Biossensor eletroquímico
Biosensores eletroquímicos exploram as propriedades naturais de redox de muitos processos biológicos, como a catálise enzimópica e outros eventos vinculativos. Sensores eletroquímicos utilizam eletrodos que muitas vezes são funcionalizados com enzimas ativas redox. Quando a molécula alvo está envolvida em uma reação com a enzima, o ganho ou perda de elétrons é medido e relacionado à concentração. Neste vídeo, vamos rever os princípios do sensor eletroquímico e descrever o básico de um sensor eletroquímico exemplo, o biosensor de glicose no sangue.
Primeiro, vamos nos aprofundar nos conceitos gerais por trás de um biosensor eletroquímico. Como células eletroquímicas clássicas, esses sensores são normalmente compostos de três eletrodos: o eletrodo de trabalho, o eletrodo de contador e o eletrodo de referência. A reação ocorre no eletrodo de trabalho, enquanto o eletrodo do contador completa o circuito. O eletrodo de referência fornece um ponto de referência estável para o potencial redox. Os materiais de eletrodos são escolhidos com base no tipo de sensor, no analito a ser detectado e na técnica de medição utilizada. A fim de aumentar a especificidade da molécula alvo, o elemento biorecognição, como enzimas complementares, anticorpos ou DNA monofante, é imobilizado na superfície dos eletrodos e usado para capturar a molécula alvo correspondente. Em seguida, é aplicado um sinal elétrico, o que resulta na redução ou oxidação da meta. Isso cria um excedente ou déficit de elétrons, que é detectado. Agora, usando a clássica célula de três eletrodos como exemplo, vamos dar uma olhada em como os sensores eletroquímicos medem este evento redox.
Os sistemas eletroquímicos são divididos em diferentes categorias: amperométrica, potencialiométrica e impedimétrica com base no tipo de sinal de saída medido. Dispositivos amperométricos medem a mudança nas correntes entre os eletrodos de trabalho e do contador quando a tensão é conhecida. A entrada de tensão é mantida em um valor constante ou como uma rampa linear ou é continuamente pedalada entre dois valores. A oxidação ou redução da mudança de corrente medida é diretamente proporcional à concentração de analitos. Para obter mais informações sobre esta técnica, consulte nosso vídeo de voltammetry cíclico.
Dispositivos potencialiométricos medem a mudança de tensão entre o eletrodo de trabalho e referência em uma corrente constante. A concentração da solução pode então ser calculada usando a mudança no potencial.
Por fim, os dispositivos impedimétricos medem a mudança na condutividade elétrica da solução analito. Medindo a mudança de corrente entre os eletrodos de trabalho e do contador ao longo do tempo em uma frequência de tensão de entrada conhecida de A/C. A partir dessa corrente em tensão, calcula-se a impedância da solução analito. Essa impedância diminui quando a condutividade elétrica da solução analito aumenta e aumenta quando a condutividade elétrica da solução analito diminui.
Tendo visão geral dos princípios e dos diferentes tipos de sensor eletroquímico, vamos agora olhar para o funcionamento de um biosensor eletroquímico, o sensor de glicemia portátil como exemplo. O teste doméstico atual nos níveis de açúcar no sangue é realizado usando eletrodos que são impressos em tiras descartáveis. Essas tiras de eletrodos, ou circuitos, são então revestidas com a camada enzimante e mediadora, uma camada de pavio líquido e uma película protetora de circuito, todas mantidas juntas por folhas adesivas finas e espaçadores. A camada de pavio líquido da tira ajuda a separação das células sanguíneas para que apenas o soro sanguíneo atinja a enzima e os eletrodos cobertos pelo mediador. Finalmente, é aplicada uma tensão entre os eletrodos, o que desencadeia a reação redox mediadora da enzima glicose na camada imobilizada mediadora-enzima. A glicose no soro sanguíneo é convertida em ácido glucônico, reduzindo a glicose enzimática oxidase. A enzima reduzida reverte ao seu estado oxidado perdendo os elétrons para a molécula mediadora, reduzindo assim o mediador. Agora, este mediador reduzido age como um transporte para os elétrons entre a camada mediadora-enzima e a camada eletrodo abaixo dela; ele perde os elétrons na superfície dos eletrodos e fica oxidado, gerando corrente no eletrodo. Esse aumento atual, medido com um determinado potencial, é diretamente proporcional à concentração de glicose na amostra.
Depois de revisar a eletroquímica da glicose oxidase, vamos dar uma olhada rápida no sensor de glicose que está sendo usado em um paciente. O sangue para este teste é coletado usando uma lança de segurança. Em seguida, o sangue coletado é cuidadosamente visto na área de coleta de sangue da tira descartável para testes precisos. O medidor de glicose conta os elétrons depositados pelo mediador nos eletrodos como corrente e, em seguida, calcula quanta glicose foi necessário para gerar tanta eletricidade. O medidor de glicose então exibe esse número em sua tela.
Agora que cobrimos os princípios e procedimentos por trás dos sensores de glicose no sangue, vamos ver como as pesquisas estão aplicando biosenso eletroquímicos em alguns outros campos. O sensoriamento eletroquímico também pode ser usado para detectar câncer. Em um sistema de sensores, anticorpos específicos de proteína de câncer são imobilizados na superfície das contas magnéticas, que são incubadas na solução amostral, seguida por uma segunda solução de anticorpos detectores ativos redox que também é complementar ao alvo. As contas são então capturadas usando campos magnéticos em uma superfície de eletrodo, e medidas amperométricas são realizadas para detectar a concentração de proteína do câncer na amostra.
Finalmente, a eletroquímica também é usada com microrganismos para gerar energia, conhecidas como células de combustível bioelémicas. Os microrganismos são cultivados para formar um filme na superfície do ânodo ou cátodo da célula de combustível. As proteínas ativas redox nos micróbios participam das reações redox dos eletrodos, que geram elétrons e produzem energia que é aproveitada para outras aplicações.
Você acabou de ver o vídeo de Jove sobre biosensomia eletroquímica. Este vídeo continha uma visão geral básica dos princípios-chave dos biosensores eletroquímicos e explicou o funcionamento do sensor de glicose no sangue em detalhes. Por fim, ilustramos algumas aplicações reais de biosensomia eletroquímica. Obrigado por assistir.
Biosensores eletroquímicos detectam a ligação de uma molécula alvo sentindo um evento de redução de oxidação. Estes sensores abriram caminho para a bi…
Biosensores eletroquímicos exploram as propriedades naturais de redox de muitos processos biológicos, como a catálise enzimópica e outros eventos vinculativos. Sensores eletroquímicos utilizam eletrodos que muitas vezes são funcionalizados com enzimas ativas redox. Quando a molécula alvo está envolvida em uma reação com a enzima, o ganho ou perda de elétrons é medido e relacionado à concentração. Neste vídeo, vamos rever os princípios do sensor eletroquímico e descrever o básico de um sensor eletroquímico exemplo, o biosensor de glicose no sangue.
Primeiro, vamos nos aprofundar nos conceitos gerais por trás de um biosensor eletroquímico. Como células eletroquímicas clássicas, esses sensores são normalmente compostos de três eletrodos: o eletrodo de trabalho, o eletrodo de contador e o eletrodo de referência. A reação ocorre no eletrodo de trabalho, enquanto o eletrodo do contador completa o circuito. O eletrodo de referência fornece um ponto de referência estável para o potencial redox. Os materiais de eletrodos são escolhidos com base no tipo de sensor, no analito a ser detectado e na técnica de medição utilizada. A fim de aumentar a especificidade da molécula alvo, o elemento biorecognição, como enzimas complementares, anticorpos ou DNA monofante, é imobilizado na superfície dos eletrodos e usado para capturar a molécula alvo correspondente. Em seguida, é aplicado um sinal elétrico, o que resulta na redução ou oxidação da meta. Isso cria um excedente ou déficit de elétrons, que é detectado. Agora, usando a clássica célula de três eletrodos como exemplo, vamos dar uma olhada em como os sensores eletroquímicos medem este evento redox.
Os sistemas eletroquímicos são divididos em diferentes categorias: amperométrica, potencialiométrica e impedimétrica com base no tipo de sinal de saída medido. Dispositivos amperométricos medem a mudança nas correntes entre os eletrodos de trabalho e do contador quando a tensão é conhecida. A entrada de tensão é mantida em um valor constante ou como uma rampa linear ou é continuamente pedalada entre dois valores. A oxidação ou redução da mudança de corrente medida é diretamente proporcional à concentração de analitos. Para obter mais informações sobre esta técnica, consulte nosso vídeo de voltammetry cíclico.
Dispositivos potencialiométricos medem a mudança de tensão entre o eletrodo de trabalho e referência em uma corrente constante. A concentração da solução pode então ser calculada usando a mudança no potencial.
Por fim, os dispositivos impedimétricos medem a mudança na condutividade elétrica da solução analito. Medindo a mudança de corrente entre os eletrodos de trabalho e do contador ao longo do tempo em uma frequência de tensão de entrada conhecida de A/C. A partir dessa corrente em tensão, calcula-se a impedância da solução analito. Essa impedância diminui quando a condutividade elétrica da solução analito aumenta e aumenta quando a condutividade elétrica da solução analito diminui.
Tendo visão geral dos princípios e dos diferentes tipos de sensor eletroquímico, vamos agora olhar para o funcionamento de um biosensor eletroquímico, o sensor de glicemia portátil como exemplo. O teste doméstico atual nos níveis de açúcar no sangue é realizado usando eletrodos que são impressos em tiras descartáveis. Essas tiras de eletrodos, ou circuitos, são então revestidas com a camada enzimante e mediadora, uma camada de pavio líquido e uma película protetora de circuito, todas mantidas juntas por folhas adesivas finas e espaçadores. A camada de pavio líquido da tira ajuda a separação das células sanguíneas para que apenas o soro sanguíneo atinja a enzima e os eletrodos cobertos pelo mediador. Finalmente, é aplicada uma tensão entre os eletrodos, o que desencadeia a reação redox mediadora da enzima glicose na camada imobilizada mediadora-enzima. A glicose no soro sanguíneo é convertida em ácido glucônico, reduzindo a glicose enzimática oxidase. A enzima reduzida reverte ao seu estado oxidado perdendo os elétrons para a molécula mediadora, reduzindo assim o mediador. Agora, este mediador reduzido age como um transporte para os elétrons entre a camada mediadora-enzima e a camada eletrodo abaixo dela; ele perde os elétrons na superfície dos eletrodos e fica oxidado, gerando corrente no eletrodo. Esse aumento atual, medido com um determinado potencial, é diretamente proporcional à concentração de glicose na amostra.
Depois de revisar a eletroquímica da glicose oxidase, vamos dar uma olhada rápida no sensor de glicose que está sendo usado em um paciente. O sangue para este teste é coletado usando uma lança de segurança. Em seguida, o sangue coletado é cuidadosamente visto na área de coleta de sangue da tira descartável para testes precisos. O medidor de glicose conta os elétrons depositados pelo mediador nos eletrodos como corrente e, em seguida, calcula quanta glicose foi necessário para gerar tanta eletricidade. O medidor de glicose então exibe esse número em sua tela.
Agora que cobrimos os princípios e procedimentos por trás dos sensores de glicose no sangue, vamos ver como as pesquisas estão aplicando biosenso eletroquímicos em alguns outros campos. O sensoriamento eletroquímico também pode ser usado para detectar câncer. Em um sistema de sensores, anticorpos específicos de proteína de câncer são imobilizados na superfície das contas magnéticas, que são incubadas na solução amostral, seguida por uma segunda solução de anticorpos detectores ativos redox que também é complementar ao alvo. As contas são então capturadas usando campos magnéticos em uma superfície de eletrodo, e medidas amperométricas são realizadas para detectar a concentração de proteína do câncer na amostra.
Finalmente, a eletroquímica também é usada com microrganismos para gerar energia, conhecidas como células de combustível bioelémicas. Os microrganismos são cultivados para formar um filme na superfície do ânodo ou cátodo da célula de combustível. As proteínas ativas redox nos micróbios participam das reações redox dos eletrodos, que geram elétrons e produzem energia que é aproveitada para outras aplicações.
Você acabou de ver o vídeo de Jove sobre biosensomia eletroquímica. Este vídeo continha uma visão geral básica dos princípios-chave dos biosensores eletroquímicos e explicou o funcionamento do sensor de glicose no sangue em detalhes. Por fim, ilustramos algumas aplicações reais de biosensomia eletroquímica. Obrigado por assistir.
Os biossensores eletroquímicos exploram as propriedades redox naturais de muitos processos biológicos, como catálise enzimática e outros eventos de ligação. Os sensores eletroquímicos utilizam eletrodos que geralmente são funcionalizados com enzimas ativas redox. Quando a molécula alvo está envolvida em uma reação com a enzima, o ganho ou perda de elétrons é medido e relacionado à concentração. Neste vídeo, revisaremos os princípios da detecção eletroquímica e, em seguida, descreveremos os fundamentos de um exemplo de sensor eletroquímico, o biossensor de glicose no sangue.
Primeiro, vamos nos aprofundar nos conceitos gerais por trás de um biossensor eletroquímico. Como as células eletroquímicas clássicas, esses sensores são normalmente compostos por três eletrodos: o eletrodo de trabalho, o contra-eletrodo e o eletrodo de referência. A reação ocorre no eletrodo de trabalho, enquanto o contra-eletrodo completa o circuito. O eletrodo de referência fornece um ponto de referência estável para o potencial redox. Os materiais dos eletrodos são escolhidos com base no tipo de sensor, no analito a ser detectado e na técnica de medição usada. Para aumentar a especificidade da molécula-alvo, o elemento de biorreconhecimento, como enzimas complementares, anticorpos ou DNA de fita simples, é imobilizado na superfície dos eletrodos e usado para capturar a molécula-alvo correspondente. Em seguida, um sinal elétrico é aplicado, o que resulta na redução ou oxidação do alvo. Isso cria um excedente ou déficit de elétrons, que é detectado. Agora, usando a clássica célula de três eletrodos como exemplo, vamos dar uma olhada em como os sensores eletroquímicos medem esse evento redox.
Os sistemas eletroquímicos são divididos em diferentes categorias: amperométrico, potenciométrico e impedimétrico com base no tipo de sinal de saída medido. Os dispositivos amperométricos medem a mudança nas correntes entre os eletrodos de trabalho e os contra-eletrodos quando a tensão é conhecida. A entrada de tensão é mantida em um valor constante ou como uma rampa linear ou é continuamente alternada entre dois valores. A variação da corrente de oxidação ou redução medida é diretamente proporcional à concentração da substância a analisar. Para obter mais informações sobre esta técnica, consulte nosso vídeo de voltametria cíclica.
Os dispositivos potenciométricos medem a mudança na tensão entre o eletrodo de trabalho e o eletrodo de referência em uma corrente constante. A concentração da solução pode então ser calculada usando a mudança no potencial.
Finalmente, os dispositivos impedimétricos medem a mudança na condutividade elétrica da solução analita. Medindo a mudança na corrente entre os eletrodos de trabalho e os contra-eletrodos ao longo do tempo em uma frequência de tensão CA de entrada conhecida. A partir dessa corrente em tensão, calcula-se a impedância da solução do analito. Essa impedância diminui quando a condutividade elétrica da solução analita aumenta e aumenta quando a condutividade elétrica da solução analita diminui.
Tendo analisado os princípios e os diferentes tipos de sensoriamento eletroquímico, vejamos agora o funcionamento de um biossensor eletroquímico, o sensor portátil de glicose no sangue como exemplo. Os testes caseiros atuais sobre os níveis de açúcar no sangue são realizados usando eletrodos serigrafados em tiras descartáveis. Essas tiras de eletrodos, ou circuitos, são então revestidas com a camada enzimática e mediadora, uma camada de absorção de líquido e uma película protetora de circuito, todas mantidas juntas por finas folhas adesivas e espaçadores. A camada de absorção de líquido da tira ajuda na separação das células sanguíneas para que apenas o soro sanguíneo atinja os eletrodos cobertos por enzimas e mediadores. Finalmente, uma voltagem é aplicada entre os eletrodos, o que desencadeia a reação redox do mediador da enzima glicose na camada mediadora-enzima imobilizada. A glicose no soro sanguíneo é convertida em ácido glucônico enquanto reduz a enzima glicose oxidase. A enzima reduzida reverte ao seu estado oxidado perdendo os elétrons para a molécula mediadora, reduzindo assim o mediador. Agora, esse mediador reduzido atua como um transportador para os elétrons entre a camada mediador-enzimática e a camada de eletrodo abaixo dela;? Ele perde os elétrons na superfície dos eletrodos e se oxida, gerando corrente no eletrodo. Esse aumento de corrente, medido em um determinado potencial, é diretamente proporcional à concentração de glicose na amostra.
Tendo revisado a eletroquímica da glicose oxidase, vamos dar uma olhada rápida no sensor de glicose que está sendo usado em um paciente. O sangue para este teste é coletado usando uma lanceta de segurança. Em seguida, o sangue coletado é cuidadosamente localizado na área de coleta de sangue da tira descartável para testes precisos. O medidor de glicose conta os elétrons depositados pelo mediador nos eletrodos como corrente e, em seguida, calcula quanta glicose foi necessária para gerar essa quantidade de eletricidade. O medidor de glicose exibe esse número em sua tela.
Agora que abordamos os princípios e procedimentos por trás dos sensores de glicose no sangue, vamos ver como as pesquisas estão aplicando o biossensoriamento eletroquímico em alguns outros campos. A detecção eletroquímica também pode ser usada para detectar câncer. Em um sistema de sensor, os anticorpos específicos da proteína do câncer são imobilizados na superfície das esferas magnéticas, que são incubadas na solução da amostra, seguidas por uma segunda solução de anticorpo detector ativo redox que também é complementar ao alvo. As esferas são então capturadas usando campos magnéticos na superfície de um eletrodo e medições amperométricas são realizadas para detectar a concentração de proteína cancerígena na amostra.
Finalmente, a eletroquímica também é usada com microrganismos para gerar energia, conhecida como células de combustível bioeletroquímicas. Os microrganismos são cultivados para formar um filme na superfície do ânodo ou cátodo da célula de combustível. As proteínas ativas redox nos micróbios participam das reações redox dos eletrodos, que geram elétrons e produzem energia que é aproveitada para outras aplicações.
Você acabou de assistir ao vídeo de Jove sobre biossensoriamento eletroquímico. Este vídeo continha uma visão geral básica dos princípios-chave dos biossensores eletroquímicos e explicava detalhadamente o funcionamento do sensor de glicose no sangue. Por fim, ilustramos algumas aplicações do mundo real de biossensoriamento eletroquímico. Obrigado por assistir.
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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.
Chapters in this video
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
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