1: الاستشعار الحيوي الكهروكيميائي

تستغل المستشعرات الحيوية الكهروكيميائية خصائص الأكسدة والاختزال الطبيعية للعديد من العمليات البيولوجية ، مثل تحفيز الإنزيم وأحداث الربط الأخرى. تستخدم المستشعرات الكهروكيميائية أقطاب كهربائية غالبا ما تعمل بإنزيمات الأكسدة والاختزال. عندما يشارك الجزيء المستهدف في تفاعل مع الإنزيم ، يتم قياس كسب الإلكترونات أو فقدانها ويرتبط بالتركيز. في هذا الفيديو، سنراجع مبادئ الاستشعار الكهروكيميائي، ثم نصف أساسيات مثال على المستشعر الكهروكيميائي، وهو المستشعر الحيوي لجلوكوز الدم.

أولا ، دعنا نتعمق في المفاهيم العامة وراء المستشعر الحيوي الكهروكيميائي. مثل الخلايا الكهروكيميائية الكلاسيكية ، تتكون هذه المستشعرات عادة من ثلاثة أقطاب كهربائية: القطب الكهربائي العامل ، والقطب المضاد ، والقطب المرجعي. يحدث التفاعل عند القطب الكهربائي العامل ، بينما يكمل القطب المضاد الدائرة. يوفر القطب المرجعي نقطة مرجعية مستقرة لإمكانات الأكسدة والاختزال. يتم اختيار مواد القطب الكهربائي بناء على نوع المستشعر والتحليل المراد اكتشافه وتقنية القياس المستخدمة. من أجل زيادة خصوصية الجزيء المستهدف ، يتم تثبيت عنصر التعرف الحيوي ، مثل الإنزيمات التكميلية أو الأجسام المضادة أو الحمض النووي أحادي الشريطة ، على سطح الأقطاب الكهربائية واستخدامه لالتقاط الجزيء المستهدف المقابل. ثم يتم تطبيق إشارة كهربائية ، مما يؤدي إلى تقليل أو أكسدة الهدف. هذا يخلق إما فائضا أو نقصا في الإلكترونات ، والذي يتم اكتشافه. والآن، باستخدام خلية الأقطاب الكهربائية الثلاثة الكلاسيكية كمثال، دعونا نلق نظرة على كيفية قياس المستشعرات الكهروكيميائية لحدث الأكسدة والاختزال.

تنقسم الأنظمة الكهروكيميائية إلى فئات مختلفة: التمبير الكهربائي ، وقياس الجهد ، والمعوقة بناء على نوع إشارة الخرج المقاسة. تقيس أجهزة قياس الأمبير التغير في التيارات بين الأقطاب الكهربائية العاملة والمضادة عندما يكون الجهد معروفا. يتم الاحتفاظ بإدخال الجهد إما عند قيمة ثابتة أو كمنحدر خطي أو يتم تدويره باستمرار بين قيمتين. يتناسب تغير تيار الأكسدة أو الاختزال المقاس طرديا مع تركيز المادة التحليلية. لمزيد من المعلومات حول هذه التقنية ، يرجى الرجوع إلى فيديو قياس الفولتامتر الدوري.

تقيس أجهزة قياس الجهد التغير في الجهد بين القطب الكهربائي العامل والمرجعي بتيار ثابت. يمكن بعد ذلك حساب تركيز المحلول باستخدام التغير في الجهد.

أخيرا ، تقيس الأجهزة المعوقة التغير في التوصيل الكهربائي لمحلول التحليل. عن طريق قياس التغير في التيار بين أقطاب العمل والأقطاب المضادة بمرور الوقت عند تردد جهد إدخال A / C معروف. من هذا التيار في الجهد ، يتم حساب مقاومة محلول التحليل التحليلي. تنخفض هذه المعاوقة عندما تزداد الموصلية الكهربائية لمحلول التحليل وتزداد عندما تنخفض الموصلية الكهربائية لمحلول التحليل.

بعد الاطلاع على المبادئ والأنواع المختلفة للاستشعار الكهروكيميائي ، دعونا الآن نلقي نظرة على طريقة عمل جهاز الاستشعار الحيوي الكهروكيميائي ، وهو مستشعر جلوكوز الدم المحمول باليد كمثال. يتم إجراء الاختبار المنزلي الحالي لمستويات السكر في الدم باستخدام أقطاب كهربائية مطبوعة على شرائط يمكن التخلص منها. ثم يتم طلاء شرائط الأقطاب الكهربائية هذه ، أو الدوائر ، بطبقة الإنزيم والوسيط ، وطبقة فتل السائل ، وطبقة واقية من الدائرة ، وكلها مثبتة معا بواسطة صفائح لاصقة رقيقة وفواصل فاصلة. تساعد طبقة فتل السائل في الشريط على فصل خلايا الدم بحيث يصل مصل الدم فقط إلى الأقطاب الكهربائية المغطاة بالإنزيم والوسيط. أخيرا ، يتم تطبيق جهد بين الأقطاب الكهربائية ، مما يؤدي إلى تفاعل الأكسدة والاختزال الوسيط لإنزيم الجلوكوز على طبقة الإنزيم الوسيط غير المشمولة. يتم تحويل الجلوكوز في مصل الدم إلى حمض الجلوكونيك مع تقليل إنزيم الجلوكوز أوكسيديز. يعود الإنزيم المخفض إلى حالته المؤكسدة عن طريق فقدان الإلكترونات في جزيء الوسيط ، وبالتالي تقليل الوسيط. الآن يعمل هذا الوسيط المخفض كمكوك للإلكترونات بين طبقة الإنزيم الوسيط وطبقة القطب الكهربائي تحتها ؛؟ يفقد الإلكترونات الموجودة على سطح الأقطاب الكهربائية ويتأكسد ، مما يولد تيارا في القطب. تتناسب هذه الزيادة الحالية ، المقاسة عند جهد معين ، طرديا مع تركيز الجلوكوز في العينة.

بعد مراجعة الكيمياء الكهربية للأكسيديز الجلوكوز ، دعنا نلقي نظرة سريعة على مستشعر الجلوكوز المستخدم على المريض. يتم جمع الدم لهذا الاختبار باستخدام إبرة الأمان. بعد ذلك ، يتم رصد الدم الذي تم جمعه بعناية في منطقة جمع الدم في الشريط القابل للتصرف لإجراء اختبار دقيق. يحسب مقياس الجلوكوز الإلكترونات التي يوسبها الوسيط في الأقطاب الكهربائية على أنها تيار ثم يحسب كمية الجلوكوز اللازمة لتوليد هذا القدر من الكهرباء. ثم يعرض مقياس الجلوكوز هذا الرقم على شاشته.

الآن بعد أن غطينا المبادئ والإجراءات الكامنة وراء أجهزة استشعار جلوكوز الدم ، دعنا نرى كيف تطبق الأبحاث الاستشعار الحيوي الكهروكيميائي في بعض المجالات الأخرى. يمكن أيضا استخدام الاستشعار الكهروكيميائي للكشف عن السرطان. في أحد أنظمة الاستشعار ، يتم تثبيت الأجسام المضادة الخاصة بالبروتين السرطاني على سطح الخرز المغناطيسي ، والتي يتم احتضانها في محلول العينة ، متبوعا بمحلول أجسام مضادة ثان للكشف النشط عن الأكسدة والاختزال مكمل أيضا للهدف. ثم يتم التقاط الخرزات باستخدام المجالات المغناطيسية على سطح القطب الكهربائي ، ويتم إجراء قياسات الأمبيرومتر للكشف عن تركيز بروتين السرطان في العينة.

أخيرا ، تستخدم الكيمياء الكهربائية أيضا مع الكائنات الحية الدقيقة لتوليد الطاقة ، والمعروفة باسم خلايا الوقود الكهروكيميائية الحيوية. يتم استزراع الكائنات الحية الدقيقة لتشكيل فيلم على سطح الأنود أو الكاثود لخلية الوقود. تشارك بروتينات الأكسدة والاختزال النشطة في الميكروبات في تفاعلات الأكسدة والاختزال للأقطاب الكهربائية ، والتي تولد الإلكترونات وتنتج الطاقة التي يتم تسخيرها لتطبيقات أخرى.

لقد شاهدت للتو فيديو Jove حول الاستشعار الحيوي الكهروكيميائي. احتوى هذا الفيديو على نظرة عامة أساسية على المبادئ الأساسية لأجهزة الاستشعار الحيوية الكهروكيميائية وشرح عمل مستشعر جلوكوز الدم بالتفصيل. أخيرا ، أوضحنا بعض التطبيقات الواقعية للاستشعار الحيوي الكهروكيميائي. شكرا للمشاهدة.