1: Электрохимическая биосенсорика

Электрохимические биосенсоры используют естественные окислительно-восстановительные свойства многих биологических процессов, таких как ферментативный катализ и другие связывающие процессы. В электрохимических датчиках используются электроды, которые часто функционализированы окислительно-восстановительными активными ферментами. Когда молекула-мишень участвует в реакции с ферментом, прирост или потеря электронов измеряется и связана с концентрацией. В этом видео мы рассмотрим принципы электрохимического зондирования, а затем опишем основы примера электрохимического датчика, биосенсора уровня глюкозы в крови.

Во-первых, давайте углубимся в общие концепции, лежащие в основе электрохимического биосенсора. Как и классические электрохимические ячейки, эти датчики обычно состоят из трех электродов: рабочего электрода, противоэлектрода и электрода сравнения. Реакция происходит на рабочем электроде, в то время как противоэлектрод замыкает цепь. Электрод сравнения обеспечивает стабильную точку отсчета для окислительно-восстановительного потенциала. Материал электродов выбирается в зависимости от типа датчика, обнаруживаемого аналита и используемого метода измерения. Чтобы повысить специфичность молекулы-мишени, элемент биоузнавания, такой как комплементарные ферменты, антитела или одноцепочечная ДНК, иммобилизуют на поверхности электродов и используют для захвата соответствующей молекулы-мишени. Затем подается электрический сигнал, который приводит к восстановлению или окислению мишени. При этом создается либо избыток, либо дефицит электронов, который и обнаруживается. Теперь, используя в качестве примера классическую ячейку с тремя электродами, давайте рассмотрим, как электрохимические датчики измеряют это окислительно-восстановительное событие.

Электрохимические системы делятся на различные категории: амперометрические, потенциометрические и импедиметрические в зависимости от типа измеряемого выходного сигнала. Амперометрические приборы измеряют изменение токов между рабочим и противоэлектродами при известном напряжении. Входное напряжение либо поддерживается на постоянном уровне, либо в виде линейного нарастания, либо непрерывно переключается между двумя значениями. Измеренное изменение тока окисления или восстановления прямо пропорционально концентрации аналита. Для получения дополнительной информации об этом методе обратитесь к нашему видеоролику о циклической вольтамперометрии.

Потенциометрические приборы измеряют изменение напряжения между рабочим электродом и электродом сравнения при постоянном токе. Затем концентрация раствора может быть рассчитана с использованием изменения потенциала.

Наконец, импедиметрические приборы измеряют изменение электропроводности раствора аналита. Измеряя изменение тока между рабочим и противоэлектродами с течением времени при известной частоте входного напряжения переменного тока. По этому току в напряжении вычисляется импеданс раствора анализируемого вещества. Этот импеданс уменьшается при увеличении электропроводности раствора анализируемого вещества и увеличивается при уменьшении электропроводности раствора анализируемого вещества.

Рассмотрев принципы и различные типы электрохимического зондирования, давайте теперь посмотрим на работу электрохимического биосенсора, в качестве примера которого можно привести портативный датчик уровня глюкозы в крови. В настоящее время домашнее тестирование уровня сахара в крови проводится с помощью электродов, которые напечатаны методом трафаретной печати на одноразовых полосках. Эти электродные полоски, или схемы, затем покрываются слоем фермента и медиатора, жидким впитывающим слоем и защитной пленкой для цепи, и все это удерживается вместе тонкими клейкими листами и распорками. Отводящий жидкость слой полоски способствует разделению клеток крови таким образом, что только сыворотка крови достигает электродов, покрытых ферментом и медиатором. Наконец, между электродами подается напряжение, которое запускает окислительно-восстановительную реакцию медиатора фермента глюкозы на иммобилизованном слое медиатора-фермента. Глюкоза в сыворотке крови превращается в глюконовую кислоту при одновременном восстановлении фермента глюкозооксидазы. Восстановленный фермент возвращается в свое окисленное состояние, теряя электроны в молекуле медиатора, тем самым восстанавливая медиатор. Теперь этот восстановленный медиатор действует как челнок для электронов между слоем медиатора-фермента и слоем электродов под ним; Он теряет электроны на поверхности электродов и окисляется, вырабатывая ток на электроде. Это увеличение тока, измеренное при заданном потенциале, прямо пропорционально концентрации глюкозы в образце.

Рассмотрев электрохимию глюкозооксидазы, давайте кратко рассмотрим датчик глюкозы, используемый на пациенте. Кровь для этого теста собирают с помощью безопасного ланцета. Затем собранная кровь аккуратно обнаруживается на месте сбора крови одноразовой полоски для точного тестирования. Глюкометр подсчитывает электроны, осажденные медиатором на электродах, как ток, а затем подсчитывает, сколько глюкозы потребовалось для выработки такого количества электроэнергии. Затем глюкометр отображает это число на своем экране.

Теперь, когда мы рассмотрели принципы и процедуры, лежащие в основе датчиков уровня глюкозы в крови, давайте посмотрим, как исследования применяют электрохимическое биозондирование в некоторых других областях. Электрохимическое зондирование также может быть использовано для обнаружения рака. В одной сенсорной системе специфические антитела к раковому белку иммобилизуются на поверхности магнитных шариков, которые инкубируются в растворе образца, за которым следует второй раствор антител с окислительно-восстановительным активным детектором, который также дополняет мишень. Затем шарики захватываются с помощью магнитных полей на поверхности электрода, и проводятся амперометрические измерения для определения концентрации ракового белка в образце.

Наконец, электрохимия также используется с микроорганизмами для выработки энергии, известной как биоэлектрохимические топливные элементы. Микроорганизмы культивируют с образованием пленки на анодной или катодной поверхности топливного элемента. Окислительно-восстановительные активные белки в микробах участвуют в окислительно-восстановительных реакциях электродов, которые генерируют электроны и производят энергию, используемую для других целей.

Вы только что посмотрели видео Юпитера об электрохимическом биосенсорике. В этом видео содержался базовый обзор основных принципов работы электрохимических биосенсоров и подробно объяснялось функционирование датчика уровня глюкозы в крови. Наконец, мы проиллюстрировали несколько реальных применений электрохимического биозондирования. Спасибо за просмотр.