Biosenzor

S Vikipedije, slobodne enciklopedije

Biosenzor analitički je uređaj za detekciju hemijske supstance, koji kombinuje biološku komponentu sa fizičko-hemijskim detektorom.[1][2][3][4] U širem smislu, oni se mogu posmatrati kao uređaji koji poseduju biološki aktivnu komponentu koja uz pomoć fizičko-hemijskog detektora pretvara biološki impuls u električni signal. Model za stvaranje bosenzora bili su upravo biološki senzori u živim bićima organizmi, osetljivi na različite metaboličke parametre kao što su urea, glukoza, holesterola u krvi, tkivo, mikroorganizmi, organele, ćelijski receptor, enzimi, antitela, nukleinske kiseline. ili biološki izveden materijal ili biomimetička komponenta koja stupa u interakciju sa analitom, vezuje se za ili prepoznaje analit koji se proučava. Biološki osetljivi elementi mogu se proizvesti i biološkim inženjeringom.[5]

Transduktor ili detektorski element, koji pretvara jedan signal u drugi, deluje na fizičko-hemijski način: optički, piezoelektrični, elektrohemijski, elektrohemiluminiscentni, itd. i u interakcija analita sa biološkim elementom, ostvaruje se lakše merenja i kvantifikacija. Čitač biosenzora povezan je sa povezanom elektronikom ili procesorima signala koji su prvenstveno odgovorni za prikazivanje rezultata na način koji je prilagođen korisniku.[6] Iako je čitač ponekad najskuplji deo senzorskog uređaja, moguće napraviti ekran prilagođen korisniku koji uključuje pretvarač i osetljivi element (holografski senzor). Čitači su obično posebno dizajnirani i proizvedeni da odgovaraju različitim principima rada biosenzora.

U medicini, biosenzori su našli široku upotrebu. Koriste se u dijagnostici bolesti, za potrebe različitih vidova snimanja, medicinske terapije i praćenja zdravstveno stanje pacijenata.

Opšte informacije[uredi | uredi izvor]

Iako postoji više vrsta biosenzora, svaki od njih poseduje jedinstvene funkcije i namenjen je za izvršavanje jedne vrste zadatka.[5]

Danas su u velikoj meri popularni imunosenzori i DNK senzori koji se mogu progutati. Imunosenzori se često koriste u cilju otkrivanja specifičnih vrsta antitela. Ova vrsta biosezora poseduje visok nivo selektivnosti, tako da se selektivno vezuju za određene patogene i štetne organizme u sistemu domaćina.

DNK biosenzori se najčešće koriste u oblasti molekularne i medicinske dijagnostike. Ova vrsta senzora se smatra najefikasnijom jer njihove sposobnosti prevazilaze sposobnosti drugih biosenzora zbog svoje dostupnosti, selektivnosti i vremena odziva. Ovi senzori su se pokazali veoma efikasnim u dijagnostici onkoloških oboljenja i oboljenjima izazvanih toksinima. Za razliku od ostalih vrsta senzora, ovaj tip se pokazao kao efikasno rešenje s obzirom da ne zahteva korišćenje skupe opreme.

U poslednjih pet i više decenija, koliko istorijski gledano traje razvoj, biosenzora, oni su dobili veliku popularnost, uglavnom u otkrivanju i lečenju šećerne bolesti.[7] Veliki napredak u tehnologija je omogućila povećano interesovanje za prenosne uređaje koji omogućavaju kontinuirano praćenje telesnih parametara. Nešto drugačije tehnologije, koja se intenzivno razvijaju, namenjene su za detekciju ključnih analita kod najčešće zastupljeniih bolesti i metaboličkih poremečaja.[8]

Budući rad u ovoj oblasti bi trebalo da se fokusira na razjašnjavanje mehanizma interakcije između nanomaterijala i biomolekula na površini elektroda ili nanofilma i korišćenje novih svojstava za proizvodnju nove generacije biosenzora. Ipak, biosenzori zasnovani na nanomaterijalu pokazuju velike atraktivne izglede, koji će u bliskoj budućnosti imati široku primenu u kliničkoj dijagnozi, analizi hrane, kontroli procesa i praćenju životne sredine.

Primena[uredi | uredi izvor]

Savremeni glukometar za merenje nivoa glukoze u krvi. Na levoj strani je igla za probijanje kože i dobijanje kapi krvi.

Biosenzori su uređaji za svakodnevni život koji imaju širok spektar primena od životne sredine do zdravlja, hrane, odbrane i lekova. Danas se koriste elektrohemijski, optički i akustični biosenzori, zajedno sa njihovom integracijom u analitičke uređaje za različite primene.[9]

Detekcija biomolekula je još jedna ključna uloga biosenzora za indikaciju bolesti u ranoj fazi ili kontrolu poznatih bolesti. Do danas su proizvedeni različiti biosenzori za otkrivanje biomarkera proteina raka.

Biosenzori takođe mogu kontrolisati hranu, njen kvalitet, bezbednost i nutritivnu vrednost.

Kontrola životne sredine opasnih elemenata i gasova može biti još jedna poznata primena biosenzora. Praćenje zagađenja, upravljanje otpadom i kontrola industrijskih otpadnih voda mogu se otkriti odgovarajućim biosenzorima, kojima je potrebna stabilnost za dugotrajno praćenje.

Korišćenje biosenzora je poznato kao jedno od najvažnijih tehnoloških dostignuća veka za otkrivanje lekova, hemijske i biološke detekcije i praćenje toksičnih materijala.

Pored toga, biosenzori se koriste (ili su pod istragom) za upotrebu u protetskim uređajima i epidemiologiji otpadnih voda.[9]

Vrste[uredi | uredi izvor]

Optički biosenzori[uredi | uredi izvor]

Mnogi optički biosenzori zasnovani su na fenomenu površinske plazmonske rezonance (SPR).[10][11] Ovaj fenomen koristi svojstvo i druge materijale; posebno tanak sloj zlata na staklenoj površini s visokim indeksom prelamanja što može apsorbovati lasersko svetlo, proizvodeći elektronske talase (površinske plazmone) na površini zlata. Ovo se dešava samo pod određenim uglom i talasnom dužinom upadne svetlosti i u velikoj meri zavisi od površinr zlata, tako da vezivanje mete analita za receptor na površini zlata proizvodi merljiv signal.

Senzori površinske plazmonske rezonancije rade koristeći senzorski čip koji se sastoji od plastične kasete koja podržava staklenu ploču, čija je jedna strana obložena mikroskopskim slojem zlata. Ova strana je u kontaktu sa optičkim aparatom za detekciju instrumenta. Suprotna strana je tada u kontaktu sa mikrofluidnim sistemom protoka. Kontakt sa sistemom protoka stvara kanale kroz koje reagensi mogu proći kroz rastvor. Ova strana staklenog senzorskog čipa može se modifikovati na više načina, kako bi se omogućilo lahko pričvršćivanje molekula koji su od interesa. Obično je obložena karboksimetil dekstranom ili sličnim spojem.[12]

Indeks prelamanja na strani protoka površine čipa ima direktan uticaj na ponašanje svetlosti koja se odbija od zlatne strane. Vezivanje za protočnu stranu čipa ima uticaj na indeks refrakcije što rezultuje biološkom interakcijom koja može meriti do visokog stepena osetljivosti sa nekom vrstom energije. Indeks prelamanja medija u blizini površine menja se kada se biomolekuli vežu za površinu, a ugao SPR varira kao funkcija ove promene.

Svetlost fiksne talasne dužine odbija se od zlatne strane čipa pod uglom ukupne unutrašnje refleksije i detektuje unutar instrumenta. Ugao upadne svetlosti se menja kako bi se uskladila brzina širenja prolaznog talasa sa brzinom širenja površinskih plazmonskih polaritona. Ovo dovodi do toga da prolazni talas prodre kroz staklenu ploču i na određenu udaljenost u tečnosti koja teče preko površine.

Ostali optički biosenzori se uglavnom zasnivaju na promenama u apsorpciji ili fluorescenciji odgovarajućeg indikatorskog spoja i ne trebaju potpunu unutrašnju geometriju refleksije. Na primer, napravljen je potpuno operativni prototip uređaja za detekciju kazeina u mleku. Uređaj se zasniva na otkrivanju promena u apsorpciji zlatnog sloja. Široko korišten istraživački alat, mikročip, takođe se može smatrati biosenzorom.[13]

Biološki biosenzori[uredi | uredi izvor]

Biološki biosenzori često uključuju genetički modifikovane oblike prirodnog proteina ili enzime. Protein je konfiguriran da detektuje određeni analit, a signal koji sledi očitava se instrumentom za detekciju kao što je fluorometar ili luminometar. Primer nedavno razvijenog biosenzora je onaj za detekciju citosolne koncentracije analita cAMP-a (ciklički adenozin-monofosfat), drugog glasnika uključenog u ćelijsku signalizaciju koju pokreću ligandi u interakciji s receptorima na ćelijskoj membrani.[14]

Slični sistemi stvoreni su za proučavanje ćelijskih odgovora na prirodne ligande ili ksenobiotike (toksine ili inhibitore malih molekula). Takve "testove" obično koriste farmaceutske i biotehnološke kompanije u razvoju novih lekova. Većina cAMP testova u sadašnjoj upotrebi zahtevaju lizu ćelija pre merenja cAMP-a. Biosenzor živih ćelija za cAMP može se koristiti i u neliziranim ćelijama uz dodatnu prednost višestrukog čitanja za proučavanje kinetike odgovora receptora.[15]

Nanobiosenzori koriste bioreceptorsku sondu koja je selektivna za ciljne molekule analita. Nanomaterijali su izuzetno osjetljivi hemijski i biološki senzori. Materijali nanorazmera pokazuju jedinstvena svojstva. Njihova velika površina i volumen može postići brze i jeftine reakcije, koristeći različite dizajne.[16][17]

DNK biosenzori[uredi | uredi izvor]

Biosenzori koji se koriste za skrining DNK

DNK može biti analit biosenzora, detektovan na posebne načine, ali se može koristiti i kao deo biosenzora ili, teorijski, čak i kao celi biosenzor. Postoje mnoge tehnike za otkrivanje DNK, i odlično sredstvo za otkrivanje organizama koji imaju određenu DNK. Takođe za ovu namenu mogu se koristiti DNK sekvence.

Trenutno postoje pristupi koji su okrenuti budućnosti, u kojij se DNK može tako sintetizovati da zadrži enzime u biološkom, stabilnom gelu. Ostale primene su dizajn aptamera i sekvenci DNK koje imaju specifičan oblik da vežu željeni molekul. Najinovativniji procesi za ovo koriste DNK origami, stvarajući sekvence koje se savijaju u predvidljivu strukturu koja je korisna za detekciju.

Kreiran je i prototip senzora za detekciju DNK životinja iz usisavanog vazduha, "eDNK u vazduku".

Nanoantene napravljene od DNK – novi su tip optičke antene nano-razmera koje mogu da se pričvrste na proteine i proizvode signal putem fluorescencije kada obavljaju svoje biološke funkcije.

Biosenzor na bazi grafena[uredi | uredi izvor]

Grafen je dvodimenzionalna supstanca na bazi ugljenika sa vrhunskim optičkim, električnim, mehaničkim, termičkim svojstvima. Sposobnost apsorpcije i imobilizacije različitih proteina, posebno nekih sa strukturama ugljenikovog prstena, pokazala je da je grafen odličan kandidat za biosenzorski pretvarač. Kao rezultat toga, u novije vreme, istraženi su razni biosenzori na bazi grafena i razvijeni.

Budućnost biosenzora[uredi | uredi izvor]

Glavni cilj razvoj biosenzora je njihova primene u dijagnostici i terapiji, kako bi se detaljnije shvatile boleste i njihova terapija.

Biosenzori sa modernom tehnologijom i multiskrining strategijama imaju ogromnu primenu u različitim oblastima od dijagnostike do terapije. Zbog svoje isplativosti uz brze analize postaju veoma traženim. Multipleks biosenzori su sledeća forma za razvoj novih generacija biosenzora. Biosenzori sledeće generacije bi trebalo da imaju za cilj veću robusnost uz dugoročnu stabilnost. Glavni cilj je razvoj biosenzora za dijagnostiku kao i terapiju koji će pomoći u detaljnijem razumevanju bolesti i njihove terapije. S druge strane, upotreba nanomaterijala u biosenzorima takođe puža nove mogućnosti u smislu obezbeđivanja visoke osetljivosti, selektivnosti sa širokim linearnim opsegom. Nanomaterijali pomažu postojećoj tehnologiji da poboljša optička, elektrohemijska, kao i mehanička svojstva. Pošto biološki molekul igra glavnu ulogu u proizvodnji biosenzora i nanomaterijali imaju sposobnost da iskoriste biomolekul za različite primene.

Veliki uspeh prvih razvijenih biosenzora za detekciju glukoze otvara nove mogućnosti u oblasti biosenzora. Biosenzori su se pokazali kao odličan uređaj u različitim oblastima kao što su poljoprivreda, hrana, medicina, bezbednost i praćenje životne sredine. Upotreba nanomaterijala u proizvodnji biosenzora je bila svedok revolucije u ovoj oblasti zahvaljujući svojim odličnim svojstvima. Trenutno, DNK, aptamer, antitelo i enzim pružaju obećavajuću ulogu u poboljšanju performansi biosenzora.

Izvori[uredi | uredi izvor]

  1. ^ Khalilian, Alireza; Khan, Md. Rajibur Rahaman; Kang, Shin-Won (2017). „Highly sensitive and wide-dynamic-range side-polished fiber-optic taste sensor”. Sensors and Actuators B. 249: 700—707. doi:10.1016/j.snb.2017.04.088. 
  2. ^ Turner, Anthony; Wilson, George; Kaube, Isao (1987). Biosensors:Fundamentals and Applications. Oxford, UK: Oxford University Press. str. 770. ISBN 978-0198547242. 
  3. ^ Bănică, Florinel-Gabriel (2012). Chemical Sensors and Biosensors: Fundamentals and Applications. Chichester, UK: John Wiley & Sons. str. 576. ISBN 9781118354230. 
  4. ^ Dincer, Can; Bruch, Richard; Costa‐Rama, Estefanía; Fernández‐Abedul, Maria Teresa; Merkoçi, Arben; Manz, Andreas; Urban, Gerald Anton; Güder, Firat (15. 5. 2019). „Disposable Sensors in Diagnostics, Food, and Environmental Monitoring”. Advanced Materials. 31 (30): 1806739. ISSN 0935-9648. PMID 31094032. doi:10.1002/adma.201806739 Slobodan pristup. hdl:10044/1/69878. 
  5. ^ a b Palchetti, I.; Mascini, M. (2009-11-28), Biosensor Technology: A Brief History, Springer Netherlands, str. 15—23, ISBN 978-90-481-3605-6, doi:10.1007/978-90-481-3606-3_2, Pristupljeno 2023-05-16 
  6. ^ Cavalcanti, Adriano; Shirinzadeh, Bijan; Zhang, Mingjun; Kretly, Luiz (2008-05-06). „Nanorobot Hardware Architecture for Medical Defense”. Sensors. 8 (5): 2932—2958. ISSN 1424-8220. PMID 27879858. doi:10.3390/s8052932 Slobodan pristup. 
  7. ^ Newman, Jeffrey D.; Turner, Anthony P.F. (2005). „Home blood glucose biosensors: a commercial perspective”. Biosensors and Bioelectronics. 20 (12): 2435—2453. ISSN 0956-5663. PMID 15854818. doi:10.1016/j.bios.2004.11.012. 
  8. ^ Scheller, F.W.; Hintsche, R.; Pfeiffer, D.; Schubert, F.; Riedel, K.; Kindervater, R. (1991). „Biosensors: Fundamentals, applications and trends”. Sensors and Actuators B: Chemical. 4 (1–2): 197—206. ISSN 0925-4005. doi:10.1016/0925-4005(91)80198-s. 
  9. ^ a b Salehabadi, Ali; Enhessari, Morteza; Ahmad, Mardiana Idayu; Ismail, Norli; Gupta, Banshi Dhar (2023-01-01), Salehabadi, Ali; Enhessari, Morteza, ur., Chapter 1 - Introduction, Woodhead Publishing Series in Electronic and Optical Materials (na jeziku: engleski), Woodhead Publishing, str. 1—7, ISBN 978-0-323-85381-1, Pristupljeno 2023-05-17 
  10. ^ S.Zeng; Baillargeat, Dominique; Ho, Ho-Pui; Yong, Ken-Tye; et al. (2014). „Nanomaterials enhanced surface plasmon resonance for biological and chemical sensing applications” (PDF). Chemical Society Reviews. 43 (10): 3426—3452. PMID 24549396. doi:10.1039/C3CS60479A. hdl:10356/102043. Arhivirano iz originala (PDF) 6. 1. 2016. g. Pristupljeno 14. 9. 2015. 
  11. ^ Krupin, O.; Wang, C.; Berini, P. (2016). „Optical plasmonic biosensor for leukemia detection”. SPIE Newsroom (22 January 2016). doi:10.1117/2.1201512.006268. 
  12. ^ Homola, J. (2003). „Present and future of surface plasmon resonance biosensors”. Anal. Bioanal. Chem. 377 (3): 528—539. PMID 12879189. S2CID 14370505. doi:10.1007/s00216-003-2101-0. 
  13. ^ Hiep, H. M.; et al. (2007). „A localized surface plasmon resonance based immunosensor for the detection of casein in milk”. Sci. Technol. Adv. Mater. 8 (4): 331—338. Bibcode:2007STAdM...8..331M. doi:10.1016/j.stam.2006.12.010 Slobodan pristup. 
  14. ^ Fan, Frank; Binkowski, Brock F.; Butler, Braeden L.; Stecha, Peter F.; Lewis, Martin K.; Wood, Keith V. (2008). „Novel Genetically Encoded Biosensors Using Firefly Luciferase”. ACS Chemical Biology. 3 (6): 346—351. PMID 18570354. doi:10.1021/cb8000414. .
  15. ^ Urban, Gerald A. (2009). „Micro- and nanobiosensors—state of the art and trends”. Measurement Science and Technology. 20: 012001. S2CID 116936804. doi:10.1088/0957-0233/20/1/012001. 
  16. ^ Iqbal, M.; Gleeson, M. A.; Spaugh, B.; Tybor, F.; Gunn, W. G.; Hochberg, M.; Baehr-Jones, T.; Bailey, R. C.; Gunn, L. C. (2010). „Label-Free Biosensor Arrays Based on Silicon Ring Resonators and High-Speed Optical Scanning Instrumentation”. IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics. 16 (3): 654—661. Bibcode:2010IJSTQ..16..654I. S2CID 41944216. doi:10.1109/jstqe.2009.2032510. 
  17. ^ J. Witzens; M. Hochberg (2011). „Optical detection of target molecule induced aggregation of nanoparticles by means of high-Q resonators”. Opt. Express. 19 (8): 7034—7061. Bibcode:2011OExpr..19.7034W. PMID 21503017. doi:10.1364/oe.19.007034 Slobodan pristup. 

Spoljašnje veze[uredi | uredi izvor]

Mediji vezani za članak Biosenzor na Vikimedijinoj ostavi

Preuzeto iz „https://sr.wikipedia.org/w/index.php?title=Биосензор&oldid=25957030”