What are the three main electrodes in an electrochemical biosensor?

Electrochemical biosensors contain a working electrode where the reaction occurs, a counter electrode that completes the circuit, and a reference electrode providing a stable redox potential reference point. The electrode materials are selected based on the sensor type, target analyte, and measurement technique used to ensure optimal performance.

How does a blood glucose sensor measure glucose concentration?

Glucose in blood serum is converted to gluconic acid by the enzyme glucose oxidase, which is reduced in the process. The reduced enzyme transfers electrons to a mediator molecule, which shuttles electrons to the electrode surface. The resulting current increase is directly proportional to glucose concentration, which the meter calculates and displays.

What is the difference between amperometric and potentiometric electrochemical sensing?

Amperometric devices measure current changes between working and counter electrodes at known voltage, with current directly proportional to analyte concentration. Potentiometric devices measure voltage changes between working and reference electrodes at constant current, allowing concentration calculation from potential changes. Each technique provides distinct measurement advantages.

How do biorecognition elements improve electrochemical sensor specificity?

Biorecognition elements such as complementary enzymes, antibodies, or single-stranded DNA are immobilized onto electrode surfaces to capture target molecules specifically. This immobilization increases sensor selectivity by ensuring only the intended target molecule undergoes the redox reaction that generates the measurable electrical signal.

What does impedimetric sensing measure in electrochemical biosensors?

Impedimetric devices measure changes in electrical conductivity of the analyte solution by monitoring current between working and counter electrodes at a known AC voltage frequency. Impedance decreases when conductivity increases and increases when conductivity decreases, allowing accurate analyte concentration determination from these measurements.

How are electrochemical biosensors used to detect cancer proteins?

Cancer protein detection uses cancer-specific antibodies immobilized on magnetic beads incubated in sample solution. A second redox-active detector antibody complementary to the target is added, beads are captured magnetically onto an electrode, and amperometric measurements detect cancer protein concentration in the sample.

What role do mediator molecules play in glucose biosensor function?

Mediator molecules accept electrons from reduced glucose oxidase enzyme and act as electron shuttles between the enzyme layer and electrode surface. The mediator loses electrons at the electrode, becoming oxidized and generating measurable current that correlates directly to glucose concentration in the blood sample.

Elektrochemische biosensing

0 weergaven07:39 min

Elektrochemische biosensoren benutten de natuurlijke redox-eigenschappen van veel biologische processen, zoals enzymkatalyse en andere bindingsgebeurtenissen. Elektrochemische sensoren maken gebruik van elektroden die vaak gefunctionaliseerd zijn met redoxactieve enzymen. Wanneer de doelmolecuul betrokken is bij een reactie met het enzym, wordt het winsten of verliezen van elektronen gemeten en gerelateerd aan de concentratie. In deze video bespreken we de principes van elektrochemisch meten en beschrijven we de basisprincipes van een voorbeeld van een elektrochemische sensor, de bloedglucose biosensor.

Laten we eerst ingaan op de algemene concepten achter een elektrochemische biosensor. Net als klassieke elektrochemische cellen, bestaan deze sensoren normaal gesproken uit drie elektroden: de werkelektrode, de tegenelektrode en de referentie-elektrode. De reactie vindt plaats op de werkelektrode, terwijl de tegenelektrode de kringloop voltooit. De referentie-elektrode biedt een stabiel referentiepunt voor het redoxpotentieel. De elektrodematerialen worden gekozen op basis van het type sensor, het te detecteren analyt en de gebruikte meettechniek. Om de specificiteit van de doelmolecuul te verhogen, wordt het bioherkenningselement, zoals complementaire enzymen, antilichamen of enkelstrengs DNA, geïmmobiliseerd op het oppervlak van de elektrode en gebruikt om het overeenkomstige doelmolecuul te vangen. Vervolgens wordt een elektrisch signaal toegepast, wat resulteert in de reductie of oxidatie van het doelwit. Dit creëert een overschot of tekort aan elektronen, die wordt gedetecteerd. Laten we nu, aan de hand van het klassieke drie-elektrodemodel, eens kijken hoe elektrochemische sensoren deze redoxgebeurtenis meten.

Elektrochemische systemen zijn onderverdeeld in verschillende categorieën: amperometrisch, potentiometrisch en impedimetrisch, op basis van het type gemeten uitvoersignaal. Amperometrische apparaten meten de verandering in stroom tussen de werk- en tegenelektroden wanneer de spanning bekend is. De spanningsingang wordt ofwel op een constante waarde gehouden of als een lineaire ramp of wordt continu gecycled tussen twee waarden. De gemeten verandering in oxidatie- of reductiestroom is direct evenredig met de analytconcentratie. Voor meer informatie over deze techniek verwijzen we naar onze video over cyclische voltammetrie.

Potentiometrische apparaten meten de verandering in spanning tussen de werk- en referentie-elektrode bij een constante stroom. De concentratie van de oplossing kan vervolgens worden berekend aan de hand van de verandering in potentiaal.

Ten slotte meten impedimetrische apparaten de verandering in elektrische geleidbaarheid van de analytoplossing. Door de verandering in stroom tussen de werk- en tegenelektroden in de tijd te meten bij een bekende ingangswisselspanningsfrequentie. Uit deze stroom in spanning wordt de impedantie van de analytoplossing berekend. Deze impedantie neemt af wanneer de elektrische geleidbaarheid van de analytoplossing toeneemt en neemt toe wanneer de elektrische geleidbaarheid van de analytoplossing afneemt.

Na het overzicht van de principes en de verschillende soorten elektrochemisch meten, laten we nu eens kijken naar de werking van een elektrochemische biosensor, de handheld bloedglucosesensor als voorbeeld. Huishoudelijk testen op bloedsuikerspiegel wordt momenteel uitgevoerd met behulp van elektroden die op afdrukbare strips zijn aangebracht. Deze elektrodestrepen of circuits worden vervolgens bedekt met de enzym- en mediatorlaag, een vloeistoftransportlaag en een beschermende film voor het circuit, allemaal bij elkaar gehouden door dunne plakjes lijm en ruimteschuiven. De vloeistoftransportlaag van de strip helpt bij het scheiden van bloedcellen, zodat alleen het bloedserum de met enzymen en mediator bedekte elektroden bereikt. Ten slotte wordt een spanning aangelegd tussen de elektroden, wat de redoxreactie van het glucose-enzymmediator op de geïmmobiliseerde mediator-enzymlaag veroorzaakt. Glucose in het bloedserum wordt omgezet in gluconzuur terwijl het enzym glucoseoxidase wordt gereduceerd. Het gereduceerde enzym keert terug naar zijn geoxideerde toestand door de elektronen aan het mediatormolecuul te verliezen, waardoor het mediator wordt gereduceerd. Nu fungeert dit gereduceerde mediator als een shuttle voor de elektronen tussen de mediator-enzymlaag en de elektrodenlaag eronder; het verliest de elektronen op het elektrodenoppervlak en wordt geoxideerd, waardoor stroom op de elektrode wordt gegenereerd. Deze stroomtoename, gemeten op een bepaald potentiaal, is direct evenredig met de glucoseconcentratie in het monster.

Na het overzicht van de elektrochemie van glucoseoxidase, laten we eens snel kijken naar de glucosesensor die bij een patiënt wordt gebruikt. Het bloed voor deze test wordt verzameld met behulp van een veiligheidslancet. Vervolgens wordt het verzamelde bloed zorgvuldig aangebracht op het bloedopnamegebied van de afdrukbare strip voor nauwkeurige testen. De glucosemeter telt de elektronen die door de mediator op de elektroden worden afgezet als stroom en berekent vervolgens hoeveel glucose er nodig was om zoveel elektriciteit te genereren. De glucosemeter toont vervolgens dat aantal op het scherm.

Nu we de principes en procedure achter bloedglucosesensoren hebben besproken, laten we eens kijken hoe onderzoekers elektrochemisch biometen toepassen in andere velden. Elektrochemisch meten kan ook worden gebruikt om kanker te detecteren. In één sensorsysteem worden specifieke antilichamen voor kankereiwitten geïmmobiliseerd op het oppervlak van magnetische kralen, die worden geïncubeerd in de monstersoplossing, gevolgd door een tweede redoxactieve detectorantilichaamoplossing die ook complementair is aan het doelwit. De kralen worden vervolgens met behulp van magnetische velden op een elektrodenoppervlak gevangen en er worden amperometrische metingen uitgevoerd om de kankereiwitconcentratie in het monster te detecteren.

Ten slotte wordt elektrochemie ook gebruikt met micro-organismen om stroom te genereren, ook wel bio-elektrochemische brandstofcellen genoemd. De micro-organismen worden gekweekt om een film op het anodevlak of het kathodevlak van de brandstofcel te vormen. De redoxactieve eiwitten in de microben nemen de

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Elektrochemische biosensoren detecteren de binding van een doelmolecuul door een oxidatie-reductiegebeurtenis te detecteren. Deze sensoren ebenden de…