1: 電気化学的バイオセンシング

電気化学バイオセンサーは、酵素触媒作用やその他の結合イベントなど、多くの生物学的プロセスの自然な酸化還元特性を利用します。電気化学センサーは、酸化還元活性酵素で官能基化されることが多い電極を利用します。標的分子が酵素との反応に関与している場合、電子の獲得または損失が測定され、濃度に関連しています。このビデオでは、電気化学センシングの原理を確認し、電気化学センサーの例である血糖バイオセンサーの基本について説明します。

まず、電気化学バイオセンサーの一般的な概念を掘り下げてみましょう。従来の電気化学セルと同様に、これらのセンサーは通常、作用電極、対電極、および参照電極の3つの電極で構成されています。反応は作用電極で起こり、対電極が回路を完成させます。参照電極は、酸化還元電位の安定した基準点を提供します。電極の材質は、センサーの種類、検出する分析対象物、使用する測定技術に基づいて選択されます。標的分子の特異性を高めるために、相補型酵素、抗体、一本鎖DNAなどの生体認識要素を電極表面に固定化し、対応する標的分子を捕捉するために使用されます。次に、電気信号が印加され、ターゲットが還元または酸化されます。これにより、電子の余剰または不足が発生し、それが検出されます。さて、古典的な3電極セルを例にとり、電気化学センサーがこの酸化還元イベントをどのように測定するかを見てみましょう。

電気化学システムは、測定される出力信号のタイプに基づいて、アンペロメトリック、ポテンショメトリック、およびインピーダンスメトリックの異なるカテゴリに分類されます。アンペロメトリックデバイスは、電圧がわかっているときに、動作電極と対電極の間の電流の変化を測定します。電圧入力は、一定の値に保持されるか、線形ランプとして保持されるか、または2つの値の間で連続的にサイクルされます。測定された酸化電流または還元電流の変化は、分析対象物の濃度に正比例します。この技術の詳細については、サイクリックボルタンメトリーのビデオをご覧ください。

ポテンショメトリックデバイスは、定電流で動作電極と参照電極の間の電圧の変化を測定します。その後、電位の変化を使用して溶液の濃度を計算できます。

最後に、インピーダンス測定装置は、分析物溶液の電気伝導率の変化を測定します。既知の入力A/C電圧周波数で、動作電極と対電極の間の電流の経時変化を測定することにより。この電圧の電流から、分析物溶液のインピーダンスが計算されます。このインピーダンスは、分析物溶液の電気伝導率が増加すると減少し、分析物溶液の電気伝導率が低下すると増加します。

電気化学センシングの原理とさまざまなタイプの概要を説明したので、次に、例としてハンドヘルド血糖値センサーである電気化学バイオセンサーの動作を見てみましょう。血糖値に関する現在の家庭での検査は、使い捨てストリップにスクリーン印刷された電極を使用して行われます。これらの電極ストリップ(回路)は、次に、酵素およびメディエーター層、吸気性層、および回路保護フィルムでコーティングされ、すべてが薄い接着シートとスペーサーでまとめられています。ストリップの液体ウィッキング層は、血清のみが酵素とメディエーターで覆われた電極に到達するように、血球の分離を助けます。最後に、電極間に電圧が印加され、固定化されたメディエーター-酵素層上でグルコース酵素メディエーター酸化還元反応が引き起こされます。血清中のグルコースは、酵素グルコースオキシダーゼを減少させながらグルコン酸に変換されます。還元された酵素は、電子をメディエーター分子に失うことで酸化状態に戻り、メディエーターが減少します。さて、この還元されたメディエーターは、メディエーター酵素層とその下の電極層との間の電子のシャトルとして機能します。電極表面の電子を失い、酸化されて電極に電流が発生します。この電流増加は、特定の電位で測定され、サンプル中のグルコース濃度に正比例します。

グルコースオキシダーゼの電気化学について確認したところで、患者に使用されているグルコースセンサーを簡単に見てみましょう。この検査の血液は、安全ランセットを使用して採取されます。次に、収集された血液は、正確なテストのために使い捨てストリップの採血領域に注意深くスポットされます。グルコースメーターは、メディエーターが電極に堆積した電子を電流としてカウントし、それだけの電気を生成するのにかかったグルコースの量を計算します。その後、血糖値計はその番号を画面に表示します。

血糖値センサーの原理と手順について説明したので、他の分野で電気化学バイオセンシングを研究がどのように適用しているかを見てみましょう。電気化学センシングは、がんの検出にも使用できます。1つのセンサーシステムでは、がんタンパク質特異的抗体が磁気ビーズの表面に固定化され、サンプル溶液中でインキュベートされ、続いて、同じくターゲットに相補的な2番目の酸化還元活性検出器抗体溶液が続きます。次に、ビーズを磁場を使用して電極表面に捕捉し、アンペロメトリック測定を実行してサンプル中のがんタンパク質濃度を検出します。

最後に、電気化学は、生物電気化学燃料電池として知られる、微生物と一緒に発電するためにも使用されます。微生物を培養して、燃料電池のアノードまたはカソード表面に膜を形成します。微生物の酸化還元活性タンパク質は、電極の酸化還元反応に関与し、電極が電子を生成して電力を生成し、他のアプリケーションに利用されます。

Joveの電気化学バイオセンシングに関するビデオをご覧になりました。このビデオでは、電気化学バイオセンサーの主要な原理の基本的な概要と、血糖値センサーの機能について詳しく説明しています。最後に、電気化学バイオセンシングの実際のアプリケーションをいくつか示しました。ご覧いただきありがとうございます。