substratului printr-o reacţie specifică a acestuia.

Componenta biologică din care este alcătuit elementul de recunoaştere moleculară (R) este reprezentată prin diferite specii active ce pot fi: enzime sau sisteme enzimatice, anticorpi (Ab) sau antigeni (Ag), receptori, populaţii de bacterii sau celule eucariote, fragmente de ţesuturi, uneori chiar celule embrionare. Analiţii sau substanţele ce pot fi analizate (A) sunt: glucoza sau alte zaharuri, aminoacizi, alcooli, lipide, nucleotide. Ei pot fi identificaţi prin interacţia lor specifică sau poate fi masurată concentraţia lor prin diverse metode. Atît R cît şi A reprezintă specii moleculare distincte, cu înaltă specializare macromoleculară (anticorpi, antigene, enzime, receptori, etc), sau sunt sisteme complexe (celule, ţesuturi, chisturi de protozoare, ouă de paraziţi intestinali).

2.2. Clasificarea senzorilor in functie de componenta biologica

1.Biosenzorul enzimatic. Enzimele sunt proteine cu înaltă energie, caracterizate prin funcţia lor

catalitică. Moleculele de substrat modificate conduc la reacţii de oxidare, reducere, hidroliză, ce pot fi măsurate cu ajutorul biosenzorului enzimatic.

Biosenzorul enzimatic produce un răspuns linear in funcţie de concentraţia substratului.

2. Imunosenzorul. Anticorpii sunt glicoproteine produse de sistemul imunitar la intervenţia unui

substanţe din exterior, antigenul. Imunosenzorul este un senzor de mare sensibilitate. Principiul de funcţionare se bazează pe interacţiunea Ag-Ac.

3. Biosenzorul cu receptori Normalitatea proceselor biologice este asigurată de procese moleculare de

sensibilitate mare bazate pe specializarea unor proteine structurale, numite receptori capabile de a recunoaşte un număr de semnale fiziologice. Receptorul pentru acetilcolina este primul receptor cunoscut în fenomenele de neurotransmisie.

4. Biosenzorul bazat pe celule sau ţesuturi Măsurarea speciilor moleculare în acest caz nu se rezumă la interacţia cu

compuşii de analizat, transformările ce au loc pot fi măsurate ca produşi rezultaţi. 5. Biosenzori cu proteine redox. Proteinele redox sunt implicate în procese biochimice precum respirţia celulară

şi reacţiile caracteristice sistemului de fotosinteză.

3. Traducatori si electrozi Orice eveniment al interacţiei R-A este identificată şi transdusă spre

traductori prin intermediul electrozilor. Prin urmare traductorul transformă detecţia indusă de variaţia fizico-chimică din elementul senzitiv al biosenzorului într-un semnal, de regulă electric care este amplificat de un circuit electronic.

Traductorii sunt necesari pentru transformarea mărimii primare de intrare într-o mărime electrică, şi reprezintă unul din elementele cheie al întregului sistem. Principalele tipuri de traductori folosiţi în măsurarea interacţiei R-A sunt :

Traductori de tensiune sau de curent ce măsoară între doi electrozi o diferenţă de potenţial sau un curent electric.

Traductori de temperatură: • prin contact: termistorii, termocupluri, joncţiuni semiconductoare, tranzistori, circuite integrate specializate. • prin radiaţie termică: detectori semiconductori, bolometre rezistive, bolometre piroelectrice.

Traductori de debit : - mecanici; - optici, prin efect Doppler; - ultrasonici, prin efect Doppler; - magneto-electrici Traductori de presiune: - manometre clasice, cu membrană şi traductor de deplasare; - piezoelectrici, piezorezistivi, inductivi; - cu semiconductori, circuite integrate; Traductori de deplasare: - potenţiometrici; - optici; Traductori pentru măsurarea concentraţiilor (pH-metre): - semiconductori cu proprietăţi de suprafaţă, dependente de

concentraţia diferitelor substanţe; - traductori spectrometrici; Traductori de radiaţie: - ecrane fluorescente; - scintilatori; - semiconductori;

3.1. Electrozi

Tipuri de electrozi :

A.electrozi externi sau de suprafaţă; sunt în general electrozi metalici, care fac contact cu componenta bioactivă din senzor fie în mod direct (electrozi uscaţi sau solizi), fie prin intermediul unei soluţii electrolitice (electrozi lichizi).O condiţie pe care trebuie să o îndeplinească electrozii este aceea că metalele din care sunt confectionaţi să nu fie solubile în electroliţii prezenţi pe suprafaţa pielii, sau dacă sunt solubile, reacţiile chimice apărute să fie total reversibile la aplicarea unui potenţial electric pe electrozi.

B. Electrozi interni; sunt în general realizaţi din fire foarte subţiri, dintr-un metal rezistent: oţel inoxidabil, platină, wolfram. Porţiunea activă a electrodului poate fi acoperită cu cu un strat metalic bun conducător (aur, argint) iar cea inactivă cu un strat izolator.

C. Microelectrozii; sunt tot electrozi interni, însă sunt asfel construiţi încît să poată măsura potenţialele în contact direct cu receptorul din biosenzor. Suprafaţa de contact cu R are dimensiuni micronice.

4.Biosenzori electrochimici

Un biosenzor electrochimic este un dispozitiv integrat, autonom, capabil să furni-

zeze informaţii analitice cantitative sau semicantitative specifice folosind ca element de

recunoaştere moleculară un receptor biochimic (element de identificare biologică), care

se află în contact spaţial direct cu un traductor electrochimic. Datorită abilităţii lor de a fi

calibraţi în mod repetitiv un biosenzor electrochimic se distinge de un sistem bioanalitic

care necesită paşi adiţionali de procesare, ca de exemplu adiţionarea de reactiv .

Biosenzorii electrochimici se disting numai prin natura traductorului indiferent de

natura componentei biologice . Elementul de recunoaştere biologică are la bază o

reacţie chimică catalizată sau o reacţie de echilibru cu macromolecule ce au fost izolate

în prealabil sau sintetizate în mediul lor biologic original.

Biosenzorul electrochimic este considerat a fi un electrod modificat chimic (CME) ca un conductor electric ce transmite electronii din procesul de interacţie spre exterior în sistemul electronic de măsurare .

4.1. Clasificare

Biosenzorii electrochimici pot fi clasificaţi:

- în funcţie de analizele si reacţiile pe care le monitorizează:

monitorizare directă a concentraţiei analiţilor sau a reacţiilor producătoare sau consumatoare a acestora; alternativ, o monitorizare indirectă a inhibitorului sau activatorului elementului de recunoaştere biologică (receptorul biochimic).

- în funcţie de specificitatea lor biologică;

- după mecanism sau modul de transmitere a semnalului sau;

Ei pot fi:

- amperometrici;

- potenţiometrici, cu efect de cîmp;

- senzori conductometrici (măsurarea conducţiei electrice) ;

- senzori de impedanţă (impedanţmetrici);

5. Biosenzorii cu fibra optica

Biosenzorii optici corelează variaţia concentraţiei masei, cu modificarea unor parametri caracteristici luminii: lungimea de undă, indicii de refracţie, polarizarea, absorbanţa, extincţia, fluorescenţa, chemiluminiscenţa, rezonanţa plasmonilor de suprafaţă (SPR).

Ei încorporează una sau două fibre optice. Dacă este folosită doar o fibră optică, este necesar ca cele două radiaţii luminoase: cea incidentă şi cea de referinţă, să se modifice în timp şi de asemenea să îşi modifice lungimea de undă.Lumina incidentă trebuie să fie în limitele unghiului de reflexie totală, deci forma geometrică a suprafeţei senzorului are o importanţă esenţială . Cel mai important domeniu de aplicaţie al unui asemenea tip de senzor este determinarea fluorescenţei celulei, care depinde de raportul NADH/NAD intracelular, obţinînd asfel o măsurare precisă a stării celulei.

6. Biosenzorii si nanotehnologia

Nanoparticulele au posibile numeroase aplicatii in domeniul biosenzorilor. De exemplu, nanoparticulele functionale (electronice,optice si magnetice ) si moleculele biologice (peptide,proteine,acizi nucleici ) au fost dezvoltate pentru utilizarea acestora in biosenzori, pentru a detecta si amplifica semnale diferite. Unele dintre nanoparticulele bazate pe senzori includ biosenzori cu unda acustica, biosenzori optici, magnetici si biosenzori electrochimici.

6.1. Biosenzorii cu unda acustica Acestia au fost dezvoltati pentru a imbunatati foarte mult

sensibilitatea si limitele directiei. In masa amplificata a microbalantei cu cristale de cuart, testul variat de aceasta tehnologie indica anticorpii modificati indirect de particule ce leaga o suprafata de electrozi de complexul unui analit care a fost el insasi prins de catre un anticorp imobilizat pe suprafata de electrozi.Masa mare de particule, afecteaza in mare masura vibratia frecventei a cristalului de cuart si acesta este utilizat ca baza pentru detectie. Testele pot fi efectuate in moduri competitive.

6.2. Biosenzori magnetici Nanoparticulele magnetice sunt un instrument de diagnosticare puternic si

versatil in biologie si medicina. Ele de obicei pot fi preparate in forma de , fie un singur domeniu sau superparamagnetic( Fe3O4) si variate tipuri de fieruri(Me* Fe2O3 unde Me= Ni, Mg, Zn, Co etc).Legat de moleculele biorecognitive, nanoparticulele magnetice pot fi folosite pentru a separa sau pentru a imbogati analitul care trebuie detectat. Tehnici stabilite, ca, separarea celulelor magnetice folosesc degradeuri de camp magnetic pentru a manipula si izola celulele magnetice etichetate. Tehnici magnetice de imunodozare , de asemenea au fost dezvoltate in fiecare camp magnetic generat de obiective magnetice etichetate.

6.3. Concluzii Nanotehnologia revolutioneaza dezvoltarea biosenzorilor. Tehnologiile

nanomaterialelor si nanofabricatelor sunt tot mai mult folosite pentru a proiecta biosenzori.Din pacate este data o mica atentie studiilor despre variatele nanoefecte care sunt unice pentru nanomateriale si actuale sunt aspectul lor cel mai atractiv.

Nanomaterialele si nanostructurile noi trebuie sa fie explorate pentru a fi folosite in domeniul biosenzorilor. Preferabil senzorii bazati pe nanotehnologie trebuie sa fie integrati in interiorul probelor de manipulare si de analiza.Aceasta va spori functionalitatea foarte mult, prin furnizarea de dispozitive care sunt mici, portabile, usor de folosit, ieftine, instrumente de diagnosticare unica si extrem de versatile.