Biosenzori electrochimici

BIOSENZORI ELECTROCHIMICI

Secolul XXI se confrunta cu transformari de anvergura atit in stiintele naturii cit si la nivel social, economic, uman. Societatea tinde spre informatizare si globalizare a schimburilor comerciale datorita dezvoltarii si integrarii pe verticala respectiv pe orizontala a proceselor de productie avansate ce inglobeaza ultimele inovatii ale stiintei si tehnologiei.

Lumea in care traim este rapid dominata de informatia digitala si de necesitatea de a investiga materia la scala din ce in ce mai mica cu instrumente aparent ultrasofisticate ce pot "vedea" atomii si moleculele la lucru prin interactia si asamblarea lor pe diferite nivele de organizare. Initial, revolutia digitala a implicat in principal computere autonome

care gradual s-au integrat in retele complexe practic globalizate.

Unirea calculatoarelor cu sistemele de telecomunicatii a dus la o crestere enorma a accesibilitatii la informatie si de aici cresterea cerintei pentru aceasta. In prezent, aceasta cerinta este dominata de un amestec de texte, audio si imagini structurate in baze de date care astazi sunt omniprezente prin accesibilitatea la internet. Comunicatiile si internetul din ultima decada va alimenta cererea pentru mai multe surse de informatii si date despre aspecte importante din viata noastra, sanatatea, mediul inconjurator, mincarea, munca noastra.

Corpul uman si in general toate fiintele vii si-au dezvoltat, in decursul evolutiei, senzorii specifici care sa mentina echilibrul fiziologic si metabolic in raport cu interactiunea si schimburile cu mediul inconjurator. Din nefericire modificarile ambientale, societatea din ce in ce mai tehnologizata, implicarea abuziva si nerationala a omului

asupra biosistemelor regulatoare ale naturii a condus la dezechilibre pe care fiintele vii nu si le mai pot regla prin sistemelor lor senzoriale proprii. Avem din ce in ce mai mult nevoie de senzori artificiali care sa fie interfata monitorizarii si schimbarii.

Un biosenzor este un dispozitiv format dintr-un element biologic (enzima, biomolecula, anticorp, celule microbiane, tesut, etc) ce este imobilizat in vecinatatea unui traductor (electrochimic, optic, termic, etc) ce transforma un semnalul chimic rezultat in urma interactiei analitului cu elementul biologic intr-un raspuns masurabil, de obicei intr-un raspuns electronic.

Astfel senzorii ofera portale dintre lumea "reala" sau analoaga in care traim si lumea digitala a computerelor si a sistemelor moderne de comunicatie prin care ne racordam spre mediul ambiant. Senzorii fac posibil ca sa se obtina informatii in timp real despre lucruri pe care le putem vedea, atinge, mirosi si auzi si despre alte lucruri care nu le putem detecta - lucruri care pot fi nocive sau folositoare pentru noi. Semnalul electronic colectat de la senzor este trecut intr-un circuit unde este digitizat de un convertor analogdigital (ADC). Informatia digitala poate fi apoi stocata in memorie, reprodusa vizual pe un monitor sau facuta accesibila lumii reale printr-un port digital de comunicatie.

Instrument de control si masurare in senzor. Semnalul

de la senzor trece intr-un buffer- amplificator operational-cu impedanta mare de

intrare si protectie. Semnalul este digitizat de catre ADC transformandu-se din

analog in digital.In forma digitala poate fi procesat, stocat, afisat, disponibil spre

alte locatii prin reteaua de comunicatii

Senzorul in acceptiune larga este un dispozitiv ce detecteaza un "analit", A, prin intermediul unui "receptor", R, ce este cuplat la un "traductor", T. Interactia analit-receptor produce un schimb de electroni sau emite/absoarbe fotoni pe care traductorul il transforma intr-un semnal electric sau fotonic, analogic sau digital.

Schema de principiu a unui sensor.

Un biosenzor electrochimic este un dispozitiv integrat, autonom, capabil sa furnizeze informatii analitice cantitative sau semicantitative specifice folosind ca element de recunoastere moleculara un receptor biochimic (element de identificare biologica), care se afla in contact spatial direct cu un traductor electrochimic. Datorita abilitatii lor de a fi calibrati in mod repetitiv un biosenzor electrochimic se distinge de un sistem bioanalitic care necesita pasi aditionali de procesare, ca de exemplu aditionarea de reactiv.

Biosenzorul disponibil pentru un singur tip de masuratoare, sau incapabil sa monitorizeze continu analiza concentratiei sau sa nu fie regenerat rapid si reproductibil este definit a fi de "unica folosinta".

Biosenzorii electrochimici se disting numai prin natura traductorului indiferent de natura componentei biologice, Elementul de recunoastere biologica are la baza o reactie chimica catalizata sau o reactie de echilibru cu macromolecule ce au fost izolate in prealabil sau sintetizate in mediul lor biologic original. In cazul reactiilor reversibile starea de echilibru poate fi in general atinsa daca nu mai exista un consum net de catre agentul biocomplexului imobilizat si incorporat in senzor. Biosenzorii electrochimici pot fi clasificati in functie de analizele si reactiile pe care le monitorizeaza: monitorizare directa a concentratiei analitilor sau a reactiilor producatoare sau consumatoare a acestora; alternativ, o monitorizare indirecta a inhibitorului sau activatorului elementului de recunoastere biologica (receptorul biochimic).

Document online: Componentele sangelui - forma si structura hematiilor Eseu: Jonctiunile celulare

Senzori chimici vs senzorii biochimici:

Un senzor chimic este un dispozitiv ce transforma informatia chimica intr-un semnal electronic sau fotonic raportind concentratia unui compus specific identificat la proba analizata. Senzorii chimici de obicei contin doua componente de baza: un receptor = un sistem de recunoastere chimica (moleculara) si un traductor fizico-chimic.

Senzorii biochimici (biochemosenzorii) sunt senzori chimici, in care metoda / sistemul de identificare utilizeaza un procedeu biochimic.

Senzorii biochimici sau 'biochemosenzorii ' sunt dispozitive care introduse intr-un mediu biologic, ofera la iesire semnale electrice masurabile ce caracterizeaza acest mediu.

Acestia pot avea la baza o serie de senzori chimici, cum ar fi electrozii pH, electrozii ionselectivi (EIS) etc.

Biochemosenzorii conventionali utilizeaza un electrod electrochimic, ca element de conversie a semnalului biochimic intr-un semnal electric in timp ce tipurile mai noi utilizeaza traductori cum ar fi: fibrele optice, dispozitivele piezoelectrice, tranzistorii cu efect de cimp (FET), SAW (unde acustice de suprafata). Biochemosenzorii detecteaza, practic, specii electroactive produse sau consumate intr-o reactie de orice tip.

Toti biosenzorii sunt mai mult sau mai putin selectivi (non-specifici) pentru un anumit analit, unii sunt prin constructie si concepere doar specifici pe o anumita clasa de analiti daca folosesc clasa enzimelor (ex: biosenzori pentru detectia fenolului) sau celule (ex: in masurarea consumului biologic de oxigen).

Biosenzor electrochimic

Un biosenzor electrochimic este un biosenzor cu traductor electrochimic. Este considerat a fi un electrod modificat chimic (CME), ca un conductor electric ce transmite electronii din procesul de interactie spre exterior in sistemul electronic de masurare. Electrodul poate fi metal, semiconductor sau material cu conductivitate ionica acoperit cu un film biochimic sau bioactiv. Biosenzorul electrochimic este un microsistem integrat receptor - traductor, capabil sa dea informatii analitice selective, cantitative sau semicantitative folosind un element de identificare biologica. El poate fi folosit pentru a monitoriza atit elemente biologice cit si nebiologice.

Clasificare:

Biosenzorii electrochimici,dupa terminologie, pot fi clasificati in functie de specificitatea lor biologica, dupa mecanism sau modul de transmitere a semnalului sau, alternativ, combinatia acestora doua. Ei pot fi: amperometrici, potentiometrici, cu efect de cimp (FET) sau senzori conductometrici (masurarea conductiei electrice) respectiv de impedanta (impedantmetrici). Alternativ pot fi numiti de exemplu: senzor amperometric enzimatic pentru a specifica natura receptorului si a traductorului.

Primii biosenzori ce au fost studiati sunt cei enzimatici si imunosenzorii.

Receptorul

Element de recunoastere biocatalitic

In acest caz, biosenzorul are la baza o reactie catalizata de biomacromolecule,

prezente in mediul biologic original si care sunt izolate in prealabil sau sunt obtinute pe cale sintetica. Reactia este monitorizata de un detector integrat (traductorul) ce masoara starilor stationare sau de tranzitie ori produsul final de reactie prin intermediul biocatalizatorului imobilizat in biosenzor.

Tipuri de biocatalizatori frecvent utilizati:

1. Enzime (simple sau complexe enzimatice)- cel mai des folosite ca sisteme de recunoastere

2. Celule, microorganisme (ex: bacterii, fungi, celule eucariote sau drojdii), organele sau componente celulare (pereti celulari, mitocondrii)

3. Tesuturi (sectiuni din tesuturi de plante sau animale)

Exista patru strategii prin care traductorul asociat poate monitoriza consumul de analit prin reactia biocatalitica:

1. Detectarea consumului co-substratului, ex: diminuarea oxigenului prin

lantul de reactii indus de oxidaze, bacterii sau drojdii. Semnalul masurat

reprezinta diminuarea consumului de co-substrat fata de valoarea initiala.

2. Reciclarea produsului de reactie, cum ar fi: peroxihidrogen, H+, CO2, NH3., in scheme de reducere prin oxidoreducatza, hidroliza, liaza etc. Semnalul de la traductor se va amplifica.

3. Detectia centrilor activi din biocatalizator: redox, co-factori, grupuri prostetice ce evolueaza in prezenta substratului S prin folosirea unui mediator

imobilizat. Acesta reactioneaza rapid cu biocatalizatorul si este usor de detectat in lantul de transductie. Diferiti derivati ferocenici, tetrathia-fulvalene, tetracianochinodimetan (TTF+ TCNQ- ), saruri organice, chinone, coloranti chinonici, complexe de Ru sau Os in matrici polimere pot fi folositi ca mediatori.

4. Transfer direct de electron dintre situsul activ al reactiei redox enzimatice si

traductorul electrochimic.

Cind enzimele sunt imobilizate in cadrul acelorasi lanturi de reactie, se poate imbunatati performanta si abilitatile biosenzorului. Trei posibilitati sunt frecvent folosite:

1. Unele enzime faciliteaza identificarea biologica prin convertirea secventiala

a produsilor seriilor de reactii enzimatice intr-o forma finala electroactiva:

acest mod permite o plaja mai larga de analiza a biosenzorului.

2. Complexul enzimatic, aplicat in serie, poate regenera co-substratul primei

enzime si amplifica semnalul de iesire al biosenzorului prin regenerarea unui

alt cosubstrat al primei enzime.

3. Complexul enzimatic, aplicat in paralel, imbunatateste selectivitatea biosenzorului prin scaderea concentratiei locale a substratului electrochimic de interferenta: aceasta secventa este o alternativa a utilizarii unei membrane

permselective sau a unei metode secventiale (ex: interpretarea unui semnal

de iesire generat de un biosenzor si de un senzor de referinta, fara a exista

element de recunoastere biologica).

Element de recunoastere pe baza de biocomplexare sau de bioafinitate:

Operarea biosenzorului se bazeaza pe interactia dintre analit cu macromolecule sau cu ansamble moleculare organizate. La atingerea echilibrului nu mai exista consum de analit de catre agentul de biocomplexare imobilizat in substrat. Raspunsul la reactia analit-agent de biocomplexare este monitorizat de un detector integrator. In unele cazuri reactia de biocomplexare se automonitorizeaza printr-o reactie biocatalitica complementara.

Detectorul integrator monitorizeaza starile stationare sau tranzitorii.

1. Interactia anticorp-antigen. Cele mai relevante exemple de biosenzori ce folosesc receptori de biocomplexare au la baza reactii imunochimice, ex: legarea unui antigen (Ag) cu anticorpul caracteristic (Ac). Complexele formate de Ac-Ag trebuie sa fie detectate cu conditia ca celelalte reactii non-specifice sa fie minimizate. Pentru fiecare determinare de Ag corespunde un anumit Ac ce trebuie produs izolat, purificat etc. Unele studii recente au analizat monitorizarea directa a formarii complexului Ag-Ac utilizind tranzistori cu efect de cimp cu selectivitate ionica (ISFETs). Cresterea sensibilitatii senzorilor imunologici se realizeaza prin adaugarea de enzime specifice la cupluri Ag-Ac insa aceasta necesita pasi aditionali de sinteza. Cum taria legaturii sau constanta de afinitate variaza in limite largi aceste sisteme opereaza ireversibil (biosenzor de unica folosinta) sau daca sunt cuplate in sisteme analitice de injectie a fluidelor (FIA) atunci Ac se poate regenera din disocierea complexului cu agenti cum ar fi glicin-HCl la pH 2.5

2. Receptor:antagonist/agonist. Recent s-au folosit ca sisteme de recunoastere

moleculara in analiza conductometrica, ISFET sau senzorii optici cu receptori

cu canale ionice, membranari sau structuri proteice. De exemplu, o

proteina transportoare, lactoz- permeaza (LP), poate fi incorporata intr-un

bistrat lipozomic ce permite transportul protonic de glucid cu un raport stoichiometric de 1:1. Acest mecanism a fost identificat prin fluorescenta dependenta de pH a unui fluorofor imobilizat in lipozomi. Lipozomi cu LP au fost incorporati intr-un bistrat lipidic depozitat pe un ISFET sensibil la

pH. Rezultatele preliminare arata ca acest ISFET modificat e capabil sa detecteze ireversibil, lactoza dintr-un sistem FIA. Biosenzorul cu receptor

proteic a fost descoperit de curind. Legarea analitilor, numiti aici agonisti, de proteine receptoare imobilizate este monitorizata prin schimbarea

fluxului de ioni prin aceste canale. De exemplu, glutamatul, ca agonist,

poate fi determinat in prezenta altor agonisti ce pot interfera prin determinarea

fluxurilor de Na+ sau Ca2+, utilizind metoda conductometrica sau

electrozi ioni-selectivi. Datorita dependentei canalului ionic de natura legaturilor aceasta produce o independenta de natura enzimelor pentru a se atinge sensibilitatea dorita.

Evolutia actuala de integrare a biochemosenzorilor pe cipuri a facut din metodele electrochimice un instrument puternic de determinare si detectare a legarii oligonucleotidelor si a indexarii secventei genetice (modulele de nanoelectrochimie ce doteaza in prezent microscopia de forte atomice). S-au abordat doua metode. Prima se refera la intercalarea in duplexul de oligonucleotide, in timpul formarii structurii dublu helix a ADNului

a unei molecule care este electroactiva. A doua metoda este detectia directa a guaninei care este electroactiva.

In concluzie, desi cercetarile au avansat rapid nu cunosc inca o dezvoltare similara cu cea a biosenzorilor bazati pe biocatalizatori unde cercetarile au produs o larga cunoastere a domeniului. Aceste tipuri avind la baza monitorizarea reactiilor de echilibru ce au un domeniu de liniaritate restrins nu pot monitoriza continuu concentratia analitilor. O parte din acesti biosenzori nu pot opera prin intermediul unor membrane de separare analit

- element senzitiv. Stratul sensibil adeseori trebuie sa fie in contact cu mediul biologic unde se afla analiti.