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.
Электрохимические биосенсоры обнаруживают связывание молекулы-мишени, воспринимая окислительно-восстановительное событие. Эти датчики проложили путь к…
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.
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 подразделяются 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 глюкозы на иммобилизованном медиаторно-ферментном слое. Глюкоза в сыворотке крови преобразуется в глюконовую кислоту при одновременном снижении 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.
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.
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