חישה ביולוגית אלקטרוכימית

ביו-סנסורים אלקטרוכימיים מנצלים את התכונות הטבעיות של תהליכים ביולוגיים רבים, כגון קטליזה אנזימים ואירועים מחייבים אחרים. חיישנים אלקטרוכימיים משתמשים באלקטרודות אשר לעתים קרובות פונקציונליות עם אנזימים פעילים redox. כאשר מולקולת היעד מעורבת בתגובה עם האנזים הרווח או האובדן של אלקטרונים נמדד וקשור לריכוז. בסרטון זה נסקור את עקרונות החישה האלקטרוכימית ואז נתאר את היסודות של חיישן אלקטרוכימי לדוגמה, הביונסור גלוקוז בדם.

ראשית, בואו להתעמק במושגים הכלליים מאחורי ביו-סנסור אלקטרוכימי. בדומה לתאים אלקטרוכימיים קלאסיים, חיישנים אלה מורכבים בדרך כלל משלוש אלקטרודות: האלקטרודה העובדת, אלקטרודה נגד ואלקטרודה התייחסות. התגובה מתרחשת באלקטרודה העובדת, בעוד אלקטרודה הדלפק משלים את המעגל. אלקטרודת הייחוס מספקת נקודת התייחסות יציבה לפוטנציאל ההוקסם מחדש. חומרי האלקטרודה נבחרים על סמך סוג החיישן, הניתוח שיש לזהות וטכניקת המדידה בהם נעשה שימוש. על מנת להגדיל את הספציפיות של מולקולת היעד, אלמנט הביו-רה-נקודה, כגון אנזימים, נוגדנים או דנ"א חד-גדילי, משותק על פני השטח של האלקטרודות ומשמש ללכידת מולקולת היעד המתאימה. לאחר מכן מוחל אות חשמלי, אשר גורם להפחתה או חמצון של היעד. זה יוצר עודף או גירעון של אלקטרונים, אשר מזוהה. עכשיו, באמצעות תא שלוש האלקטרודה הקלאסי כדוגמה, בואו נסתכל על איך חיישנים אלקטרוכימיים מודדים את אירוע ההוקסם מחדש הזה.

מערכות אלקטרוכימיות מחולקות לקטגוריות שונות: אמטרומטרי, פוטנציומטרי ומכשיל בהתבסס על סוג אות הפלט הנמדד. התקנים אמפירומטריים מודדים את השינוי בזרמים בין האלקטרודות הפועלות לדלפק כאשר המתח ידוע. כניסת המתח מוחזקת בערך קבוע או כרמפה ליניארית או שהיא רוכבת על אופניים ברציפות בין שני ערכים. החמצון הנמדד או השינוי הנוכחי ההפחתה הוא פרופורציונלי ישירות לריכוז הניתוח. לקבלת מידע נוסף על טכניקה זו אנא עיין בסרטון הוולקמטריה המחזורי שלנו.

התקנים פוטנציומטריים מודדים את השינוי במתח בין האלקטרודה העובדת והייחוס בזרם קבוע. לאחר מכן ניתן לחשב את ריכוז הפתרון באמצעות השינוי בפוטנציאל.

לבסוף, התקנים מכשול למדוד את השינוי מוליכות חשמלית של פתרון הניתוח. על ידי מדידת השינוי בזרם בין האלקטרודות של העבודה והדלפק לאורך זמן בתדר מתח מיזוג אוויר ידוע. מזרם זה במתח, העכבה של פתרון הניתוח מחושבת. עכום זה פוחת כאשר המוליכות החשמלית של פתרון הניתוח עולה ומתגברת כאשר המוליכות החשמלית של פתרון הניתוח פוחתת.

לאחר סקירת העקרונות ואת הסוגים השונים של חישה אלקטרוכימית, הבה נבחן כעת את פעולתו של ביונסור אלקטרוכימי, חיישן הגלוקוז בדם כדוגמה. בדיקות ביתיות כיום על רמות הסוכר בדם מתבצעות באמצעות אלקטרודות המודפסות על רצועות חד פעמיות. רצועות אלקטרודה אלה, או מעגלים חשמליים, מצופים אז בשכבת האנזים והמתווך, שכבת מנדף נוזלית וסרט מגן מעגלים המוחזקים כולם יחד על ידי יריעות דבק דקות ומרווחים. שכבת פתיל הנוזל של הרצועה מסייעת להפרדת תאי הדם, כך שרק סרום הדם מגיע לאתם והמתווך מכוסה אלקטרודות. לבסוף, מתח מוחל בין האלקטרודות, אשר מפעיל את תגובת מתווך אנזים גלוקוז מחדש על שכבת המתווך-אנזים משותק. גלוקוז בסרום הדם מומר לחומצה גלוקונית תוך הפחתת האנזים גלוקוז אוקסידאז. האנזים המופחת חוזר למצבו החמומצן על ידי איבוד האלקטרונים למולקולת המתווך, ובכך מפחית את המתווך. עכשיו המתווך המופחת הזה משמש כמעבורת לאלקטרונים בין שכבת האנזים המתווך לשכבת האלקטרודה שמתחתיה;  הוא מאבד את האלקטרונים על פני השטח של האלקטרודות ומתחמצן, ויוצר זרם באלקטרודה. עלייה נוכחית זו, הנמדדת בפוטנציאל נתון, היא פרופורציונלית ישירות לריכוז הגלוקוז במדגם.

לאחר שבדקנו את האלקטרוכימיה של גלוקוז אוקסידאז, בואו נסתכל במהירות על חיישן הגלוקוז המשמש על מטופל. הדם לבדיקה זו נאסף באמצעות לאנסט בטיחות. לאחר מכן, הדם שנאסף הוא הבחין בקפידה על אזור איסוף הדם של הרצועה החד פעמית לבדיקה מדויקת. מד הגלוקוז סופר את האלקטרונים שהופקדו על ידי המתווך באלקטרודות כזרם ואז מחשב כמה גלוקוז נדרש כדי לייצר כל כך הרבה חשמל. מד הגלוקוז מציג את המספר הזה על המסך שלו.

כעת, לאחר שכיסינו את העקרונות והנוהל מאחורי חיישני גלוקוז בדם, בואו נראה כיצד מחקרים מיישמים רגישות אלקטרוכימית בתחום אחר. חישה אלקטרוכימית יכולה לשמש גם כדי לזהות סרטן. במערכת חיישנים אחת, נוגדנים ספציפיים לחלבון סרטן משותקים על פני השטח של חרוזים מגנטיים, אשר דוגרים בתמיסת המדגם, ואחריו פתרון נוגדני גלאי פעיל redox שני כי הוא גם מחמיא למטרה. לאחר מכן החרוזים נלכדים באמצעות שדות מגנטיים על משטח אלקטרודה, ומדידות אמפירומטריות מבוצעות כדי לזהות את ריכוז החלבון הסרטני במדגם.

לבסוף, אלקטרוכימיה משמשת גם עם מיקרואורגניזמים כדי לייצר כוח, המכונה תאי דלק ביואלקטרוכימיים. המיקרואורגניזמים מתורבתים כדי ליצור סרט על פני האנודה או הקתודה של תא הדלק. החלבונים הפעילים redox במיקרואורגניזמים משתתפים בתגובות redox של האלקטרודות, המייצרות אלקטרונים ומייצרות כוח הרתום ליישומים אחרים.

הרגע צפית בסרטון של ג'וב על רגישות ביולוגית אלקטרוכימית. וידאו זה הכיל סקירה בסיסית של העקרונות העיקריים של ביו-סנסורים אלקטרוכימיים והסביר בפירוט את תפקוד חיישן הגלוקוז בדם. לבסוף, הדגמנו כמה יישומים בעולם האמיתי של רגישות ביולוגית אלקטרוכימית. תודה שצפיתם.