Биосенсор. Если вы разделите слово на “био” и “сенсор”, это даст лучшее представление о том, что это такое.
Биосенсоры — это биоаналитические системы, способные воспринимать биологические образцы. Это небольшие, мощные устройства, способные анализировать биологические образцы, чтобы понять их функцию, состав и структуру. Это достигается путем преобразования биологического сигнала или реакции в измеримую реакцию.
Возможно, вы видели людей, использующих глюкометр для рутинного контроля глюкозы, пульсоксиметры для измерения уровня насыщения кислородом и частоты пульса, а также умные часы для ежедневного контроля нашей физической активности. Глюкометр, пульсоксиметр и умные часы — все это примеры биосенсоров.
Эта технология имеет несколько применений, не ограничиваясь медицинской помощью. Они жизненно важны для определения потребности в лекарствах и защиты от болезней. Они также могут контролировать качество окружающей среды, почвы, воды и продуктов питания. Они также используются в метаболической инженерии, для контроля за правильным функционированием протезов и в биологической защите.
Первый биосенсор, известный как “электрод Кларка”, был разработан для обнаружения кислорода Лиландом Кларком в 1956 году. Его работа в области биосенсинга принесла ему признание в качестве “Отца биосенсоров”. Первый коммерческий биосенсор был разработан в 1975 году компанией “Yellow Springs Instruments”.
Давайте посмотрим, как работают биосенсоры.
Глюкометр крови является примером инвазивного биосенсора для контроля уровня глюкозы в крови. Пульсоксиметр является примером неинвазивного биосенсора. Умные часы-это неинвазивный биосенсор, используемый ежедневно. (Фоторедакт : twenty20)
Общая работа биосенсора
Если мы помещаем биологический образец или аналит на биосенсор, биосенсор делает нам цифровое считывание, которое имеет биологическую интерпретацию. Аналит-это вещество, представляющее интерес, которое необходимо обнаружить.
Как биологический компонент преобразуется в цифровую информацию или измеримую реакцию? Это достигается различными компонентами, присутствующими в биосенсоре, такими как биологический элемент распознавания, датчик для получения сигнала, усилитель сигнала, процессор для обработки сигнала и блок отображения.
Давайте посмотрим, что делает каждый из этих компонентов.
Когда применяется биологический образец (аналит), элемент распознавания обнаруживает биомаркеры, присутствующие в аналите. Биомаркером может быть любое соединение или сигнал, который может быть использован в качестве детерминанта состояния болезни или изменений в физиологии организма. Преобразователь преобразует это биологическое изменение в электрический сигнал. Этот аналоговый сигнал будет усилен усилителем сигнала. Сигнальный процессор преобразует усиленный аналоговый сигнал в цифровой сигнал, который будет отображаться на жидкокристаллическом экране.
Различные компоненты биосенсора включают биоэлемент, преобразователь, усилитель, процессор и блок отображения.
Характеристики биосенсоров
В биомедицинской диагностике использование биосенсоров дает ряд преимуществ по сравнению с обычными лабораторными методами. поскольку они малы, просты в использовании, дешевы и дают быстрые результаты.
Производительность любого биосенсора основана на нескольких ключевых характеристиках.
Биосенсор должен быть избирательным в своей способности обнаруживать присутствие определенного аналита. Результаты, генерируемые биосенсором, должны быть воспроизводимыми, а это означает, что биосенсор должен быть способен генерировать идентичные показания для нескольких идентичных образцов.
Измерения должны быть точными, с минимальными отклонениями между значениями, обнаруженными биосенсором, и значениями, полученными обычными методами. Работа биосенсора должна быть стабильной и не зависеть от внешних изменений температуры. Он должен быть высокочувствительным для обнаружения даже небольших количеств аналита, а измерения должны быть линейными для широкого диапазона концентраций аналита.
Типы аналитов для биосенсоров
Большинство из нас может считать, что кровь — это единственная жидкость организма, используемая для биосенсинга. Но это не так. Помимо крови, есть слюна, пот, моча, слезы и дыхание также могут быть использованы для обнаружения нескольких биомаркеров.
Давайте рассмотрим несколько примеров.
Биосенсоры на основе крови используются для мониторинга таких компонентов крови, как глюкоза.
Биосенсоры на основе слюны постепенно набирают популярность для определения глюкозы по сравнению с инвазивными биосенсорами на основе крови. Его также можно использовать для определения уровня таких химических веществ, как лактат и кортизол.
Биосенсоры на основе пота могут обнаруживать уровни таких соединений, как глюкоза, лактат, аскорбиновая кислота и мочевая кислота, в то время как наборы для беременных являются отличным примером биосенсоров на основе мочи.
Слезы могут быть использованы для оценки количества глюкозы, алкоголя и некоторых витаминов, в то время как биосенсоры на основе дыхания обычно используются полицейскими для обнаружения следов алкоголя.
Типы биосенсоров
Биосенсоры, такие как глюкометр с уколом пальца, используемый для проверки уровня сахара в крови, требуют, чтобы пользователь уколол палец и использовал образец крови в качестве биологического аналита. Это пример инвазивного биосенсора. В отличие от этого, использование пульсоксиметра требует, чтобы пользователь просто вставил кончик пальца внутрь прибора или надели на запястье смарт-часы с определением пульса или уровня кислорода в крови. Это примеры неинвазивных биосенсоров.
Таким образом, в зависимости от того, как применяется необходимый биологический аналит, биосенсоры могут быть классифицированы как инвазивные или неинвазивные.
Биосенсоры также могут быть классифицированы в зависимости от типа биологического распознающего элемента и используемого механизма трансдукции. Распознающим элементом биосенсора могут быть ДНК, антитела, ферменты, фаги, ткани, клеточные рецепторы, целые клетки микроорганизмов и т. д.
В зависимости от типа преобразователей, используемых для создания биосенсоров, их можно разделить на оптические биосенсоры, электрохимические биосенсоры или биосенсоры на основе массы.
Оптические волокна играют ключевую роль в функционировании оптических биосенсоров, воспринимая биологический аналит на основе его свойств флуоресценции, поглощения и рассеяния света. Они неэлектрические по своей природе, и измерения основаны на изменениях показателя преломления.
Электрохимические биосенсоры являются электрическими по своей природе, где чувствительная молекула или распознающий элемент взаимодействуют с анализируемым образцом. Вырабатываемый электрический сигнал часто пропорционален концентрации анализируемого вещества.
Массовые биосенсоры-это электрические биосенсоры, в которых производимые электрические сигналы пропорциональны механическим или акустическим (звуковым) колебаниям чувствительных молекул.
Часто используемые биосенсоры
Наиболее часто используемые биосенсоры, несомненно, являются глюкозными биосенсорами или глюкометрами, которые основаны на крови или слюне, и тестами на беременность, которые основаны на моче.
Глюкометр
Первый серийно выпускаемый биосенсор глюкозы был изготовлен компанией Yellow Springs Instrument в 1975 году. С тех пор дизайн и производительность биосенсоров глюкозы претерпели радикальные изменения.
Сравнение между первым в истории изобретенным глюкометром и глюкометрами, используемыми в настоящее время, может легко отразить технологические достижения, через которые прошла технология биосенсоров.
Первое поколение биосенсоров глюкозы использовало атмосферный кислород в качестве субстрата и обнаружило образование перекиси водорода. Биосенсоры второго поколения заменили кислород другими электронными медиаторами, функция которых заключалась в переносе электронов от фермента к электроду. Биосенсоры третьего поколения были полностью безреагентными. Электронные медиаторы больше не использовались, и фермент непосредственно передавал электроны на электроды.
Эти достижения были очень важны для своевременного скрининга, диагностики и лечения диабетиков с использованием крови и слюны.
С точки зрения пользователя, образцы на основе слюны могут быть более предпочтительными, поскольку сбор образцов неинвазивен (меньше боли или вообще отсутствует) и обладает повышенной чувствительностью.
Полоска для определения беременности
Другими широко используемыми биосенсорами являются тест-полоски на беременность, которые основаны на антителах и определяют наличие ХГЧ (человеческого хорионического гонадотропина) в крови или моче.
Элементы опознавания анти--HCG антитела которые агглютинируют с HCG крови/ мочи (если присутствует) и формируют линию агглютинации. Наличие линии указывает на положительный тест, в то время как отсутствие линии является отрицательным тестом на беременность.
Эта картина ясно дает нам представление о том, как биосенсорная технология развивалась со временем. Самые большие глюкометры-это первые разработанные (1983) с 2-минутным временем считывания и самые маленькие ручные устройства с новейшей технологией (2004) с 7-секундным временем считывания. Тест-наборы для беременных-это датчики на основе антител для обнаружения ХГЧ, биомаркера беременности. Одиночная линия является отрицательным показателем беременности, в то время как наличие двух линий указывает на беременность. (Фоторедакт: twenty20)
Заключение и перспективы на будущее
Биосенсоры - это мощная интеграция биологических знаний и технологических достижений. Они имеют повсеместное применение в различных дисциплинах. Этот метод быстр, специфичен, прост, дешев в использовании и обеспечивает более быстрые результаты при меньшем использовании реагентов. За последние 2-3 десятилетия технология биосенсоров претерпела огромные изменения. Будущее видение этой отрасли будет заключаться в создании микро-масштабной технологии, чтобы сделать ее меньше и в то же время более эффективной и полезной.
Подписывайтесь на канал и ставьте палец вверх, если информация была полезной, спасибо!
Перевёл с оригинальной
Комментарии (0)