Biosensor

Biosensor on analüütiline seade analüüdi määramiseks, mis muudab keemilise reaktsiooni signaali elektriliseks või mõneks muuks mõõdetavaks signaaliks.

Biosensor koosneb kolmest põhikomponendist:
 tundlik bioloogiline element, mis annab sensorile spetsiifilisuse. Bioloogiliseks elemendiks on bioloogilised komponendid, mis jagatakse kahte rühma: katalüütilised (ensüümid, mikroorganismid ja koed) ning mittekatalüütilised (antikehad, retseptorid ja nukleiinhapped). Bioloogiline materjal võib olla seotud sensori pinnale kas otseselt (kovalentselt või mittekovalentselt) või moodustada osa sensori pinda katvast membraanist. Bioloogiliste elementide sidumiseks sensori pinnale on kõige tõhusam meetod pinna eelnev funktsionaliseerimine.
 transduktor (optiline, piesoelektriline, elektrokeemiline jne), mis muudab analüüdi ja bioloogilise elemendi vastastikmõjust tekkinud signaali mõõdetavaks signaaliks;
 biosensori signaaliluger, mis võimaldab tulemuste kuvamist kasutajasõbralikul viisil. Biosensori signaaliluger moodustab tihti kõige kallima osa sensorseadmest. Biosensori kõige tähtsam osa on sensorelement, mis koosneb bioloogiliselt aktiivse materjali kihist ja sensori pinnast (polümeer, klaas, metall). Bioloogiliselt aktiivse materjali kiht on keemilise reaktsiooni efektiivsemaks konverteerimiseks elektriliseks signaaliks võimalikult tihedas kontaktis elektronide transduktoriga.

Tavakasutuses on üks levinumaid biosensoreid glükomeeter, mida kasutatakse veresuhkru kvantitatiivseks testimiseks. Glükomeeter kasutab ensüüm glükoosi oksüdaasi, mis katalüüsib glükoosi oksüdeerimist glükonolaktooniks lahustunud hapniku toimel. 

Glükoos + O2 → Glükonolaktoon + H2O2 

Glükoosi hulk määratakse lahustunud hapniku kontsentratsiooni vähenemise kaudu.

Üheks esimeseks niinimetatud biosensoriks võib lugeda kanaarilindu, keda kasutati kaevandustes lõhnatute mürgiste gaaside määramiseks.

Biosensorite tüüpe

Fotomeetrilised
Paljud optilised biosensorid põhinevad SPR (pindkihi molekulide resonantsi) tehnoloogial, mis kasutab kulla ja teiste materjalide omadusi. Kõrge murdumisnäitajaga klaasi pinnale on kantud õhuke kulla kiht, mis absorbeerides laserikiirgust tekitab elektronlaineid. Elektronlained, mis tekivad teatud nurga all langevast kindla lainepikkusega valgusest, sõltuvad kulla pinnale kantud retseptori külge immobiliseerunud uuritava aine kogusest. Analüüdi seostumisega suureneb sensori pinnal oleva aine mass ja muutub pinna konformatsioon, mis omakorda mõjutab murdumisnäitajat ning pinnalt peegelduva laserikiire peegeldumisnurga muutuse järgi on võimalik teisendada bioloogilised interaktsioonid üsna kõrge tundlikkusega mõõdetavateks suurusteks.

Kiudoptiline hapnikuandur põhineb hapniku kontsentratsiooni määramisel luminestsentsi mõõtmise teel. Andur koosneb optilisest kiust, millele on kantud hapnikutundlik materjal; valgusallikast, mis ergastab hapnikutundlikku materjali; luminestsentsi detektorist; väljundvoolu võimendist ja signaali analüüsiks kasutatavast seadmest. Hapnikutundlikud molekulid ergastatakse sinise valgusega, mille tulemusena hakkavad molekulid punaselt luminestseeruma. Tekkinud valgus suunatakse valgusdetektorisse, kus registreeritakse selle intensiivsus. Kuna hapnik kustutab anduri hapnikutundlikus materjalis luminestsentsi, siis on hapniku kontsentratsiooni võimalik määrata nii luminestsentsi intensiivsuse kui ka selle eluea alusel.
 
Nanobiosensor kasutab sensori pinnale immobiliseeritud bioretseptorit, mis on selektiivne määratava analüüdi molekulide suhtes. Nanobiosensorites kasutatakse ära nanotehnoloogilistele materjalidele omaseid unikaalseid omadusi. Nimelt oma suure pindala ja mahu suhtega võimaldavad nanotehnoloogilistel materjalidel põhinevad sensorid saavutada kiireid ja vähese analüüdikuluga reaktsioone.

Elektrokeemilised
Elektrokeemilisi biosensoreid kasutatakse nende lihtsuse tõttu kõige enam. 
Elektrokeemilised biosensorid põhinevad tavaliselt ensümaatilise katalüüsi reaktsioonil, mis liidab või loovutab elektrone (selliseid ensüüme nimetatakse redoksensüümideks). Sensor koosneb tavaliselt kolmest elektroodist: referents-, töö- ja abielektroodist. Määratav analüüt võtab osa aktiivse elektroodi pinnal toimuvast reaktsioonist, mille tulemusena toimub kas elektronide ülekanne läbi kaksikkihi (tekitades voolu) või kaksikkihi potentsiaali muutus (tekitades pinget). Analüüdi kontsentratsiooni määramiseks võib seega mõõta nii voolu konstantsel potentsiaalil (elektronide voog on proportsionaalne analüüdi kontsentratsiooniga) või potentsiaali nullvoolu juures (see annab logaritmilise sõltuvuse).

Potentsiomeetriline biosensor (potentsiaal tekitatakse nullvoolu juures) annab logaritmilise sõltuvuse laias dünaamilises alas. Neil on ainult kaks elektroodi ja nad on äärmiselt tundlikud. Nad võimaldavad analüüdi määramist ilma põhjaliku proovi ettevalmistuseta ning avastamispiiriga, mis oli varem võimalik saavutada vaid HPLC ja LC/MS abil. Üldiselt vajavad kõik biosensorid enne proovi sisestamist minimaalset prooviettevalmistust, sest bioselektiivne komponent on analüüdi suhtes kõrge tundlikkusega. Signaal tekib elektrokeemiliste ja füüsikaliste muutuste tulemusena juhtiva polümeeri kihil ning on põhjustatud sensori pinna muutustest. Neid muutusi võib seostada ioontugevuse, pH, hüdratsiooni- või redoksreaktsiooniga.

Amperomeetrilised biosensorid mõõdavad elektroodide konstantse pinge juures elektroodireaktsiooni tulemusena tekkivat voolutugevust. Nende tundlikkus ja dünaamiline ala sarnanevad tavaliselt potentsiomeetrilise biosensori omadega. Kõige lihtsam amperomeetriline sensor kasutab nn Clarki hapnikelektroodi, mis koosneb plaatina katoodist, millel toimub hapniku redutseerumine ja hõbe-hõbekloriid võrdluselektroodist (anood). Elektroodid on sukeldatud küllastatud kaaliumkloriidi lahusesse ja eraldatud õhukese hapnikku läbilaskva plastmembraani abil. Anoodi ja katoodi vahele rakendatakse pinge −0,6 V ning protsessi tulemusena tekkiv vool on võrdeline hapniku kontsentratsiooniga. 

Elektroodidel toimuvad reaktsioonid:

Ag anood: 4Ag0 + 4Cl → 4AgCl + 4e-

Pt katood: O2 + 4H+ + 4e- → 2H2O 

Katoodi pinnal toimuva hapniku redutseerumise ja selle tulemusena tekkiva voolu tugevus sõltub hapniku difundeerumise kiirusest, mis omakorda sõltub kontsentratsioonigradiendist.

Muud biosensorid
Piesoelektriline biosensor kasutab kristalle, mis deformeeruvad elektrivälja toimel. Elektriväli põhjustab kristalli vibratsiooni talle iseloomuliku sagedusega, sõltuvalt tema koostisest, paksusest ja sellest, kuidas ta on lõigatud. Näiteks kui kristall on kaetud bioloogilise analüüti äratundva elemendiga, siis analüüdi adsorbeerumine tekitab resonantssageduse muutust, mida on kerge mõõta, sest nüüdisaegsed elektroonilised mõõteriistad suudavad kindlaks teha juba väikese resonantssageduse muutuse.

Bionina on tundlik seade kahjulike ainete määramiseks proovides. Elusorganismid on nagu keemiatehased, kus toimub iga päev tuhandeid reaktsioone, mida kontrollivad ja reguleerivad ensüümid. Iga ensüüm tunneb ära kindla molekuli uuritavas aines ja viib läbi reaktsioone nende molekulidega. Kasutades ära ensüümide spetsiifilisust, on võimalik konstrueerida sensoreid ka väiksemate pestitsiidide, antikehade, lämmastikühendite sisalduse määramiseks uuritavates aines. Uuringud niinimetatud bioninade kasutamiseks narkootiliste- ja saasteainete kiire ja efektiivse määramise suunas arenevad jõudsalt.

Termomeetrilised biosensorid mõõdavad ensüümreaktsioonide käigus tekkivat soojusefekti. Reaktsioonid viiakse läbi termiliselt isoleeritud anumas ning temperatuuri erinevusi analüüsitava aine ja produkti vahel mõõdetakse termistoritega. 

Konduktomeetrilised biosensorid mõõdavad reaktsiooni tagajärjel ioonide kontsentratsiooni muutusest tingitud elektrijuhtivuse muutust keskkonnas.

Konduktomeetrilised ja termomeetrilised biosensorid ei ole eriti levinud.

Biosensorite rakendused

Biosensoritele leidub rakendusi paljudes valdkondades. 
Näiteid biosensorite kasutamise kohta:
 glükoosimonitooring diabeedihaigetel;
 muud meditsiinilised uuringud;
 keskkonnaalased rakendused, näiteks pestitsiidide ja veekogude saasteainete määramine;
 patogeenide määramine;
 ainete toksilisuse mõõtmine enne ja pärast bioremidatsiooni (tehnoloogia, mis kasutab saasteainete eemaldamiseks proovist mikroorganismide metabolismi);
 organofosfaatide määramine;
 rutiinne foolhappe, biotiini, B12-vitamiini ja pantoteenhappe analüütiline mõõtmine alternatiivina mikrobioloogilisele analüüsile;
 antibiootikumijääkide määramine;
 toksiliste metaboliitide, näiteks mükotoksiinide määramine.

Vaata ka
Biotransistor
Elektrooniline nina

Viited

Mõõteriistad
Biotehnoloogia