Elektrochemische Biosensoren

Bioengineering

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Summary

Elektrochemische Biosensoren erkennen die Bindung eines Zielmoleküls durch Sensierung eines Oxidations-Reduktions-Ereignisses. Diese Sensoren ebnete den Weg für moderne Biosensoren nach der Erfindung der Glukose Biosensors. Dieses Video wird einführen elektrochemische Biosensoren, zeigen die Funktionsweise der Glukose-Biosensor und diskutieren wie elektrochemische Biosensoren in Krebserkennung verwendet werden.

Cite this Video

JoVE Science Education Database. Bioengineering. Elektrochemische Biosensoren. JoVE, Cambridge, MA, (2018).

Elektrochemische Biosensoren nutzen die natürlichen Redox-Eigenschaften vieler biologischer Prozesse, wie Enzym-Katalyse und andere verbindliche Veranstaltungen. Elektrochemische Sensoren nutzen Elektroden, die oft mit Redox-aktiven Enzymen funktionalisiert werden. Wenn das Zielmolekül in einer Reaktion mit dem Enzym beteiligt ist, der Gewinn oder Verlust von Elektronen gemessen und im Zusammenhang mit Konzentration. In diesem Video werden wir die Grundsätze der elektrochemischen Sensor überprüfen. Dann beschreiben Sie die Grundlagen von einem Beispiel elektrochemischen Sensor, der Blut-Glukose-Biosensor.

Ersten Mal tauchen Sie ein in die allgemeinen Konzepte hinter eine elektrochemische Biosensor. Wie klassische elektrochemische Zellen bestehen diese Sensoren normalerweise aus drei Elektroden. Die Arbeitselektrode Gegenelektrode und Referenzelektrode. Die Reaktion erfolgt an der Arbeitselektrode. Während die Gegenelektrode die Runde abgeschlossen hat. Die Referenzelektrode liefert einen stabilen Bezugspunkt für das Redoxpotential. Die Elektrodenmaterialien werden basierend auf dem Typ der Sensor, der Analyten zu erfassende und Messtechnik verwendet ausgewählt. Um die Besonderheit des Zielmoleküls zu erhöhen, ist das Biorecognition Element, z. B. kostenlose Enzyme, Antikörper oder einzelsträngigen DNA auf die Oberfläche der Elektroden immobilisiert und verwendet, um die entsprechenden Zielmolekül zu erfassen. Dann wird ein elektrisches Signal angewendet. Die Ergebnisse in der Reduktion oder Oxidation des Ziels. Dadurch entsteht ein Überschuss oder Defizit der Elektronen der erkannt wird. Jetzt, mit den klassischen drei Elektrode Zelle als Beispiel, werfen einen Blick wie elektrochemische Sensoren messen dieses Redox-Ereignis. Elektrochemische Systeme gliedern sich in verschiedene Kategorien-amperometrischen, potentiometrische, und impedimetrischer basierend auf dem Typ des Ausgangs-Signals gemessen. Konduktometrische Geräte messen die Veränderung der Ströme zwischen Arbeits- und die Zähler-Elektroden, wenn die Spannung bekannt ist. Der Spannungseingang ist entweder auf einem konstanten Wert oder als lineare Rampe statt oder ist ständig zwischen zwei Werten radelte. Die gemessene Oxidation oder Reduktion Stromänderung ist direkt proportional der Konzentration des Analyten. Weitere Informationen zu dieser Technik finden Sie in unserem zyklischer Voltammetrie video. Potentiometrische Geräte messen die Änderung in der Spannung zwischen der Arbeits- und Bezugselektrode mit einem konstanten Strom. Die Konzentration der Lösung kann dann anhand der Veränderung Potenzial berechnet werden. Zu guter Letzt messen impedimetrischer Geräte die Änderung in elektrische Leitfähigkeit der Lösung des Analyten. Durch die Messung der Stromänderung zwischen Arbeits- und die Zähler-Elektroden im Laufe der Zeit. Bei einer bekannten Eingang a/c Spannungsfrequenz. Aus dieser Strömung in der Spannung ist die Impedanz der Analyten Lösung berechnet. Diese Impedanz verringert sich, wenn die elektrische Leitfähigkeit der Lösung des Analyten erhöht. Und steigt, wenn die elektrische Leitfähigkeit der Lösung des Analyten verringert.

Haben, geht die Grundsätze und die verschiedenen Arten von elektrochemischen Sensor, schauen Sie wir uns nun die Funktionsweise eine elektrochemische Biosensor, der handheld Blut-Glukose-Sensor als Vorbild. Aktuellen Tag nach Hause auf den Blutzuckerspiegel testen erfolgt über Elektroden, die auf Einweg-Streifen bedruckt sind. Diese Elektrodenstreifen oder Schaltung, werden dann mit der Enzym und Mediator Layer, eine Flüssigkeitsschicht Feuchtigkeitstransport und eine Schaltung Schutzfolie beschichtet. Alle zusammengehalten von dünnen Klebefolien und Abstandhalter. Die flüssigen feuchtigkeitstransportierende Schicht des Streifens hilft Blutkörperchen Trennung. So dass nur das Blutserum erreicht das Enzym und Mediator Elektroden abgedeckt. Schließlich wird eine Spannung zwischen den Elektroden angelegt. Die Glukose Enzym Mediator Redox-Reaktion auslöst. Auf die immobilisierten Mediator-Enzym-Schicht wird Glukose im Blut-Serum, Glukon-Säure umgewandelt. Gleichzeitiger Reduzierung der Enzym Glukose-Oxidase. Reduzierte Enzym wird durch den Verlust der Elektronen an die Vermittler-Molekül, wodurch der Mediator in den oxidierten Zustand zurückgesetzt. Jetzt Dies reduziert fungiert Vermittlers als Shuttle für die Elektronen zwischen den Mediator-Enzym und die Elektrodenschicht darunter. Er verliert die Elektronen an der Oberfläche der Elektroden und oxidiert wird. Erzeugung von Strom bei der Elektrode. Diese Stromerhöhung, gemessen auf einem gegebenen Potenzial ist direkt proportional zu der Glukosekonzentration in der Probe.

Nach der Überprüfung der Elektrochemie von Glukose-Oxidase, werfen wir einen kurzen Blick auf die Glukose-Sensor auf einen Patienten verwendet wird. Das Blut für diesen Test wird mit Hilfe einer Sicherheitslanzette gesammelt. Dann ist das gesammelte Blut sorgfältig auf Blut Sammelgebiet des Einweg-Streifens für genaue Tests gesichtet. Das Blutzuckermessgerät zählt die Elektronen des Mediators an den Elektroden als aktuell hinterlegt. Und dann wird berechnet, wie viel Glukose, die es dauerte, um so viel Strom zu erzeugen. Das Blutzuckermessgerät zeigt dann diese Zahl auf seinem Bildschirm.

Nun, da wir die Grundsätze und Verfahren hinter Blut-Glukose-Sensoren besprochen haben, mal sehen, wie die Forschungen elektrochemische Biosensoren in einigen anderen Bereichen anwenden. Elektrochemische Sensorik kann auch verwendet werden, um Krebs zu erkennen. In einem Sensor-System sind Krebs Protein spezifische Antikörper auf der Oberfläche des magnetischen Kügelchen immobilisiert. Die in der Probenlösung ausgebrütet werden. Gefolgt von eine zweite Redox-aktiven Detektor Antikörperlösung, die auch kostenlos für das Ziel ist. Die Perlen werden dann erfasst mit Hilfe von Magnetfeldern auf eine Elektrodenoberfläche und konduktometrische Messungen werden durchgeführt, um die Krebs-Protein-Konzentration in der Probe zu erkennen. Elektrochemie ist schließlich auch mit Mikroorganismen verwendet, um Energie zu erzeugen. Bekannt als Bioelectrochemical-Brennstoffzellen. Die Mikroorganismen sind kultiviert, bilden einen Film auf der Anode oder Kathode Oberfläche der Brennstoffzelle. Die Redox-aktive Proteine in die Mikroben beteiligen sich die Redox-Reaktionen der Elektroden. Die Elektronen erzeugen und erzeugen Strom, die für andere Anwendungen nutzbar gemacht wird.

Sie haben nur Jupiters Video auf elektrochemische Biosensoren angesehen. Dieses Video enthält einen grundlegenden Überblick über die wichtigsten Grundsätze der elektrochemische Biosensoren und erklärt die Funktionsweise des Blut-Glukose-Sensor im Detail. Zu guter Letzt illustriert wir ein paar praktische Anwendungen der elektrochemischen Biosensoren. Danke fürs Zuschauen.

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