Biossensores: Tipos e características gerais de biossensores

Biossensores: Tipos e características gerais de biossensores!

Um biossensor é um dispositivo analítico que emprega material biológico para interagir especificamente com um analito.

Produzindo algumas mudanças físicas detectáveis que são medidas e convertidas em um sinal elétrico por um transdutor. O sinal elétrico é finalmente amplificado, interpretado e exibido como concentração de analito na solução / preparação. Um analito é um composto cuja concentração é para ser determinada, os materiais biológicos geralmente são enzimas, mas também são utilizados ácidos nucléicos, anticorpos, lectinas, células inteiras, órgãos inteiros ou fatias de tecido (Tabela 12.4).

A natureza da interação entre o analito e o material biológico usado no biossensor é de dois tipos:

(a) O analito pode ser convertido em uma nova molécula química por enzimas; tais biossensores são chamados biossensores catalíticos, e

(b) O analito pode ligar-se simplesmente ao material biológico presente no biossensor (por exemplo, a anticorpos, ácido nucleico); Esses biossensores são conhecidos como sensores de afinidade.

Um biossensor com sucesso deve ter pelo menos alguns dos seguintes recursos: (a) Deve ser altamente específico para o analito.

(b) A reação usada deve ser independente de fatores gerenciáveis como pH, temperatura, agitação, etc.

c) A resposta deve ser linear ao longo de uma gama útil de concentrações de analito.

(d) O dispositivo deve ser minúsculo e biocompatível, no caso de ser utilizado para análises no interior do corpo.

(e) O dispositivo deve ser barato, pequeno, fácil de usar e capaz de uso repetido.

Características gerais do biossensor:

Um biossensor tem dois tipos distintos de componentes:

(a) Biológico, por exemplo, enzima, anticorpos e

(b) Físico, por exemplo, transdutor, amplificador, etc.

O componente biológico do biossensor executa duas funções importantes.

(a) Reconhece especificamente o analito e

(b) Interage com ele de tal maneira que produz alguma alteração física detectável pelo transdutor.

Estas propriedades do componente biológico conferem ao biossensor, especificamente, sensibilidade e capacidade de detectar e medir o analito. O componente biológico é adequadamente imobilizado no transdutor. Geralmente, a imobilização correta das enzimas aumenta sua estabilidade. Como resultado, muitos sistemas imobilizados por enzimas podem ser usados mais de 10.000 vezes durante um período de vários meses.

O componente biológico interage especificamente com o analito, que produz uma mudança física próxima à superfície do transdutor. Esta mudança física pode ser:

1. Calor liberado ou absorvido pela reação (biossensores calorimétricos)

2. Produção de um potencial elétrico devido à mudança na distribuição de elétrons (biossensores potenciométricos).

3. Movimento de elétrons devido à reação redox (biossensores amperométricos).

4. Luz produzida ou absorvida durante a reação (biossensores ópticos).

5. Mudança na massa do componente biológico como resultado da reação (biossensores da onda acústica).

O transdutor detecta e mede essa mudança e converte em um sinal elétrico. Este sinal sendo muito pequeno é amplificado por um amplificador antes de ser alimentado no microprocessador. O sinal é então processado e interpretado, e é exibido em unidades adequadas.

Assim, os biossensores convertem um fluxo de informações químicas em um fluxo de informações elétricas, que envolve as seguintes etapas:

(a) O analito se difunde da solução para a superfície do biossensor.

(b) O analito reage especificamente e eficientemente com o componente biológico ”do biossensor.

(d) Isso leva a uma mudança nas propriedades óticas ou eletrônicas da superfície do transdutor.

(e) A mudança nas propriedades ópticas / eletrônicas é medida, convertida em sinal elétrico que é amplificado, processado e exibido.

Tipos de Biosensores:

Os biossensores são de 5 tipos:

1. Biossensores Calorimétricos:

Muitas reações catalisadas por enzimas são exotérmicas. Os biossensores calorimétricos medem a mudança de temperatura da solução contendo o analito após a ação da enzima e a interpretam em termos da concentração do analito na solução. A solução do analito é passada através de uma pequena coluna de leito fixo contendo enzima imobilizada; a temperatura da solução é determinada imediatamente antes da entrada da solução na coluna e assim que ela sai da coluna usando termistores separados.

Este é o tipo de biossensor mais geralmente aplicável, e pode ser usado para soluções turvas e fortemente coloridas. A maior desvantagem é manter a temperatura do fluxo de amostra, digamos ± 0, 01 ° C, temperatura. A sensibilidade e o alcance desses biossensores são bastante baixos para a maioria das aplicações. A sensibilidade pode ser aumentada usando duas ou mais enzimas da via no biossensor para ligar várias reações para aumentar a produção de calor. Alternativamente, enzimas multifuncionais podem ser usadas. Um exemplo é o uso de glicose oxidase para determinação de glicose.

2. Biossensores Potenciométricos:

Esses biossensores usam eletrodos íon seletivos para converter a reação biológica em sinal eletrônico. Os eletrodos empregados são mais comumente eletrodos de vidro de medidor de pH (para cátions), eletrodos de pH de vidro revestidos com uma membrana seletiva de gás (para CO ₂, NH ou H ₂ S) ou eletrodos de estado sólido. Muitas reações geram ou usam H ⁺ que é detectado e medido pelo biossensor; Nestes casos, soluções tamponadas muito fracas são usadas. Eletrodos detectores de gás detectam e medem a quantidade de gás produzida. Um exemplo de tais eletrodos é baseado na urease que catalisa as seguintes reações:

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

Esta reação pode ser medida por um eletrodo sensitivo ao pH, sensível a amônia, sensível a NH ₃ ou sensível a CO ₂ . Os biossensores podem agora ser preparados colocando membranas revestidas com enzima nas portas selectivas de iões de transistores de efeito de selecção selectiva de iões; esses biossensores são extremamente pequenos.

3. Biossensores de Ondas Acústicas:

Estes também são chamados de dispositivos piezoelétricos. Sua superfície é geralmente revestida com anticorpos que se ligam ao antígeno complementar presente na solução da amostra. Isto leva a um aumento de massa que reduz sua freqüência vibracional; essa alteração é usada para determinar a quantidade de antígeno presente na solução da amostra.

4. Biossensores Amperométricos:

Esses eletrodos funcionam pela produção de uma corrente quando o potencial é aplicado entre dois eletrodos, sendo a magnitude da corrente proporcional à concentração do substrato. Os biossensores amperométricos mais simples usam o eletrodo de oxigênio Clark, que determina a redução do O ₂ presente na solução da amostra (analito). Estes são os biossensores de primeira geração. Esses biossensores são usados para medir reações redox, um exemplo típico é a determinação da glicose usando glicose oxidase.

Um problema importante de tais biossensores é a sua dependência da concentração de O2 dissolvido na solução do analito. Isso pode ser superado usando mediadores; Essas moléculas transferem os elétrons gerados pela reação diretamente para o eletrodo, em vez de reduzir o O ₂ dissolvido na solução do analito. Estes também são chamados de biossensores de segunda geração. Os eletrodos atuais, entretanto, removem os elétrons diretamente das enzimas reduzidas sem a ajuda de mediadores, e são revestidos com sais orgânicos eletricamente condutores.

5. Biossensores Óticos:

Esses biossensores medem reações catalíticas e de afinidade. Eles medem uma mudança na fluorescência ou na absorbância causada pelos produtos gerados por reações catalíticas. Alternativamente, eles medem as mudanças induzidas nas propriedades ópticas intrínsecas da superfície do biossensor, devido ao carregamento de moléculas dielétricas, como proteínas (no caso de reações de afinidade). Um biossensor mais promissor envolvendo a luminescência utiliza a luciferase enzimática do vaga-lume para a detecção de bactérias em amostras de alimentos ou clínicas. As bactérias são especificamente lisadas para liberar o ATP, que é usado pela luciferase na presença de 0 ₂ para produzir luz que é medida pelo biossensor.