Tehnici si metode folosite in medicinaTehnici si metode folosite in medicina--SENZORI ŞI BIOSENZORI-SENZORI ŞI BIOSENZORI-

Curs 13

Concentraţii nepotrivite ale carbohidraţilor din băuturi (vin) pot schimba complet

procesul de producere a acestora.

O alternativă simplă şi ieftină de detecţie a glucozei o reprezintă biosenzorii

Senzori şi biosenzoriSenzori şi biosenzori

• Metodele curente care au fost folosite pentru detectia si analiza diferitelor substante cum ar fi : medicamentele, substantele biologic active, sau diferite substante toxice ce contamineaza aerul, apa sau solul, sunt in general scumpe, necesita pre-tratamente si pre-concentrari si nu pot fi utilizate decat in laboratoare.

• Ca o consecinta au aparut tehnici si instrumente noi pentru monitorzarea calitatii mediului cat si a sanatatii populatiei. Acestea folosesc sisteme senzoriale care detecteaza si cuantifica in acelasi timp diferite substante in probe care se pot afla sub diferite forme. Scopul urmarit este de a dezvolta noi dispozitive analtice care sa fie rapide, portabile, foarte selective si sa aiba o sensibilitate ridicata fata de substanta care trebuie dozata (analit.).

• Se urmareste in acelasi timp miniaturizarea si fabricarea unor senzori versatili, care sa permita interschimbarea elementelor de recunoastere la un pret scazut, si totodata ca acestia sa fe usor de folosit.

SenzoriSenzori

• Un senzor este definit ca fiind un dispozitiv de măsură care generează un semnal electric măsurat sub diferite forme (sarcină electrică, tensiune electrică sau intensitatea unui curent electric), atunci când este supus unui fenomen ne-electric.

• Un senzor poate fi privit ca un traductor, deoarece el este un sistem care transformă o mărime fizică în alta, dar această asemănare este restrictivă deoarece un senzor este mult mai complex.

• Senzorul recunoaşte un fenomen într-un mod specific pe care îl traduce într-o proprietate cuantificabilă, care este la rândul ei transformată într-un semnal electric de un traductor. În acest fel fenomenele sunt reprezentate sub forma unor semnale electrice pentru a căror interpretare pot fi folosite tehnici moderne de control, achiziţie şi prelucrare a datelor

Senzori şi biosenzoriSenzori şi biosenzori

Senzori şi biosenzoriSenzori şi biosenzori

• Organismele vii se dezvoltă şi evoluează datorită interacţiunii cu mediul înconjurător, interacţiune concretizată sub forma schimburilor de substanţă şi energie dintre senzorii biologici ai organismelor şi mediu. Majoritatea acestor senzori sunt celulele specializate care sunt sensibile la: – Variaţia unor parametrii fizici ai mediului înconjurător,– Variaţia unor parametrii fizici ai mediului intern al organismului,– Molecule din exteriorul organismului, cum sunt toxine, nutrienţi

sau feromoni,– Molecule care influenţează metabolismul intern al organismului

(glucoza, oxigenul, hormoni, etc.),– Diferenţa dintre propriile molecule şi cele ale mediului

înconjurător sau ale altor organisme

Senzori şi biosenzoriSenzori şi biosenzori

• Prin utilizarea unor componente biologice (ţesuturi, celule, proteine sau ADN) în combinaţie cu diferiţi traductori au fost create dispozitive noi cu ajutorul cărora anumite evenimente biochimice sunt convertite în cantităţi măsurabile, dispozitive numite biosenzori.

• Un biosenzor este un dispozitiv analitic care conţine material biologic cu funcţie de recunoaştere (bioreceptor) aflat în contact direct cu un traductor de semnal care transformă informaţia fizică/chimică rezultată într-un semnal măsurabil proporţional cu concentraţia probei analizate.

BiosenzoriBiosenzori

Bioreceptorul (proteine sau ADN, celule, ţesuturi,) este ales astfel încât să

interacţioneze în mod specific şi selectiv cu proba analizată, funcţionarea biosenzorilor

bazându-se pe modificările conformaţionale care au loc la nivel de biomoleculă. .

Este îmbinată selectivitatea şi specificitatea elementelor biologice cu sensibilitatea

traductorului, îmbinare concretizată în detecţia calitativă şi cantitativă a interacţiunii

dintre biomoleculă şi probă analizată.

Recunoaştere specificăRecunoaştere specifică

Aplicaţii ale senzorilor şi biosenzorilor

monitorizarea clinică a unor substanţe de interes biologic (monitorizarea glucozei

şi lactozei, ureei, colesterolului, a diverselor medicamente, în imunologie, etc.)

în industria alimentară (dozarea carbohidraţiilor în băuturi şi alimente, detectarea

Salmonelei în alimente, controlul calităţii produselor lactate, al prospeţimii produselor

din carne şi peşte, etc)

monitorizarea calităţii mediului (detecţia şi dozarea gazelor toxice, a fenolilor,

pesticidelor, ionilor metalelor grele, etc.) sau

studiul interacţiunilor dintre diverse biomolecule (recunoaşterea moleculară dintre

diferite proteine).

Clasificarea senzorilor şi biosenzorilor

• O clasificare generală a senzorilor îi împarte pe aceştia în două grupuri mari: senzori fizici şi senzori chimici.

• Senzorii fizici sunt aceia care sunt sensibili la variaţia unor parametrii fizici dintr-un sistem cum sunt temperatura, presiunea, anumite forţe sau câmpuri şi care nu au interfaţa chimică.

• Senzorii chimici sunt utilizaţi pentru determinări calitative şi cantitative ale unei anumite substanţe. Răspunsul lor se bazează în particular pe reacţiile chimice care apar într-un sistem în care este implicată în mod selectiv substanţa analizată. – Biosenzorii pot fi clasificaţi după mai multe criterii: după natura

traductoarelor, după tipul bioreceptorului folosit sau după tehnicile de imobilizare ale bioreceptorului folosite.

Clasificarea senzorilor chimici şi a biosenzorilor

După tipul traductoarelor:• Electrochimici:

– Amperometrici:– Potenţiometrici:– Conductometrici.

• Optici.• Gravimetrici

– Piezoelectrici (dispozitive cu cristale piezoelectrice-QCM).– Acustici (dispozitive cu unde acustice de suprafata-SAWs).

• Termici.

Clasificarea senzorilor chimici şi a biosenzorilor

După tipul bioreceptorilor:

• Enzimatici.

• Imunosenzori (anticorpi monoclonali).

• Celulari:– Microorganisme– Ţesuturi

• Cu acizi nucleici (ADN).

Biosenzori

• Recunoasterea biologica dintre analit si receptor se poate analiza prin trei mecanisme de baza care includ:– sisteme biocatalitice, – sisteme de bioafinitate sau – sisteme microbiale

Biosenzori

Biosenzori bazati pe bio-cataliza (recunoastere chimica)• Acesti biosenzori folosesc enzime si functioneaza pe baza

a doua mecanisme:– Primul mecanism implica transformarea catalitica a analitului de la

o forma nedetectabila la una detectabila. Limitarile acesti tip de senzor sunt in primul rand acelea impuse de natura enzimei ce cuprind un numar limitat de analiti care sa constituie substrat pentru o anumita enzima.

– Al doilea mecanism implica detectia analitului care inhiba sau mediaza activitatea enzimatica. Acest mecanism este avantajos a fi folosit in detectiei poluantilor din mediul inconjurator, care afecteaza activitatea enzimelor in concentratii mici.

Biosenzori

Biosenzorii bazati pe bio-afinitate. ( imunosenzori)• Acestia depind de utilizarea anticorpilor (Ac). Exista si se pot obtine Ac

monoclonali si policlonali pentru o gama mare de substante. Functionarea lor se bazeaza pe interactiunea specifica dintre Ac si antigen (Ag), obtinandu-se in final concentratia Ag.

• In functie de mecanismele care au loc se deosebesc mai multe tipuri de imunosenzori.

– imunosenzori de competitie, a caror functionare se bazeaza pe utlizarea a doi Ag. Unul este nemarcat si reprezinta analitul, al doilea este marcat si impreuna cu cel marcat se afla in competitie pentru un numar limitat de locuri de legare a Ac.

– imunosenzori de inlocuire, in care analitul = Ag, inlocuieste Ag marcat care a fost prins anterior de catre Ac.

– imunosenzori de tip sandwich, care se utilizeaza in cazul Ag bivalenti. Ca urmare se vor produce doua tipuri de interactiuni :

• una cu Ac imobilizat• una cu un Ac marcat

Biosenzori

Markeri• Markerii pot fi diferite particule, metale, coloranti, radionuclizi,

enzime, compusi electrochimici. • Detectorii folositi pentru traducerea interactiunii specifice Ag-Ac pot

fi: – sisteme acustice (cristale piezelectrice) sau – sisteme optice (care masoara modificarea indicelui de refractie).

• Markerii sunt din ce in ce mai mult folositi datorita specificitatii lor ridicate si datorita faptului ca pot fi regenerati si schimbati (schimbarea Ac imobilizat pe detector). Pot de asemenea fi folositi in masuratorile din sistemele de analiza in flux continuu.

• De asemenea prezinta avantajul ca se pot doza molecule de interes medical, toxine sau microorganisme (salmonella). Se pot confectiona si biosenzori cu ADN care detecteaza modificarile chimice induse in ADN.

Biosenzori

Biosenzori cu microorganisme.• Acesti biosezori folosesc mecanisme primare. Materialul biologic este format

din celule sau bacterii vii. – Un prim mecanism consta in folosirea analitului (compus organic) drept substrat

respirator. – Un alt mecanism implica inhibarea respiratiei celulei de analit. Aceasta respiratie si

inhibta ei pot fi masurate folosind detectori optici sau detectori electrochimici.• Avantajul utilizari acestor tehnici se datoreaza in primul rand folosiri

microorganismelor comparativ cu enzimele izolate. Acesti biosenzori sunt mai ieftini si pot opera intr-un interval larg de de pH si de temperatura. Specificitatea mare a acestor biosenzori, pentru determinarea toxinelor, poate fi atat un avantaj cat si un dezavantaj in functie de aplicatia dorita. Astfel de dispozitve pot fi utilzate cu precadere pentru monitorizarea toxicitatii generale sau in situatii in care compusii toxici sunt bine definiti.

• Un avantaj al acestui tip de biosenzor il reprezinta faptul ca se pot folosi si microorganisme modificate genetic. Acestea sunt produse special, folosind tehnicile ingineriei genetice, pentru a recunoaste un anumit analit.

Tipuri de senzori

electrozii de sticlă de pH folosiţi pentru măsurarea concentraţiei ionilor de

hidrogen sau electrozi de diferite forme şi materiale

benzi de hârtie impregnate cu reactivi în stare solidă

„optodă” - sub forma unor sonde ce pot fi folosite în diverse medii

nasul electronic, limba electronică

“lab on chip”

Criterii de performanţă ale senzorilor

Selectivitatea Curba de calibrare [răspuns = f(c)]:

Sensibilitatea (panta curbei de calibrare)Domeniul liniar de concentraţiiLimita de detecţie

Reproductilitatea (dată de deviaţia standard) Timpul de răspuns Durata de viaţă (Stabilitatea)