CAP.III
BIOSENZORI
Biosenzorii reprezint sisteme biologico - electronice selective
integrate , formate dintr-un receptor biologic activ, un traductor
i un sistem electronic de amplificare, prelucrare i afiare date.
Receptorul biologic activ furnizeaz informaii analitice specifice
ce permit recunoaterea unei anumite specii biologice sau chimice
dintr-un amestec complex ce compune materia analizat, urmat de
determinarea cantitativ sau semicantitativ a acesteia. Receptorul
biologic activ al biosenzorului poate fi format din enzime,
anticorpi , microorganisme, lektine, aptameri ,DNA i tesuturi umane
sau animale imobilizat pe un suport. Fig.III.1. Schema de principiu
a unui biosenzor n urma interferenei dintre receptorul biologic
activ i substana de analizat rezult modificri ale soechiometriei
reactanilor i produselor de reacie care provoac la rndul lor, n
funcie de sistemele biologice active folosite, evoluia proporional
ale valorilor unor mrimi fizico- chimice precum : sarcin electric,
absorbie/ emisie fotonic, temperatur, indice de refracie, grosime
de strat, valori care snt convertite cu traductoare de tip:
amperometric, pH-metric, detector fotometric, termic,
refractometric, piezooscilator , rezonator plasmonic n semnale
electrice proportionale cu concentraia speciei urmrite n materia
analizat. In figura III.2 este reprezentat schematic aceast
fenomenologie
Fig.III.2. Schema conversiei concentraiei , masei sau grosimii
de strat a unei specii chimice sau biologice ntr-o mrime electric
proporional prin intermediul unei structuri biologic active i a
unui traductor adecvatSistemele de tip biosenzorii snt realizri
relativ recente, cu tendin de cretere rapid, ce permit determinri
analitice cantitative rapide, ieftine i in situ, suficient de
precise, a cror selectivitate sensibilitate i limit de detecie
depind de receptorul biologic folosit ultimelele caracteristici
avnd valori deosebit de ridicate . Biosenzorii nu folosesc la
determinri reactivi liberi, genereaz cantiti infime de deeuri
chimico- biologice care snt uor colectate i distruse. Un biosenzor
este reutilizabil i ca atare poate fi folosit pentru un numr mare
de analiize. De regul recetorii biologici activi snt de unic
utilizare dar exist i situaii n care din motive de cost snt pstrate
suporturile i regenerate componentele active. Aplicaiile de baz
pentru biosenzori snt n domeniul medicinei, a problematicii de
mediu, a industriei farmaceutice, a industriei alimentare i a
biotehnologiei. Determinrile experimentale cu biosenzori snt simple
i nu necesit cunostiine de specialitate avansate ci numai
parcurgerea a mai multor etape, dup cum urmeaz :
1 - pornirea aparatului
2 - ataarea receptorului biologic la sistemul electronic, urmat
de recunoaterea automat a acestuia de ctre sistemul electronic
precum i de validarea (invalidarea) acestuia
3 - dozarea unui anumit volum sau cantiti din analit pe sistemul
biologic activ
4 - transformri chimico- biologice ntre materia analizat i
sistemul biologic activ cu generarea de produi de reacie specifici
.
5 - transformarea, pe baza unor dependene fizico chimice
specifice a cantitii produselor de reacie rezultate pe receptorul
biologic activ , ntr- un semnal electric proporional cu concentraia
specieiei urmrite .
6 - procesarea datelor i afiarea electronic a rezultatului
msurtorii
7 -ndeprtarea i colectarea receptoarelor biologic active
folosite la determinare n scopul dezafectrii chimico biologic
ulterioare a acestora i pregtirii sistemului pentru o nou
msurare.
Pentru aducerea componentelor biologice active n apropierea
nemijlocit a traductorului, a asigurrii unor productiviti mari la
determinri precum i pentru asigurarea unor condiii optime de reacie
i de conservare n timp a acestora , snt folosite suporturi solide i
diferite metode de imobilizare a componentelor biologic active pe
acestea precum: adsorbie, absorbie, gelificare, lipire, legare n
reea, realizarea de legturi covalente. Metoda de imobilizare
trebuie s asigure o legare bun a componentelor biologice active de
suportul solid astfel nct acesta s nu difuzexe n materia de
analizat dar s rmn totodat suficient de activ la reacia cu materia
analizat. Receptorii biosenzorilor cu componentele biologice active
imobilizate pe suprafa acestora se pstreaz n cutii nchise i au
termene de valabilitate, inscripionate pe cutie, ce trebuiesc
respectate. In domeniul biosenzorilor snt ncadrai oarecum greit i
ali senzori ce nu au material biologic activ dar snt folosii n
schimb pentru deterinarea selectiv a concentraiei unui component n
cadrul unor procese biologice. In tabelul 1 sint prezentae cteva
specii chimice i biologice importante ce pot fi determinate pe cale
biosenzorial, Tab.III.1. Detecie biosenzorial pentru diferite
specii chimice i biologice mpreun cu senzorul corespunztor
nr. crt.Specia chimic sau biologicSenzorul folosit
1Glucozbiosenor amperometric
2Ureebiosenor poteniometric
3Lactoza biosenor amperometric
4Sodiu electrod de sticl ion -selectiv
5Potasiu electrod de schimb ion -selectiv
6Calciu electrod de sticl ion -selectiv ionofor
7Oxigen senzor cu stingere de fluorescen
8pHelectrod de sticl ion -selectiv
9Penicilinbiosenor poteniometric
10Colesterolbiosenor amperometric
11Hepatita Bchemoluminiscen - immunoassay
12Candida Albicans piezobalant - immunoassay
III.1. Biosenzori electrochimici
Snt deosebit de performani, au aplicaii largi i se bazeaz pe
detecie electrochimic de tip amperometric sau de tip
poteniometric.
Detecia amperometric este potrivit pentru detecia unor produse
de reacie sau de metabolism care se oxideaz respectiv se reduc uor.
La metoda amperometric este msurat curentul electric a unei celule
miniaturale de electroliz (aceasta formeaz sistemul biosenzorial) ,
alimentat la o tensiune electric constant. Conform legii lui
Faraday masa m a unei specii chimice descrcat la un electrod al
celulei electrochimice ntr-un timp t este proporional cu curentul
de electroliz I i cu constanta electrochimic k :
(III.1)Una din aplicaiile cele mai cunoscute ale deteciei
amperometrice la biosenzori o reprezint biosenzorul de glucoz,
fiind folosit la ora actual n medicin pentru determinarea in situ a
glucozei din snge la diabetici i la sportivi . Senzorul de glucoz
are ca material biologic activ enzima oxidoreductaz folosit pentru
biocataliza reaciei de oxidare a glucozei cu oxigenul din aer cu
obinerea de gluconolacton i de peroxid de hidrogen (H2O2) .
Receptorul biologic activ pentru analiza rapid a sngelui se prezint
sub forma unor fii de plastic de unic utilizare ce dispun la un
capt de doi electrozi lamelari miniaturali ntre care se gsete depus
oxidoreductaz sub form de gel uscat iar la cellalt capt fia dispune
de pini electrici de conexiune cu sistemul electronic. La depunerea
unei picturi de snge pe zona acoperit de oxidoreductaz are loc
reacia:
(III.2)Peroxidul de hidrogen este deosebit de reactiv i se
descompune electrozii celulei electrochimice n compunerea creia mai
intr i o surs de tensiune constant asigurat de partea electronic i
un circuit de amplificare i msurare a intensitii curetului electric
ce curge prin celula de electroliz, intensitate proporional cu
cantitatea de peroxid de hidrogen descompus i implicit cu
cantitatea de glucoz din sngele analizat. Conversia valorii
intensitii curentului electric din celul cu valorile de concentraie
de glucoz din snge, precum i afiarea automat a rezultatelor este
realizat de partea electronic a aparatului. Determinarea este
semicantitativ i acoper un domeniu de la 20500 mg/dl, se consider c
la concentraii