Biodetekcja elektrochemiczna
Bioczujniki elektrochemiczne wykorzystują naturalne właściwości redoks wielu procesów biologicznych, takich jak kataliza enzymatyczna i inne zdarzenia wiązania. Czujniki elektrochemiczne wykorzystują elektrody, które często są funkcjonalizowane aktywnymi enzymami redoks. Gdy cząsteczka docelowa bierze udział w reakcji z enzymem, mierzy się przyrost lub utratę elektronów i odnosi się do stężenia. W tym filmie przyjrzymy się zasadom wykrywania elektrochemicznego, a następnie opiszemy podstawy przykładowego czujnika elektrochemicznego, biosensora stężenia glukozy we krwi.
Najpierw zagłębmy się w ogólne koncepcje bioczujnika elektrochemicznego. Podobnie jak klasyczne ogniwa elektrochemiczne, czujniki te składają się zwykle z trzech elektrod: elektrody roboczej, elektrody przeciwnej i elektrody odniesienia. Reakcja zachodzi na elektrodzie roboczej, podczas gdy przeciwelektroda zamyka obwód. Elektroda referencyjna zapewnia stabilny punkt odniesienia dla potencjału redoks. Materiały elektrod są wybierane na podstawie typu czujnika, analitu, który ma być wykryty, oraz zastosowanej techniki pomiaru. W celu zwiększenia specyficzności cząsteczki docelowej, element biorozpoznawania, taki jak komplementarne enzymy, przeciwciała lub jednoniciowe DNA, jest unieruchamiany na powierzchni elektrod i wykorzystywany do wychwytywania odpowiedniej cząsteczki docelowej. Następnie podawany jest sygnał elektryczny, który powoduje redukcję lub utlenienie celu. Powoduje to albo nadmiar, albo deficyt elektronów, który jest wykrywany. Teraz, używając klasycznego ogniwa trzyelektrodowego jako przykładu, przyjrzyjmy się, jak czujniki elektrochemiczne mierzą to zdarzenie redoks.
Systemy elektrochemiczne dzielą się na różne kategorie: amperometryczne, potencjometryczne i impedymetryczne w zależności od rodzaju mierzonego sygnału wyjściowego. Urządzenia amperometryczne mierzą zmianę prądu między elektrodą roboczą a przeciwelektrodą, gdy znane jest napięcie. Napięcie wejściowe jest utrzymywane na stałej wartości lub jako rampa liniowa lub jest w sposób ciągły przełączane między dwiema wartościami. Zmierzona zmiana prądu utleniania lub redukcji jest wprost proporcjonalna do stężenia analitu. Aby uzyskać więcej informacji na temat tej techniki, zapoznaj się z naszym filmem o woltamperometrii cyklicznej.
Urządzenia potencjometryczne mierzą zmianę napięcia między elektrodą roboczą a elektrodą odniesienia przy stałym prądzie. Stężenie roztworu można następnie obliczyć na podstawie zmiany potencjału.
Wreszcie, urządzenia impedymetryczne mierzą zmianę przewodności elektrycznej roztworu analitu. Mierząc zmianę prądu między elektrodą roboczą a przeciwelektrodą w czasie przy znanej częstotliwości napięcia wejściowego A/C. Na podstawie tego prądu w napięciu oblicza się impedancję roztworu analitu. Impedancja ta zmniejsza się, gdy przewodność elektryczna roztworu analitu wzrasta i wzrasta, gdy przewodność elektryczna roztworu analitu maleje.
Po zapoznaniu się z zasadami i różnymi rodzajami czujników elektrochemicznych, przyjrzyjmy się teraz działaniu bioczujnika elektrochemicznego, na przykład ręcznego czujnika stężenia glukozy we krwi. Obecnie domowe testy poziomu cukru we krwi są wykonywane za pomocą elektrod, które są drukowane metodą sitodruku na jednorazowych paskach. Te paski elektrod lub obwody są następnie powlekane warstwą enzymu i mediatora, warstwą odprowadzającą płyn i folią ochronną obwodu, a wszystko to utrzymywane razem za pomocą cienkich arkuszy samoprzylepnych i przekładek. Warstwa odprowadzająca płyn paska pomaga w separacji komórek krwi, dzięki czemu tylko surowica krwi dociera do elektrod pokrytych enzymem i mediatorem. Na koniec między elektrodami przykładane jest napięcie, które wyzwala reakcję redoks mediatora enzymu glukozowego na unieruchomionej warstwie mediator-enzym. Glukoza w surowicy krwi jest przekształcana w kwas glukonowy, jednocześnie redukując enzym oksydazę glukozową. Zredukowany enzym powraca do stanu utlenionego poprzez utratę elektronów na rzecz cząsteczki mediatora, zmniejszając w ten sposób mediator. Teraz ten zredukowany mediator działa jak wahadłowiec dla elektronów między warstwą mediatora-enzymu a warstwą elektrody poniżej; Traci elektrony na powierzchni elektrod i utlenia się, generując prąd na elektrodzie. Ten wzrost prądu, mierzony przy danym potencjale, jest wprost proporcjonalny do stężenia glukozy w próbce.
Po zapoznaniu się z elektrochemią oksydazy glukozowej rzućmy okiem na czujnik glukozy używany u pacjenta. Krew do tego badania pobiera się za pomocą bezpiecznego lancetu. Następnie pobrana krew jest ostrożnie umieszczana w obszarze pobierania krwi na jednorazowym pasku w celu dokładnego przetestowania. Glukometr zlicza elektrony zdeponowane przez mediatora na elektrodach jako prąd, a następnie oblicza, ile glukozy zajęło wytworzenie takiej ilości energii elektrycznej. Glukometr następnie wyświetla ten numer na ekranie.
Teraz, gdy omówiliśmy zasady i procedurę stojącą za czujnikami stężenia glukozy we krwi, zobaczmy, jak naukowcy stosują biodetekcję elektrochemiczną w innych dziedzinach. Wykrywanie elektrochemiczne może być również wykorzystywane do wykrywania raka. W jednym systemie czujników przeciwciała specyficzne dla białka nowotworowego są unieruchamiane na powierzchni kulek magnetycznych, które są inkubowane w roztworze próbki, a następnie podawany jest drugi roztwór przeciwciała redoks z aktywnym detektorem, który jest również komplementarny w stosunku do celu. Kulki są następnie wychwytywane za pomocą pól magnetycznych na powierzchni elektrody i wykonywane są pomiary amperometryczne w celu wykrycia stężenia białka rakowego w próbce.
Wreszcie, elektrochemia jest również wykorzystywana w przypadku mikroorganizmów do wytwarzania energii, znanych jako bioelektrochemiczne ogniwa paliwowe. Mikroorganizmy są hodowane w celu utworzenia filmu na powierzchni anody lub katody ogniwa paliwowego. Aktywne białka redoks w mikroorganizmach uczestniczą w reakcjach redoks elektrod, które generują elektrony i wytwarzają energię, która jest wykorzystywana do innych zastosowań.
Właśnie obejrzałeś film Jowisza na temat biodetekcji elektrochemicznej. Ten film zawierał podstawowy przegląd kluczowych zasad działania bioczujników elektrochemicznych i szczegółowo wyjaśniał działanie czujnika stężenia glukozy we krwi. Na koniec zilustrowaliśmy kilka rzeczywistych zastosowań biodetekcji elektrochemicznej. Dzięki za oglądanie.
Bioczujniki elektrochemiczne wykrywają wiązanie cząsteczki docelowej poprzez wykrywanie zdarzenia utleniania-redukcji. Czujniki te utorowały drogę dla…
Bioczujniki elektrochemiczne wykorzystują naturalne właściwości redoks wielu procesów biologicznych, takich jak kataliza enzymatyczna i inne zdarzenia wiązania. Czujniki elektrochemiczne wykorzystują elektrody, które często są funkcjonalizowane aktywnymi enzymami redoks. Gdy cząsteczka docelowa bierze udział w reakcji z enzymem, mierzy się przyrost lub utratę elektronów i odnosi się do stężenia. W tym filmie przyjrzymy się zasadom wykrywania elektrochemicznego, a następnie opiszemy podstawy przykładowego czujnika elektrochemicznego, biosensora stężenia glukozy we krwi.
Najpierw zagłębmy się w ogólne koncepcje bioczujnika elektrochemicznego. Podobnie jak klasyczne ogniwa elektrochemiczne, czujniki te składają się zwykle z trzech elektrod: elektrody roboczej, elektrody przeciwnej i elektrody odniesienia. Reakcja zachodzi na elektrodzie roboczej, podczas gdy przeciwelektroda zamyka obwód. Elektroda referencyjna zapewnia stabilny punkt odniesienia dla potencjału redoks. Materiały elektrod są wybierane na podstawie typu czujnika, analitu, który ma być wykryty, oraz zastosowanej techniki pomiaru. W celu zwiększenia specyficzności cząsteczki docelowej, element biorozpoznawania, taki jak komplementarne enzymy, przeciwciała lub jednoniciowe DNA, jest unieruchamiany na powierzchni elektrod i wykorzystywany do wychwytywania odpowiedniej cząsteczki docelowej. Następnie podawany jest sygnał elektryczny, który powoduje redukcję lub utlenienie celu. Powoduje to albo nadmiar, albo deficyt elektronów, który jest wykrywany. Teraz, używając klasycznego ogniwa trzyelektrodowego jako przykładu, przyjrzyjmy się, jak czujniki elektrochemiczne mierzą to zdarzenie redoks.
Systemy elektrochemiczne dzielą się na różne kategorie: amperometryczne, potencjometryczne i impedymetryczne w zależności od rodzaju mierzonego sygnału wyjściowego. Urządzenia amperometryczne mierzą zmianę prądu między elektrodą roboczą a przeciwelektrodą, gdy znane jest napięcie. Napięcie wejściowe jest utrzymywane na stałej wartości lub jako rampa liniowa lub jest w sposób ciągły przełączane między dwiema wartościami. Zmierzona zmiana prądu utleniania lub redukcji jest wprost proporcjonalna do stężenia analitu. Aby uzyskać więcej informacji na temat tej techniki, zapoznaj się z naszym filmem o woltamperometrii cyklicznej.
Urządzenia potencjometryczne mierzą zmianę napięcia między elektrodą roboczą a elektrodą odniesienia przy stałym prądzie. Stężenie roztworu można następnie obliczyć na podstawie zmiany potencjału.
Wreszcie, urządzenia impedymetryczne mierzą zmianę przewodności elektrycznej roztworu analitu. Mierząc zmianę prądu między elektrodą roboczą a przeciwelektrodą w czasie przy znanej częstotliwości napięcia wejściowego A/C. Na podstawie tego prądu w napięciu oblicza się impedancję roztworu analitu. Impedancja ta zmniejsza się, gdy przewodność elektryczna roztworu analitu wzrasta i wzrasta, gdy przewodność elektryczna roztworu analitu maleje.
Po zapoznaniu się z zasadami i różnymi rodzajami czujników elektrochemicznych, przyjrzyjmy się teraz działaniu bioczujnika elektrochemicznego, na przykład ręcznego czujnika stężenia glukozy we krwi. Obecnie domowe testy poziomu cukru we krwi są wykonywane za pomocą elektrod, które są drukowane metodą sitodruku na jednorazowych paskach. Te paski elektrod lub obwody są następnie powlekane warstwą enzymu i mediatora, warstwą odprowadzającą płyn i folią ochronną obwodu, a wszystko to utrzymywane razem za pomocą cienkich arkuszy samoprzylepnych i przekładek. Warstwa odprowadzająca płyn paska pomaga w separacji komórek krwi, dzięki czemu tylko surowica krwi dociera do elektrod pokrytych enzymem i mediatorem. Na koniec między elektrodami przykładane jest napięcie, które wyzwala reakcję redoks mediatora enzymu glukozowego na unieruchomionej warstwie mediator-enzym. Glukoza w surowicy krwi jest przekształcana w kwas glukonowy, jednocześnie redukując enzym oksydazę glukozową. Zredukowany enzym powraca do stanu utlenionego poprzez utratę elektronów na rzecz cząsteczki mediatora, zmniejszając w ten sposób mediator. Teraz ten zredukowany mediator działa jak wahadłowiec dla elektronów między warstwą mediatora-enzymu a warstwą elektrody poniżej; Traci elektrony na powierzchni elektrod i utlenia się, generując prąd na elektrodzie. Ten wzrost prądu, mierzony przy danym potencjale, jest wprost proporcjonalny do stężenia glukozy w próbce.
Po zapoznaniu się z elektrochemią oksydazy glukozowej rzućmy okiem na czujnik glukozy używany u pacjenta. Krew do tego badania pobiera się za pomocą bezpiecznego lancetu. Następnie pobrana krew jest ostrożnie umieszczana w obszarze pobierania krwi na jednorazowym pasku w celu dokładnego przetestowania. Glukometr zlicza elektrony zdeponowane przez mediatora na elektrodach jako prąd, a następnie oblicza, ile glukozy zajęło wytworzenie takiej ilości energii elektrycznej. Glukometr następnie wyświetla ten numer na ekranie.
Teraz, gdy omówiliśmy zasady i procedurę stojącą za czujnikami stężenia glukozy we krwi, zobaczmy, jak naukowcy stosują biodetekcję elektrochemiczną w innych dziedzinach. Wykrywanie elektrochemiczne może być również wykorzystywane do wykrywania raka. W jednym systemie czujników przeciwciała specyficzne dla białka nowotworowego są unieruchamiane na powierzchni kulek magnetycznych, które są inkubowane w roztworze próbki, a następnie podawany jest drugi roztwór przeciwciała redoks z aktywnym detektorem, który jest również komplementarny w stosunku do celu. Kulki są następnie wychwytywane za pomocą pól magnetycznych na powierzchni elektrody i wykonywane są pomiary amperometryczne w celu wykrycia stężenia białka rakowego w próbce.
Wreszcie, elektrochemia jest również wykorzystywana w przypadku mikroorganizmów do wytwarzania energii, znanych jako bioelektrochemiczne ogniwa paliwowe. Mikroorganizmy są hodowane w celu utworzenia filmu na powierzchni anody lub katody ogniwa paliwowego. Aktywne białka redoks w mikroorganizmach uczestniczą w reakcjach redoks elektrod, które generują elektrony i wytwarzają energię, która jest wykorzystywana do innych zastosowań.
Właśnie obejrzałeś film Jowisza na temat biodetekcji elektrochemicznej. Ten film zawierał podstawowy przegląd kluczowych zasad działania bioczujników elektrochemicznych i szczegółowo wyjaśniał działanie czujnika stężenia glukozy we krwi. Na koniec zilustrowaliśmy kilka rzeczywistych zastosowań biodetekcji elektrochemicznej. Dzięki za oglądanie.
Zaloguj się lub , aby uzyskać dostęp do pełnej treści. Dowiedz się więcej o dostępie Twojej instytucji do treści JoVE tutaj
Bioczujniki elektrochemiczne wykorzystują naturalne właściwości redoks wielu procesów biologicznych, takich jak kataliza enzymatyczna i inne zdarzenia wiązania. Czujniki elektrochemiczne wykorzystują elektrody, które często są funkcjonalizowane aktywnymi enzymami redoks. Gdy cząsteczka docelowa bierze udział w reakcji z enzymem, mierzy się przyrost lub utratę elektronów i odnosi się do stężenia. W tym filmie przyjrzymy się zasadom wykrywania elektrochemicznego, a następnie opiszemy podstawy przykładowego czujnika elektrochemicznego, biosensora stężenia glukozy we krwi.
Najpierw zagłębmy się w ogólne koncepcje bioczujnika elektrochemicznego. Podobnie jak klasyczne ogniwa elektrochemiczne, czujniki te składają się zwykle z trzech elektrod: elektrody roboczej, elektrody przeciwnej i elektrody odniesienia. Reakcja zachodzi na elektrodzie roboczej, podczas gdy przeciwelektroda zamyka obwód. Elektroda referencyjna zapewnia stabilny punkt odniesienia dla potencjału redoks. Materiały elektrod są wybierane na podstawie typu czujnika, analitu, który ma być wykryty, oraz zastosowanej techniki pomiaru. W celu zwiększenia specyficzności cząsteczki docelowej, element biorozpoznawania, taki jak komplementarne enzymy, przeciwciała lub jednoniciowe DNA, jest unieruchamiany na powierzchni elektrod i wykorzystywany do wychwytywania odpowiedniej cząsteczki docelowej. Następnie podawany jest sygnał elektryczny, który powoduje redukcję lub utlenienie celu. Powoduje to albo nadmiar, albo deficyt elektronów, który jest wykrywany. Teraz, używając klasycznego ogniwa trzyelektrodowego jako przykładu, przyjrzyjmy się, jak czujniki elektrochemiczne mierzą to zdarzenie redoks.
Systemy elektrochemiczne dzielą się na różne kategorie: amperometryczne, potencjometryczne i impedymetryczne w zależności od rodzaju mierzonego sygnału wyjściowego. Urządzenia amperometryczne mierzą zmianę prądu między elektrodą roboczą a przeciwelektrodą, gdy znane jest napięcie. Napięcie wejściowe jest utrzymywane na stałej wartości lub jako rampa liniowa lub jest w sposób ciągły przełączane między dwiema wartościami. Zmierzona zmiana prądu utleniania lub redukcji jest wprost proporcjonalna do stężenia analitu. Aby uzyskać więcej informacji na temat tej techniki, zapoznaj się z naszym filmem o woltamperometrii cyklicznej.
Urządzenia potencjometryczne mierzą zmianę napięcia między elektrodą roboczą a elektrodą odniesienia przy stałym prądzie. Stężenie roztworu można następnie obliczyć na podstawie zmiany potencjału.
Wreszcie, urządzenia impedymetryczne mierzą zmianę przewodności elektrycznej roztworu analitu. Mierząc zmianę prądu między elektrodą roboczą a przeciwelektrodą w czasie przy znanej częstotliwości napięcia wejściowego A/C. Na podstawie tego prądu w napięciu oblicza się impedancję roztworu analitu. Impedancja ta zmniejsza się, gdy przewodność elektryczna roztworu analitu wzrasta i wzrasta, gdy przewodność elektryczna roztworu analitu maleje.
Po zapoznaniu się z zasadami i różnymi rodzajami czujników elektrochemicznych, przyjrzyjmy się teraz działaniu bioczujnika elektrochemicznego, na przykład ręcznego czujnika stężenia glukozy we krwi. Obecnie domowe testy poziomu cukru we krwi są wykonywane za pomocą elektrod, które są drukowane metodą sitodruku na jednorazowych paskach. Te paski elektrod lub obwody są następnie powlekane warstwą enzymu i mediatora, warstwą odprowadzającą płyn i folią ochronną obwodu, a wszystko to utrzymywane razem za pomocą cienkich arkuszy samoprzylepnych i przekładek. Warstwa odprowadzająca płyn paska pomaga w separacji komórek krwi, dzięki czemu tylko surowica krwi dociera do elektrod pokrytych enzymem i mediatorem. Na koniec między elektrodami przykładane jest napięcie, które wyzwala reakcję redoks mediatora enzymu glukozowego na unieruchomionej warstwie mediator-enzym. Glukoza w surowicy krwi jest przekształcana w kwas glukonowy, jednocześnie zmniejszając enzym oksydazę glukozową. Zredukowany enzym powraca do stanu utlenionego poprzez utratę elektronów na rzecz cząsteczki mediatora, zmniejszając w ten sposób mediator. Teraz ten zredukowany mediator działa jak wahadłowiec dla elektronów między warstwą mediatora-enzymu a warstwą elektrody pod nią;? Traci elektrony na powierzchni elektrod i utlenia się, generując prąd na elektrodzie. Ten wzrost prądu, mierzony przy danym potencjale, jest wprost proporcjonalny do stężenia glukozy w próbce.
Po zapoznaniu się z elektrochemią oksydazy glukozowej rzućmy okiem na czujnik glukozy używany u pacjenta. Krew do tego badania pobiera się za pomocą bezpiecznego lancetu. Następnie pobrana krew jest ostrożnie umieszczana w obszarze pobierania krwi na jednorazowym pasku w celu dokładnego przetestowania. Glukometr zlicza elektrony zdeponowane przez mediatora na elektrodach jako prąd, a następnie oblicza, ile glukozy zajęło wytworzenie takiej ilości energii elektrycznej. Glukometr następnie wyświetla ten numer na ekranie.
Teraz, gdy omówiliśmy zasady i procedurę stojącą za czujnikami stężenia glukozy we krwi, zobaczmy, jak naukowcy stosują biodetekcję elektrochemiczną w innych dziedzinach. Wykrywanie elektrochemiczne może być również wykorzystywane do wykrywania raka. W jednym systemie czujników przeciwciała specyficzne dla białka nowotworowego są unieruchamiane na powierzchni kulek magnetycznych, które są inkubowane w roztworze próbki, a następnie podawany jest drugi roztwór przeciwciała redoks z aktywnym detektorem, który jest również komplementarny w stosunku do celu. Kulki są następnie wychwytywane za pomocą pól magnetycznych na powierzchni elektrody i wykonywane są pomiary amperometryczne w celu wykrycia stężenia białka rakowego w próbce.
Wreszcie, elektrochemia jest również wykorzystywana w przypadku mikroorganizmów do wytwarzania energii, znanych jako bioelektrochemiczne ogniwa paliwowe. Mikroorganizmy są hodowane w celu utworzenia filmu na powierzchni anody lub katody ogniwa paliwowego. Aktywne białka redoks w mikroorganizmach uczestniczą w reakcjach redoks elektrod, które generują elektrony i wytwarzają energię, która jest wykorzystywana do innych zastosowań.
Właśnie obejrzałeś film Jowisza na temat biodetekcji elektrochemicznej. Ten film zawierał podstawowy przegląd kluczowych zasad działania bioczujników elektrochemicznych i szczegółowo wyjaśniał działanie czujnika stężenia glukozy we krwi. Na koniec zilustrowaliśmy kilka rzeczywistych zastosowań biodetekcji elektrochemicznej. Dzięki za oglądanie.
View the full transcript and gain access to JoVE Science Education videos
Q1: 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.
Q2: 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.
Q3: 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.
Q4: 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.
Q5: 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.
Q6: 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.
Q7: 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.
Rozdziały w tym filmie
0:06
Overview
0:48
Principles of Electrochemical Biosensing
3:39
Principles of Electrochemical Blood Glucose Sensing
5:17
Blood Glucose Sensing
5:54
Applications
7:09
Summary