1: 전기화학 바이오센싱

전기화학 바이오센서는 효소 촉매 작용 및 기타 결합 이벤트와 같은 많은 생물학적 과정의 자연적인 산화 환원 특성을 이용합니다. 전기화학 센서는 종종 산화 환원 활성 효소로 기능화되는 전극을 사용합니다. 표적 분자가 효소와의 반응에 관여할 때 전자의 이득 또는 손실이 측정되고 농도와 관련이 있습니다. 이 비디오에서는 전기화학 감지의 원리를 검토한 다음 전기화학 센서의 예인 혈당 바이오센서의 기본 사항을 설명합니다.

먼저, 전기화학적 바이오센서의 일반적인 개념에 대해 알아보겠습니다. 고전적인 전기화학 전지와 마찬가지로 이러한 센서는 일반적으로 작동 전극, 상대 전극 및 기준 전극의 세 가지 전극으로 구성됩니다. 반응은 작동 전극에서 발생하고 상대 전극은 회로를 완성합니다. 기준 전극은 산화 환원 전위에 대한 안정적인 기준점을 제공합니다. 전극 재료는 센서의 유형, 검출할 분석물 및 사용된 측정 기술에 따라 선택됩니다. 표적 분자의 특이성을 증가시키기 위해 보상 효소, 항체 또는 단일 가닥 DNA와 같은 생체 인식 요소를 전극 표면에 고정하고 해당 표적 분자를 포획하는 데 사용합니다. 그런 다음 전기 신호가 가해져 대상의 감소 또는 산화를 초래합니다. 이것은 전자의 잉여 또는 결핍을 생성하며, 이는 감지됩니다. 이제 고전적인 3전극 셀을 예로 들어 전기화학 센서가 이 산화환원 이벤트를 측정하는 방법을 살펴보겠습니다.

전기 화학 시스템은 측정 된 출력 신호의 유형에 따라 전류 측정, 전위차 및 임피던스 측정의 여러 범주로 나뉩니다. 전류 측정 장치는 전압이 알려졌을 때 작동 전극과 상대 전극 사이의 전류 변화를 측정합니다. 전압 입력은 일정한 값으로 유지되거나 선형 램프로 유지되거나 두 값 사이에서 연속적으로 순환됩니다. 측정된 산화 또는 환원 전류 변화는 분석물 농도에 정비례합니다. 이 기술에 대한 자세한 내용은 순환 전압전류법 비디오를 참조하십시오.

전위차 장치는 정전류에서 작동 전극과 기준 전극 사이의 전압 변화를 측정합니다. 그런 다음 전위의 변화를 사용하여 용액의 농도를 계산할 수 있습니다.

마지막으로, 지연 측정 장치는 분석물 용액의 전기 전도도 변화를 측정합니다. 알려진 입력 A/C 전압 주파수에서 시간 경과에 따른 작동 전극과 상대 전극 사이의 전류 변화를 측정합니다. 이 전압의 전류에서 분석물 용액의 임피던스가 계산됩니다. 이 임피던스는 분석물 용액의 전기 전도도가 증가할 때 감소하고 분석물 용액의 전기 전도도가 감소할 때 증가합니다.

전기화학적 감지의 원리와 다양한 유형에 대해 개괄적으로 살펴보았으므로 이제 전기화학적 바이오센서인 휴대용 혈당 센서의 작동 원리를 예로 들어 살펴보겠습니다. 현재 가정에서 혈당 수치를 검사하는 것은 일회용 스트립에 스크린 인쇄된 전극을 사용하여 수행됩니다. 그런 다음 이러한 전극 스트립 또는 회로는 효소 및 매개체층, 액체 흡수층 및 회로 보호 필름으로 코팅되며 모두 얇은 접착 시트와 스페이서로 함께 고정됩니다. 스트립의 액체 위킹 층은 혈액 세포 분리를 도와 혈액 혈청만 효소와 매개체로 덮인 전극에 도달하도록 합니다. 마지막으로, 전극 사이에 전압이 가해져 고정된 매개체-효소 층에서 포도당 효소 매개체 산화 환원 반응을 유발합니다. 혈청의 포도당은 효소 포도당 산화효소를 환원시키면서 글루콘산으로 전환됩니다. 환원된 효소는 매개체 분자에 대한 전자를 잃음으로써 산화 상태로 되돌아가 매개체를 환원시킵니다. 이제 이 감소된 매개체는 매개체-효소 층과 그 아래의 전극층 사이의 전자에 대한 셔틀 역할을 합니다. 전극 표면에서 전자를 잃고 산화되어 전극에서 전류를 생성합니다. 주어진 전위에서 측정된 이 전류 증가는 샘플의 포도당 농도에 정비례합니다.

포도당 산화효소의 전기화학을 검토한 후 환자에게 사용되는 포도당 센서를 간단히 살펴보겠습니다. 이 검사를 위한 혈액은 안전 랜싯을 사용하여 채취합니다. 그런 다음 수집된 혈액은 정확한 검사를 위해 일회용 스트립의 채혈 영역에 조심스럽게 발견됩니다. 혈당 측정기는 매개체(mediator)가 전극에 증착한 전자를 전류로 계산한 다음 그 정도의 전기를 생산하는 데 얼마나 많은 포도당이 필요한지 계산합니다. 그런 다음 혈당 측정기는 해당 숫자를 화면에 표시합니다.

혈당 센서의 원리와 절차를 다루었으므로 이제 연구가 다른 분야에서 전기화학적 생체 감지를 어떻게 적용하고 있는지 살펴보겠습니다. 전기화학적 감지는 암을 감지하는 데에도 사용할 수 있습니다. 하나의 센서 시스템에서는 암 단백질 특이적 항체가 시료 용액에서 배양된 마그네틱 비드 표면에 고정화된 후 표적에 상보적인 두 번째 산화환원 활성 검출기 항체 용액이 주입됩니다. 그런 다음 자기장을 사용하여 전극 표면에 비드를 캡처하고 전류 측정 측정을 수행하여 샘플의 암 단백질 농도를 감지합니다.

마지막으로, 전기화학은 미생물과 함께 사용되어 생체 전기화학적 연료 전지로 알려진 전력을 생성합니다. 미생물은 배양되어 연료 전지의 양극 또는 음극 표면에 필름을 형성합니다. 미생물의 산화환원 활성 단백질은 전극의 산화환원 반응에 참여하여 전자를 생성하고 다른 응용 분야에 활용되는 전력을 생성합니다.

방금 전기화학적 바이오센싱에 대한 Jove의 비디오를 시청하셨습니다. 이 비디오에는 전기화학 바이오센서의 핵심 원리에 대한 기본 개요가 포함되어 있으며 혈당 센서의 기능에 대해 자세히 설명했습니다. 마지막으로, 전기화학적 바이오센싱의 몇 가지 실제 응용 분야에 대해 설명했습니다. 시청해 주셔서 감사합니다.