1: Biorilevamento elettrochimico

I biosensori elettrochimici sfruttano le naturali proprietà redox di molti processi biologici, come la catalisi enzimatica e altri eventi di legame. I sensori elettrochimici utilizzano elettrodi che sono spesso funzionalizzati con enzimi attivi redox. Quando la molecola bersaglio è coinvolta in una reazione con l'enzima, il guadagno o la perdita di elettroni viene misurato e correlato alla concentrazione. In questo video, esamineremo i principi del rilevamento elettrochimico e descriveremo le basi di un esempio di sensore elettrochimico, il biosensore di glucosio nel sangue.

Innanzitutto, approfondiamo i concetti generali alla base di un biosensore elettrochimico. Come le classiche celle elettrochimiche, questi sensori sono normalmente composti da tre elettrodi: l'elettrodo di lavoro, il controelettrodo e l'elettrodo di riferimento. La reazione avviene all'elettrodo di lavoro, mentre il controelettrodo completa il circuito. L'elettrodo di riferimento fornisce un punto di riferimento stabile per il potenziale redox. I materiali degli elettrodi vengono scelti in base al tipo di sensore, all'analita da rilevare e alla tecnica di misurazione utilizzata. Al fine di aumentare la specificità della molecola bersaglio, l'elemento di bioriconoscimento, come gli enzimi complementari, gli anticorpi o il DNA a filamento singolo, viene immobilizzato sulla superficie degli elettrodi e utilizzato per catturare la molecola bersaglio corrispondente. Quindi viene applicato un segnale elettrico, che provoca la riduzione o l'ossidazione del bersaglio. Questo crea un surplus o un deficit di elettroni, che viene rilevato. Ora, usando come esempio la classica cella a tre elettrodi, diamo un'occhiata a come i sensori elettrochimici misurano questo evento redox.

I sistemi elettrochimici si dividono in diverse categorie: amperometrica, potenziometrica ed impedimetrica in base al tipo di segnale di uscita misurato. I dispositivi amperometrici misurano la variazione di corrente tra l'elettrodo di lavoro e il controelettrodo quando la tensione è nota. L'ingresso di tensione viene mantenuto a un valore costante o come rampa lineare oppure viene fatto scorrere continuamente tra due valori. La variazione di corrente di ossidazione o riduzione misurata è direttamente proporzionale alla concentrazione dell'analita. Per ulteriori informazioni su questa tecnica, fare riferimento al nostro video sulla voltammetria ciclica.

I dispositivi potenziometrici misurano la variazione di tensione tra l'elettrodo di lavoro e quello di riferimento a corrente costante. La concentrazione della soluzione può quindi essere calcolata utilizzando la variazione di potenziale.

Infine, i dispositivi impedimetrici misurano la variazione della conducibilità elettrica della soluzione dell'analita. Misurando la variazione di corrente tra l'elettrodo di lavoro e il contatore nel tempo a una frequenza di tensione A/C di ingresso nota. Da questa corrente di tensione, viene calcolata l'impedenza della soluzione dell'analita. Questa impedenza diminuisce quando la conducibilità elettrica della soluzione dell'analita aumenta e aumenta quando la conducibilità elettrica della soluzione dell'analita diminuisce.

Dopo aver esaminato i principi e i diversi tipi di rilevamento elettrochimico, diamo ora un'occhiata al funzionamento di un biosensore elettrochimico, il sensore di glucosio nel sangue portatile come esempio. I test domiciliari attuali sui livelli di zucchero nel sangue vengono eseguiti utilizzando elettrodi serigrafati su strisce usa e getta. Queste strisce di elettrodi, o circuiti, vengono quindi rivestite con lo strato di enzima e mediatore, uno strato di assorbimento dei liquidi e una pellicola protettiva del circuito, il tutto tenuto insieme da sottili fogli adesivi e distanziatori. Lo strato di assorbimento dei liquidi della striscia aiuta la separazione delle cellule del sangue in modo che solo il siero del sangue raggiunga gli elettrodi ricoperti di enzima e mediatore. Infine, viene applicata una tensione tra gli elettrodi, che innesca la reazione redox del mediatore dell'enzima glucosio sullo strato mediatore-enzima immobilizzato. Il glucosio nel siero del sangue viene convertito in acido gluconico riducendo l'enzima glucosio ossidasi. L'enzima ridotto ritorna al suo stato ossidato perdendo gli elettroni nella molecola mediatore, riducendo così il mediatore. Ora questo mediatore ridotto agisce come una navetta per gli elettroni tra lo strato mediatore-enzima e lo strato di elettrodi sottostante; Perde gli elettroni sulla superficie degli elettrodi e si ossida, generando corrente sull'elettrodo. Questo aumento di corrente, misurato a un dato potenziale, è direttamente proporzionale alla concentrazione di glucosio nel campione.

Dopo aver esaminato l'elettrochimica della glucosio ossidasi, diamo una rapida occhiata al sensore di glucosio utilizzato su un paziente. Il sangue per questo test viene raccolto utilizzando una lancetta di sicurezza. Quindi, il sangue raccolto viene accuratamente individuato sull'area di raccolta del sangue della striscia monouso per un test accurato. Il glucometro conta gli elettroni depositati dal mediatore sugli elettrodi come corrente e quindi calcola la quantità di glucosio necessaria per generare quella quantità di elettricità. Il glucometro visualizza quindi quel numero sullo schermo.

Ora che abbiamo coperto i principi e le procedure alla base dei sensori di glucosio nel sangue, vediamo come le ricerche stanno applicando il biorilevamento elettrochimico in altri campi. Il rilevamento elettrochimico può essere utilizzato anche per rilevare il cancro. In un sistema di sensori, gli anticorpi specifici delle proteine tumorali vengono immobilizzati sulla superficie delle microsfere magnetiche, che vengono incubate nella soluzione del campione, seguite da una seconda soluzione di anticorpi rivelatori attivi redox, anch'essa complementare al bersaglio. Le perle vengono quindi catturate utilizzando campi magnetici sulla superficie di un elettrodo e vengono eseguite misurazioni amperometriche per rilevare la concentrazione di proteine tumorali nel campione.

Infine, l'elettrochimica viene utilizzata anche con microrganismi per generare energia, note come celle a combustibile bioelettrochimiche. I microrganismi vengono coltivati per formare un film sulla superficie anodica o catodica della cella a combustibile. Le proteine attive redox nei microbi partecipano alle reazioni redox degli elettrodi, che generano elettroni e producono energia che viene sfruttata per altre applicazioni.

Hai appena visto il video di Giove sul biorilevamento elettrochimico. Questo video conteneva una panoramica di base dei principi chiave dei biosensori elettrochimici e spiegava in dettaglio il funzionamento del sensore di glucosio nel sangue. Infine, abbiamo illustrato alcune applicazioni reali del biorilevamento elettrochimico. Grazie per l'attenzione.